冶金导论考试复习资料.doc

冶金导论复习一、名词解释：1、焙烧：将矿石或精矿置于适当的气氛下，加热至低于它们的熔点温度，发生氧化、还原或其它化学变化的过程。其目的是改变原料中提取对象的化学组成，满足熔炼或浸出的要求。按控制的气氛不同，分为：氧化焙烧：还原焙烧：硫酸化焙烧氯化焙烧等。2、浸出：用适当的浸出剂（如酸、碱、盐等水溶液）选择性地与矿石、精矿、焙砂等矿物原料中金属组分发生化学作用，并使之溶解而与其它不溶组分初步分离的过程。浸出又称浸取、溶出、湿法分解。 3、烧结矿：将矿粉（包括富矿粉、精矿粉以及其它含铁细粒状物料）、熔剂（石灰石、白云石、生石灰等粉料）、燃料（焦粉、煤粉）按一定比例配合后，经混匀、造粒、加温（预热）、布料、点火，借助炉料氧化（主要是燃料燃烧）产生的高温，使烧结料水分蒸发并发生一系列化学反应，产生部分液相粘结，冷却后成块，经合理破碎和筛分后，最终得到的块矿就是烧结矿。4、高炉利用系数：每立方米高炉有效容积一昼夜生产生铁的吨数，是衡量高炉生产效率的指标，单位：吨/(米3·日)。 5、直接还原：以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源，在铁矿石（或铁团块）呈固态的软化温度以下进行还原获得金属铁的方法。6、熔融还原：以非焦煤为能源，在高温熔融状态下进行铁氧化物还原，渣铁能完全分离，得到类似高炉的含碳铁水，其目的在于不使用焦炭。 7、炼钢：就是通过冶炼来降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根据对钢性能的要求加入适量的合金元素，使其成为具有高的强度、韧性或其它特殊性能的钢。 8、碳素钢：是指钢中除含有一定量为了脱氧而加入硅（一般0.40%）和锰（一般0.80%）等合金元素外，不含其他合金元素的钢。9、合金钢：是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素如铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮等的钢。10、金属压力加工：金属压力加工是对固态金属施加一定的外力，使其发生塑性变形，从而获得所要求的形状和尺寸的金属材料和制品。它包括轧制、锻造、冲压、挤压、拉拔等方法。11、轧钢：将钢材金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙（各种形状），因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产方式，主要用来生产钢材型材、板材、管材。分冷轧、热轧。 12、拜耳法：用苛性钠溶液(其质量浓度为130350gNa2O/L)在加热的条件下将铝土矿中的各种氧化铝水合物溶解出来，生成铝酸钠溶液，此种溶液经稀释后在冷却的条件下分解出纯的氢氧化铝，同时重新生成苛性钠溶液，供循环使用。补充： 湿法炼铜也称胆铜法，其生产过程主要包括两个方面。一是浸铜，就是把铁放在胆矾（CuSO4·5H2O）溶液（俗称胆水）中，使胆矾中的铜离子被金属置换成单质铜沉积下来；二是收集，即将置换出的铜粉收集起来，再加以熔炼、铸造。 连铸，使钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺。 