材料工程基础（论文）小论文：金属材料制备院系名称：材料与化工学院班级：材科14卓越班学号：------------------任课老师：-------------------学生姓名：------------------2016年10月1 前言 (3)1.1 引言 (3)1.2.1冶金 (3)1.2.2冶金的方法 (4)1.1.2.1火法冶金 (4)1.1.2.2湿法冶金 (5)1.1.2.3电冶金 (6)1.2.4生铁的冶炼 (8)1.2.5钢的冶炼 (11)2. 有色金属冶炼 (12)2.1铜的冶炼 (12)2.2铝的冶炼 (13)3 金属材料的发展方向 (14)2摘要金属材料自古以来都占据着极其重要的地位，开发新型材料，改良传统金属材料显得尤为重要。

金属材料的发展，是从传统金属材料向合成金属材料，虽然根本转变己经初步实现，但由于我国经济的制约，直到现在我国才只是初步建立起现代市场金属材料发展趋势，还没有完全改变传统的金属材料发展的观念。

这在发展上并没有把生态和金属材料发展作为基本，这对我国金属材料发展的道路非常不利。

本文主要讨论金属材料的制备、现状以及未来发展。

1 前言1.1 引言纵观历史，人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。

继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。

现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。

本文主要讨论金属材料的制备（主要为冶金工艺）、现状以及未来发展。

1.2冶金工艺（现状）1.2.1 冶金冶金的定义:关于矿产资源的开发利用和金属材料生产加工过程的工程技术。

冶金的原因和目的：地球上已发现86种金属元素，除金、银、铂等金属元素能以自然状态存在外，其他绝大多数金属元素都以氧化物、硫化物、砷化物、碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐等形态存在于各类矿物中。

因此，要获得各种金属及其合金材料，必须首先通过各种方法将金属元素从矿物中提取出来，接着对粗炼金属产品进行精炼提纯和合金化处理，然后浇注成锭，轧制成材，才能得到所需成分、结构、性能和规格的金属材料。

31.2.2冶金的方法冶金工艺可以分为火法冶金、湿法冶金和电冶金三大类。

1.1.2.1火法冶金火法冶金：利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法。

特点：火法冶金是生产金属材料的重要方法，钢铁及大多数有色金属（铝、铜、镍、铅、锌等）材料主要靠火法冶金工艺生产。

用火法冶金方法提取金属的成本较低，所以，火法冶金是生产金属材料的主要方法。

火法冶金的基本过程火法冶金通常包括矿石准备、冶炼和精炼三个过程。

（1）矿石准备采掘的矿石含有大量无用的脉石，需要经过选矿以获得含有较多金属元素的精矿。

经过选矿后，有时还需对矿石进行焙烧、球化或烧结等。

（2）冶炼将处理好的矿石，用气体或固体还原剂还原为金属的过程称为冶炼。

金属冶炼所采用的还原剂包括焦炭、氢和活泼金属等。

4（3）精炼冶炼所得到的金属含有少量的杂质, 需要进一步处理以去除杂质，这种对冶炼的金属进行去除杂质提高纯度的处理过程称为精炼。

2.火法冶金的主要方法火法冶金的主要方法有提炼冶金、氯化冶金、喷射冶金和真空冶金等。

（1）提炼冶金提炼冶金是指由焙烧、烧结、还原熔炼、氧化熔炼、造渣、造硫、精炼等单元过程按照需要所构成的冶金方法。

提炼冶金是火法冶金中应用最广泛的方法。

（2）氯化冶金通过氯化物提取金属的方法称为氯化冶金。

氯化冶金主要依据不同金属氯化物的物理化学性质，来有效实现金属的分离、提取和精炼。

轻金属和稀有金属的提取多采用火法氯化冶金。

（3）喷射冶金利用气泡、液滴、颗粒等高度弥散系统来提高冶金反应效率的冶金过程称为喷射冶金。

喷射冶金是70年代由钢包中喷粉精炼发展起来的新工艺。

（4）真空冶金在真空条件下完成金属和合金的熔炼、精炼、重熔、铸造等冶金单元操作，以及使金属液在真空下脱氧、脱气、挥发、减免二次玷污等的工艺原理和方法称为真空冶金。

