【正文】 Northeastern University 金屬材料的制備方法 （冶金） 第 3講 材料的制備方法 東北大學(xué) 2023 年 11 月 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 根據(jù)金屬所具性質(zhì)的不同，金屬的分類方法有多種。 在冶金工業(yè)上，常把金屬分為黑色金屬和有色金屬。 其中鐵、鉻、錳或它們的合金的表面常有呈灰黑色的氧化物，所以習(xí)慣上稱這類金屬為黑色金屬。 ???有色金屬：其它金屬等、黑色金屬：金屬CrMnFe金屬的分類 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 定義： 具有金屬特性的多種元素的混合物 ?印刷鉛字是錫 、 鉛 、 銻合金； ? 青銅為銅 、 錫合金； 黃銅為銅 、 鋅合金； ?生鐵是鐵和碳的合金 ， 調(diào)節(jié)碳的比例就可精煉成鋼 。 ?低共熔混合物 （ 低共熔合金 ） ：當(dāng)兩種金屬按一定組成比共熔時(shí) ，其熔點(diǎn)總比任何一組分金屬熔點(diǎn)要低 。 當(dāng)組成為某一定值時(shí) ， 熔點(diǎn)最低 ， 此熔點(diǎn)即為最低共熔溫度 。 ?如鉍的熔點(diǎn)為 544K， 鎘的熔點(diǎn)為 594K， 含 40％ 鎘和 60％ 鉍的混合物為低共熔混合物 ， 其熔點(diǎn)為 413K。 合金 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 因此 ， 要獲得各種金屬及其合金材料 ． 必須首先通過各種方法將金屬元素從礦物中 提取 出來 ， 接著對粗煉金屬產(chǎn)品進(jìn)行 精練提純 和 合金化處理 ， 然后 澆注成錠 ， 加工成形 ， 才能得到所需成分 、 組織和規(guī)格的金屬材料 。 一、冶金工藝概述 絕大多數(shù)金屬元素（除 Au、 Ag、 Pt外）都以 氧化物、碳化物等化合物的形式存在 地殼之中。 金屬的冶金工藝可以分為 火法冶金 、 濕法冶金 、 電冶金以及真空冶金 等 。 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 火法冶金 ： 利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的方法 。 ? 工藝過程 ： 礦石準(zhǔn)備 礦石冶煉 精煉提純 選礦、焙燒球化或燒結(jié) 金屬化合物的還原 除去雜質(zhì)提純金屬 一、冶金工藝概述 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ? 工藝方法分類 ： 火法冶金 提取 冶金 真空 冶金 噴射 冶金 氯化 冶金 一、冶金工藝概述 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 濕法冶金 ： 利用一些化學(xué)溶劑的化學(xué)作用，在水溶液或非水溶液中進(jìn)行包括氧化、還原、中和、水解和絡(luò)合等反應(yīng)，對原料、中間產(chǎn)物或二次再生資源中的金屬進(jìn)行提取和分離的冶金過程。 ? 工藝過程 ： 離 子 浸 取 固 液 分 離 金屬或化 合物提取 溶 液 富 集 一、冶金工藝概述 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 電冶金 ： 利用電能從礦石或其它原料中提取 、 回收 、 精煉金屬的冶金過程 。 ? 工藝分類 ： 電熱熔煉 ：直接用電加熱生產(chǎn)金屬的一種冶金方法。電熱熔煉包括 電弧熔煉 、 等離子熔煉 和 電磁熔煉 等。 水溶液電解 ：應(yīng)用 水溶液電解精煉金屬 的一種冶金方法。 一、冶金工藝概述 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 熔鹽電解： 直接利用高導(dǎo)電率、低熔點(diǎn)的熔鹽作為電解質(zhì)在熔池中進(jìn)行電解。 一、冶金工藝概述 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 應(yīng)用廣泛的金屬材料 — 鋼鐵 （ 1）鐵和鐵合金 （ 2）鋼鐵是怎樣煉成的 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 F18大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī) 我軍陸戰(zhàn)王牌 99式主戰(zhàn)坦克 二、鋼鐵冶煉 軍事上離不開鋼鐵 中國九五式突擊步槍 海軍 109驅(qū)逐艦 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 