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金属材料制备（冶金）及发展趋势 材料科学讲座（结课论文）题目：金属材料制备及发展院系名称：材料与化工学院班 级：材科#卓越班学 号：201401524209任课老师：#学生姓名：李# 2016 年 12 月1 前 言31.1 引言31.2.1 冶金31.2.2冶金的方法41.1.2.1火法冶金41.1.2.2湿法冶金51.1.2.3电冶金61.2.4生铁的冶炼81.2.5钢的冶炼112. 有色金属冶炼122.1 铜的冶炼122.2 铝的冶炼133 金属材料的发展方向14摘 要金属材料自古以来都占据着极其重要的地位，开发新型材料，改良传统金属材料显得尤为重要。金属材料的发展，是从传统金属材料向合成金属材料，虽然根本转变己经初步实现，但由于我国经济的制约，直到现在我国才只是初步建立起现代市场金属材料发展趋势，还没有完全改变传统的金属材料发展的观念。这在发展上并没有把生态和金属材料发展作为基本，这对我国金属材料发展的道路非常不利。本文主要讨论金属材料的制备、现状以及未来发展。1 前 言1.1 引言纵观历史，人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。本文主要讨论金属材料的制备（主要为冶金工艺）、现状以及未来发展。1.2 冶金工艺（现状）1.2.1 冶金 冶金的定义:关于矿产资源的开发利用和金属材料生产加工过程的工程技术。冶金的原因和目的：地球上已发现86种金属元素，除金、银、铂等金属元素能以自然状态存在外，其他绝大多数金属元素都以氧化物、硫化物、砷化物、碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐等形态存在于各类矿物中。因此，要获得各种金属及其合金材料，必须首先通过各种方法将金属元素从矿物中提取出来，接着对粗炼金属产品进行精炼提纯和合金化处理，然后浇注成锭，轧制成材，才能得到所需成分、结构、性能和规格的金属材料。1.2.2冶金的方法 冶金工艺可以分为火法冶金、湿法冶金和电冶金三大类。1.1.2.1火法冶金 火法冶金：利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法。 特点：火法冶金是生产金属材料的重要方法，钢铁及大多数有色金属（铝、铜、镍、铅、锌等）材料主要靠火法冶金工艺生产。用火法冶金方法提取金属的成本较低，所以，火法冶金是生产金属材料的主要方法。火法冶金的基本过程 火法冶金通常包括矿石准备、冶炼和精炼三个过程。 （1）矿石准备 采掘的矿石含有大量无用的脉石，需要经过选矿以获得含有较多金属元素的精矿。经过选矿后，有时还需对矿石进行焙烧、球化或烧结等。（2）冶炼 将处理好的矿石，用气体或固体还原剂还原为金属的过程称为冶炼。金属冶炼所采用的还原剂包括焦炭、氢和活泼金属等。（3）精炼 冶炼所得到的金属含有少量的杂质, 需要进一步处理以去除杂质，这种对冶炼的金属进行去除杂质提高纯度的处理过程称为精炼。 2.火法冶金的主要方法 火法冶金的主要方法有提炼冶金、氯化冶金、喷射冶金和真空冶金等。 （1）提炼冶金 提炼冶金是指由焙烧、烧结、还原熔炼、氧化熔炼、造渣、造硫、精炼等单元过程按照需要所构成的冶金方法。提炼冶金是火法冶金中应用最广泛的方法。（2）氯化冶金 通过氯化物提取金属的方法称为氯化冶金。