1金属材料一般制备简介

1、1材料合成与制备材料合成与制备金属材料金属材料金属材料方向金属材料方向 20142014年年1212月月2内内 容容1. 金属材料一般制备简介金属材料一般制备简介2. 先进凝固技术制备金属材料先进凝固技术制备金属材料 定向凝固、快速凝固、金属玻璃等定向凝固、快速凝固、金属玻璃等3. 金属薄膜制备金属薄膜制备 金属基复合材料制备新技术金属基复合材料制备新技术4. 新型金属材料特种制备新型金属材料特种制备3金属材料一般制备简介金属材料一般制备简介4零部件，板、带（片）、箔、丝、杆、管、型零部件，板、带（片）、箔、丝、杆、管、型 材，材，薄膜，粉末薄膜，粉末纯金属、合金、金属间化合物、金属基复合材料

2、纯金属、合金、金属间化合物、金属基复合材料首先获得纯金属首先获得纯金属种类多种类多性质各异性质各异自然界中大多以自然界中大多以化合物化合物的形态存在的形态存在问问 题题5冶金原料冶金原料矿物、矿石与选矿矿物、矿石与选矿 由一种或多种矿物组成的集合体称为由一种或多种矿物组成的集合体称为岩石岩石。 岩石中，一种或几种矿物相对集中到一定程度，目前岩石中，一种或几种矿物相对集中到一定程度，目前技术经济条件下技术经济条件下可以利用可以利用时，这种矿物的集合体就称为时，这种矿物的集合体就称为矿石矿石。 矿石中除含有矿石中除含有有用矿物有用矿物外，一般还含有大量的外，一般还含有大量的脉石脉石矿矿物和物和杂质

3、杂质，其中有用矿物又包括，其中有用矿物又包括主金属矿物主金属矿物、伴生有价金属伴生有价金属矿物矿物，主金属在矿石中的含量称为，主金属在矿石中的含量称为矿石品位矿石品位。矿物：矿物：有一定化学成分和物理属性的天然元素和化合物。有一定化学成分和物理属性的天然元素和化合物。岩石与矿石岩石与矿石6 选选 矿矿 除少数单金属高品位矿石可经破碎直接进行冶炼提取和除少数单金属高品位矿石可经破碎直接进行冶炼提取和提纯金属外，大多数矿物需经过选矿来提高矿石品位后再进提纯金属外，大多数矿物需经过选矿来提高矿石品位后再进行冶炼。行冶炼。 冶金对金属含量有要求，如铜不小于冶金对金属含量有要求，如铜不小于35，锌不小于

4、，锌不小于20； 节约原料、燃料消耗，提高技术、经济指标；节约原料、燃料消耗，提高技术、经济指标； 避免有害杂质在冶炼过程中进入金属影响金属质量；避免有害杂质在冶炼过程中进入金属影响金属质量； 避免使冶炼过程复杂化。避免使冶炼过程复杂化。71. 矿石的破碎与细磨、筛分与分级矿石的破碎与细磨、筛分与分级 采出的矿石往往块度很大。使矿石中的有用矿物和脉石、杂质分离。采出的矿石往往块度很大。使矿石中的有用矿物和脉石、杂质分离。 为了控制一定的粒度，还需筛分和分级。为了控制一定的粒度，还需筛分和分级。 颚式破碎机颚式破碎机 圆锥破碎机圆锥破碎机 辊碎机辊碎机 冲击式破碎机冲击式破碎机 筛分筛分是将混合

5、矿粒用条筛或振动筛按粒度分为两种或多种级别的过程。是将混合矿粒用条筛或振动筛按粒度分为两种或多种级别的过程。 磨矿一般在水中进行，不能进行筛分，而采用磨矿一般在水中进行，不能进行筛分，而采用分级，分级，螺旋分级机、水力旋流器。螺旋分级机、水力旋流器。82. 选矿选矿 根据矿石中各种矿物性根据矿石中各种矿物性质的不同（如比重、磁性、质的不同（如比重、磁性、表面性质等），通过物理、表面性质等），通过物理、或物理化学的方法把各种或物理化学的方法把各种矿物分离的过程。矿物分离的过程。9重重 选选 根据有用矿物与脉石比重、粒度不同，在运动介质中的沉降速度不同根据有用矿物与脉石比重、粒度不同，在运动介质中

