材料工程基础第七章冶金工程基础

粗金属、金属富集物、 熔渣（脉石、灰分） 溶解度、密度差
1、还原熔炼：以还原反应为主（氧化物矿）还原气氛熔炼
MeO+C=Me+CO2； MeO+CO=Me+CO2； C+CO2=2CO
2、氧化熔炼：以氧化反应为主（硫化物矿）。 MeS+O2=Me+SO2； MeS+1.5O2=MeO+SO2；
Me’S+MeO=MeS+Me’O [ Me’为杂质金属元素 ]
4、感应熔炼
5、电子束熔炼 6、等离子熔炼
第五节
粉末冶金
冶金工程基础
第七章
概念：粉末冶金最初是指在金属的熔点温度以下采用金属矿物或金属 及合金粉末生产制备相应金属与合金材料或制品的冶金工艺过程。又称 为“金属陶瓷法”。 对于难熔金属而言，粉末冶金更是重要的冶金手段。
粉末 冶金过程
制粉
成型
烧结
后续处理
二、 湿法冶金工艺过程

工艺过程：
将金属组分溶 解变为溶液 萃取
浸出
固液 分离
溶液 净化
金属或化 合物提取
高 温 加 压 浸 出
超 细 振 动 研 磨 浸 出
外 力 场 的 作 用 强 化
活 化 浸 出
催 化 剂
沉 降 分 离
过 滤 分 离
蒸 馏
沉 淀
结 晶
溶 液 萃 取
离 子 交 换
膜 分 离
蒸 汽 压
难 熔 固 体
过 饱 和
用湿法从硫化锌精矿生产金属锌的流程图
第四节
第七章
电冶金
冶金工程基础

定义：利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精炼金属的 冶金过程。

工艺分类：
电热学冶金 ：直接用电加热生产金属的一种冶金方法。
也可看成是一 种干法冶金技 术
特点：耗热量大，温度可控，速度快，产品纯度高
精矿粉
烧结块
烧结块、熔剂、 氧化、还原剂、 燃料
粗金属 富集和分 离的过程
矿石熔炼
粗金属、金属富 集物、熔渣
精炼提纯
纯金属 除去杂 质提纯
第三节
湿法冶金
冶金工程基础
第七章
一、基本概念
• 定义：湿法冶金是指利用一些化学溶剂的化学作用，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
• 2）熔盐电解：原则上适用于所有金属——电极电位较负的金属
原因：电负性小的金属盐的水溶液，其 分解电压比水的大，电解时只是使水电 解析出氢和氧，而金属并不会析出。
金属的电负性： 负电位金属 正电位金属
铝、镁、钛等碱、 铜、镍、钴、金、银等 氢 碱土金属
二、电热学冶金
电热冶金具有加热速度快、调温准确、温度高（可到 2000℃以上），可以在各种气氛、各种压力或真空中作业，以 及金属烧损少等优点。 1、电弧熔炼 2、电阻炉熔炼（高熔点金属） 3、电阻－电弧熔炼
稀土金属(钪、钇及镧系元素)
在13种主要金属原料的地区分布前五位排名上，我国除锡（占14.8%）和 钼（占6.0%）外，其余都榜上无名。
铟， 钨， 锗， 稀土， 钼， 钛， 钒 工业的牙齿 工业味精 战争金属 空间金属 最高熔点
磁 铁 矿
蓝 铜 矿
金属元素 在自然界， 少数不活 泼金属以 游离态存 在，多数 金属以化 合态存在。
2）对矿物品质要求高
3）生产成本低，易于大规模生产使用 4）产品纯度低，不易实现其它伴生金属的回收。
二、 火法冶金主要工艺过程

