金属材料生产工艺

天上一颗星

　　金属材料一般从矿石中提取，往往涉及到冶炼过程，因此金属材料的生产工艺通称为冶金学。根据工艺特点的不同可分为：火法冶金、湿法冶金、电冶金以及粉末冶金等。
火法冶金
pyrometallurgy
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   利用高温从矿石中提取金属或其化合物的冶金过程。此过程没有水溶液参加，故又称为干法冶金。火法冶金的工艺流程一般分为矿石准备、冶炼、精炼3个步骤。①矿石准备。选矿得到的细粒精矿不易直接加入鼓风炉（或炼铁高炉），须先加入冶金熔剂（能与矿石中所含的脉石氧化物、有害杂质氧化物作用的物质），加热至低于炉料的熔点烧结成块；或添加粘合剂压制成型；或滚成小球再烧结成球团；或加水混捏；然后装入鼓风炉内冶炼。硫化物精矿在空气中焙烧的主要目的是：除去硫和易挥发的杂质，并使之转变成金属氧化物，以便进行还原冶炼；使硫化物成为硫酸盐，随后用湿法浸取；局部除硫，使其在造锍熔炼中成为由几种硫化物组成的熔锍。②冶炼。此过程形成由脉石、熔剂及燃料灰分融合而成的炉渣和熔锍（有色重金属硫化物与铁的硫化物的共熔体）或含有少量杂质的金属液。有还原冶炼、氧化吹炼和造锍熔炼3种冶炼方式：还原冶炼：是在还原气氛下的鼓风炉内进行。加入的炉料，除富矿、烧结块或球团外，还加入熔剂（石灰石、石英石等），以便造渣，加入焦炭作为发热剂产生高温和作为还原剂。可还原铁矿为生铁，还原氧化铜矿为粗铜，还原硫化铅精矿的烧结块为粗铅。氧化吹炼：在氧化气氛下进行，如对生铁采用转炉，吹入氧气，以氧化除去铁水中的硅、锰、碳和磷，炼成合格的钢水，铸成钢锭。造锍熔炼：主要用于处理硫化铜矿或硫化镍矿，一般在反射炉、矿热电炉或鼓风炉内进行。加入的酸性石英石熔剂与氧化生成的氧化亚铁和脉石造渣，熔渣之下形成一层熔锍。在造锍熔炼中，有一部分铁和硫被氧化，更重要的是通过熔炼使杂质造渣，提高熔锍中主要金属的含量，起到化学富集的作用。③精炼。进一步处理由冶炼得到的含有少量杂质的金属，以提高其纯度。如炼钢是对生铁的精炼，在炼钢过程中去气、脱氧，并除去非金属夹杂物，或进一步脱硫等；对粗铜则在精炼反射炉内进行氧化精炼，然后铸成阳极进行电解精炼；对粗铅用氧化精炼除去所含的砷、锑、锡、铁等，并可用特殊方法如派克司法以回收粗铅中所含的金及银。对高纯金属则可用区域熔炼等方法进一步提炼。

　　　 火法冶金
( _8 P: `3 ~: n% T　　火法冶金是指利用高温（超过金属熔点温度）从矿物中提取金属或其他化合物的方法；顾名思义，这种生产工艺常利用火来加热得到高温。因这种工艺没有水溶液的参与，所以也叫干法冶金(录像火法冶金〕。这里以目前使用量最大的金属材料-钢铁材料为例，介绍火法冶金的生产过程。
/ |1 i" m' \/ H! g7 B9 [$ u0 S; c+ i　　生铁冶炼分为三步：原料准备、冶炼、精炼。
: e) }( v; Z' A# S+ P　　　 原料准备 (录像原料准备):
　　　　制取精矿粉：把从自然界中直接采掘到的矿石破碎后、通过重选、浮选、磁选等方法，
　　获得含金属量较高的精矿粉。制取精矿粉不仅是火法冶金的第一步，实际上也是所有从矿
- U# T: {& I7 _. O/ Q7 Y3 C( m: X　　石开始的冶金过程中都必不可少的过程。
　　　　精矿粉的球团和烧结：把细铁精矿粉与适量的粘结剂和水，在造球机内均匀混合，制
- L& a8 e" z0 A: y　　成球团，然后再高温烧结。
　　　 冶炼 (录像炼铁炼钢):