6、的沉降速度不同介质：水、空气、重液、悬浮液。介质：水、空气、重液、悬浮液。 重介质选矿：重介质选矿：介质比重介质比重 小于主金属矿物，大于脉石矿物小于主金属矿物，大于脉石矿物 跳汰选矿：跳汰选矿：介质比重介质比重 小于主金属矿物，大于脉石矿物小于主金属矿物，大于脉石矿物重矿粒轻矿粒隔膜式跳汰机示意图 摇床选矿：摇床选矿：横向运动的床面与矿粒间的摩擦力、纵向水流的冲力横向运动的床面与矿粒间的摩擦力、纵向水流的冲力 洗水给矿重矿物轻矿物图4摇床选矿示意图10磁磁 选选 磁力、磁力、机械力机械力11浮浮 选选 药剂处理过的矿粒在两药剂处理过的矿粒在两相界面选择性附着相界面选择性附着通空气。不被水润湿

7、矿通空气。不被水润湿矿粒随气泡浮到矿浆上面；粒随气泡浮到矿浆上面；易被水润湿矿物粒子留易被水润湿矿物粒子留在矿浆中。在矿浆中。矿物表面不同的润湿性矿物表面不同的润湿性可用浮选药剂在很大范可用浮选药剂在很大范围内调整。围内调整。 12纯金属制备纯金属制备冶金冶金1. 火法冶金火法冶金 利用高温使利用高温使原料原料熔化，进行物理化学反应，从矿石中提取和提纯金属。熔化，进行物理化学反应，从矿石中提取和提纯金属。 用气体或固体还原剂还原为金属，如：用气体或固体还原剂还原为金属，如： Cr2O3AlAl2O3Cr 提炼冶金：提炼冶金：由焙烧、烧结、还原熔炼、氧化熔炼、造渣、造锍、精炼等单由焙烧、烧结、还

8、原熔炼、氧化熔炼、造渣、造锍、精炼等单 元过程按照需要所构成的冶金方法。元过程按照需要所构成的冶金方法。 氯化冶金：氯化冶金：依靠不同金属氯化物的物理化学性质不同，来有效实现金属的依靠不同金属氯化物的物理化学性质不同，来有效实现金属的 分离、提取和精炼。分离、提取和精炼。 喷射冶金：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。冶金过程。 真空冶金：真空冶金：在真空条件下完成金属和合金的熔炼、精炼，金属液在真空下在真空条件下完成金属和合金的熔炼、精炼，金属液在真空下 脱氧、脱气等。脱氧、脱气等。 132. 湿法

9、冶金湿法冶金 低温下用溶剂处理矿石，在水溶液或非水溶液中进行氧化、还原、中和、低温下用溶剂处理矿石，在水溶液或非水溶液中进行氧化、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。包括浸取、固液分离、溶液的富集和从溶液中提取金属或取和分离。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四个过程。化合物四个过程。 浸取：浸取：选择性溶解选择性溶解 。选择溶剂，使一种或几种有价金属溶解进入溶液，与。选择溶剂，使一种或几种有价金属溶解进入溶液，与 其他不溶物质分离。其他不溶物质分离。 固液分离固

10、液分离 ：过滤、洗涤或离心分离等。过滤、洗涤或离心分离等。 溶液富集溶液富集 ：富集是对浸取溶液的净化和富集过程，方法有化学沉淀、离子富集是对浸取溶液的净化和富集过程，方法有化学沉淀、离子 沉淀、溶剂萃取、膜分离或其他化学方法。沉淀、溶剂萃取、膜分离或其他化学方法。 提取：提取：采用电解、化学置换、氢还原等方法来提取金属或化合物。采用电解、化学置换、氢还原等方法来提取金属或化合物。Al、W143. 电冶金电冶金 利用电化学原理从矿石或其他原料中提取、回收、精炼金属。利用电化学原理从矿石或其他原料中提取、回收、精炼金属。 水溶液电解：水溶液电解： 电解精炼电解精炼电极电位高的稀贵电极电位高的稀贵