氯化冶金主要依据不同金属氯化物的物理化学性质，来有效实现金属的分离、提取和精炼。轻金属和稀有金属的提取多采用火法氯化冶金。 （3）喷射冶金 利用气泡、液滴、颗粒等高度弥散系统来提高冶金反应效率的冶金过程称为喷射冶金。喷射冶金是70年代由钢包中喷粉精炼发展起来的新工艺。 （4）真空冶金 在真空条件下完成金属和合金的熔炼、精炼、重熔、铸造等冶金单元操作，以及使金属液在真空下脱氧、脱气、挥发、减免二次玷污等的工艺原理和方法称为真空冶金。真空冶金是提高金属材料质量，保证高技术所必需的特殊材料生产的重要方法。 1.1.2.2湿法冶金 湿法冶金：是利用一些溶剂的化学作用，在水溶液或非水溶液中进行包括氧化、还原、中和、水解和络合等反应，对原料、中间产物或二次再生资源中的金属进行提取和分离的冶金过程。湿法冶金包括浸取、固液分离、溶液的富集和从溶液中提取金属或化合物等四个过程。 1.浸取 浸取是选择性溶解的过程。通过选择合适的溶剂使被处理过的矿石中包含的一种或几种有价值的金属选择性地溶解进入溶液，从而与其他不溶物质分离。根据所用的浸取液的不同，可分为酸浸、碱浸、氨浸、氰化物浸取、有机溶剂浸取等。在选择浸取液时，不仅要考虑它应具有高的浸取率和选择性好，而且要考虑它应易于过滤和回收。 2.固液分离 固液分离包括过滤、洗涤或离心分离等操作。在固液分离的过程中，一方面要将浸取的溶液与残渣分离，另一方面还要将留存在残渣中的溶剂和金属离子等回收利用。 3.溶液的富集 富集是对浸取溶液的净化和浓集过程。富集的方法有化学沉淀、离子沉淀、溶剂萃取、膜分离或其他方法。 4.提取金属或化合物 在金属材料的生产中，常采用电解、化学置换和加氢还原等方法来提取金属或化合物。例如用电解法从净化液中提取Au，Ag，Cu，Zn，Ni，Co等纯金属；而Al，W，Mo，V等多数以含氧酸的形式存在于净化液中，一般先析出其氧化物，然后用氢还原或熔盐电解制取金属。湿法冶金在有色金属、稀有金属及贵金属等生产中占有重要地位。世界上全部的氧化铝、氧化铀、约74%的锌、12%的铜及多数稀有金属都是用湿法冶金方法生产的。湿法冶金的最大优点是对环境的污染较小，能处理低品位的矿石。 1.1.2.3电冶金 利用电能从矿石或其他原料中提取、回收、精炼金属的冶金过程称为电冶金。电冶金主要包括电热熔炼、水溶液电解和熔盐电解三个方面。 1.电热熔炼 用电加热生产金属的冶金方法称为电热熔炼。铁合金冶炼及用废钢炼钢主要采用电热熔炼。电热熔炼包括电弧熔炼、等离子冶金和电磁冶金等。 （1）等离子冶金 等离子是清洁能源，是电能转换为热能的最有效途径。等离子弧有非常高的能量密度，为超高温冶金提供了有力条件。等离子弧可以方便地控制气氛。无论是在大规模熔炼铁合金或有色金属、快速加热钢液或高炉风口方面，还是在惰性气氛下重熔或熔铸金属方面，都有广阔的发展前景。（2）电磁冶金 利用电磁感应在金属熔体内产生可控流动的冶金过程称为电磁冶金。早期利用电磁力对钢包和连铸坯的钢液进行搅拌以改善钢的质量；近来又发展了悬浮熔炼、冷坩埚熔炼、电磁铸造等。电磁冶金对于防止耐火材料污染金属、熔炼难熔及活泼金属具有重要作用。2.水溶液电解 在电冶金中，应用水溶液电解精炼金属称为电解精炼或可溶阳极电解；而应用水溶液电解从浸取液中提取金属称为电解提取或不溶阳极电解,如图：3.熔盐电解 铝、镁、钠等活泼金属无法在水溶液中电解，必须选用具有高导电率、低熔点的熔盐通常为几种卤化物的混合物作为电解质在熔盐中进行电解。