金屬材料生產(chǎn)工藝

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　　金屬材料一般從礦石中提取，往往涉及到冶煉過(guò)程，因此金屬材料的生產(chǎn)工藝通稱(chēng)為冶金學(xué)。根據(jù)工藝特點(diǎn)的不同可分為：火法冶金、濕法冶金、電冶金以及粉末冶金等。
8 L/ u. }, r: q& e9 [" d火法冶金
pyrometallurgy
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, R* I  M% Z' Q   利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的冶金過(guò)程。此過(guò)程沒(méi)有水溶液參加，故又稱(chēng)為干法冶金。火法冶金的工藝流程一般分為礦石準(zhǔn)備、冶煉、精煉3個(gè)步驟。①礦石準(zhǔn)備。選礦得到的細(xì)粒精礦不易直接加入鼓風(fēng)爐（或煉鐵高爐），須先加入冶金熔劑（能與礦石中所含的脈石氧化物、有害雜質(zhì)氧化物作用的物質(zhì)），加熱至低于爐料的熔點(diǎn)燒結(jié)成塊；或添加粘合劑壓制成型；或滾成小球再燒結(jié)成球團(tuán)；或加水混捏；然后裝入鼓風(fēng)爐內(nèi)冶煉。硫化物精礦在空氣中焙燒的主要目的是：除去硫和易揮發(fā)的雜質(zhì)，并使之轉(zhuǎn)變成金屬氧化物，以便進(jìn)行還原冶煉；使硫化物成為硫酸鹽，隨后用濕法浸取；局部除硫，使其在造锍熔煉中成為由幾種硫化物組成的熔锍。②冶煉。此過(guò)程形成由脈石、熔劑及燃料灰分融合而成的爐渣和熔锍（有色重金屬硫化物與鐵的硫化物的共熔體）或含有少量雜質(zhì)的金屬液。有還原冶煉、氧化吹煉和造锍熔煉3種冶煉方式：還原冶煉：是在還原氣氛下的鼓風(fēng)爐內(nèi)進(jìn)行。加入的爐料，除富礦、燒結(jié)塊或球團(tuán)外，還加入熔劑（石灰石、石英石等），以便造渣，加入焦炭作為發(fā)熱劑產(chǎn)生高溫和作為還原劑。可還原鐵礦為生鐵，還原氧化銅礦為粗銅，還原硫化鉛精礦的燒結(jié)塊為粗鉛。氧化吹煉：在氧化氣氛下進(jìn)行，如對(duì)生鐵采用轉(zhuǎn)爐，吹入氧氣，以氧化除去鐵水中的硅、錳、碳和磷，煉成合格的鋼水，鑄成鋼錠。造锍熔煉：主要用于處理硫化銅礦或硫化鎳礦，一般在反射爐、礦熱電爐或鼓風(fēng)爐內(nèi)進(jìn)行。加入的酸性石英石熔劑與氧化生成的氧化亞鐵和脈石造渣，熔渣之下形成一層熔锍。在造锍熔煉中，有一部分鐵和硫被氧化，更重要的是通過(guò)熔煉使雜質(zhì)造渣，提高熔锍中主要金屬的含量，起到化學(xué)富集的作用。③精煉。進(jìn)一步處理由冶煉得到的含有少量雜質(zhì)的金屬，以提高其純度。如煉鋼是對(duì)生鐵的精煉，在煉鋼過(guò)程中去氣、脫氧，并除去非金屬夾雜物，或進(jìn)一步脫硫等；對(duì)粗銅則在精煉反射爐內(nèi)進(jìn)行氧化精煉，然后鑄成陽(yáng)極進(jìn)行電解精煉；對(duì)粗鉛用氧化精煉除去所含的砷、銻、錫、鐵等，并可用特殊方法如派克司法以回收粗鉛中所含的金及銀。對(duì)高純金屬則可用區(qū)域熔煉等方法進(jìn)一步提煉。
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* ^& X7 b& p" x/ u( c　　　 火法冶金
　　火法冶金是指利用高溫（超過(guò)金屬熔點(diǎn)溫度）從礦物中提取金屬或其他化合物的方法；顧名思義，這種生產(chǎn)工藝常利用火來(lái)加熱得到高溫。因這種工藝沒(méi)有水溶液的參與，所以也叫干法冶金(錄像火法冶金〕。這里以目前使用量最大的金屬材料-鋼鐵材料為例，介紹火法冶金的生產(chǎn)過(guò)程。