11、金属和杂质落入底金属和杂质落入底部或附于阳极形成部或附于阳极形成阳极泥，电极电位阳极泥，电极电位低的杂质以离子形低的杂质以离子形态留在电解液中。态留在电解液中。 电解提取电解提取从富集后的浸取液从富集后的浸取液中提取金属或化合中提取金属或化合物。不溶性电极，物。不溶性电极，溶剂可经过再生后溶剂可经过再生后重复使用。重复使用。15 熔盐电解：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

12、解。进行电解。 阴极反应阴极反应 Mn+neM 阳极反应阳极反应 通常用碳作为阳极。通常用碳作为阳极。 例如电解例如电解MgCl2时，阳极的反应为：时，阳极的反应为：2ClCl22e； Al2O3在冰晶石中电解时，阳极上生成在冰晶石中电解时，阳极上生成CO2：2O2CCO24e 。16钢铁的冶金制备钢铁的冶金制备171. 原料原料 矿石、熔剂、焦炭等矿石、熔剂、焦炭等 脉石：脉石：SiO2、Al2O3、CaO、MgO，其中，其中SiO2最多。有害元素硫、磷、铅、最多。有害元素硫、磷、铅、 锌、砷等含量愈低愈好锌、砷等含量愈低愈好。溶剂：溶剂：目的是除去矿石中的脉石。熔剂和脉石反应生成熔点低、相

13、对密度目的是除去矿石中的脉石。熔剂和脉石反应生成熔点低、相对密度 小的熔渣，浮于铁水上面，便于除去。最常用的是石灰石（小的熔渣，浮于铁水上面，便于除去。最常用的是石灰石（CaCO3）一、生铁冶炼一、生铁冶炼182. 主设备主设备高炉高炉 193. 物理化学过程物理化学过程 燃料燃烧燃料燃烧 焦炭在炉缸区或风口遇热空气燃烧，焦炭在炉缸区或风口遇热空气燃烧，生成生成CO2并放出大量热，使炉缸温并放出大量热，使炉缸温度达度达18001900。随着炉气上升，含氧越来越少，同时炉气温度也不。随着炉气上升，含氧越来越少，同时炉气温度也不断降低，发生还原反应断降低，发生还原反应CO2C2CO。热源、还原剂。

14、热源、还原剂。 铁的还原铁的还原 Fe2O3Fe3O4FeOFe 由由CO、固体、固体C逐步还原逐步还原 最初还原出来的铁如海绵状，称为最初还原出来的铁如海绵状，称为海绵铁海绵铁。 海绵铁下降过程中吸碳，熔点降低，在海绵铁下降过程中吸碳，熔点降低，在1200左右开始熔化成为左右开始熔化成为铁水铁水。 其他金属氧化物也被还原，被还原出来的锰、硅等元素熔于铁水中。其他金属氧化物也被还原，被还原出来的锰、硅等元素熔于铁水中。 石灰石分解与造渣石灰石分解与造渣 CaCO3CaOCO2 ；mSiO2pAl2O3nCaOnCaOpAl2O3mSiO2 熔渣吸收焦炭燃烧留下的灰分及未完全还原的氧化物（如熔渣

15、吸收焦炭燃烧留下的灰分及未完全还原的氧化物（如FeO、MnO、HgO等）；等）；CaO还促使还促使FeS转变为转变为CaS而熔于渣中。而熔于渣中。 20二、炼钢二、炼钢除去生铁中多余的碳、硫、磷等有害杂质，合金化。除去生铁中多余的碳、硫、磷等有害杂质，合金化。 氧化氧化 直接向高温金属熔池中吹入工业纯氧，或利用氧化性炉气和铁矿石供氧。直接向高温金属熔池中吹入工业纯氧，或利用氧化性炉气和铁矿石供氧。 首先与铁发生氧化反应：首先与铁发生氧化反应：2FeO2=2（FeO） 然后熔体中然后熔体中Si、Mn、P、C等杂质与（等杂质与（FeO）反应，生成杂质氧化物和）反应，生成杂质氧化物和Fe。 氧化物不