神六 神五 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 我們的生活中也離不開鋼鐵 廣州丫髻沙大橋 雷諾汽車 生活用品 磁懸浮列車 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 自從 1980年阿爾溫 托夫勒 （《 第三次浪潮 》 的作者 ， 美國未來學(xué)家 ）到處鼓吹鋼鐵是夕陽工業(yè)以來 ， 使人們產(chǎn)生了一種錯(cuò)覺 ， 似乎發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)必須壓縮鋼鐵工業(yè) ， 鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)沒有必要 ， 也不可能繼續(xù)發(fā)展 。 而二十多年來的事實(shí)表明： ?鋼鐵生產(chǎn)需求接近飽和 ， 世界產(chǎn)鋼量沒有顯著增長 ， 但是也沒有萎縮； ?鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)和冶金工程科學(xué)仍在不斷更新 ， 新技術(shù)層出不窮； ?鋼鐵材料品種繼續(xù)增多 ， 鋼的性能和品質(zhì)有大幅度提高 。 為什么非常古老的鋼鐵有這樣強(qiáng)的生命力呢 ？ 這首先決定于鋼鐵的基體特性 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 鋼鐵的分類 鋼 碳素鋼 合金鋼 結(jié)構(gòu)鋼 工具鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼 合金工具鋼 特殊性能鋼 合金模具鋼 黑色金屬 白口鑄鐵 灰口鑄鐵鋼 生鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鑄造生鐵 煉鋼鑄鐵 合金鑄鐵 鐵合金 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 Fe在地殼中的含量為 5％ 左右 ， 在金屬中僅次于鋁 ， 除隕石外 ， 純鐵在地殼中還未見到 ， 鐵容易與其它元素化合 ，特別是與氧化合 ， 因此 鐵礦石多以氧化物形式存在 。 鐵礦石中除鐵的氧化物外 ， 還有其它元素的氧化物 (SiOMnO2 等 )， 這些 統(tǒng)稱為脈石 。 煉鐵的目的 就是使鐵從鐵的氧化物中還原 ， 并使還原出的鐵與脈石分離 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 鐵礦石 脈石 和硫磷雜質(zhì) 鐵化合物 Fe3O4(磁鐵礦石 ) Fe2O3(赤鐵礦石 ) FeS2 (黃鐵礦石 ) FeCO3(菱鐵礦石 ) 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 磁鐵礦 — Fe3O4 二、鋼鐵冶煉 主要礦物是磁鐵礦，呈黑色金屬光澤，磁性強(qiáng)（復(fù)合礦可通過磁選富集鐵分），在自然界中純磁鐵礦礦石較少，常含有TiO2及 V2O3組成復(fù)合礦石，即釩鈦磁鐵礦，由于受氧化作用，磁鐵礦易被氧化成赤鐵礦，有的仍保留著磁鐵礦石的結(jié)晶形態(tài)，但無磁性，被稱為假象赤鐵礦或半假象赤鐵礦。 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 顏色呈紅色或紅褐色，故又稱為紅礦。主要礦物為赤鐵礦，無磁性，但組織疏松，易破碎，還原性優(yōu)于磁鐵礦。赤鐵礦石廣泛分布于自然界中，常形成巨大的礦床，就世界范圍而言，其儲(chǔ)量最多（占鐵礦石總儲(chǔ)量的 %），是煉鐵的最主要鐵礦石資源。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 褐鐵礦 — 常為含不同分子結(jié)晶水的赤鐵礦，褐鐵礦吸附著大量水分，加熱時(shí)失去結(jié)晶水和游離水，使礦石氣孔率增加，故還原性好，同時(shí)，由于去掉了水分，相應(yīng)提高了礦石的品位。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 菱鐵礦 — FeCO3 它是含鐵的碳酸鹽 。 在自然界中 ， 有工業(yè)開采價(jià)值的菱鐵礦比其它三種礦石要少 ， 含鐵量不高 ， 但受熱分解放出 CO2后 ， 不僅含鐵量顯著提高 ， 而且也變得疏松多孔 ， 易還原 。 當(dāng)鐵礦石含鐵量過低 ， 就需要將它們粉碎(－ )， 然后富選成含鐵高的精礦粉 ， 一般精礦粉的含鐵量在 63%68%之間 。由于高爐煉鐵需要?dú)饬魍〞?