　　生鐵冶煉分為三步：原料準(zhǔn)備、冶煉、精煉。
. ^( D. h5 C3 @& e9 I8 t6 N+ ~　　　 原料準(zhǔn)備 (錄像原料準(zhǔn)備):
4 k* |- H3 t: k0 \　　　　制取精礦粉：把從自然界中直接采掘到的礦石破碎后、通過(guò)重選、浮選、磁選等方法，
　　獲得含金屬量較高的精礦粉。制取精礦粉不僅是火法冶金的第一步，實(shí)際上也是所有從礦
0 i7 P+ V1 d6 U3 s　　石開(kāi)始的冶金過(guò)程中都必不可少的過(guò)程。
0 W+ `; ^3 Y% P4 z5 O　　　　精礦粉的球團(tuán)和燒結(jié)：把細(xì)鐵精礦粉與適量的粘結(jié)劑和水，在造球機(jī)內(nèi)均勻混合，制
. F# t* b2 r, B　　成球團(tuán)，然后再高溫?zé)�結(jié)。
+ \7 i# i; \, q, m　　　 冶煉 (錄像煉鐵煉鋼):
' d- }2 k5 a9 U4 u　　　　一般金屬在礦石中以氧化物或硫化物等化合物的形式存在，用還原劑（如焦碳，CO等）
; E* V6 f- G  \; }3 c  E　　將其還原為金屬的過(guò)程，稱(chēng)為冶煉。這個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程通常在高溫下在煉鐵高爐內(nèi)進(jìn)行，
+ l6 z) f4 i+ ^1 v6 ~# J　　要噴吹重油和煤粉助燃，冶煉過(guò)程除了獲得金屬外，還得到大量的爐渣和煤氣，可以回收
3 z" U: _7 a# z7 u/ G　　綜合利用。
: w, h( m% i$ n' K' C7 u　　　 精煉 (錄像精煉):
" _; ~' @4 t5 y6 Y　　　　將冶煉得到的金屬（生鐵）進(jìn)一步去除雜質(zhì)，提高純度的過(guò)程稱(chēng)為精煉。精煉包括：
　　　　化學(xué)方法：氧化精煉、電渣重熔、真空冶煉、噴射冶金；
) w  |1 y5 N' T/ \" R; k+ z9 X+ W+ k　　　　物理方法：區(qū)域提純、精餾；
　　　　電化學(xué)方法：電解提純。
　　煉鋼實(shí)際上就是對(duì)生鐵的一種精煉過(guò)程。由于生鐵冶煉過(guò)程中要使用大量的碳來(lái)還原出金屬鐵，生鐵中碳含量較高。鋼與生鐵化學(xué)成分上的主要區(qū)別在于含碳量，含碳量超過(guò)2.11%的就是生鐵，而常用鋼的含碳量一般在1%以下。因此煉鋼就是通過(guò)氧氣把鐵水中的各種雜質(zhì)氧化成爐渣和氣體除去，從而降低雜質(zhì)含量，并用各種鐵合金來(lái)調(diào)整成分，再用鋁、鈦等脫除過(guò)量的氧的過(guò)程。煉鋼有轉(zhuǎn)爐、平爐和電弧爐三種主要設(shè)備。目前，氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼是冶煉普通鋼的主要手段，世界鋼產(chǎn)量的一半以上是通過(guò)這種方法生產(chǎn)的。電弧爐煉鋼發(fā)展很快，主要用于冶煉高質(zhì)量合金鋼種，已超過(guò)了世界鋼產(chǎn)量的20%。
  F9 v$ r% d/ S% T. L( w* ^　　除了鋼鐵之外，可采用火法冶煉的還有銅、錫、鎳和鉛等金屬材料。火法冶金過(guò)程的成本較低，是生產(chǎn)量大面廣的金屬材料的主要方法，其缺點(diǎn)是冶金過(guò)程對(duì)環(huán)境有較大污染。

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濕法冶金
3 o* z  m* o. l( i# I5 Xhydrometallurgy
