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,，往往涉及到冶煉過程,，因此金屬材料的生產(chǎn)工藝通稱為冶金學(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,。
7 n# \- d: T' A  g5 \火法冶金
; u9 \9 a; g% Jpyrometallurgy
$ ?3 e% B; G) E
   利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的冶金過程,。此過程沒有水溶液參加,，故又稱為干法冶金,。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�,？蛇�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,。

0 i6 J' [* H- L! u3 V  }+ K7 N　　　 火法冶金
　　火法冶金是指利用高溫（超過金屬熔點(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)工藝常利用火來加熱得到高溫,。因這種工藝沒有水溶液的參與,，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)過程,。
　　生鐵冶煉分為三步：原料準(zhǔn)備,、冶煉、精煉,。
　　　 原料準(zhǔn)備 (錄像原料準(zhǔn)備):
0 y+ D# j& L  i' q! _　　　　制取精礦粉：把從自然界中直接采掘到的礦石破碎后,、通過重選、浮選,、磁選等方法,，
5 @3 t8 K% k) S; i0 O4 q　　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
　　石開始的冶金過程中都必不可少的過程,。
　　　　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
! E$ J; I* ?+ ^- Y9 D　　成球團(tuán),，然后再高溫?zé)�結(jié)。
7 N9 ^4 }% c3 t* @　　　 冶煉 (錄像煉鐵煉鋼):
　　　　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）
2 [5 m. u8 \/ Z/ Z6 e: A& M　　將其還原為金屬的過程，稱為冶煉,。這個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程通常在高溫下在煉鐵高爐內(nèi)進(jìn)行,，
　　要噴吹重油和煤粉助燃，冶煉過程除了獲得金屬外,，還得到大量的爐渣和煤氣,，可以回收
　　綜合利用。
　　　 精煉 (錄像精煉):
* y# q- F/ q, Q　　　　將冶煉得到的金屬（生鐵）進(jìn)一步去除雜質(zhì),，提高純度的過程稱為精煉。精煉包括：
7 |" ~4 k5 w& h8 ^7 Y　　　　化學(xué)方法：氧化精煉,、電渣重熔,、真空冶煉、噴射冶金,；
　　　　物理方法：區(qū)域提純,、精餾；
　　　　電化學(xué)方法：電解提純,。
' H5 g0 D" R& r$ s6 F　　煉鋼實(shí)際上就是對(duì)生鐵的一種精煉過程,。由于生鐵冶煉過程中要使用大量的碳來還原出金屬鐵，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,，并用各種鐵合金來調(diào)整成分，再用鋁,、鈦等脫除過量的氧的過程,。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，已超過了世界鋼產(chǎn)量的20%,。
　　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)是冶金過程對(duì)環(huán)境有較大污染。

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濕法冶金
hydrometallurgy
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9 z, Q* t( v( G0 K6 m: z: J9 e   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程。又稱水法冶金,。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)過程較易實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和自動(dòng)化,。
2 B! w3 m; }$ c' A4 P濕法冶金
0 o, \2 s+ U3 O6 }　　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程，稱為濕法冶金,。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,。
　
, j" k+ ]2 L1 j! ^( V　　　 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)處理過的
　　　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
9 E6 P+ w' }* r- _; C　　　過程,。浸取過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
9 M, \. M* O) W4 c& F　　　度要加以控制,。此外，凡影響化學(xué)反應(yīng)的因素都對(duì)浸取過程產(chǎn)生影響,，一般加溫和加壓
　　　可都加速浸取過程,。還可以利用細(xì)菌把一些不溶性的礦物變成可溶性鹽，稱為微生物冶
　　　金或細(xì)菌采礦,。
　　　 分　離
! g2 R& e2 V4 u# i　　　　　　將浸取溶液與不溶的殘?jiān)�分離的過濾過程,。同時(shí)還要考慮將殘?jiān)�中的溶劑和金�?font class="jammer">+ }/ h; U5 B% L: Z
　　　　離子洗滌回收。
　　
/ m3 T3 ^9 }& L9 R* H; R　　　 富　集：
. G4 ^% U/ T  q4 I# M# M. d/ X　　　　　把分離得到的浸取液凈化和富集的過程,。包括：化學(xué)沉淀,、離子交換、溶劑萃取等
! p/ S+ |% Z* Y  O　　　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
　　　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,。
5 Y% {* o( z. {: {7 N　　　　　離子交換過程是以固相的樹脂作為離子交換劑,，與液相中的離子發(fā)生可逆的離子交
. D! _7 ^$ b3 h: S) C　　　換過程，已用于鈾,、鑭系和錒系金屬等的富集,。
/ ^0 P$ J7 T9 ?! L. p" w2 B% }　　　　　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)
9 x% d# f8 W9 _- K+ H　　　入有機(jī)相的過程,。已用于鈾、稀土,、銅,、鎳和鈷等的富集。
　　　 提　�,。簭母患�后的凈化液中獲得純金屬的過程,。一般采用下面要講到的電解法。

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電冶金
electrometallurgy
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3 G  P, }$ D% ~  P7 \   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。
: j) F% M2 q# e- H0 l0 S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,。
　
* c# n+ f, a5 b* o　　 水溶液電解
1 E, ^/ r5 n, |" E$ b& o　　　 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程。
　　
　　　　水溶液電解過程也可以把含雜質(zhì)的金屬作為陽極,，電解過程使其不斷溶解到水溶液中,，并在
　　陰極析出，叫電解精煉（可溶陽極電解）,，如金,、銀、鈷,、鎳,、銅等貴重金屬大多采用電解精煉
　　來獲得高純成分；如果陽極材料本身不參與電解過程,，只是把濕法冶金中獲得的浸取液中的金屬
　　在陰極沉淀析出的過程，則叫電解提取（不溶陽極電解）,，例如鋅,、鉻、錳的提取,。
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　　 熔鹽電解
+ ~! S& c& H  S　　　　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程,。主要用于不　　溶于水的金屬鹽類,，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
2 d' d6 a4 y! J! X　　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,。
# Q7 n- p* u! ]  |& t　　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
3 w0 y1 V) |* q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)在常常用來制做減磨材料、摩擦材料,、結(jié)構(gòu)材料,、刀具和模具材料、過濾材料等,。
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; k( l$ a2 ~8 K. N9 r4 ?　　粉末冶金在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上有以下特點(diǎn)：
　 　　　
% p0 I$ c  j  i; n. X. ]) s　　　　 　可生產(chǎn)普通熔煉方法無法生產(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）；
　　　　 　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)
! x& X6 Z- p" Q. R　　　　　　 貴重金屬尤其重要,；
( F7 D2 J- A( V! ]　　　　 　粉末冶金零件的缺點(diǎn)是塑性和韌性較差,。
% V9 x. p  s. Y, t0 ^# q　　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,，通過電冶金工藝進(jìn)一步提純,。這些工藝過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程,，只涉及物理變化過程,，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,。 　　　　
% w* ?, J9 b" O8 a- `8 z/ L　　　　　　　金屬生產(chǎn)工藝示意圖  
" K& j# W" Y; Z% p6 X5 i各種金屬材料可采用的生產(chǎn)工藝如下：
　　　火法冶金：鋼鐵,、粗銅、錫,、鎳,、鉛、鋅,、鈦等
2 j6 r. G; O! s9 ^6 T　　　濕法冶金：銅,、鋅、鈾,、稀土,、鎳、鈷,、鎢等
　　　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。