【正文】 三、有色金屬的生產(chǎn) Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ●物理性質(zhì)和用途 —— 高熔點(diǎn)，輕，抗腐蝕，承受超低溫 廣泛應(yīng)用于航天飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、潛艇、輪船和化工設(shè)備，制備盛放液氮和液氧的器皿 —— 有生物相容性 接骨和人工關(guān)節(jié)，譽(yù)為“生物金屬” —— 氫反應(yīng)形成氫化物，作為 儲(chǔ)氫材料 3. 金屬鈦的冶煉 三、有色金屬的生產(chǎn) Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ● 化學(xué)性質(zhì) —— 鈦標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為 ， 在空氣中迅速與氧生成致密的氧化物膜而鈍化 ， 其在室溫下不與水 、 稀酸和堿反應(yīng) —— 鈦能生成配合物 TiF62而可溶于氫氟酸或酸性氟化物溶液 Ti + 6HF = TiF62 + 2H+ + 2H2 —— 鈦能溶于熱的濃鹽酸，生成綠色的 TiCl3 由此鎂及鎂合金獲得 “ 21世紀(jì)的綠色工程材料 ” 的美譽(yù) 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 鋁突出的化學(xué)性質(zhì)（親氧性） （ 1） 接觸空氣或氧氣 形成一層致密的氧化膜 ， 覆蓋阻止內(nèi)層鋁被氧化； 鋁不溶于水和酸 、 在空氣中或水中穩(wěn)定 。 ? 研究室開(kāi)發(fā)出基于電渣重熔方法制造復(fù)合坯料的新工藝，這種新的流程能夠?qū)⒒瘜W(xué)成分相差很大的不同材料復(fù)合在一起，并保證各層之間高質(zhì)量的熔融，和最小稀釋度。 ? 尤其值得重視的是電渣熔鑄異形件的發(fā)展，小到幾十克重的不銹鋼假牙齒，大到幾十噸重的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，直至重量超過(guò)百?lài)嵉乃嗷剞D(zhuǎn)窯爐圈等，均可不經(jīng)鍛造在異形水冷結(jié)晶器中直接熔鑄成型。由于在上述供電回路中熔渣的電阻相對(duì)較大，占據(jù)了變壓器二次電壓的大部分壓降，從而在渣池中產(chǎn)生了大量的焦耳熱，使其處于高溫熔融狀態(tài)。 現(xiàn)代電渣冶金技術(shù)是由前蘇聯(lián)發(fā)展起來(lái)的。 3） 壓力的變化使冶金物理化學(xué)理論分析增加了一個(gè)變量 。 真空應(yīng)用最廣而且效果明顯 。 真空是爐外精煉中廣泛應(yīng)用的一種手段 。 （ 2）深脫碳，滿足低碳或超低碳鋼的要求。 ? 將煉鋼分兩步進(jìn)行的好處是：可提高鋼的質(zhì)量 ， 縮短冶煉時(shí)間 ， 簡(jiǎn)化工藝過(guò)程并降低生產(chǎn)成本 。如用單渣法冶煉時(shí)，氧化末期須扒氧化渣；用雙渣法造還原渣時(shí)，原來(lái)的氧化渣必須徹底放出，以防回磷等。 ? 電弧煉鋼爐按每噸爐容量所配變壓器容量的多少分為普通功率電弧爐 、高功率電弧爐和超高功率電弧爐 。 ? 感應(yīng)爐只發(fā)生熔化而不發(fā)生冶煉作用，因此可按照需要的成分預(yù)先配好人爐原料。 冶煉過(guò)程一般分為熔化期 、 氧化期和還原期 ， 在爐內(nèi)不僅能造成氧化氣氛 ， 還能造成還原氣氛 ， 因此脫磷 、 脫硫的效率很高 。 整個(gè)過(guò)程只需 15分鐘左右 。 開(kāi)始時(shí) ， 轉(zhuǎn)爐處于水平 ， 向內(nèi)注入 1300攝氏度的液態(tài)生鐵 ， 并加入一定量的生石灰 ， 然后鼓入空氣并轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)爐使它直立起來(lái) 。 ?雖然目前世界上仍在生產(chǎn)的平爐已普遍采用氧氣煉鋼 ， 生產(chǎn)率有較大的提高 ， 但除塵系統(tǒng)復(fù)雜 ， 投資高昂 ， 因此平爐煉鋼不再發(fā)展 ， 甚至有拆除改建為頂吹或底吹轉(zhuǎn)爐的趨勢(shì) 。 這種煉鋼法也稱(chēng)為 “ 平爐煉鋼法 ” 。P 2O5 FeS + CaO = FeO + CaS 由于 P、 S元素的存在嚴(yán)重影響鋼的性能，所以必須脫除。落下的爐料中殘余的氧化鐵在這里得到最終還原。在眾多的試驗(yàn)中，一步法都沒(méi)有獲得成功，從20世紀(jì) 70年代始，國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)的大多數(shù)是二步法。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ? 熔融還原法是指不以焦炭為燃料，以煤炭為主要能源，使用天然富礦、人造富礦（燒結(jié)礦或球團(tuán)礦）取代高爐生產(chǎn)液態(tài)生鐵的方法。 