【正文】 niversity 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 。 煤氣 （ 副產(chǎn)品 ） ：含 26％ 左右的 CO， 用作燃料 。 （ 3）設(shè)備：高爐 （ 2）原料： 鐵礦石、焦炭、石灰石 、空氣 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 C+O2=CO2 CO2+C=2CO 3CO+Fe2O3 =2Fe+3CO2 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 非高爐煉鐵法 1. 直接還原煉鐵法 直接還原法 是指在鐵礦石熔化溫度下把鐵礦石還原成海綿鐵的煉鐵生產(chǎn)過程 ， 產(chǎn)品叫直接還原鐵或海綿鐵 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 含鐵原料 ? 品位的高低是最重要的品質(zhì)，由于直接還原鐵大多用于電爐煉鋼，它的殘留脈石會(huì)使電爐煉鋼電耗升高，生產(chǎn)率降低，爐襯壽命縮短，危害較大。還原氣入爐時(shí)溫度為 750900℃ ，送入距豎爐頂部 2/3處的還原帶。 SL/RN是由美國、德國、加拿大的 4家創(chuàng)立此法的各公司名字的字首縮與而成的。一步法熔融還原是在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)完成鐵礦石還原和渣鐵分離全部過程的方法。至 1976年，轉(zhuǎn)爐鋼已占世界鋼總產(chǎn)量的 70％。 ?平爐煉鋼法的最大缺點(diǎn)是冶煉時(shí)間長(zhǎng) （ 一般需要 6~8h） ， 燃料耗損大 （ 熱能的利用只有 20~25％ ） ， 基建投資和生產(chǎn)費(fèi)用高 。 當(dāng)磷與硫逐漸減少 ， 火焰退落 ， 爐口出現(xiàn)四氧化三鐵的褐色蒸汽時(shí) ， 表明鋼已煉成 。當(dāng)碳 、 磷含量合格時(shí) ， 扒去氧化性爐渣 ． 再加入石灰 、 螢石 、 電石 、 硅鐵等造渣劑和還原劑 ， 形成高堿度還原渣 ， 脫去鋼中的氧和硫 。例如氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐造渣和吹氧操作是為了生成有足夠流動(dòng)性和堿度的熔渣，以便把硫、磷降到計(jì)劃鋼種的上限以下，并使吹氧時(shí)噴濺和溢渣的量減至最小。 ?不銹鋼脫碳： AOD、 VOD、 RHOB等； ?加熱精煉； VAD、 ASEASKF、 LF等。 噴吹的冶金功能取決于精煉劑的種類 ， 它能完成脫碳 、 脫硫 、 脫氧 、 合金化和控制夾雜物形態(tài)等精煉任務(wù) 。 ③在生產(chǎn)實(shí)踐中不管采用哪一種真空熔煉或處理裝置，鋼液在真空下由碳脫氧后，其殘存的氧含量總是大于按熱力學(xué)計(jì)算的值。 ? 多年來，國外電渣冶金已不滿足于一般電渣錠的生產(chǎn)，在工業(yè)技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上向著更深更廣的領(lǐng)域發(fā)展，形成了一個(gè)跨專業(yè)、跨行業(yè)的新學(xué)科。常用的還原劑有焦炭、一氧化碳、氫氣和活潑金屬等，例如： ? MgO＋ C = Mg＋ CO↑ Fe2O3＋ 3CO = 2Fe＋ 3CO2 ? WO3＋ 3H2 = W＋ 3H2O Cr2O3＋ 2Al==2Cr＋ Al2O3 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 3．電解法 ? 在金屬活動(dòng)性順序中，鉀、鈉、鈣、鋁等幾種金屬的還原性很強(qiáng)，這些金屬都很容易失去電子，因此不能用一般的方法和還原劑使其從化合物中還原出來，而只能用通電分解其熔融鹽或氧化物的方法來冶煉。 最終 ， 切斷真空 ， 將蓋子打開 ， 取出冷凝著鎂的鋼套 。 2. 金屬鎂的冶煉 三、有色金屬的生產(chǎn) Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 皮江法制鎂原理 皮江法是 1940年左右發(fā)展起來的一種煉鎂方法 ， 原料是白云石和硅鐵 ， 往細(xì)磨的原料中添加 %的螢石 ， 經(jīng)混合后壓成堅(jiān)實(shí)的團(tuán)塊 。 