【正文】 一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 （ 1）爐外精煉的含義 （ 2）爐外精煉的方法 （ 3）爐外精煉要完成的任務(wù) （ 4）精煉手段 電爐煉鋼及爐外精煉 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ? 將煉鋼爐 （ 轉(zhuǎn)爐 、 電爐等 ） 中初煉過(guò)的鋼液移到另一個(gè)容器中進(jìn)行精煉的煉鋼過(guò)程 ， 也叫 二次冶金 。 ? 初煉 ：爐料在氧化性氣氛的爐內(nèi)進(jìn)行熔化 、 脫磷 、 脫碳和主合金化 。 ? 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 。 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 。 ?真空處理：真空室處理（ VD）、真空澆注、循環(huán)脫氣（ RH）、提升脫氣（ DH）等； ?噴粉處理： SL、 TN、 KIP、 RHIJ等； ?吹氬：吹氬攪拌、罩下吹氬（ CAS）、 CASOB、 IRUT等。 ?不銹鋼脫碳： AOD、 VOD、 RHOB等； ?加熱精煉； VAD、 ASEASKF、 LF等。 （ 2）深脫碳，滿足低碳或超低碳鋼的要求。 （ 3）微調(diào)合金成分，把合金成分控制在很窄的范圍內(nèi)，并使其分布均勻，盡量降低合金的消耗，以提高合金收得率。 爐外精煉要完成的任務(wù) 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 渣洗、真空、攪拌、噴吹和加熱 (調(diào)溫 ) 、過(guò)濾等 爐外精煉的手段 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 （ 1）渣洗 獲得潔凈鋼并能適當(dāng)進(jìn)行脫氧、脫硫的最簡(jiǎn)便的精煉手段。 在電弧爐冶煉中，還有在出鋼前控制調(diào)整還原渣的成分、流動(dòng)性和溫度，出鋼時(shí)鋼渣混出，借此使鋼液與還原渣充分混合，以進(jìn) — 步利用還原渣的精煉作用脫氧脫硫，稱同爐渣洗，這種工藝也是利用了渣洗原理。 真空是爐外精煉中廣泛應(yīng)用的一種手段 。 攪拌方法：吹氣攪拌和電磁攪拌 。 加熱方法：電弧加熱法和化學(xué)加熱法 。 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) 。 真空應(yīng)用最廣而且效果明顯 。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 鋼液的真空處理 （ 1） 真空冶金的一般規(guī)律 —— 壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響 （ 2） 金屬的真空脫氧 （ 3） 鋼液的真空脫氣 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 （ 1）真空冶金的一般規(guī)律 — 壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響 根據(jù)麥克斯韋關(guān)系式，吉布斯自由能隨壓力的變化，決定于該物質(zhì)在該溫度下的摩爾體積。 n摩爾氣體在溫度不變而氣體壓力變動(dòng)的情況下，吉布斯自由能的變化關(guān)系可用下式表達(dá)。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 1） 當(dāng)反應(yīng)生成物為氣體時(shí) ， 降低系統(tǒng)的壓力 ， 反應(yīng)仍具有自發(fā)進(jìn)行的趨勢(shì) ， 也就是提高真空度可使已達(dá)到平衡的反應(yīng)向產(chǎn)生氣體的方向繼續(xù)進(jìn)行 。 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 。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。因?yàn)?K和 m在一定溫度下是常數(shù)，所以真空可以使碳的脫氧能力提高。 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。 現(xiàn)代電渣冶金技術(shù)是由前蘇聯(lián)發(fā)展起來(lái)的。并在電渣焊的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出電渣冶金技術(shù)。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ? 電渣冶金是金屬及其合金的一種特殊冶煉方法。 ? 電渣重熔的基本原理：在銅制水冷結(jié)晶器中加入固態(tài)或液態(tài)爐渣，將自耗電極的端部插入其中。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)。 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。 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 STRUCTURE AND SHAPE OF METAL POOL TYPICAL FOR VAR, STANDARD ESR AND ESR TC (simulation) VAR,ASR ESR ESR TC,LM Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 二、鋼鐵冶煉 ESR1952 Academician . Medovar 19162023 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 ? 進(jìn)入六十年代，出于航空航天及軍備競(jìng)賽的需要，蘇聯(lián)對(duì)電渣冶金開(kāi)展了大量的研究工作，并曾一度把發(fā)展電渣冶金作為蘇聯(lián)的第二黨綱，極大地推動(dòng)了電渣冶金的發(fā)展。 ? 多年來(lái)，國(guó)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。 ? 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)百噸的水泥回轉(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。種類規(guī)格之多，形狀之復(fù)雜不勝枚舉。 ? 上述科研方向一些實(shí)際的設(shè)計(jì)和應(yīng)用成果： ? 該研究室的科學(xué)研究成果前蘇聯(lián)時(shí)期在冶金和機(jī)械制造工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。其基本的工藝路線是電渣熔焊 液態(tài)金屬添加。 ? 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。 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?，F(xiàn)簡(jiǎn)單介紹如下 冶煉金屬的方法 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 1．熱分解法 ? 有些不活潑金屬僅用熱分解法就能制得。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(lái)，而只能用通電分解其熔融鹽或氧化物的方法來(lái)冶煉。 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 。 3HgCl2+2Al=2AlCl3+Hg， Al+Hg=Al(Hg) Hg占據(jù) Al表面 ， 使 Al疏松 4Al(Hg)+3O2+2XH2O →2Al2O3?XH2O (白毛 )+ (Hg) 2Al(Hg)+6 H2O →2Al(OH)3↓+3H2↑+ (Hg) 三、有色金屬的生產(chǎn) Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 （ 3） 鋁熱法的基本原理 ： 2Al + 3/2 O2 = Al2O3 ΔfH248。 /kJ?mol1 245 1129 2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe ΔrH0 () 溫度可達(dá) 3273K， 使鐵熔化 ， 焊熱鐵軌 ， 冶金上冶煉 Ni、 Cr、Mn、 V等難熔金屬 。 三、有色金屬的生產(chǎn) Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 金屬鋁的冶煉 HellHeroult法 1886年美國(guó)霍爾 、 法國(guó)厄魯爾 （ 兩人均出生在 1863年 ， 死于 1914年 ，發(fā)明時(shí) 22歲 ） 分別申請(qǐng)了冰晶石 氧化鋁熔鹽電解法的專利 ， 該法的工藝流程主要包括：氧化鋁的制備 、 電極生產(chǎn) 、 冰晶石及其氟化鹽的生產(chǎn)以及電解煉鋁幾大部分 。 由此鎂及鎂合金獲得 “ 21世紀(jì)的綠色工程材料 ” 的美譽(yù) 。 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(lái)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 。 （ 2） 低真空加熱期：蓋上蒸餾罐的蓋子 ， 在低真空條件下加熱 。 最終 ， 切斷真空 ， 將蓋子打開(kāi) ， 取出冷凝著鎂的鋼套 。 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 它們硬 、 難熔 、 穩(wěn)定 ， 成為金屬陶瓷 ，氮化鈦為青銅色 ， 涂層能仿金 。 鈦與氧反應(yīng)生成 TiO2 TiO2 TiC TiN ~TiO2 TiB TiCl4 Ti 三、有色金屬的生產(chǎn) Northeastern University 第一節(jié) 金屬材料的制備 —— 冶金 TiCl4的金屬熱還原法 ?? 將 TiO2或天然金紅石和碳粉混合加熱至 1000K?1100K，進(jìn)行氯化處理制備 TiCl4， 氯化反應(yīng)不能直接由 TiO2氯化制得 ， 必須有碳粉的參