材料工程基础课件-金属材料加工工艺-第一章.ppt

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1、 第一章第一章 金属材料的制备冶金金属材料的制备冶金 第二章第二章 铸造铸造 第三章第三章 金属的压力加工金属的压力加工 第四章第四章 金属材料热处理金属材料热处理 第五章第五章 金属的焊接金属的焊接 第六章第六章 工程材料工程材料 第一篇第一篇 金属材料及制备加工工艺金属材料及制备加工工艺第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述第二节第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼第三节第三节 有色金属冶炼有色金属冶炼第一章第一章 金属材料的制备冶金金属材料的制备冶金 因因此此，要要获获得得各各种种金金属属及及其其合合金金材材料料必必须须首首先先通通过过各各种种方方法法将将金金属属元元素素从从矿矿物物中中提提提提取取

2、取取出出来来，接接着着对对粗粗炼炼金金属属产产品品进进行行精精精精练练练练提提提提纯纯纯纯和和合合合合金金金金化化化化处处处处理理理理，然然后后浇浇浇浇注注注注成成成成锭锭锭锭，加加加加工工工工成成成成形形形形，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述 绝大多数金属元素（除绝大多数金属元素（除AuAu、AgAg、PtPt外）都以外）都以氧化物、氧化物、碳化物等化合物的形式存在碳化物等化合物的形式存在地壳之中。地壳之中。金金属属的的冶冶金金工工艺艺可可以以分分为为火火法法冶冶金金、湿湿法法冶冶金金、电电冶冶金以及真空

3、冶金金以及真空冶金等。等。q 火法冶金火法冶金 定义定义定义定义：火法冶金是指利用高温从矿石中提取金属或其化火法冶金是指利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法。合物的方法。工艺过程工艺过程工艺过程工艺过程：矿石准备矿石准备矿石准备矿石准备矿石冶炼矿石冶炼矿石冶炼矿石冶炼精炼提纯精炼提纯精炼提纯精炼提纯选矿、焙选矿、焙烧球化或烧球化或烧结烧结金属化合物金属化合物的还原的还原除去杂质除去杂质提纯金属提纯金属 工艺方法分类工艺方法分类工艺方法分类工艺方法分类：火法冶金火法冶金火法冶金火法冶金提取提取冶金冶金真空真空冶金冶金喷射喷射冶金冶金氯化氯化冶金冶金q 湿法冶金湿法冶金 定义定义定义定义：湿法

4、冶金是指利用一些化学溶剂的化学作用，在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。进行提取和分离的冶金过程。工艺过程工艺过程工艺过程工艺过程：离离离离 子子子子浸浸浸浸 取取取取固固固固 液液液液分分分分 离离离离金属或化金属或化金属或化金属或化合物提取合物提取合物提取合物提取溶溶溶溶 液液液液富富富富 集集集集q 电冶金电冶金 定义定义定义定义：利用电能从矿石或其它原料中

5、提取、回收、精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。炼金属的冶金过程。工艺分类工艺分类工艺分类工艺分类：电热熔炼电热熔炼电热熔炼电热熔炼 ：直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电热熔炼包括热熔炼包括热熔炼包括热熔炼包括电弧熔炼电弧熔炼电弧熔炼电弧熔炼、等离子熔炼等离子熔炼等离子熔炼等离子熔炼和和和和电磁熔炼电磁熔炼电磁熔炼电磁熔炼等。等。等。等。水溶液电解：水溶液电解：水溶液电解：水溶液电解：应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。应用水溶液电解精炼金属的一种冶金

6、方法。应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。熔盐电解：熔盐电解：熔盐电解：熔盐电解：直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质在熔池中进行电解。在熔池中进行电解。在熔池中进行电解。在熔池中进行电解。Fe在在地地壳壳中中的的含含量量为为5左左右右，在在金金属属中中仅仅次次于于铝铝，除除陨陨石石外外，纯纯铁铁在在地地壳壳中中还还未未见见到到，铁铁容容易易与与其其它它元元素素化化合，特别是与氧化合，因此合，特别是与氧化合，因此铁矿石多以氧化物形式

7、存在铁矿石多以氧化物形式存在。铁铁矿矿石石中中除除铁铁的的氧氧化化物物外外，还还有有其其它它元元素素的的氧氧化化物物(SiO2、MnO2 等等)，这些，这些统称为脉石统称为脉石。炼炼铁铁的的目目的的就就是是使使铁铁从从铁铁的的氧氧化化物物中中还还原原，并并使使还还原原出的铁与脉石分离。出的铁与脉石分离。第二节第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼 原料原料：脉石、熔剂（如脉石、熔剂（如CaCOCaCO3 3用于造渣）以及焦炭等。用于造渣）以及焦炭等。q 生铁冶炼生铁冶炼 主要反应过程主要反应过程：CO2 C 2COFe2O3 Fe3O4 FeO Fe生铁生铁生铁生铁（主要产品）主要产品）：分为炼钢生铁和铸造

8、生铁。分为炼钢生铁和铸造生铁。炉渣炉渣炉渣炉渣（副（副（副（副产品）产品）：含含SiO2、CaO和和Al2O3的铝硅酸盐，主的铝硅酸盐，主 要用于生产水泥。要用于生产水泥。煤气煤气煤气煤气（副（副（副（副产品）产品）：含含26左右的左右的CO，用作燃料。，用作燃料。炼铁产品及副产品炼铁产品及副产品：q 钢铁冶炼钢铁冶炼 炼炼钢钢的的目目的的：除除去去生生铁铁中中多多余余的的碳碳和和大大量量杂杂质质元元素素，使其化学成分达到钢的要求。使其化学成分达到钢的要求。炼钢的基本过程炼钢的基本过程：铁元素的氧化铁元素的氧化铁元素的氧化铁元素的氧化：2FeO22（FeO）SiMnMnP PC C(FeO(F