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 Scheme of electroslag melting of Ti sponge Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 Macrostructure of ESS LM HSS Roll billet 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 D 740mm Macrostructure of ESS LM HSS Roll billet 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 (x 100) Core Clad layer Transition zone at HSS roll 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 ? 冶煉金屬的方法很多，其實(shí)質(zhì)是用還原的方法，由于金屬的化學(xué)活動(dòng)性不同，金屬離子得到電子還原成金屬原子的能力也不同，因此就必須采取不同的冶煉方法。 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 ? 電渣重熔有一些特點(diǎn)： 1. 金屬的熔化、澆注和凝固均在一個(gè)較純凈的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)； 2. 具有良好的冶金反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件； 3. 自下而上的順序凝固條件保證了重熔金屬錠結(jié)晶組織均勻致密； 4. 在水冷結(jié)晶器與鋼錠之間形成的薄而均勻的渣殼保證了重熔鋼錠的表面光潔，金屬在這層渣皮的包裹中凝固，電渣錠會(huì)十分光潔。碳的脫氧產(chǎn)物是 CO氣體，在降低壓力后，平衡向產(chǎn)生 CO氣體方向移動(dòng)，使碳的脫氧能力提高。 攪拌方法：吹氣攪拌和電磁攪拌 。 按處理方式的不同 ， 又可分為鋼包處理型爐外精煉及鋼包精煉型爐外精煉等 。 ? 電弧爐以電能為熱源 ， 可調(diào)整爐內(nèi)氣氛 ， 對(duì)熔煉含有易氧化元素較多的鋼種極為有利 。 世界上現(xiàn)有較大型的電爐約 1400座 ， 目前電爐正在向大型 、 超高功率以及電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制等方面發(fā)展 ， 最大電爐容量為 400t。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 幾分鐘后 ， 當(dāng)鋼液中只剩下少量的硅與錳時(shí) ， 碳開始氧化 ， 生成一氧化碳 （ 放熱 ） 使鋼液劇烈沸騰 。 所以在 20世紀(jì) 60年代以前 ， 得到迅速發(fā)展 。形成的煤氣上升，從熔融制氣爐上部逸出。 ? 熔融還原的特點(diǎn)是在煉鐵過程中，使?fàn)t渣和生鐵熔化而分離，從而可以脫除煤灰分和礦石的脈石。煤不但是還原劑，同時(shí)還提供所需要的熱量。這種方法生產(chǎn)的海綿鐵占直接還原煉鐵法生產(chǎn)海綿鐵總量的 60%以上。 ? 從本世紀(jì) 70年代中期以來 ， 世界鋼產(chǎn)量一直在 7億噸左右 ， 而海綿鐵的產(chǎn)量卻逐年增加工廠 ， 60年代年產(chǎn)幾十萬噸到 1997年已發(fā)展到年產(chǎn) 3620萬噸 。 ? 大多數(shù)高爐采用沖成水渣的方式處理爐渣 ， 作為是制造水泥的原料 ， 或用壓縮空氣吹成渣棉 (可作隔音保溫材料 )， 也可用渣罐車送往棄渣場(chǎng) 。 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 。 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。 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 。 ?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。 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 。 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 ） 。 ? 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。因而需要加入直接還原鐵來稀釋它們。 ? 氣基法的典型代表是 Midrex法。 ? 此法的重要設(shè)備是回轉(zhuǎn)窯。 