6 }. ^# k& @0 Z/ \" F: H　　　　一般金属在矿石中以氧化物或硫化物等化合物的形式存在，用还原剂（如焦碳，CO等）
7 y% }- c$ J& V/ i. F: e$ o' L　　将其还原为金属的过程，称为冶炼。这个化学反应过程通常在高温下在炼铁高炉内进行，
- ~" q# @% s: l* \　　要喷吹重油和煤粉助燃，冶炼过程除了获得金属外，还得到大量的炉渣和煤气，可以回收
　　综合利用。
% I! S  _+ f7 P8 x2 G+ @　　　 精炼 (录像精炼):
! A6 Q( f3 f3 i! r　　　　将冶炼得到的金属（生铁）进一步去除杂质，提高纯度的过程称为精炼。精炼包括：
) `, [; N7 _8 O" w8 c& B0 J- o3 N　　　　化学方法：氧化精炼、电渣重熔、真空冶炼、喷射冶金；
　　　　物理方法：区域提纯、精馏；
　　　　电化学方法：电解提纯。
  u  V0 o! f0 }/ X　　炼钢实际上就是对生铁的一种精炼过程。由于生铁冶炼过程中要使用大量的碳来还原出金属铁，生铁中碳含量较高。钢与生铁化学成分上的主要区别在于含碳量，含碳量超过2.11%的就是生铁，而常用钢的含碳量一般在1%以下。因此炼钢就是通过氧气把铁水中的各种杂质氧化成炉渣和气体除去，从而降低杂质含量，并用各种铁合金来调整成分，再用铝、钛等脱除过量的氧的过程。炼钢有转炉、平炉和电弧炉三种主要设备。目前，氧气顶吹转炉炼钢是冶炼普通钢的主要手段，世界钢产量的一半以上是通过这种方法生产的。电弧炉炼钢发展很快，主要用于冶炼高质量合金钢种，已超过了世界钢产量的20%。
/ H; ?. U; k) {8 f. O  A8 e2 Q　　除了钢铁之外，可采用火法冶炼的还有铜、锡、镍和铅等金属材料。火法冶金过程的成本较低，是生产量大面广的金属材料的主要方法，其缺点是冶金过程对环境有较大污染。

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湿法冶金
hydrometallurgy

   利用某种溶剂，借助化学反应（包括氧化、还原、中和、水解及络合等反应），对原料中的金属进行提取和分离的冶金过程。又称水法冶金。湿法冶金包括4个主要步骤：①用溶剂将原料中有用成分转入溶液，即浸取。②浸取溶液与残渣分离，同时将夹带于残渣中的冶金溶剂和金属离子回收。③浸取溶液的净化和富集，常用离子交换和溶剂萃取技术或其他化学沉淀方法。④从净化液中提取金属或化合物。湿法冶金在锌、铝、铜、铀等工业中占有重要地位，世界上全部的氧化铝、氧化铀，大部分锌和部分铜都是用湿法生产的。湿法冶金的优点在于对非常低品位矿石（金、铀）的适用性，对相似金属（铪与锆）难分离情况的适用性；以及和火法冶金相比，材料的周转比较简单，原料中有价金属综合回收程度高，有利于环境保护，并且生产过程较易实现连续化和自动化。
* Q$ D% g+ `! y, q5 V湿法冶金
　　利用溶剂，借助于氧化、还原、中和、水解、络合等化学作用，对原料中金属进行提取和分离，得到金属或其化合物的过程，称为湿法冶金。由于大部分溶剂是水溶液，因而也叫水法冶金。水法冶金的优点是环境污染少，并且能提炼低品位的矿石，但成本较高。主要用于生产锌、氧化铝、氧化铀及一些稀有金属。
　　湿法冶金在机理上属分析化学的内容，其生产步骤主要包括：浸取、分离、富集和提取。
　
　　　 浸　取
+ S( e$ z% d2 [" N　　　　　 选择适当的溶剂（如酸、碱、氨、氰化物、氯化物、有机溶剂等）把经处理过的