工艺过程：
除脉石、 得精矿
矿石准备 富集和分 离的过程 矿石熔炼 除去杂 质提纯 金属
精炼提纯
1、矿石准备
1. 选矿:矿石破碎后、通过重选、浮选、磁选等。
→精矿
不宜直接 加入鼓风 炉
1、冶金的基本概念
1）冶金的概念 (冶金的目的或任务） 冶金是研究如何经济地从矿石或其他原料中提取金 属或金属化合物，并采用各种加工方法制成具有一定性
能的金属材料的科学。
2）冶金包括： • •
冶炼
提取冶金： 研究提取金属，存在化学反应 物理冶金： 研究金属材料成型过程
钛 合 金
２、金属的冶炼的实质及过程
电解精炼
电解提取
• 电解精炼：以粗金属作阳极，而阳极反应又是目的金属本身的溶解反应， 这一过程称为电解精炼或可溶性阳极电解； • 电解提取：使用不溶性电极作阳极，对溶解于电解液中的金属离子进行 还原、分解的过程，称为电解提取。
• 依据所使用电解质的物理状态分为两种类型：
• 1）水溶液电解：适用电负性比氢大的金属元素——电极电位较正的金属
第七章
冶金工程基础
材料工程基础
第一节
金属冶金概述
第七章 冶金工程基础
金属的分类
• 1. 冶金工业的分类方法： • • 黑色金属（铁.铬.锰） 有色金属（除以上三种）
• 2. 根据密度的大小分类： • • 轻金属（小于4.5g/cm3）如:铝.钾.镁.钠 重金属（大于4.5g/cm3）如:铁.铜.银.汞
2. 干燥、焙解: 3. 焙烧:矿石(精矿)→加热(<熔点)→化学变化。包括有：
硫酸化焙烧、如湿法提Cu、Zn等：
MeS+1½O2=MeO+SO2 SO2+½O2=SO3 MeO+SO3=MeSO4 氯化焙烧、矿石（精矿）+氯化剂→可溶性氯化物（稀有金属冶金）如 TiO2+2CaCl2=TiCl4+2CaO 4. 烧结：粉矿（精矿）→球团→烧结→ 块状物料。
四种冶金方法的特点对比
优点 处理精矿能力大，能够利用 火法 硫化物矿中硫的燃烧 热，生产规模大，效率高。 缺点 污染严 重，纯度低 适用性 钢铁 重有色金属硫化物矿 1. 处理多金属矿，低品 味矿，难选矿 2. 火法不能使用的氧化 矿物原料 1. 用于火法冶金得到粗 金属的精炼 2. 湿法冶金的萃取提炼 3. 高熔点金属 难熔金属及其化合物，合 金，多孔材料
物或二次再生资源中的金属进行提取和分离的冶金过程。 • 典型的湿法冶炼：湿法炼锌（已占到世界锌产量的80%） • 适用性：贫矿、氧化物矿、海水、废渣、选矿尾矿 • 特点：
1）污染可控
2）可用于对贫矿、废渣等的金属提取 3）生产效率低
1、矿石准备
除硫、生成硫 酸盐、可溶性 化合物
1. 选矿:矿石破碎后、通过重选、浮选、磁选等。
• 闪速熔炼、熔池熔炼、漩涡熔炼、热风熔炼、富氧熔炼、自热熔炼
3、精炼
将冶炼得到的金属进一步去除杂质，提高纯度的过程称为精炼。
• 精炼包括： 1）化学方法： • 氧化精炼：利用杂质对氧的亲和力大于主金属元素
Me’+MeO=Me+Me’O • 硫化精炼：利用杂质对硫的亲和力大于主金属元素 • MeS+Me’=Me’S+Me
污染可控；原材料要求低， 湿法 使用范围广；可 回收贵金属，稀有金属 纯度高 电 电加热速度快、 冶金 温度可控性好。
1. 纯度高 粉末 2. 后机械加工少，节约金属 冶金 3. 混合相组成的特殊合金
相对工艺 过程复杂
电能耗能 大；成本高
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自然界中的金属大都以化合态存在
用化学的方法把化合态的金属变成游离态
要考虑的问题
金属冶炼的三 大过程
（1）炼前处理 （2）粗炼 （3）精炼
矿石的 富集
合适的冶 炼方法
如何 精炼
３、冶金工业发展历史
人类社会发展史： 原始社会→奴隶社会→封建社会→资本主义社会
人类使用材料的历史：
石器→青铜器→铁器→工业化(钢铁)→信息社会(多种新材料)
电化学冶金：电化冶金是利用电极反应而进行的冶炼方法。 特点：纯度高，用于后期精炼或提取。
也可看成是一 种湿法冶金技 术
一、电化学冶金
• 电解过程：实则为一个氧化还原过程 • 阳极：电流流出端 发生氧化反应：Me-2e=Me2+（金属溶解） • 阴极：电流流入端 发生还原： Me2+ +2e=Me（金属析出）
2. 干燥、焙解: 分解水化物或氢氧化物及碳酸盐，除去其中的水 份、二氧化碳及有机物等。 3、焙烧：除硫 →焙砂 4. 烧结：粉矿（精矿）→球团→烧结→ 块状物料。 →烧结块
2、熔炼
石灰石 硅石
原料
矿石（精矿、焙砂或烧结块） 熔剂、氧化、还原剂、燃料
熔化
化学反应
煤、焦炭
两种或以上互 不相溶的液体产物
• 3. 根据地壳中的含量：
• • 常见金属 如:铁.铜.锡 稀有金属 如:钽.锆.铌
铸铁 黑色 金属 钢 金 属 材 料 有色 金属
工程构件用钢
机器零件用钢
结构金属材料 功能金属材料
工具钢
特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢) 轻金属(铝,镁,钛) 贵重金属(金,银) 稀有金属(钨钼钒铌钴) 重金属(铜,锌,铅,镍) 放射金属(镭铀钍) 难熔金属(钛锆铪钒铌钽钼钨)
中国冶金的辉煌历史
现代冶金过程—冶炼过程
现代冶金过程—轧钢过程
4、冶金方法分类
金属冶金按其原理可划分为四大基本类型 ： • 火法冶金（又称干法冶金） • 湿法冶金、 • 电冶金 • 粉末冶金。
物理冶 金
提取冶金

第二节
火法冶金
冶金工程基础
第七章
一、基本概念
• 概念：火法冶金是指利用高温（超过金属熔点温度）从矿物中提取 金属或其他化合物的方法；顾名思义，这种生产工艺常利用火来加 热得到高温。因这种工艺没有水溶液的参与，所以也叫干法冶金。 • 典型的火法冶炼：炼钢，炼铜 • 适用性：富集矿、硫化物矿 • 特点：1）污染严重