2 r2 s- w6 `+ a. i9 Y& L
   利用某種溶劑，借助化學(xué)反應(yīng)（包括氧化、還原、中和、水解及絡(luò)合等反應(yīng)），對(duì)原料中的金屬進(jìn)行提取和分離的冶金過(guò)程。又稱(chēng)水法冶金。濕法冶金包括4個(gè)主要步驟：①用溶劑將原料中有用成分轉(zhuǎn)入溶液，即浸取。②浸取溶液與殘?jiān)�分離，同時(shí)將夾帶于殘?jiān)�中的冶金溶劑和金屬離子回收。③浸取溶液的凈化和富集，常用離子交換和溶劑萃取技術(shù)或其他化學(xué)沉淀方法。④從凈化液中提取金屬或化合物。濕法冶金在鋅、鋁、銅、鈾等工業(yè)中占有重要地位，世界上全部的氧化鋁、氧化鈾，大部分鋅和部分銅都是用濕法生產(chǎn)的。濕法冶金的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)非常低品位礦石（金、鈾）的適用性，對(duì)相似金屬（鉿與鋯）難分離情況的適用性；以及和火法冶金相比，材料的周轉(zhuǎn)比較簡(jiǎn)單，原料中有價(jià)金屬綜合回收程度高，有利于環(huán)境保護(hù)，并且生產(chǎn)過(guò)程較易實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和自動(dòng)化。
濕法冶金
　　利用溶劑，借助于氧化、還原、中和、水解、絡(luò)合等化學(xué)作用，對(duì)原料中金屬進(jìn)行提取和分離，得到金屬或其化合物的過(guò)程，稱(chēng)為濕法冶金。由于大部分溶劑是水溶液，因而也叫水法冶金。水法冶金的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境污染少，并且能提煉低品位的礦石，但成本較高。主要用于生產(chǎn)鋅、氧化鋁、氧化鈾及一些稀有金屬。
　　濕法冶金在機(jī)理上屬分析化學(xué)的內(nèi)容，其生產(chǎn)步驟主要包括：浸取、分離、富集和提取。
　
　　　 浸　取
　　　　　 選擇適當(dāng)?shù)娜軇�（如酸、堿、氨、氰化物、氯化物、有機(jī)溶劑等）把經(jīng)處理過(guò)的
" o* ~3 r- i0 s; U+ c8 E　　　礦石中的常以化合物形式存在的金屬選擇性地溶解，以便使其與其它不溶的物質(zhì)分離的
　　　過(guò)程。浸取過(guò)程常涉及到置換和氧化還原反應(yīng)，為得到所需要的產(chǎn)物，對(duì)浸取劑的酸堿
　　　度要加以控制。此外，凡影響化學(xué)反應(yīng)的因素都對(duì)浸取過(guò)程產(chǎn)生影響，一般加溫和加壓
5 h! O9 _% u# m　　　可都加速浸取過(guò)程。還可以利用細(xì)菌把一些不溶性的礦物變成可溶性鹽，稱(chēng)為微生物冶
　　　金或細(xì)菌采礦。
. i- x! T# S/ S) J/ `* \0 p1 e　　　 分　離
　　　　　　將浸取溶液與不溶的殘?jiān)�分離的過(guò)濾過(guò)程。同時(shí)還要考慮將殘?jiān)�中的溶劑和金�?br /> 6 b6 `# B/ U6 U3 F　　　　離子洗滌回收。
　　
6 m  q! [# A9 P3 d- O; Q. ~+ U　　　 富　集：
% R! P3 v% i/ A% T  @　　　　　把分離得到的浸取液凈化和富集的過(guò)程。包括：化學(xué)沉淀、離子交換、溶劑萃取等
  [  z6 }! n  s3 f! k# V　　　方法。
　　　　　化學(xué)沉淀又可分為置換沉淀（如用鐵置換硫酸銅中的銅）、水解沉淀（如鈹?shù)柠}類(lèi)
3 h2 A0 `; V. ?) m1 a/ e) b) Y& c% w　　　化合物水解成氫氧化物）、分布結(jié)晶（如銣和鉀的草酸鹽）等種類(lèi)。