第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼包括从开采铁矿石到使之变成供制造零件所使用的钢材和铸造生铁为止的全过程。其基本过程如图所示。1.2.4生铁的冶炼 生铁是用铁矿石在高炉中经过一系列的物理化学过程冶炼出来的。高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即使用焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料中的铁从氧化物或矿物状态还原为液态生铁。高炉炼铁的基本过程如图所示。1. 炼铁的原料 炼铁的原料主要包括铁矿石、熔剂及焦炭。焦炭作为燃料和还原剂，是主要能源；熔剂，如石灰石，主要用来助熔、造渣；铁矿石则是冶炼的对象。这些原料是高炉冶炼的物质基础，其质量对冶炼过程及冶炼效果影响极大。 （1）铁矿石 铁矿石是由一种或几种含铁矿物和脉石所组成。含铁矿物是具有一定化学成分和结晶构造的化合物，脉石也是由各种矿物加石英、长石等组成并以化合物形态存在的，所以，铁矿石实际是由各种化台物所组成的机械混合物。 自然界含铁矿物很多，而具有经济价值的矿床，一般认为有四类：一般的铁矿石很难完全满足要求，须在入炉前进行必要的准备处理。 天然富矿需经破碎、筛分以获得合适而均匀的粒度。褐铁矿、菱铁矿和致密磁铁矿应进行焙烧处理，以去除其结晶水和二氧化碳，提高品位，疏松其组织，改善还原性，提高冶炼效果。 贫铁矿的处理比较复杂。一般需经过破碎、筛分、细磨、精选，得到含铁60%以上的精矿粉，经混匀后进行造块，制成人造富矿，然后按高炉粒度要求进行适当破碎、筛分才能入炉。 a. 破碎筛分 所有开采来的大块矿石，都要用各种破碎机进行破碎，而后进行筛分，并按其大小进行分类。粒度小的富矿石，应将其磨成粉料，烧结成块然后再用。贫矿石要全部破碎并磨成粉料，经过选矿烧结后才能使用。b. 选矿 选矿是依据矿石的性质，采用适当的方法，把有用矿石和脉石机械地分开，从而使有用矿物富集的过程。通过选矿可使矿石品位提高，去除部分有害杂质，回收有用元素如钒、铬等，使矿物资源得到充分利用。 通过获得的有用富集矿称为精矿；其余部分叫尾矿，主要由脉石组成，一般废弃。在对复合铁矿石选矿时，常有一些有用元素富集于尾矿中，必须将它们进一步精选出来。 现代炼铁工业中，常采用两种选矿方法：水选（重选）和磁选。水选基本是利用矿石中含铁矿物和脉石不重不同的特点，用水将含铁矿物和脉石分离开。磁选用于磁铁矿，利用磁力将含铁矿物与脉石分离。 c. 烧结和造块 富选得到的精矿粉，天然富矿粉碎筛分后的粉矿，不能直接加入高炉，必须用烧结或制团的方法将它们重新造块，制成烧结矿、球团矿方能入炉。铁矿粉造块并非简单地将细矿粉制成团矿，而是在造块过程中采用一些技术，以生产出优质的冶炼原料。例如加入CaO、MgO以提高矿石碱度；在可能的条件下加入还原剂C，改善矿石的还原性能。铁矿粉造块过程中，还可以去除某些杂质元素。铁矿粉造块技术使高炉冶炼的各项技术得到大幅度提高。 （2）熔剂熔剂的作用 a. 降低脉石熔点。脉石和燃料中的灰分都含有一些熔点很高的化合物如二氧化硅熔点为1625、氧化铝熔点为2050，它们在高炉冶炼的温度下，不能熔化成液体，因而使它们不能很好地与金属分离。加入熔剂后可生成低熔点的化合物，造成比重小于铁的渣，从而使脉石与铁相分离。