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。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。
9 _; i" t7 f. K" ^. {/ X8 O火法冶金
; N9 X5 N, N" E# tpyrometallurgy
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& V' ~# Q( }6 N: c7 @6 O7 B9 M; g% x   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備、冶煉、精煉3個步驟。①礦石準備。選礦得到的細粒精礦不易直接加入鼓風爐（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；或加水混捏；然后裝入鼓風爐內(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爐內(nèi)進行。加入的爐料，除富礦、燒結(jié)塊或球團外，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。可還原鐵礦為生鐵，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、礦熱電爐或鼓風爐內(nèi)進行。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，起到化學富集的作用。③精煉。進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，或進一步脫硫等；對粗銅則在精煉反射爐內(nèi)進行氧化精煉，然后鑄成陽極進行電解精煉；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)域熔煉等方法進一步提煉。

　　　 火法冶金
. Q/ `1 J  t+ Z% r　　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：原料準備、冶煉、精煉。
' G' o8 ~% n4 v; k　　　 原料準備 (錄像原料準備):
　　　　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，
$ r2 v9 {5 ?( f' J　　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
# a* b0 ~' C2 x　　石開始的冶金過程中都必不可少的過程。
2 X2 E9 L" D2 J0 I* q: y9 R　　　　精礦粉的球團和燒結(jié)：把細鐵精礦粉與適量的粘結(jié)劑和水，在造球機內(nèi)均勻混合，制
: e1 k3 [8 S) M6 |% g( x! b- A　　成球團，然后再高溫燒結(jié)。
; e3 t2 g5 {# \5 Y- [　　　 冶煉 (錄像煉鐵煉鋼):
$ I" v' a5 s% O6 w- U7 Y, K; a　　　　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）
' w5 g0 ?& N9 a　　將其還原為金屬的過程，稱為冶煉。這個化學反應(yīng)過程通常在高溫下在煉鐵高爐內(nèi)進行，
　　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
/ t: u  ?9 l6 H, Q! M$ K　　綜合利用。
5 y3 K' J( e% d& C  D0 o! Q, H& H9 `　　　 精煉 (錄像精煉):
　　　　將冶煉得到的金屬（生鐵）進一步去除雜質(zhì)，提高純度的過程稱為精煉。精煉包括：
　　　　化學方法：氧化精煉、電渣重熔、真空冶煉、噴射冶金；
. v0 X( |3 h1 Z  l1 a　　　　物理方法：區(qū)域提純、精餾；
, g5 V" `5 A" P' P% n　　　　電化學方法：電解提純。
) Y/ v0 y) _/ q2 S; {$ s6 Y　　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%。
# _* g( ^3 h1 Z, I, ?% k" x  P　　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
- z$ ]6 _' M4 B' ~hydrometallurgy

: ]8 y+ h& g  J+ e5 U   利用某種溶劑，借助化學反應(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，并且生產(chǎn)過程較易實現(xiàn)連續(xù)化和自動化。
濕法冶金
0 [9 s! J0 |3 O9 j　　利用溶劑，借助于氧化、還原、中和、水解、絡(luò)合等化學作用，對原料中金屬進行提取和分離，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。
7 h7 z' q# n" R, s  ]! L& B　　濕法冶金在機理上屬分析化學的內(nèi)容，其生產(chǎn)步驟主要包括：浸取、分離、富集和提取。
　
　　　 浸　取
　　　　　 選擇適當?shù)娜軇ㄈ缢帷A、氨、氰化物、氯化物、有機溶劑等）把經(jīng)處理過的
* M3 g# r: s- o$ a7 \& G# J. @　　　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
　　　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，凡影響化學反應(yīng)的因素都對浸取過程產(chǎn)生影響，一般加溫和加壓
, j- J5 X0 a7 V6 x7 Y, Y* Z　　　可都加速浸取過程。還可以利用細菌把一些不溶性的礦物變成可溶性鹽，稱為微生物冶
　　　金或細菌采礦。
% h) V" a. R4 q, U　　　 分　離
: x( V6 V9 ^, F, O　　　　　　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
9 ~: N9 x8 Y" F2 z: b  L5 G　　　　離子洗滌回收。
　　
　　　 富　集：
　　　　　把分離得到的浸取液凈化和富集的過程。包括：化學沉淀、離子交換、溶劑萃取等
) g( ]  Z, V2 O2 F9 Q; l2 r7 N! \; M) m　　　方法。
/ D: X2 r0 s- t% `) b- z! b( Z　　　　　化學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。
% i6 F3 L+ b; _! j7 S9 |# r　　　　　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
3 c- d4 X+ q/ I　　　換過程，已用于鈾、鑭系和錒系金屬等的富集。
　　　　　溶劑萃取：讓水溶液與不溶于水的有機溶液互相接觸，把水溶液中的溶質(zhì)擇優(yōu)地轉(zhuǎn)
　　　入有機相的過程。已用于鈾、稀土、銅、鎳和鈷等的富集。
　　　 提　取：從富集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
0 g6 }& @  ]) ]9 R) V7 e/ Z2 Uelectrometallurgy
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   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)化為化學能，將某些金屬的鹽類熔融并作為電解質(zhì)進行電解，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。
( m1 e, U2 H4 y8 W8 [& m$ n電冶金
! Z- Y2 o' g* ~$ L4 w. \' e　　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）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。
　
. Y$ r4 ?$ V) m. J8 F　　 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。
　　
! H5 A  r# Q$ J  z( F7 q　　　　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
4 s. o/ L" b; F" Q, u/ ~　　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
. b# l8 }- U- l/ [& M+ N6 h! x　　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。
　　
　　 熔鹽電解
　　　　以高導電率、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。
粉末冶金
　　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。
, u( i( n% K( l　　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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$ @- i1 k" c3 Y) z　　粉末冶金在技術(shù)上和經(jīng)濟上有以下特點：
　 　　　
% L; a: E0 w9 c, w　　　　 　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；
, T5 s+ l# H1 O* a) @　　　　 　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)機加工量，節(jié)約金屬材料，提高勞動生產(chǎn)率。這一點對
( |9 [+ d6 w9 e* `0 n' g! `　　　　　　 貴重金屬尤其重要；
　　　　 　粉末冶金零件的缺點是塑性和韌性較差。
　　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充，在 一定程度上也可以看作是一種加工工藝。 　　　　
" B2 V3 T; r/ u6 M8 }　　　　　　　金屬生產(chǎn)工藝示意圖  
; ?5 n: [( {, H各種金屬材料可采用的生產(chǎn)工藝如下：
5 p7 l9 q) o9 S: K8 {1 G　　　火法冶金：鋼鐵、粗銅、錫、鎳、鉛、鋅、鈦等
6 ~' {2 a# G* P, r　　　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)?
3 N. l# q3 o. f  C  r　　　粉末冶金：各種固態(tài)金屬。