# W* X; C" F% b# t　　　矿石中的常以化合物形式存在的金属选择性地溶解，以便使其与其它不溶的物质分离的
　　　过程。浸取过程常涉及到置换和氧化还原反应，为得到所需要的产物，对浸取剂的酸碱
　　　度要加以控制。此外，凡影响化学反应的因素都对浸取过程产生影响，一般加温和加压
) s8 O! a$ s9 x) v　　　可都加速浸取过程。还可以利用细菌把一些不溶性的矿物变成可溶性盐，称为微生物冶
　　　金或细菌采矿。
　　　 分　离
) w/ B* _" U  g　　　　　　将浸取溶液与不溶的残渣分离的过滤过程。同时还要考虑将残渣中的溶剂和金属
　　　　离子洗涤回收。
7 h3 V& G7 ?% ?- c　　
　　　 富　集：
　　　　　把分离得到的浸取液净化和富集的过程。包括：化学沉淀、离子交换、溶剂萃取等
　　　方法。
　　　　　化学沉淀又可分为置换沉淀（如用铁置换硫酸铜中的铜）、水解沉淀（如铍的盐类
# H1 [1 K8 E1 d* c2 @　　　化合物水解成氢氧化物）、分布结晶（如铷和钾的草酸盐）等种类。
: g# W) H9 ~- P　　　　　离子交换过程是以固相的树脂作为离子交换剂，与液相中的离子发生可逆的离子交
( k2 Y  w' l0 `& V( N' N6 |　　　换过程，已用于铀、镧系和锕系金属等的富集。
　　　　　溶剂萃取：让水溶液与不溶于水的有机溶液互相接触，把水溶液中的溶质择优地转
9 T, S8 A$ {* {9 N　　　入有机相的过程。已用于铀、稀土、铜、镍和钴等的富集。
9 }9 }0 r8 |; q9 u2 A1 L7 I6 t　　　 提　取：从富集后的净化液中获得纯金属的过程。一般采用下面要讲到的电解法。

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电冶金
1 Y& X$ o  i7 x- Nelectrometallurgy
0 l$ o6 X) r! ?1 f
   利用电能从矿石或其他原料中提取、回收和精炼金属的冶金过程。电冶金成为大规模工业生产的先决条件是廉价电能的大量供应。电冶金包括电炉冶炼、熔盐电解和水溶液电解等。①电炉冶炼是利用电能获得冶金所要求的高温而进行的冶金生产。如电弧炉炼钢是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢，可获得比用燃料供热更高的温度，且炉内气氛较易控制，对熔炼含有易氧元素较多的钢种极为有利。②熔盐电解是利用电能加热并转化为化学能，将某些金属的盐类熔融并作为电解质进行电解，自熔盐中还原金属，以提取和提纯金属的冶金过程，如铝、镁、钠、钽、铌的熔盐电解生产。③水溶液电解是利用电能转化的化学能使溶液中的金属离子还原为金属析出，或使粗金属阳极经由溶液精炼沉积于阴极，如铜、锌的电积和铜、铅的电解精炼。
# Q2 Y2 l7 l/ ^# X/ t5 p电冶金
　　广义上讲电冶金是指应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。显然也包括电炉冶炼。但实际工程上所提到的电冶金一般指电解（电化学）冶金，包括水溶液电解和熔盐电解，而把电炉冶炼归入火法冶金的范畴。
　
# z/ J) K0 i" m! N　　 水溶液电解
　　　 以溶有金属离子的水溶液作为电解质，使金属离子在阴极上析出的过程。
, B4 d! a1 h  P& B　　
　　　　水溶液电解过程也可以把含杂质的金属作为阳极，电解过程使其不断溶解到水溶液中，并在