b. 去硫。燃料中的硫会溶入铁中，影响铁的质量。利用硫易于钙相结合的特性，使其生成CaS进入渣中，从而将硫去除。 熔剂种类 根据熔剂性质可分碱性熔剂和酸性熔剂。采用哪一种熔剂要根据矿石中脉石和燃料中灰分的性质来决定。由于自然界矿石中脉石大多数为酸性，焦炭灰分也都是酸性的，所以通常都使用碱性熔剂石灰石，酸性熔剂很少使用。3焦炭 焦炭是用焦煤在隔绝空气的高温（1000）下，进行干馏、碳化而得到的多孔块状产品，在高炉冶炼过程中，焦炭具有如下作用：燃料 焦炭在风口前被鼓风中氧燃烧，放出热量。高炉冶炼所消耗热量的70%80%来自燃料燃烧。 还原剂 高炉冶炼主要是生铁中的铁和其他合金元素的还原过程，而焦炭中所含的固定碳以及焦炭燃烧产生的CO是铁及其他氧化物进行还原的还原剂。2.冶炼生铁的主要装置高炉 冶炼生铁所使用的主要装置是高炉。其结构如图所示。在炼铁时，炉料（矿石、焦炭和熔剂）从炉顶进入炉内，在自身重力作用下，自上而下运动；同时，热风从炉子下部进入，使燃料燃烧产生的热炉气不断向上运动。这样，在炉气和炉料之间不断进行热交换，进行了一系列的物理化学作用，矿石逐步被还原，并熔化成铁水，从炉下部的出铁口流出。炉气上升过程中，温度不断降低，成份逐渐变化，最后形成高炉煤气从炉顶排出。 3.炼铁时高炉中的物理化学过程 高炉冶炼的目的是把铁矿石炼成生铁。因此，冶炼过程就是铁的还原过程和除去脉石的造渣过程。其主要反应过程如下：（1）燃料的燃烧（2）铁的还原（3）铁的增碳（4）其它元素的还原（5）去硫（6）造渣4.炼铁的主要产品和副产品（1）生铁（2）高炉炉渣（3）高炉煤气1.2.5钢的冶炼 通过火法冶炼得到的生铁含有较多的碳和硫、磷等有害杂质元素，其强度低、塑性差。绝大多数生铁需再精炼成钢，才能用于工程结构和制造机器零件。 炼钢的实质就是把炼钢生铁水或生铁块中的碳及杂质元素降到规定水平的过程。 降碳及杂质元素的方法是在熔化生铁时，利用纯氧等将碳及杂质元素氧化成气体或炉渣而除去。氧化过程结束后，铁水就变成了钢水，但这时钢水中形成了大量的FeO，钢中的FeO会使钢的力学性能变坏，因此在炼钢后期需进行脱氧。脱氧过程是向钢液中加入脱氧剂，脱氧剂与FeO反应，生成炉渣。所以炼钢的过程包括脱碳，其他元素的氧化，脱磷，脱硫，脱氧及合金化1.炼钢的基本过程 （1）脱碳（2）硅、锰的氧化（3）脱磷（4）脱硫（5）脱氧及合金化2.常见炼钢方法（1）碱性平炉炼钢（2）电弧炉炼钢（3）氧气顶吹转炉炼钢3.钢液的炉外精炼及钢锭生产 为提高钢的纯净度、降低钢中有害气体和夹杂物含量，广泛采用炉外精炼技术，以实现一般炼钢炉内难以达到的精炼效果。常见的炉外精炼方法包括真空精炼、吹氩精炼和电渣重熔。经过精炼后，钢的性能明显提高。炼钢生产的技术经济指标是以最后浇注多少合格铸锭来衡量的。因此，铸锭是炼钢生产的重要环节。2. 有色金属冶炼 有色金属的种类较多，本文仅介绍有代表性的、用量较大的铜和铝等金属材料的冶炼。 2.1 铜的冶炼 1炼铜原料 炼铜的原料主要是铜矿石，其次是从工业和生活中的铜及其合金废件的回收，前者约占70%以上。 地壳中含铜仅为0.01%，但铜能形成比较富的矿床，便于工业开采利用。在各类铜矿床中，铜呈各种矿物存在，其中大部分为硫化矿和氧化矿，少量为自然铜。自然界产出的铜矿物有240多种，但多数并不常见，也不具有工业价值。到目前为止，能作为工业开采的铜矿仅有十多种。