真空冶金是提高金属材料质量，保证高技术所必需的特殊材料生产的重要方法。

1.1.2.2湿法冶金湿法冶金：是利用一些溶剂的化学作用，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。

湿法冶金包括浸取、固—液分离、溶液的富集和从溶液中提取金属或化合物等四个过程。

1.浸取浸取是选择性溶解的过程。

通过选择合适的溶剂使被处理过的矿石中包含的一种或几种有价值的金属选择性地溶解进入溶液，从而与其他不溶物质分离。

根据所用的浸取液的不同，5可分为酸浸、碱浸、氨浸、氰化物浸取、有机溶剂浸取等。

在选择浸取液时，不仅要考虑它应具有高的浸取率和选择性好，而且要考虑它应易于过滤和回收。

2.固—液分离固—液分离包括过滤、洗涤或离心分离等操作。

在固—液分离的过程中，一方面要将浸取的溶液与残渣分离，另一方面还要将留存在残渣中的溶剂和金属离子等回收利用。

3.溶液的富集富集是对浸取溶液的净化和浓集过程。

富集的方法有化学沉淀、离子沉淀、溶剂萃取、膜分离或其他方法。

4.提取金属或化合物在金属材料的生产中，常采用电解、化学置换和加氢还原等方法来提取金属或化合物。

例如用电解法从净化液中提取Au，Ag，Cu，Zn，Ni，Co等纯金属；而Al，W，Mo，V等多数以含氧酸的形式存在于净化液中，一般先析出其氧化物，然后用氢还原或熔盐电解制取金属。

湿法冶金在有色金属、稀有金属及贵金属等生产中占有重要地位。

世界上全部的氧化铝、氧化铀、约74%的锌、12%的铜及多数稀有金属都是用湿法冶金方法生产的。

湿法冶金的最大优点是对环境的污染较小，能处理低品位的矿石。

1.1.2.3电冶金利用电能从矿石或其他原料中提取、回收、精炼金属的冶金过程称为电冶金。

电冶金主要包括电热熔炼、水溶液电解和熔盐电解三个方面。

1.电热熔炼用电加热生产金属的冶金方法称为电热熔炼。

铁合金冶炼及用废钢炼钢主要采用电热熔炼。

电热熔炼包括电弧熔炼、等离子冶金和电磁冶金等。

（1）等离子冶金等离子是清洁能源，是电能转换为热能的最有效途径。

等离子弧有非常高的能量密度，为超高温冶金提供了有力条件。

等离子弧可以方便地控制气氛。

无论是在大规模熔炼铁合金6或有色金属、快速加热钢液或高炉风口方面，还是在惰性气氛下重熔或熔铸金属方面，都有广阔的发展前景。

（2）电磁冶金利用电磁感应在金属熔体内产生可控流动的冶金过程称为电磁冶金。

早期利用电磁力对钢包和连铸坯的钢液进行搅拌以改善钢的质量；近来又发展了悬浮熔炼、冷坩埚熔炼、电磁铸造等。

电磁冶金对于防止耐火材料污染金属、熔炼难熔及活泼金属具有重要作用。

2.水溶液电解在电冶金中，应用水溶液电解精炼金属称为电解精炼或可溶阳极电解；而应用水溶液电解从浸取液中提取金属称为电解提取或不溶阳极电解,如图：3.熔盐电解铝、镁、钠等活泼金属无法在水溶液中电解，必须选用具有高导电率、低熔点的熔盐 通常为几种卤化物的混合物 作为电解质在熔盐中进行电解。

第二节钢铁冶炼钢铁冶炼包括从开采铁矿石到使之变成供制造零件所使用的钢材和铸造生铁为止的全过程。

其基本过程如图所示。

781.2.4生铁的冶炼生铁是用铁矿石在高炉中经过一系列的物理化学过程冶炼出来的。

高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即使用焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料中的铁从氧化物或矿物状态还原为液态生铁。