钢液的炉外精炼是把一般炼钢炉中要完成的精炼任务，如脱硫、脱氧、除气、去除非金属夹杂物、调整钢的成分和钢液温度等，移到炉外的“钢包”或者专用的容器中进行。二、简答题：1、为什么说钢铁是使用最多的金属材料？答：（1）就金属元素而言，铁在自然界中的储藏仅次于铝，居第二位，而且多形成巨大的铁矿床，通常铁矿石中铁的含量为2570%。 （2）铁矿石冶炼和加工较容易，且生产规模大，效率高、质量好和成本低，具有其它金属生产无可比拟的优势。 （3）钢铁具有良好的物理、机械和工艺性能，如有较高的强度和韧性、热和电的良好导体、耐磨、耐腐蚀、焊接及铸造加工性好等。 （4）将某些金属（如镍、铬、钒、锰等）作为合金元素加入铁中就能获得具有各种性能的金属材料。 （5）钢铁通过热处理能调整其机械性能，以足国民经济各方面的需要。钢铁材料由于具有以上特点，因此在现代工业中应用广。2、什么是火法冶金和湿法冶金？ 火法冶金：在高温下矿石或精矿经熔炼与精炼反应及熔化作业，使其中的有色金属与脉石和杂质分开，获得较纯有色金属的过程。 包括原料准备、熔炼和精炼三个主要工序。过程所需能源主要靠燃料燃烧供给，也有依靠过程中的化学反应热来提供。 湿法冶金：它是在常温（或低于100）常压或高温（100-300）高压下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要提取的有色金属溶解于溶液中，而其它杂质不溶解，然后再从溶液中将有色金属提取和分离出来的过程。 主要包括浸出、分离与富集和提取过程。3、崩落采矿法特点答：在回采过程中，以崩落围岩处理空区的采矿法，成为崩落采矿法。 (1)崩落法不再把矿块划分为矿房和矿柱，而是以整个矿块作为一个回采单元，按一定的回采顺序，连续进行单步骤回采。 (2)在回采过程中，围岩要自然或强制崩落，矿石是在复盖岩石的直接接触下放矿。因此，这种采矿方法对放矿进行科学管理是十分必要的。 (3)崩落法的开采是在一个阶段内从上而下进行的。 （4）采准、凿岩和出矿在不同分段进行，互不干扰。4、根据物料存在形态的不同，可将高炉划分哪五个区域？各区域主要的反应和特征是什么？答：根据物料存在形态的不同，可将高炉划分为五个区域：块状带、软熔带、滴落带、风口前回旋区、渣体聚集区。各区内进行的主要反应及特征分别为：（1）块状带：炉料中水分蒸发及受热分解，铁矿石还原，炉料与煤气热交换；焦炭与矿石层状交替分布，呈固体状态；以气固相反应为主。（2）软熔带：炉料在该区域软化，在下部边界开始熔融滴落；主要进行直接还原反应，初渣形成。（3）滴落带：滴落的液态渣铁与煤气及固体碳之间进行多种复杂的化学反应。（4）回旋区：喷入的燃料与热风发生燃烧反应，产生高热煤气，是炉内温度最高的区域。（5）渣铁聚集区：在渣铁层间的交界面及铁滴穿过渣层时发生渣金反应。5、硫和磷对钢铁的危害？ 答：（1）硫是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热脆性。“热脆”就是S几乎不熔于固态铁而与铁形成FeS，而FeS与Fe形成的共晶体熔点为988，低于钢材热加工的开始温度。热加工时，分布于晶界的共晶体先行熔化而导致开裂。 （2）磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。磷能溶于-Fe中，固溶并富集在晶粒边界的磷原子使铁素体在晶粒间的强度大大增高，从而使钢材的室温强度提高而脆性增加，称为冷脆。