9、eO）（SiOSiO2 2）（MnOMnO）（P P2 2O O5 5）（COCO）FeFe铁元素的再还原铁元素的再还原铁元素的再还原铁元素的再还原：2P+5FeO+4CaO=5Fe+4CaOP2O5 FeS+CaO=FeO+CaS 由于由于P P、S S元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除。元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除。造渣除造渣除造渣除造渣除P P、S S：脱氧脱氧脱氧脱氧：消除钢中的氧化杂质，提高钢的质量。消除钢中的氧化杂质，提高钢的质量。合金化合金化合金化合金化：按照不同钢种对合金元素成分的要求，进行合金按照不同钢种对合金元素成分的要求，进行合金 化处理。化处理。炼钢的

10、常见工艺炼钢的常见工艺：碱碱性性平平炉炉炼炼钢钢：以以液液态态生生铁铁或或废废钢钢为为原原料料；利利用用炉炉气气和和矿矿石供氧；以气体或液体燃料供热。石供氧；以气体或液体燃料供热。电电弧弧炉炉炼炼钢钢：利利用用石石墨墨电电极极和和金金属属炉炉料料之之间间形形成成的的电电弧弧高高温温(通通常常5000一一6000)加加热热和和熔熔化化金金属属，金金属属熔熔化化后后加加入铁矿石、熔剂等，并吹氧，以加速钢中的碳、硅、入铁矿石、熔剂等，并吹氧，以加速钢中的碳、硅、锰锰、磷磷等等元元素素的的氧氧化化。当当碳碳、磷磷含含量量合合格格时时，扒扒去去氧氧化化性性炉炉渣渣再再加加入入石石灰灰、萤萤石石、电电石石

11、、硅硅铁铁等等造造渣渣剂剂和和还还原原剂剂，形形成成高高碱碱度度还还原原渣渣，脱脱去去钢钢中中的的氧和硫。氧和硫。氧气顶吹转炉炼钢：氧气顶吹转炉炼钢：熔熔池池搅搅拌拌；放放热热升升温温；无无需需燃燃料料。已已成成为为现现代代冶冶炼炼碳碳钢和低合金钢的主要方法。钢和低合金钢的主要方法。第三节第三节 有色金属冶炼有色金属冶炼q 铜的冶炼铜的冶炼 铜在地壳中的含量只有铜在地壳中的含量只有0.010.01，在自然界中大多以硫，在自然界中大多以硫化物和氧化物的形式存在于各种伴生矿中。一般，硫化铜化物和氧化物的形式存在于各种伴生矿中。一般，硫化铜矿采用火法冶炼；氧化铜矿采用湿法冶炼。矿采用火法冶炼；氧化铜

12、矿采用湿法冶炼。铜精矿的火法冶炼铜精矿的火法冶炼：精铜矿精铜矿精铜矿精铜矿熔熔熔熔 炼炼炼炼粗粗粗粗 铜铜铜铜冰冰冰冰 铜铜铜铜火法精炼火法精炼火法精炼火法精炼电解精炼电解精炼电解精炼电解精炼纯纯纯纯 铜铜铜铜 目目前前，湿湿法法冶冶炼炼的的发发展展出出现现新新的的契契机机，基基于于环环保保的的要要求，湿法冶炼的地位正在显示出不可取代的作用。求，湿法冶炼的地位正在显示出不可取代的作用。铜的湿法冶炼铜的湿法冶炼：铜铜铜铜 矿矿矿矿溶溶溶溶 剂剂剂剂铜离子铜离子铜离子铜离子置换法置换法置换法置换法溶溶 解解电沉积电沉积电沉积电沉积氢还原氢还原氢还原氢还原铜铜铜铜 由由于于铝铝的的化化学学性性质质活

13、活泼泼，不不能能通通过过各各种种化化学学处处理理直直接接还原得到粗金属，所以长期以来铝的价格极高。还原得到粗金属，所以长期以来铝的价格极高。后后来来，人人类类发发现现电电解解法法很很容容易易制制备备金金属属铝铝，铝铝的的价价格格大约降低了大约降低了20倍。倍。电电解解法法制制备备金金属属铝铝必必须须包包括括两两个个环环节节：一一是是从从含含铝铝的的矿矿石石中中制制取取纯纯净净的的氧氧化化铝铝；二二是是采采用用熔熔盐盐电电解解氧氧化化铝铝得得到到纯铝。纯铝。q 铝的冶炼铝的冶炼 铝的生产流程示意图铝的生产流程示意图纯冰晶石纯冰晶石铝铝 锭锭萤萤 石石铝铝 矿矿 石石生产氧化铝生产氧化铝纯氧化铝纯氧化铝电电 解解 制制 铝铝碳素材料碳素材料阳阳 极极 糊糊 或或其其 它它 产产 品品电极生产电极生产选选 矿矿再熔或精炼再熔或精炼电电 能能生产冰晶石生产冰晶石或或 氟氟 化化 物物铝冶炼的主要过程铝冶炼的主要过程：AlAl3 33e Al3e AlAlOAlO3 33-3-6e Al-6e Al2 2O O3 3矿石（矿石（Al2O3）NaAlO2Al2O3Na2OAl（OH）3Al2O3Al矿石（矿石（Al2O3）NaAlO2Al（OH）3NaOHNaOHNa2CO3煅烧煅烧 9501000165 0.35Pa1100 CO2900