窯緩慢旋轉(zhuǎn)使礦和煤在被加熱和還原的同時(shí)向出料端移動(dòng) 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ? 窯體稍有傾斜（ 4%的斜度），窯中裝有耐火襯，在窯頭、窯中、窯尾設(shè)有耐火材料擋圈以增加爐料停留時(shí)間。然后海綿鐵進(jìn)入下部沒(méi)有磚襯的冷卻帶，用專(zhuān)門(mén)的冷卻氣或爐頂氣冷卻，冷卻到 30℃ 時(shí)排出爐外，可保證海綿鐵在大氣中不再氧化，細(xì)碎的產(chǎn)品可壓制成塊存放，供電爐熔煉使用。 Midrex氣基法屬豎爐法，為美國(guó)米德萊克斯（ Midrex）公司所發(fā)明，是目前最完善、生產(chǎn)能力最強(qiáng)、使用最普遍的直接還原煉鐵法。危害電爐鋼品質(zhì)的有害元素，如銅、砷等則因?yàn)殡姞t鋼品種不同而有不同的要求。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ? （ 4） 選礦技術(shù)的提高 ， 擴(kuò)大了直接還原煉鐵法的礦石資源 。 礦石中的脈石成分既不能熔化造渣脫除 ， 也不能被還原 ， 因而直接還原鐵中幾乎保留了鐵礦石中的全部脈石雜質(zhì) ， 實(shí)際生產(chǎn)中仍需要用電爐精煉成鋼 。 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(guò)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15mg/m3以資利用 。 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(guò)程 高爐附屬系統(tǒng)： 原料系統(tǒng) 。 從此鋼鐵冶煉就開(kāi)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 。 當(dāng)鐵礦石含鐵量過(guò)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 。 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 。 水溶液電解 ：應(yīng)用 水溶液電解精煉金屬 的一種冶金方法。 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(guò)各種方法將金屬元素從礦物中 提取 出來(lái) ， 接著對(duì)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 。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(lèi)方法有多種。 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。 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。 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(guò)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(wú)磁性，被稱(chēng)為假象赤鐵礦或半假象赤鐵礦。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(guò)燒結(jié)的辦法制成燒結(jié)礦或通過(guò)球團(tuán)的辦法焙燒成球團(tuán)礦 。 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 。 送風(fēng)系統(tǒng) 。 ? 渣鐵處理系統(tǒng)： 處理好從渣鐵口排放的高溫液態(tài)渣鐵是保證高爐正常生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié) ， 它包括爐前出鐵場(chǎng)及設(shè)備 ， 渣鐵輸送設(shè)備 、 鑄鐵機(jī) ， 鐵水爐外處理設(shè)備 ， 水渣場(chǎng)等 。 電爐精煉的主要任務(wù)是熔化脫除雜質(zhì)和調(diào)整鋼的成分 ， 而不是氧化脫碳 。 原來(lái)只能使用雜質(zhì)少且品位高的天然富礦 ， 現(xiàn)在高品位鐵精礦粉制造的球團(tuán)礦 ， 其脈石含量可以降低到不需要在還原生產(chǎn)中脫除 ， 使直接還原技術(shù)簡(jiǎn)化 ， 而且產(chǎn)量提高 。 ? 直接還原法煉鐵法對(duì)于還原性和軟化溫度也有嚴(yán)格要求。它由供料系統(tǒng)、還原豎爐、煙氣處理、天然氣重整爐組成。直接還原后的廢氣中仍含有大量的 CO和 H2（約占 70%），通過(guò)洗滌器從新返回到重整爐，然后進(jìn)入豎爐循環(huán)使用。 ? 煤燃燒所需要的空氣通過(guò)風(fēng)管沿軸向吹入窯中，風(fēng)管安裝在沿窯長(zhǎng)方向的不同部位。 窯頭外設(shè)有燒嘴燃燒燃料 。 ? 熔融還原煉鐵法與直接還原煉鐵法不同，熔融還原的發(fā)展目標(biāo)是 代替高爐煉鐵法 ，產(chǎn)品是與高爐鐵水性質(zhì)相近的液態(tài)生質(zhì)，仍是轉(zhuǎn)爐煉鋼的原料；而直接還原煉鐵法產(chǎn)品是 海綿鐵 ，代替廢鋼供電爐煉鋼使用。 ? Corex 法是奧地利和德國(guó)于 20世紀(jì) 70年代末聯(lián)合開(kāi)發(fā)的，是目前惟一已形成生產(chǎn)能力的熔融還原煉鐵法，而且其投資、生產(chǎn)成本、鐵水質(zhì)量等幾個(gè)方面已經(jīng)基本上可以與傳統(tǒng)的焦炭高爐煉鐵法相竟?fàn)?。還原的金屬鐵滲碳，爐料熔化而使渣鐵分離。 造渣除 P、 S： 脫氧：消除鋼中的氧化雜質(zhì) ， 提高鋼的質(zhì)量 。 也就是今天的平爐 ， 并用于煉鋼生產(chǎn) ， 平爐煉鋼法 ， 擴(kuò)大了原料的來(lái)源 ， 生鐵 ， 廢鋼 、 鐵屑 、 熟鐵 、 鐵礦石均可 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 堿性平爐煉鋼：以液態(tài)生鐵或廢鋼為原料；利用爐氣和礦石供氧；以氣體或液體燃料供熱 。 這時(shí)液態(tài)生鐵表面劇烈的反應(yīng) ， 使鐵 、 硅 、 錳氧化 (FeO,SiO2 , MnO) 生成爐渣 ，利用熔化的鋼鐵和爐渣的對(duì)流作用 ， 使反應(yīng)遍及整個(gè)爐內(nèi) 。 如果空氣是從爐低吹入 ， 那就是低吹轉(zhuǎn)爐 。 ? 以廢鋼為原料的電爐煉鋼 ， 比之高爐轉(zhuǎn)爐法基建投資少 ， 同時(shí)由于直接還原的發(fā)展 ， 為電爐提供金屬化球團(tuán)代替大部分廢鋼 ， 因此就大大地推動(dòng)了電爐煉鋼 。感應(yīng)加熱時(shí)產(chǎn)生的渦流，對(duì)熔體有攪動(dòng)作用，使鋼的成分均勻一致。 ? 電弧爐煉鋼是通過(guò)石墨電極向電弧煉鋼爐內(nèi)輸入電能 ， 以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進(jìn)行煉鋼 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 煉鋼： 生鐵 → 鋼 (1)需要做到： ①降：降低含碳量 ②除：除去硫、磷等雜質(zhì) ③調(diào)：調(diào)節(jié)合金元素的含量 （ 2 )基本反應(yīng)原理： 利用氧化還原反應(yīng)，在高溫下，用氧化劑（用純氧氣）把生鐵中過(guò)多的碳和其它雜質(zhì)氧化除去。 ? 爐外精煉的種類(lèi)很多 ， 大致可分為常壓下?tīng)t外精煉和真空下?tīng)t外精煉兩類(lèi) 。在特定條件下，把碳脫到極低的水平。 （ 3） 攪拌 通過(guò)攪拌擴(kuò)大反應(yīng)界面 ， 加速反應(yīng)物質(zhì)的傳遞過(guò)程 ， 提高反應(yīng)速度 。 吹氬時(shí)的氬氣泡也可看作小的真空因?yàn)槠渲?CO、 H N2 的分壓均很小 。 在常壓下往往將相律公式簡(jiǎn)化為 F=CP+1， 但當(dāng)壓力變化時(shí) ， 相律公式仍應(yīng)恢復(fù)為 F=CP+2 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 （ 2）金屬的真空脫氧 真空條件下碳的脫氧能力 在常壓下進(jìn)行冶煉時(shí)，碳的脫氧能力較低，必須使用強(qiáng)脫氧劑進(jìn)行終脫氧。烏克蘭巴頓電焊研究院在埋弧焊接過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)，過(guò)多的渣液會(huì)使電弧熄滅，并使操作變得平穩(wěn)，于是發(fā)明了電渣焊。由于渣池的溫度遠(yuǎn)大于金屬的熔點(diǎn)，從而使自耗電極的端部逐漸加熱熔化，熔化的金屬匯聚成液滴，在重力的作用下金屬熔滴從電極端頭脫落，穿過(guò)渣池進(jìn)入金屬熔池，由于水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻，液態(tài)金屬逐漸凝固成鋼錠。現(xiàn)在電渣熔鑄的主要產(chǎn)品有大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)葉片、船舶柴油機(jī)大型曲軸、各種高壓容器、大型環(huán)件、各類(lèi)軋輥、模具、透平渦輪盤(pán)、厚壁中空管、石油裂化管、齒輪毛坯、三通管、核電站壓水堆主回路管道等。新工藝實(shí)現(xiàn)了工具鋼 碳鋼、含鎳高溫合金 碳鋼、銅 鋼復(fù)合雙金屬鋼錠的生產(chǎn)。 三、有色金屬的生產(chǎn) 1. 金屬鋁的冶煉 Northeastern