磷在钢的结晶过程中容易偏析，而又很难用热处理的方法来消除，亦使钢材冷脆的危险性增加。6、焦炭在高炉生产中起什么作用。答：焦炭是现代高炉冶炼的主要燃料和能源基础，在高炉冶炼过程中具有如下作用：(1)燃料：燃烧后发热，产生冶炼所需热量。(2)还原剂：焦炭中的固定碳和它燃烧后生成的CO都是铁矿石还原所需的还原剂。（3）液铁渗碳剂：冶炼得到的生铁含碳量一般在4.3%左右，在高炉炼铁过程中，焦炭中的碳会逐步渗透到生铁中，生铁渗碳消耗焦炭约7%10%。(4)料柱骨架：高炉内是充满着炉料和熔融渣、铁的一个料柱，焦炭约占料柱体积的1/31/2，对料柱透气性具有决定性的影响。特别是在高炉下部，矿石、熔剂已经熔化、造渣，变成液态渣和铁，只有焦炭仍保持固态，为渣、铁滴落和煤气上升以及炉缸内的渣、铁正常流通和排出，提供了必要条件，使冶炼过程得以顺利进行。焦炭的这一作用目前尚不能为其他燃料所代替。7、造块法中球团法的优点？答：(1)均匀的粒度和规则的球形对炉料运动、气流分布和热交换十分有利。 (2)铁品位高，能提高入炉炉料的综合品位，对改善炼铁生产的各项技术经济指标极为有利。 (3)强度较高，在炉内不易产生粉末，更适于作为大型高炉的炉料。 (4)含粉率低，一般不超过2，而烧结矿的含粉率最少也在5以上。 (5)FeO含量低，一般不超过1.5，而烧结矿最低也在5以上。FeO含量低对减少高炉中的直接还原有利。(6)球团矿适于长途运输，且能贮存较长时间。球团厂一般建在矿山或港口，减轻了钢铁厂的环境压力。8、球团矿比烧结矿在冶金性能上的优劣？（1）粒度小而均匀，有利于高炉料柱透气性的改善和气流的均匀分布。 （2）冷态强度（抗压和抗磨）高。在运输、装卸和贮存时产生粉末少。（3）铁份高和堆密度大，有利于增加高炉料柱的有效重量，提高产量，（工序能耗降低15kg/t）和降低焦比15kg/t。（4）还原性好，有利于改善煤气化学能的利用。球团矿存在的缺点：还原膨胀率要高于烧结矿。9、高炉炼铁法与非高炉炼铁； 高炉炼铁法即以焦炭为能源基础的传统炼铁方法。它与转炉炼钢相配合，是目前生产钢铁的主要方法。具有以下特点： （1）高炉冶炼生铁的本质是从铁矿石中将铁还原并熔化，其还原所需的还原剂和热量由燃料产生；（2）高炉冶炼产品是生铁，另外还有副产品炉渣、煤气和炉尘，都能充分利用到下面的次生工艺；（3）从开炉投产就是一个连续生产过程，而且生产的规模大，连续自动化；（4）铁矿石直接还原吸热，间接还原放热，高炉内50%炉料为间接还原；（5）冶炼的投资成本较大，对高炉煤气、炉渣等的利用可带来节能效果。非高炉炼铁法，泛指高炉以外，不用焦炭，用煤、燃油、天然气、电为能源基础的一切其它炼铁方法。具有以下特点：（1） 不用焦炭，焦炭仅占煤储量5%，不用或少用焦炭成为其优于高炉冶炼的一个方面；（2）投资少，周期短，灵活性强；（3）减少高温设备及耐火材料等要求；（4）采用直接还原法得到的产品是炼铁的原料，可做成铁粉、涂层、材料等。10、炼钢的基本任务可归纳为：A、脱碳并将其含量调整到一定范围；B、去除杂质，主要包括：脱磷（冷脆）、脱硫（热脆）、脱氧、去除气体（氢、氮）和非金属夹杂物（氧化物、硫化物、磷化物、氮化物等）；C、调整钢液成分和温度；D、将钢液浇注成质量好的钢锭或钢坯。11、简述热轧和冷轧的生产过程； 热轧主要生产过程为：（1） 加热将钢坯在加热炉中，加热到再结晶温度以上的某一适当温度。（2） 轧制不同品种或规格产品，分别在不同类型的轧机上进行轧制。