/ J4 X9 ^! u7 c1 x　　阴极析出，叫电解精炼（可溶阳极电解），如金、银、钴、镍、铜等贵重金属大多采用电解精炼
6 _# q8 s6 K" \( u) ?* o% z  A　　来获得高纯成分；如果阳极材料本身不参与电解过程，只是把湿法冶金中获得的浸取液中的金属
　　在阴极沉淀析出的过程，则叫电解提取（不溶阳极电解），例如锌、铬、锰的提取。
　　
　　 熔盐电解
& O- r7 u! \& u* M: L( O　　　　以高导电率、低熔点的金属熔盐作为电解质 ，使金属离子在阴极析出的过程。主要用于不　　溶于水的金属盐类，如铝、镁、钠等活泼金属。由于金属能溶于熔盐，或者与高价氧化物反应生　　成低价化合物重新溶入熔盐，熔盐电解的电流效率要低于水溶液电解。
粉末冶金
1 G& m8 t$ |* j$ @　　用湿法冶金和电冶金获得的金属往往是以颗粒的形式存在，要想得到大块的致密金属和金属零部件，可采用粉末冶金的方法。
5 k  X- t. }9 A+ R　　粉末冶金由以下几个主要工艺步骤组成：配料、压制成型、坯块烧结和后处理。对于大型的制品，为了获得均匀的密度，还需要采取等
静压（各方向同时受液压）的方法成型。粉末冶金的生产工艺与陶瓷产品的生产工艺非常相近，将在下一部分详细介绍。这种方法对于制造切削用的硬质合金（碳化钨、碳化钛等难熔碳化物的混合物）刀头特别重要，钨、铌、钽等高熔点块状合金一般用粉末冶金法制造，致密的钛零件也可用粉末冶金法生产。粉末冶金工艺发展很快，现在常常用来制做减磨材料、摩擦材料、结构材料、刀具和模具材料、过滤材料等。
　
　　粉末冶金在技术上和经济上有以下特点：
　 　　　
& W; W! c! w2 q+ D. G; h　　　　 　可生产普通熔炼方法无法生产的特殊性能材料，如多孔材料、复合材料等；
" |$ y% S& O1 ]; x　　　　 　可避免成分偏析、保证合金具有均匀的组织和稳定的性能；
　　　　 　可生产高熔点金属（如钨和钼）和不互熔的合金（如钨-银合金）；
　　　　 　可大量减少产品的后续机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。这一点对
　　　　　　 贵重金属尤其重要；
. v, x6 z" w+ p" T. }- E* m　　　　 　粉末冶金零件的缺点是塑性和韧性较差。
　　以上讨论了金属材料的各种生产工艺。其中火法冶金大量用于钢铁材料的生产，而湿法冶金和电冶金主要用于有色金属（除钢铁以外的金属）的生产。许多有色合金既可以采用湿法冶金也可以采用火法冶金生产，可根据矿石品位、工程条件以及生产成本来选择。电冶金是获得高纯度金属的一种有效办法，火法冶金和湿法冶金的产品常常是作为初级产品，通过电冶金工艺进一步提纯。这些工艺过程可以概括地表示在图中。粉末冶金实际上是把金属原料粉制成块状金属和零件的过程，只涉及物理变化过程，是对其它冶金方法的一种补充，在 一定程度上也可以看作是一种加工工艺。 　　　　
( t! n8 [& O, L* z) G　　　　　　　金属生产工艺示意图  
' Y4 k' U- t2 ~" N( z  v, w各种金属材料可采用的生产工艺如下：
　　　火法冶金：钢铁、粗铜、锡、镍、铅、锌、钛等
( d! n: E5 e% P; O* o, ~3 k　　　湿法冶金：铜、锌、铀、稀土、镍、钴、钨等
! s" |3 `$ O! G" O9 a: d& r　　　电冶金：金、银、钴、镍、铜、铅、锌、锡、铬、锰、铝、镁、钠、铍等
　　　粉末冶金：各种固态金属。