此法由于作業(yè)率低 、 產(chǎn)量小 、 耐火材料消耗高等重在缺點(diǎn) ， 近年來逐漸被淘汰 。氧氣將其燃燒成 CO并放出熱量。 ?隨后 ， 又出現(xiàn)了蓄熱式爐 ， 由于這種煉鋼爐形狀低平又有一個(gè)平展的熔池 ， 所以被稱為 “ 平爐 ” 。 轉(zhuǎn)爐的外形就像個(gè)梨 ， 內(nèi)壁有耐火磚 ，爐側(cè)有許多小孔 （ 風(fēng)口 ） ， 壓縮空氣從這些小孔里吹爐內(nèi) ， 又叫做側(cè)吹轉(zhuǎn)爐 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 轉(zhuǎn)爐的結(jié)構(gòu)圖 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ? 電爐煉鋼法主要利用電弧熱 ， 在電弧作用區(qū) ， 溫度高達(dá) 4000℃ 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ? 電弧煉鋼爐的爐體由爐蓋 、 爐門 、 出鋼槽和爐身組成 ， 爐底和爐壁用堿性耐火材料或酸性耐火材料砌筑 。 ? 精煉 ：將初煉的鋼液在真空 、 惰性氣體或還原性氣氛的容器中進(jìn)行脫氣 、脫氧 、 脫硫 ， 去除夾雜物和進(jìn)行成分微調(diào)等 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 （ 2） 真空 將鋼水置于真空室內(nèi) ， 由于真空作用使反應(yīng)向生成氣相方向移動(dòng) ，達(dá)到脫氣 、 脫氧 、 脫碳等目的 。 2） 在常壓下適用的物理化學(xué)基本規(guī)律在高真空條件下 （ 如 1Pa） 仍然是適用的 。當(dāng)自耗電極、爐渣和底水箱通過短網(wǎng)與變壓器形成供電回路時(shí)，便有電流從變壓器輸出通過液態(tài)熔渣。該工藝在烏克蘭“新克拉瑪托夫斯克機(jī)械廠”已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)。 分兩步進(jìn)行： 1．從鋁釩土中提取 Al2O3 Al2O3+2NaOH+3H2O=2Na[Al(OH)4] 2Na[Al(OH)4]+2CO2 = Al(OH)3↓+Na2CO3+H2O Al(OH)3 = Al2O3+ 3H2O 有色金屬的生產(chǎn) 有色金屬的生產(chǎn) 三、有色金屬的生產(chǎn) Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 CaO 鋁土礦 浸 漬 加熱 NaOH 蒸 發(fā) 加熱 沉 淀 冷卻 澄 清 晶種 水 洗 泥 紅泥 ? Al(OH)3 洗 滌 水 煅 燒 ?Al2O3 三、有色金屬的生產(chǎn) Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 金屬鋁的生產(chǎn)車間 金屬鋁電解池 2．電解 Al2O3得 Al 電解質(zhì)： Al2O3 ,2%8%冰晶石 Na2AlF6 10%CaF2作助熔劑，降低電解質(zhì)的溶融溫度(Al2O3bp2273K, 電解質(zhì) bp11731273K) ?陰極（鐵質(zhì)槽殼） :4Al3+ + 12e = 4Al（沉淀于槽底，定時(shí)放出） ?陽極（石墨） :6O2 12e = 3O2 三、有色金屬的生產(chǎn) Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 金屬鋁的生產(chǎn)車間 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 鋁的生產(chǎn)流程示意圖 純冰晶石 鋁 錠 螢 石 鋁 礦 石 生產(chǎn)氧化鋁 純氧化鋁 電 解 制 鋁 碳素材料 陽 極 糊 或 其 它 產(chǎn) 品 電極生產(chǎn) 選 礦 再熔或精煉 電 能 生產(chǎn)冰晶石 或 氟 化 物 三、有色金屬的生產(chǎn) Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 Al3＋ ＋ 3e → Al AlO33 6e → Al2O3 礦石（ Al2O3） NaAlO2 Al2O3?Na2O Al（ OH） 3 Al2O3 Al 礦石（ Al2O3） NaAlO2 Al（ OH） 3 NaOH NaOH Na2CO3 煅燒 950~1000℃ 165 ℃ 1100 ℃ CO2 900 ℃ 三、有色金屬的生產(chǎn) Northeastern University 第一節(jié) 金屬材