（3）精整包括剪切、冷却、矫正、检验、表面处理等。 冷轧的主要生产过程为：（1）酸洗除去坯料表面的氧化铁皮；（2）轧制；（3）退火消除加工硬化；（4）精整。补充：高炉炼铁合理的炉料结构是什么？为什么？高碱度有利于铁酸钙系黏结相的形成，高碱度烧结矿强度好，而且烧结矿FeO含量低，还原性好，从而可降低高炉焦比；根据生产经验，烧结矿中FeO含量每提高1，高炉焦比增加1.5，生铁产量降低1.5；使用高碱度烧结矿，高炉冶炼时可不加或少加石灰石，不仅节省热量消耗，而且又可以改善煤气热能和化学能的利用，同样有利于降低焦比和提高产量；球团矿具有强度高、粒度整齐、还原性好的特点，所以配用优质的酸性球团矿不仅能提高入炉品位，而且能改善炉料透气性，为高炉强化冶炼创造条件； 现在常用高碱度烧结矿配用酸性球团矿。铝电解原理：现代铝工业生产，主要采用冰晶石氧化铝熔盐电解法，其中氧化铝是炼铝的原料，冰晶石是熔剂。直流电通入电解槽，在阴极和阳极上发生电化学反应。电解产物：阴极上是液体铝，阳极上是气体CO2（75-80%）和CO（20-25%）。阳极气体中还含有少量有害的氟化物、沥青烟气和二氧化硫。经过净化后，废气排入大气，收回的氟化物返回电解槽内继续使用。三、 论述题1、拜耳法生产氧化铝的流程。答：拜耳法流程包括三个主要步骤：铝土矿溶出；铝酸钠溶液分解；氢氧化铝煅烧。（1）溶出：指把铝土矿中的氧化铝水合物（Al2O3·xH2O)溶解在苛性钠（NaOH)中，生成铝酸钠溶液。 Al2O3·xH2O+2NaOH=2NaAlO2+(x+1)H2O Al(OH)3+NaOH=NaAl(OH)4 AlOOH+NaOH+H2O=NaAl(OH)4（2）分解：析出固体氢氧化铝 2NaAlO2+4H2O=2NaOH+Al2O3·xH2O(添加晶种Al2O3·3H2O）（3） 煅烧：Al2O3·3H2O=Al2O3+3H2O（高温1100）2、炼钢过程中脱氧的原理和任务 (1)炼钢过程中脱氧的原理是：利用对氧的亲和力比Fe大的元素，如Mn、Si、Al等，把钢液中的氧夺走，形成不残留在钢液中的脱氧产 物如MnO等并上浮到渣中。能用来对钢液脱氧的元素或合金叫脱氧剂。 (2)脱氧的目的在于降低钢中的氧含量，脱氧的任务是：a)降低钢液中溶解的氧，把氧转变成难溶于钢液的氧化物如MnO等。b)将脱氧产物排出钢液之外。否则钢液中的氧只是改变了存在形 式，总含氧量并没有降低，氧对钢的危害依然存在。c)脱氧时还要完成调整钢液成分和合金化的任务。3、为什么说高炉炼铁中应提高间接还原率。（1）高炉中的铁氧化物有直接还原和间接还原两种。（2）直接还原：用固体还原剂C还原铁氧化物的反应。直接还原是不可逆反应，是大量的吸热反应，需要燃烧很多C放出热量来保证，它们在高炉内高温区进行。实际的直接还原是借助于碳素溶解损失反应、水煤气反应与间接还原反应叠加而实现的。（3）间接还原：用气体还原剂CO和H2还原铁氧化物的反应叫做间接还原，间接还原反应为可逆反应，并放出大量热，因此其消耗热量少，它们在高炉内块状带的中低温区进行。（4）高炉冶炼中总热量主要消耗于直接还原吸热和融化渣铁所需热量。而高炉的热收入主要来自于风口燃料（焦炭和煤粉）的燃烧物理热。因此在高炉内应尽可能降低直接还原度、提高中温区的间接还原率，以降低燃料比（或焦比）。4、炼钢脱磷反应的基本条件和方法将钢中的磷脱除到要求的范围内，是炼钢的任务之一。