电冶金
9 u4 G. Q* V% Lelectrometallurgy$ P! U9 X2 N ~
- C6 Z% e# I6 N, @) F" L+ D% N
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。1 O/ i) k( |+ U* Z! ^8 {
电冶金 3 P# d3 O! T. s6 q+ y
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。
# \/ c1 d3 X7 ] V! U, `/ i( e
2 O8 L2 x% H9 O" J 水溶液电解
4 m! z! M! S" m" P2 M! a 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。* [) Y: u2 R+ q! @9 \+ U( x% R3 }# f, Z/ O
3 E: a7 p; k' y7 I, o/ n% |" u
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
& p; } j/ C: z 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# F3 t2 O/ n7 f. _" J
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
/ X5 ]/ A5 ~/ ]& q/ | 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。
# F' D7 e) ? m) q
: J, N! j$ j: m) D" Q 熔盐电解
/ q; _. l, t# X S/ K4 w 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。
; |' M& r; j' l& n粉末冶金. j$ M6 K/ a% u7 l+ ~8 ]
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 B* p) M0 } t
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
O/ @/ F" ^$ ]$ J7 u0 n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。 " r k' r& A d E0 ~. e
$ m( V" h ` O; I, X" |; ]0 ` 粉末冶金在技术上和经济上有以下特点: % A: f+ X7 I; N/ A' E( s
& k9 s. f, ^4 i2 {1 D
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; 3 n# N( O: W a) o" m
可避免成分偏析、保证合金具有均匀的组织和稳定的性能;
3 Y- ^* v8 L% n8 x# T3 ~* D 可生产高熔点金属(如钨和钼)和不互熔的合金(如钨-银合金);
7 r, d% }) Z7 g 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2 h& R1 o1 V [: J+ W( l. k: B
贵重金属尤其重要;
6 r' I( x/ e3 B 粉末冶金零件的缺点是塑性和韧性较差。
( [8 _6 v) U2 v# U 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。
u- D; m9 u. I( R 金属生产工艺示意图
+ N8 x& j; U8 F0 g$ a7 z" X各种金属材料可采用的生产工艺如下:
8 D/ E. i+ Z8 Z- W) ?, D 火法冶金:钢铁、粗铜、锡、镍、铅、锌、钛等
* Y X2 Z2 b+ h9 {2 O$ v9 y B 湿法冶金:铜、锌、铀、稀土、镍、钴、钨等 ' I3 t" h+ J1 U
电冶金:金、银、钴、镍、铜、铅、锌、锡、铬、锰、铝、镁、钠、铍等
( ^) Q' J1 P1 ]1 D 粉末冶金:各种固态金属。 |