" Y( n, }4 w7 `: ^4 G) ]　　　　　離子交換過(guò)程是以固相的樹(shù)脂作為離子交換劑，與液相中的離子發(fā)生可逆的離子交
　　　換過(guò)程，已用于鈾、鑭系和錒系金屬等的富集。
　　　　　溶劑萃取：讓水溶液與不溶于水的有機(jī)溶液互相接觸，把水溶液中的溶質(zhì)擇優(yōu)地轉(zhuǎn)
# j# l8 F6 e1 p7 u　　　入有機(jī)相的過(guò)程。已用于鈾、稀土、銅、鎳和鈷等的富集。
　　　 提　取：從富集后的凈化液中獲得純金屬的過(guò)程。一般采用下面要講到的電解法。

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電冶金
: }8 i5 @& B7 V% Nelectrometallurgy

   利用電能從礦石或其他原料中提取、回收和精煉金屬的冶金過(guò)程。電冶金成為大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的先決條件是廉價(jià)電能的大量供應(yīng)。電冶金包括電爐冶煉、熔鹽電解和水溶液電解等。①電爐冶煉是利用電能獲得冶金所要求的高溫而進(jìn)行的冶金生產(chǎn)。如電弧爐煉鋼是通過(guò)石墨電極向電弧煉鋼爐內(nèi)輸入電能，以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進(jìn)行煉鋼，可獲得比用燃料供熱更高的溫度，且爐內(nèi)氣氛較易控制，對(duì)熔煉含有易氧元素較多的鋼種極為有利。②熔鹽電解是利用電能加熱并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，將某些金屬的鹽類(lèi)熔融并作為電解質(zhì)進(jìn)行電解，自熔鹽中還原金屬，以提取和提純金屬的冶金過(guò)程，如鋁、鎂、鈉、鉭、鈮的熔鹽電解生產(chǎn)。③水溶液電解是利用電能轉(zhuǎn)化的化學(xué)能使溶液中的金屬離子還原為金屬析出，或使粗金屬陽(yáng)極經(jīng)由溶液精煉沉積于陰極，如銅、鋅的電積和銅、鉛的電解精煉。
# G7 N& n% ~: N+ `. ^3 W% z電冶金
　　廣義上講電冶金是指應(yīng)用電能從礦石或其它原料中提取、回收、精煉金屬的冶金過(guò)程。顯然也包括電爐冶煉。但實(shí)際工程上所提到的電冶金一般指電解（電化學(xué)）冶金，包括水溶液電解和熔鹽電解，而把電爐冶煉歸入火法冶金的范疇。
　
# u1 g( s9 K. l3 }' D　　 水溶液電解
　　　 以溶有金屬離子的水溶液作為電解質(zhì)，使金屬離子在陰極上析出的過(guò)程。
# x4 X0 n8 b, m+ N8 ?; F　　
　　　　水溶液電解過(guò)程也可以把含雜質(zhì)的金屬作為陽(yáng)極，電解過(guò)程使其不斷溶解到水溶液中，并在
) G" A4 `# @8 A  l) T/ t/ i　　陰極析出，叫電解精煉（可溶陽(yáng)極電解），如金、銀、鈷、鎳、銅等貴重金屬大多采用電解精煉
' n% u( w- K, D/ h3 ]( s' `　　來(lái)獲得高純成分；如果陽(yáng)極材料本身不參與電解過(guò)程，只是把濕法冶金中獲得的浸取液中的金屬
0 O* y/ {; I* B; c# A2 y　　在陰極沉淀析出的過(guò)程，則叫電解提取（不溶陽(yáng)極電解），例如鋅、鉻、錳的提取。
+ A9 `' ^( Q* j5 w! P$ f　　
1 P' F/ J1 W0 Q2 Z; a7 k  i$ ?　　 熔鹽電解