（1）脱磷的基本反应 2P+5（FeO）+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5Fe 放热 从反应式中可以看出：较低的温度、高(FeO)、高(CaO)有利于脱磷反应的进行。（2）脱磷的基本条件和方法a)炉渣的碱度要适当高，流动性要好。研究结果认为，脱磷时的炉渣碱度控制在2.53最好。 b)适当提高炉渣的氧化性，即渣中的氧化铁要高。c)适当的温度。尽管低温有利于放热反应的进行，但低温不利于石灰的熔化，不利于扩散反应的进行，从而最终还将影响到脱磷反应速度。所以，为了获得最佳的脱磷效果，熔池应有适当的温度，不能太高也不能太低。 d）大渣量是提高脱磷效果的有效方法之一。对于电炉来说，采用自动流渣的方法，放旧渣、造新渣就是大渣量的另一种操作形式。5、试从资源综合利用和生产过程对环境的友好两方面，分析火法炼铜和湿法炼铜的主要优缺点。 火法炼铜是将铜矿（或焙砂、烧结块等）和熔剂一起在高温下熔化，或直接炼成粗铜，或先炼成冰铜（铜、铁、硫为主的熔体）然后再炼成粗铜。 湿法炼铜是在常压或高压下，用溶剂浸出矿石或焙烧矿中的铜，经净液使铜与杂质分离，而后用电积或置换等方法，将溶液中的铜提取出来。 火法流程最大的优点是适应性广，对各种不同的铜矿均能处理，特别是对一船硫化矿和富氧化矿很适用。 湿法炼铜是在常温、常压或高压下用溶剂使铜从矿石中浸出，然后从浸出液中除去各种杂质，再将铜从浸出液中沉淀出来。对氧化铜矿和自然铜矿，大多数可用溶剂直接浸出；而硫化铜矿则一般先经焙烧，然后溶浸。火法炼铜与湿法炼铜的根本差别在于湿法浸出时，只有铜和少数其他成分溶解，绝大多数的脉石成分和杂质仍留在浸出渣中。湿法过程可在常温下进行，不需要更多的燃料；不造渣；产品输送方便；劳动条件较好；无烟害。从今后铜资源的变化情况看，铜矿日益贫化，将会遇到低品位难选复合矿处理的问题更多，这会促使湿法冶金向前发展。6、高硅铝土矿选矿脱硅的基本方法（1） 浮选法脱硅 浮选法脱除硅包括正浮选脱硅和反浮选脱硅。正浮选存在以下缺点:精矿上浮量大,导致脱硅过程中药剂用量大、精矿中药剂残余量高,精矿脱水困难等，对后续拜耳法溶出工艺产生负面影响;而反浮选脱硅则上浮产品产率小,药剂用量低,精矿表面附着的药剂少,易于过滤,水分含量低等。研究表明：浮选铝矿物的有效捕收剂有脂肪酸和磺酸盐类；调整剂有六偏磷酸钠、丹宁酸、焦磷酸钠、苏打、碳酸钠等。反浮选以胺类捕收剂效果较好；在矿浆pH=78时，用阳离子胺类捕收剂可有效地选出鲕绿泥石等硅酸盐矿物，同时六偏磷酸钠有助于矿浆的分散。 （2）絮凝脱硅对于细粒嵌布的一水铝石型铝土矿，含泥较多时可用选择性絮凝法脱硅。对该种矿石首先将其细磨至-5m占30%40%，然后增加调整剂苏打和苛性钠、分散剂六偏磷酸钠，再使用聚丙烯胺聚合物进行选择性絮凝，使悬浮物和沉淀物分离，此项技术的关键是选用高效的选择性絮凝剂。 （3） 细菌浸出脱硅该项工艺是利用食硅细菌破坏铝代硅酸盐的结构，如可将一个高岭土分子破坏成为氧化铝和二氧化硅，使SiO2转化为可溶物，从而使氧化铝不溶物得以分离。此法对处理胶状极细粒铝土矿尤为合适。（4） 化学法脱硅对细粒级嵌布的难选铝土矿或者高岭石以微晶状的细小集合体与铝矿物紧密共生，用常规选矿法难以选别，可采用化学处理。目前化学法脱硅主要是预先焙烧（或未经焙烧）浸出以脱硅、铁，其工艺包括预焙烧、溶浸脱硅、固液分离等工序。 在实际生产过程中，常常是这几种方法的联合流程，其脱硅效果比单独采用任何一种都好。