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 X9 \. m# R, B' I! S) y; C火法冶金
, j* u) ^- t) D/ n9 Jpyrometallurgy
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- m+ u2 {8 |) p* C5 M4 G2 Z   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,�,；鸱ㄒ苯鸬墓に嚵鞒桃话惴譃榈V石準(zhǔn)備、冶煉,、精煉3個步驟,。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。對高純金屬則可用區(qū)域熔煉等方法進(jìn)一步提煉,。

, g$ A9 J" X: f+ Z8 @5 \; B& H　　　 火法冶金
8 b3 t) p% Z) k　　火法冶金是指利用高溫（超過金屬熔點溫度）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。
5 }+ p, x- ^& O8 p8 l; U5 r/ ^$ q, s: k　　　 原料準(zhǔn)備 (錄像原料準(zhǔn)備):
　　　　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,，
　　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,，實際上也是所有從礦
4 f. M& ~& f( E) c　　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
5 B, P. F/ l" D$ Z　　成球團(tuán)，然后再高溫?zé)�結(jié),。
　　　 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）
/ g# K% j" G) }3 ^　　將其還原為金屬的過程,，稱為冶煉,。這個化學(xué)反應(yīng)過程通常在高溫下在煉鐵高爐內(nèi)進(jìn)行，
2 A# B) z3 D& ]) Z　　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
* N3 y6 W# J( w! c　　綜合利用,。
　　　 精煉 (錄像精煉):
- ~$ H2 E2 t, E3 h　　　　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：
8 Q2 Q9 A7 K6 M& H4 w- q　　　　化學(xué)方法：氧化精煉,、電渣重熔,、真空冶煉、噴射冶金,；
: K& x3 ?. k3 O0 `! t' g: k+ Q　　　　物理方法：區(qū)域提純,、精餾；
' p# }2 C' B- H5 m1 `# d　　　　電化學(xué)方法：電解提純,。
　　煉鋼實際上就是對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,，其缺點是冶金過程對環(huán)境有較大污染。

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濕法冶金
: \! N) m& y. g8 g* Z7 z8 lhydrometallurgy
* K* l. [4 d, S
. ^* t) {$ W4 O+ S   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浸取溶液與殘渣分離,，同時將夾帶于殘渣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)點在于對非常低品位礦石（金,、鈾）的適用性，對相似金屬（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)過程較易實現(xiàn)連續(xù)化和自動化,。
/ Z4 a; [2 |3 E濕法冶金
4 a  ?% i1 M! x5 z: H+ m　　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,。
$ [5 f* x% e# |! h" R8 c, R　　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,。
　
& C7 C1 F, X. N5 x+ s+ S　　　 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
2 @* m, A8 A. U　　　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
! x# O) C  `* l' ~. [　　　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,。
4 ~+ U: k4 x2 ^# h( B! I　　　 分　離
1 K& B! _3 Y7 W( N6 `3 l　　　　　　將浸取溶液與不溶的殘渣分離的過濾過程,。同時還要考慮將殘渣中的溶劑和金屬
　　　　離子洗滌回收。
　　
　　　 富　集：
+ t6 l, @4 q! q: P0 q- t3 y　　　　　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
* ]& I. x' t7 A9 a' k) ^　　　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
' Z  ?8 Q. J% s0 q　　　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,。
$ R& S# f* M. I　　　　　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
. h& ~9 k" O9 ?, m; q# J' B　　　換過程，已用于鈾,、鑭系和錒系金屬等的富集,。
" x: V: l8 h7 l4 V. d! @" R　　　　　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)
1 A- \" Q6 t, ^. k) t2 P9 N　　　入有機(jī)相的過程,。已用于鈾、稀土,、銅,、鎳和鈷等的富集。
% e& `- M8 f6 `( x　　　 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

/ ~! U0 v) ~2 b. U$ e  K5 }   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,。
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,。
　
　　 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
' G) @4 w! k& q4 I　　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
- v- C( }, F" v- n2 H　　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
) X5 V9 M6 T6 C; S  Y　　在陰極沉淀析出的過程，則叫電解提�,。ú蝗荜枠O電解）,，例如鋅、鉻,、錳的提取,。
　　
" c$ p7 Z# {' I1 A- B　　 熔鹽電解
- e+ `( A; J7 A; d　　　　以高導(dǎo)電率、低熔點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，或者與高價氧化物反應(yīng)生　　成低價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,。
, }8 D) p4 z8 j! _7 c4 g) H粉末冶金
. Y4 ?, ^. c0 g# b) h. V9 g4 e　　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,。
4 g1 W3 t! \! d( l  g  D　　粉末冶金由以下幾個主要工藝步驟組成：配料、壓制成型,、坯塊燒結(jié)和后處理,。對于大型的制品，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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　　粉末冶金在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上有以下特點：
( p+ r) O* A1 ?. J! H　 　　　
: @/ m$ X1 a+ R7 l; m# o　　　　 　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,；
' i# U7 B5 Z) K　　　　 　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；
8 Z: {9 r- S/ q3 _+ ~　　　　 　可生產(chǎn)高熔點金屬（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，提高勞動生產(chǎn)率,。這一點對
　　　　　　 貴重金屬尤其重要,；
# {( B$ T5 g+ v/ u1 ?' k　　　　 　粉末冶金零件的缺點是塑性和韌性較差,。
* r1 ?- w. g0 Q$ r: ^7 I　　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,。 　　　　
1 t1 {  T- O* ?) s* P! E! _6 z  Z　　　　　　　金屬生產(chǎn)工藝示意圖  
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
7 u6 D7 ~  V  }　　　濕法冶金：銅、鋅,、鈾,、稀土、鎳,、鈷,、鎢等
6 ^- `4 U* m( V　　　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。