　　　　以高導(dǎo)電率、低熔點(diǎn)的金屬熔鹽作為電解質(zhì) ，使金屬離子在陰極析出的過(guò)程。主要用于不　　溶于水的金屬鹽類(lèi)，如鋁、鎂、鈉等活潑金屬。由于金屬能溶于熔鹽，或者與高價(jià)氧化物反應(yīng)生　　成低價(jià)化合物重新溶入熔鹽，熔鹽電解的電流效率要低于水溶液電解。
粉末冶金
1 ~! @+ @: M4 q. {* j6 n　　用濕法冶金和電冶金獲得的金屬往往是以顆粒的形式存在，要想得到大塊的致密金屬和金屬零部件，可采用粉末冶金的方法。
　　粉末冶金由以下幾個(gè)主要工藝步驟組成：配料、壓制成型、坯塊燒結(jié)和后處理。對(duì)于大型的制品，為了獲得均勻的密度，還需要采取等
靜壓（各方向同時(shí)受液壓）的方法成型。粉末冶金的生產(chǎn)工藝與陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝非常相近，將在下一部分詳細(xì)介紹。這種方法對(duì)于制造切削用的硬質(zhì)合金（碳化鎢、碳化鈦等難熔碳化物的混合物）刀頭特別重要，鎢、鈮、鉭等高熔點(diǎn)塊狀合金一般用粉末冶金法制造，致密的鈦零件也可用粉末冶金法生產(chǎn)。粉末冶金工藝發(fā)展很快，現(xiàn)在常常用來(lái)制做減磨材料、摩擦材料、結(jié)構(gòu)材料、刀具和模具材料、過(guò)濾材料等。
( f% g; s( U9 b: F! K　
　　粉末冶金在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上有以下特點(diǎn)：
　 　　　
6 }% H' D, C# C0 D* O　　　　 　可生產(chǎn)普通熔煉方法無(wú)法生產(chǎn)的特殊性能材料，如多孔材料、復(fù)合材料等；
　　　　 　可避免成分偏析、保證合金具有均勻的組織和穩(wěn)定的性能；
　　　　 　可生產(chǎn)高熔點(diǎn)金屬（如鎢和鉬）和不互熔的合金（如鎢-銀合金）；
& A5 y: @5 V) G0 c0 l0 m$ O. ?+ J. S　　　　 　可大量減少產(chǎn)品的后續(xù)機(jī)加工量，節(jié)約金屬材料，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。這一點(diǎn)對(duì)
9 d+ i: c; R0 n( p! T8 m　　　　　　 貴重金屬尤其重要；
3 |0 R1 v' G8 h4 B　　　　 　粉末冶金零件的缺點(diǎn)是塑性和韌性較差。
　　以上討論了金屬材料的各種生產(chǎn)工藝。其中火法冶金大量用于鋼鐵材料的生產(chǎn)，而濕法冶金和電冶金主要用于有色金屬（除鋼鐵以外的金屬）的生產(chǎn)。許多有色合金既可以采用濕法冶金也可以采用火法冶金生產(chǎn)，可根據(jù)礦石品位、工程條件以及生產(chǎn)成本來(lái)選擇。電冶金是獲得高純度金屬的一種有效辦法，火法冶金和濕法冶金的產(chǎn)品常常是作為初級(jí)產(chǎn)品，通過(guò)電冶金工藝進(jìn)一步提純。這些工藝過(guò)程可以概括地表示在圖中。粉末冶金實(shí)際上是把金屬原料粉制成塊狀金屬和零件的過(guò)程，只涉及物理變化過(guò)程，是對(duì)其它冶金方法的一種補(bǔ)充，在 一定程度上也可以看作是一種加工工藝。 　　　　
+ Y, k0 w6 T5 h4 J　　　　　　　金屬生產(chǎn)工藝示意圖  
6 F/ m# [% B. Z  Z8 Q$ P, B9 H8 ]2 u各種金屬材料可采用的生產(chǎn)工藝如下：
: B' E7 V. {( Q9 J% F　　　火法冶金：鋼鐵、粗銅、錫、鎳、鉛、鋅、鈦等
　　　濕法冶金：銅、鋅、鈾、稀土、鎳、鈷、鎢等
0 Q& M8 W& _8 b' t　　　電冶金：金、銀、鈷、鎳、銅、鉛、鋅、錫、鉻、錳、鋁、鎂、鈉、鈹?shù)?
　　　粉末冶金：各種固態(tài)金屬。