16、熔于金属，而上浮进入熔渣或炉气中。氧化物不熔于金属，而上浮进入熔渣或炉气中。 造渣脱磷和脱硫造渣脱磷和脱硫 2P5 FeO4CaO5Fe4CaOP2O5（进入熔渣）（进入熔渣） FeSCaOFeOCaS（进入熔渣）（进入熔渣） 脱氧及合金化脱氧及合金化 锰铁、硅铁和铝。将锰铁、硅铁和铝。将FeO还原成还原成Fe，脱氧产物上浮到钢液表面的渣中。，脱氧产物上浮到钢液表面的渣中。 向钢液中加入所需的合金元素，将钢的化学成分调整到要求。向钢液中加入所需的合金元素，将钢的化学成分调整到要求。212223纯铜的制备纯铜的制备一、原料一、原料 主要是铜矿石，其次是工业和生活中的铜及其合金的废件。主要是铜矿石

17、，其次是工业和生活中的铜及其合金的废件。 黄铜矿（黄铜矿（CuFeS2）、斑铜矿（）、斑铜矿（Cu3FeS2）、辉铜矿（）、辉铜矿（Cu2S）、铜蓝（）、铜蓝（CuS）；）； 孔雀石孔雀石CuCO3Cu(OH)2、硅孔雀石、硅孔雀石CuSiO32H2O、赤铜矿（、赤铜矿（Cu2O）和胆矾）和胆矾（CuSO45H2O）等。）等。原料成分原料成分 Cu、Fe、Zn、Ni等硫化物；等硫化物； Fe、Cu、Zn、Si、Al、Mn、Ca、Mg等氧化物、少量硫酸盐、碳等氧化物、少量硫酸盐、碳酸盐和硅酸盐等酸盐和硅酸盐等 。24二、造锍熔炼二、造锍熔炼冰铜冰铜1. 高温反应高温反应 高价化合物的分解高价化合

18、物的分解 4CuFeS22Cu2S4FeS2S 2CuSCu2SS FeS2FeSS MeCO3MeOCO2 MeSO4MeOSO2 O2 2CuOCu2OO2 各种化合物间的反应各种化合物间的反应 10Fe2O3FeS7 Fe3O4SO2 3Fe3O4FeS10FeOSO2 Cu2OFeSCu2SFeO Cu2SCu2O6CuSO2 2CuFeSCu2SFe2. 造锍产物造锍产物 冰铜冰铜 Cu2S 少量少量 FeS 少量少量 PbS、ZnS、Ni3S2、 Au、Ag、Sb、Te、Se 炉渣炉渣 FeO、SiO2、CaO、Al2O3 少量少量 Cu2S和和Cu2O。2526272829三、冰

19、铜转炉吹炼三、冰铜转炉吹炼粗铜粗铜 铁、镍、铅等硫化物被氧化铁、镍、铅等硫化物被氧化 与加入的石英造渣与加入的石英造渣 转炉渣转炉渣 白冰铜（白冰铜（Cu2S)吹炼氧化吹炼氧化 粗铜粗铜 30四、粗铜的火法精炼四、粗铜的火法精炼火法精铜火法精铜1. 粗铜中杂质粗铜中杂质砷、锑、铅、锡、锌、铁、钴、镍等杂质；砷、锑、铅、锡、锌、铁、钴、镍等杂质；硒、碲、锗、金、银等稀贵金属硒、碲、锗、金、银等稀贵金属2. 精炼原理精炼原理空气空气+铜铜氧化亚铜氧化亚铜 氧化亚铜氧化亚铜+其它杂质其它杂质铜铜 杂质形成氧化物而被除去杂质形成氧化物而被除去 铜液中残存铜液中残存78%的氧化亚铜的氧化亚铜 在还原阶段