高炉炼铁的基本过程如图所示。

1. 炼铁的原料炼铁的原料主要包括铁矿石、熔剂及焦炭。

焦炭作为燃料和还原剂，是主要能源；熔剂，如石灰石，主要用来助熔、造渣；铁矿石则是冶炼的对象。

这些原料是高炉冶炼的物质基础，其质量对冶炼过程及冶炼效果影响极大。

（1）铁矿石铁矿石是由一种或几种含铁矿物和脉石所组成。

含铁矿物是具有一定化学成分和结晶构造的化合物，脉石也是由各种矿物加石英、长石等组成并以化合物形态存在的，所以，铁矿石实际是由各种化台物所组成的机械混合物。

自然界含铁矿物很多，而具有经济价值的矿床，一般认为有四类：一般的铁矿石很难完全满足要求，须在入炉前进行必要的准备处理。

天然富矿需经破碎、筛分以获得合适而均匀的粒度。

褐铁矿、菱铁矿和致密磁铁矿应进行焙烧处理，以去除其结晶水和二氧化碳，提高品位，疏松其组织，改善还原性，提高冶炼效果。

贫铁矿的处理比较复杂。

一般需经过破碎、筛分、细磨、精选，得到含铁60%以上的精矿粉，经混匀后进行造块，制成人造富矿，然后按高炉粒度要求进行适当破碎、筛分才能入炉。

a. 破碎筛分所有开采来的大块矿石，都要用各种破碎机进行破碎，而后进行筛分，并按其大小进行分类。

粒度小的富矿石，应将其磨成粉料，烧结成块然后再用。

贫矿石要全部破碎并磨成粉料，经过选矿烧结后才能使用。

b. 选矿选矿是依据矿石的性质，采用适当的方法，把有用矿石和脉石机械地分开，从而使有用矿物富集的过程。

通过选矿可使矿石品位提高，去除部分有害杂质，回收有用元素 如钒、铬等，使矿物资源得到充分利用。

通过获得的有用富集矿称为精矿；其余部分叫尾矿，主要由脉石组成，一般废弃。

在对复合铁矿石选矿时，常有一些有用元素富集于尾矿中，必须将它们进一步精选出来。

现代炼铁工业中，常采用两种选矿方法：水选（重选）和磁选。

水选基本是利用矿石中含铁矿物和脉石不重不同的特点，用水将含铁矿物和脉石分离开。

磁选用于磁铁矿，利用磁力将含铁矿物与脉石分离。

c. 烧结和造块富选得到的精矿粉，天然富矿粉碎筛分后的粉矿，不能直接加入高炉，必须用烧结或制团的方法将它们重新造块，制成烧结矿、球团矿方能入炉。

铁矿粉造块并非简单地将细矿粉制成团矿，而是在造块过程中采用一些技术，以生产出优质的冶炼原料。

例如加入CaO、MgO以提高矿石碱度；在可能的条件下加入还原剂C，改善矿石的还原性能。

铁矿粉造块过程中，还可以去除某些杂质元素。

铁矿粉造块技术使高炉冶炼的各项技术得到大幅度提高。

（2）熔剂熔剂的作用9a.降低脉石熔点。

脉石和燃料中的灰分都含有一些熔点很高的化合物 如二氧化硅熔点为1625℃、氧化铝熔点为2050℃ ，它们在高炉冶炼的温度下，不能熔化成液体，因而使它们不能很好地与金属分离。

加入熔剂后可生成低熔点的化合物，造成比重小于铁的渣，从而使脉石与铁相分离。

b. 去硫。

燃料中的硫会溶入铁中，影响铁的质量。

利用硫易于钙相结合的特性，使其生成CaS进入渣中，从而将硫去除。

熔剂种类根据熔剂性质可分碱性熔剂和酸性熔剂。

采用哪一种熔剂要根据矿石中脉石和燃料中灰分的性质来决定。

由于自然界矿石中脉石大多数为酸性，焦炭灰分也都是酸性的，所以通常都使用碱性熔剂石灰石，酸性熔剂很少使用。

3 焦炭焦炭是用焦煤在隔绝空气的高温（1000℃）下，进行干馏、碳化而得到的多孔块状产品，在高炉冶炼过程中，焦炭具有如下作用：燃料焦炭在风口前被鼓风中氧燃烧，放出热量。