常见的硫化矿物有黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿和铜蓝(CuS)等；氧化矿物有孔雀石、硅孔雀石、赤铜矿和胆矾等。现今百分之九十的铜产量来自硫化矿，约百分之十来自氧化矿，少量来自自然铜矿。2炼铜方法及其工艺流程 炼铜方法主要有火法冶金和湿法冶金两大类型。但以火法冶金为主，约占90%。 （1）火法炼铜：火法炼铜主要用于处理硫化铜矿。它大致可分为三步，即造锍，熔炼，吹炼，火法精炼，电解精炼。本教材仅介绍火法炼铜。 （2）湿法炼铜：湿法炼铜是从处理氧化矿开始的。它主要由两个过程组成，即铜的浸出和从溶液中电积或置换提取铜。 3火法炼铜 火法炼铜的主要流程如图所示。（1）造锍熔炼（1）造锍熔炼（3）粗铜的火法精炼（4）铜的电解精炼4铜的湿法冶金湿法炼铜主要由两个基本过程组成： 一是在溶剂作用下使矿石中的铜溶解进入溶液中； 二是用置换、电沉积或氢还原等方法将溶液中的铜分离出来。 湿法炼铜以前主要用于处理不适合用火法冶炼的低品位氧化铜矿、废矿堆和浮选尾矿。近年来，为消除火法冶炼硫化铜对环境的危害，正在积极从湿法冶金中寻求处理硫化铜矿的新途径。2.2 铝的冶炼 铝与氧的亲和力很强，难以直接还原，故长期以来铝的价格极高。当人类发现用电解法可以从氧化铝中提炼出铝后，铝的价格大约降低了20倍。 氧化铝主要存在于铝矾土、高岭石、和矾土岩石中。其中铝矾土矿是炼铝的主要原料。从这些矿物中提取金属铝一般分为两个步骤：氧化铝的制备和氧化铝的电解。1.氧化铝的制备 制备氧化铝的方法主要有湿碱法和干碱法两种。2.氧化铝的电解3.铝材 纯铝的导电性好、塑性好，但机械性能差，除直接用作导电材料外，一般不用作结构材料。要求具有较好机械性能的各种铝合金，是根据不同材料的成分和性能要求，在坩埚中将纯铝重熔，通过合金化处理后获得的。3 金属材料的发展方向金属材料发展一定程度上代表着人类的工业文明进程，因此，金属材料的发展方向，也是人们最为关心的。它涉及到的方面很广，包括未来的发展。资源的利用和国家人口、环境与发展的协调等，是人类为了克服一系列环境、经济和社会问题，特别是对生态环境的破坏，环境污染方面都要做出的理性抉择6。因此，未来金属材料发展一定要做到：创新能力得到增强，产品结构得到优化，基本满足战略性新兴产业及高端制造业对金属材料的需求8。如今电子和电信行业都在不断快速的发展，这就需要对有色金属材料的强度、硬度、韧性、刚度、耐高温性等指标提出了更高的要求7。因此未来有色金属材料应该具有良好的机械性能和导热、导电性能。目前，轻金属在高级汽车、航空航天上已得到大规模的应用，呈现出减轻质量、节约能耗是追求目标用材的特点。因此未来的金属材料将向机械强度更高、质量更轻、使用性能更好的方向发展。另外，也要淘汰落后产能，发挥市场的作用，综合运用法律、经济、技术、 优化产业布局。更要加强宏观调控，加强专利保护。总体上讲，金属材料在未来的使用的材料仍将占据及其重要的对地位。参考文献1 干福熹 . 金属材料发展的新趋势及其影响 A. 中国硅酸盐学会 . 中 国 硅 酸 盐 学 会 成 立 六 十 周 年 学 术 报 告 会 文 集 C， 中国硅酸盐学会，2005 ：7. 2 师昌绪 .新材料的现状与发展 M . 北京: 中国科学技术文库院士卷 , 1998. 3098. 3 闫冬 . 金属材料行业的发展趋势 J. 科技资讯，2010，22 ：106. 15