， 所以只能加入塊礦 ， 精礦粉要通過燒結(jié)的辦法制成燒結(jié)礦或通過球團(tuán)的辦法焙燒成球團(tuán)礦 。 燒結(jié)礦和球團(tuán)礦統(tǒng)稱人造富礦 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 黃鐵礦 — FeS2 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 鋼鐵是怎樣煉成的 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 鋼鐵的冶煉歷史 13世紀(jì)末以前 ， 古代人的冶煉方法十分簡單 ， 利用自然地形將鐵礦石與木炭一起放入稱為地窯爐的爐膛內(nèi) ， 加熱冶煉 ， 因不能獲得熔化礦石的高溫 ， 僅能制成半熔融狀態(tài)的鐵塊 ， 其中混雜有相當(dāng)多的氧化鐵渣 ， 稱為海綿鐵 。 其含碳量極低 ， 所以塑性較高 ， 經(jīng)鍛打成型 ， 制成器具 ， 在此時(shí)期 ， 冶煉工場在出產(chǎn)鐵礦石和木材豐富的山區(qū)非常發(fā)達(dá) 。 第一個(gè)發(fā)展階段 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 13世紀(jì)末至 19世紀(jì)中葉 ， 隨著鐵的需要以及鼓風(fēng)技術(shù)的發(fā)展 ， 爐子越來越高 ， 逐漸形成現(xiàn)代高爐的雛形 木炭爐 。 由于爐容增大 ， 采用鼓風(fēng)技術(shù) ， 使單位時(shí)間內(nèi)燃燒的燃料量增加了 ， 爐內(nèi)溫度提高 ， 能得到熔融狀態(tài)的生鐵 ， 這種生鐵冷卻后很脆 ，不能鍛造成器具 。 后來將生鐵作原料和礦石 、 木炭一起在爐內(nèi)再進(jìn)行冶煉 ， 得到性能比生鐵好的粗鋼 （ 也叫熟鐵 ） 。 從此鋼鐵冶煉就開始了一直沿用至今的二步冶煉法：第一步 ， 從礦石中冶煉出生鐵 ， 第二步把生鐵精煉成鋼 。 第二個(gè)發(fā)展階段 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 第三個(gè)發(fā)展階段 19世紀(jì)中期至今 ， 以生鐵為原料在高溫下精煉成鋼 ， 一直是鋼鐵生產(chǎn)的主要方法 。 在此期間 ， 高爐鼓風(fēng)由熱風(fēng)代替冷風(fēng) ， 并建產(chǎn)了蓄熱式熱風(fēng)爐 ，鼓風(fēng)動(dòng)力采用電力 。 建立了作為生鐵精煉爐的轉(zhuǎn)爐 、 平爐 、 電爐的煉鋼法 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 生鐵 （ 主要產(chǎn)品 ） ：分為煉鋼生鐵和鑄造生鐵 。 爐渣 （ 副產(chǎn)品 ） ：含 SiO CaO和 Al2O3的鋁硅酸鹽 ， 主要用于生產(chǎn)水泥 。 煤氣 （ 副產(chǎn)品 ） ：含 26％ 左右的 CO， 用作燃料 。 煉鐵產(chǎn)品及副產(chǎn)品： ? 煉鋼的目的 ：除去生鐵中多余的碳和大量雜質(zhì)元素 ， 使其化學(xué)成分達(dá)到鋼的要求 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 1 黑色金屬的生產(chǎn) 高爐冶煉生產(chǎn)過程 高爐附屬系統(tǒng)： 原料系統(tǒng) 。 送風(fēng)系統(tǒng) 。 燃料噴吹系統(tǒng) 。 除塵系統(tǒng) 。 渣鐵處理系統(tǒng) 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ? 原料系統(tǒng)： 煉鐵原料主要包括鐵礦石、焦炭、石灰石（和白云石）、錳礦石和一些鐵礦石的替代品。 ? 送風(fēng)系統(tǒng)： 送風(fēng)系統(tǒng)為高爐連續(xù)穩(wěn)定地提供足夠的熱風(fēng)，是高爐正常冶煉的前提，單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)量的高低決定了生產(chǎn)率。 ? 燃料噴吹系統(tǒng)： 為緩解焦煤資源短缺而采用的噴出燃料技術(shù)已普及，它包括煤粉制備、儲(chǔ)存、空壓機(jī)、高壓泵及一系列管道閥門輸送設(shè)備及噴槍等。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ? 除塵系統(tǒng)： 從爐頂逸出的含塵高達(dá) 40100g/m3的高爐煤氣 ， 經(jīng)過一系列除塵設(shè)備 ， 包括粗除塵 (如重力除塵 )、 半精細(xì)除塵 (洗滌塔 )、 精細(xì)除塵 (文氏管 、 靜電除塵器 )等 ， 使其含塵量降到15m