20、在熔体表面覆盖一层木炭，并吹入在还原阶段在熔体表面覆盖一层木炭，并吹入还原性气体（还原性气体（CH4、CO、H2等）等） 氧化亚铜氧化亚铜铜铜31五五 精铜电解精炼精铜电解精炼电解铜电解铜1. 目的目的火法精铜，含铜仅达火法精铜，含铜仅达99.5，不能满足工业要求。，不能满足工业要求。 电解精炼电解精炼：除去：除去Fe、As、Sb、Pb等杂质；等杂质； 回收有价金属回收有价金属Au、Ag、Se、Te等。等。2. 原理原理阳极：火法精铜铸成阳极板阳极：火法精铜铸成阳极板阴极：纯铜片阴极：纯铜片电解液：硫酸铜和硫酸的水溶液电解液：硫酸铜和硫酸的水溶液 铜：阳极铜溶解，电解液中的铜离子在阴极析出铜：

21、阳极铜溶解，电解液中的铜离子在阴极析出电解铜电解铜 稀贵金属：进入阳极泥稀贵金属：进入阳极泥回收回收杂质：留在电解液中杂质：留在电解液中32纯铝的冶金制备纯铝的冶金制备 铝与氧的亲和力很强，难以直接还原，故长期以来铝的价格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。极高。 当人类发现用电解法可以从氧化铝中提炼出铝之后，铝的价当人类发现用电解法可以从氧化铝中提炼出铝之后，铝的价格大约降低了格大约降低了20倍。倍。 33苏打铝土矿石灰石破碎 湿磨回转窑浸出赤泥洗涤水赤泥洗水粗铝酸钠溶液脱硅精铝酸钠溶液硅渣种子搅拌分解或碳酸化分解CO2氢氧化铝分离母液蒸发洗涤氢氧化铝氢氧化铝焙烧氧化铝

22、烧结法生产氧化铝的工艺流程图一、烧结法生产氧化铝一、烧结法生产氧化铝1. 铝土矿主要成分铝土矿主要成分 Al2O3、Fe2O3、SiO2 少量的少量的TiO2。 2. 回转窑烧结反应回转窑烧结反应 Al2O3Na2CO3= Na2OAl2O3CO2 Fe2O3Na2CO3= Na2OFe2O3CO2 SiO2Na2CO3= Na2OSiO2CO2 TiO2CaCO3= CaOTiO2CO2 SiO22CaCO3= 2CaOSiO2CO2343. 浸出（稀碱溶液）浸出（稀碱溶液） Na2OAl2O34H2O2 NaAl（OH）4 Na2OFe2O32H2OFe2O3H2ONaOH NaAl（OH

23、）4：进入进入溶液溶液 Fe2O3H2O、CaOSiO2等等：组成组成赤泥赤泥4. 脱硅脱硅 浸出液中含有一定量的浸出液中含有一定量的SiO2 （硅酸钠）（硅酸钠） 向粗铝酸钠溶液中加入石灰，用蒸气加热，在向粗铝酸钠溶液中加入石灰，用蒸气加热，在57大气压下，经大气压下，经2小时的搅拌压煮后，绝大部分的氧化硅成为固体从溶液中析出。小时的搅拌压煮后，绝大部分的氧化硅成为固体从溶液中析出。5. 精铝酸钠溶液分解精铝酸钠溶液分解 Na2OAl2O3H2O2Al(OH)32NaOH（种子搅拌或碳酸化）（种子搅拌或碳酸化）Al(OH)3：洗涤、煅烧、晶型转变：洗涤、煅烧、晶型转变 Al2O3 送电解送电

24、解 35二、金属铝的制备二、金属铝的制备氧化铝电解氧化铝电解36 固体氧化铝粉末不导电，为使其导电必须变为熔融状态。但氧化铝熔固体氧化铝粉末不导电，为使其导电必须变为熔融状态。但氧化铝熔点很高（点很高（2050），因此采用冰晶石（），因此采用冰晶石（Na3AlF6）作熔剂，形成的冰晶）作熔剂，形成的冰晶石和氧化铝熔体可在石和氧化铝熔体可在1000以下进行电解。以下进行电解。 阳极反应阳极反应 2Al36e2Al 阴极反应阴极反应 3O21.5C6e1.5 CO2 总反应总反应 Al2O31.5C2Al1.5 CO2 37钛的冶金制备钛的冶金制备一、含钛矿物及精矿成分一、含钛矿物及精矿成分金红石：金红石：