金屬材料生產工藝

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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工藝通稱為冶金學。根據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。
火法冶金
pyrometallurgy

2 P; t  `( Z: K$ @8 O   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、有害雜質氧化物作用的物質），加熱至低于爐料的熔點燒結成塊；或添加粘合劑壓制成型；或滾成小球再燒結成球團；或加水混捏；然后裝入鼓風爐內冶煉。硫化物精礦在空氣中焙燒的主要目的是：除去硫和易揮發的雜質，并使之轉變成金屬氧化物，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進行。加入的爐料，除富礦、燒結塊或球團外，還加入熔劑（石灰石、石英石等），以便造渣，加入焦炭作為發熱劑產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塊為粗鉛。氧化吹煉：在氧化氣氛下進行，如對生鐵采用轉爐，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域熔煉等方法進一步提煉。
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  F( g) O# \! k0 h　　　 火法冶金
/ }: ]) P; z& U　　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過程。
/ b$ A8 s1 ]+ [6 o& v' ?6 P2 ~　　生鐵冶煉分為三步：原料準備、冶煉、精煉。
, M  x* Z! i; r1 v( `) b6 @　　　 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，
　　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
　　石開始的冶金過程中都必不可少的過程。
　　　　精礦粉的球團和燒結：把細鐵精礦粉與適量的粘結劑和水，在造球機內均勻混合，制
2 X4 R& t$ H# k7 i" Q; J　　成球團，然后再高溫燒結。
' F, C6 J' z( z  Q　　　 冶煉 (錄像煉鐵煉鋼):
" r* |: _5 j2 E  }　　　　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）
6 y1 J' t4 a' x3 P　　將其還原為金屬的過程，稱為冶煉。這個化學反應過程通常在高溫下在煉鐵高爐內進行，
　　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
( c3 J$ @# v; i, q0 c) ]2 T　　綜合利用。
　　　 精煉 (錄像精煉):
2 l1 K6 `. ?0 p　　　　將冶煉得到的金屬（生鐵）進一步去除雜質，提高純度的過程稱為精煉。精煉包括：
; k1 U$ c' b# f; f　　　　化學方法：氧化精煉、電渣重熔、真空冶煉、噴射冶金；
7 z% M* y6 q5 f3 ^& Y: l! W* A　　　　物理方法：區域提純、精餾；
　　　　電化學方法：電解提純。
& f% y1 H/ G4 z, c, A　　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氧化成爐渣和氣體除去，從而降低雜質含量，并用各種鐵合金來調整成分，再用鋁、鈦等脫除過量的氧的過程。煉鋼有轉爐、平爐和電弧爐三種主要設備。目前，氧氣頂吹轉爐煉鋼是冶煉普通鋼的主要手段，世界鋼產量的一半以上是通過這種方法生產的。電弧爐煉鋼發展很快，主要用于冶煉高質量合金鋼種，已超過了世界鋼產量的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，是生產量大面廣的金屬材料的主要方法，其缺點是冶金過程對環境有較大污染。

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濕法冶金
! K1 t% r* z% @1 J! W. P$ T0 Z7 Khydrometallurgy
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7 \# @2 Y0 ^, V) _   利用某種溶劑，借助化學反應（包括氧化、還原、中和、水解及絡合等反應），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的。濕法冶金的優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，材料的周轉比較簡單，原料中有價金屬綜合回收程度高，有利于環境保護，并且生產過程較易實現連續化和自動化。
. c2 Z6 y4 ]) O4 q; S: V8 g, q濕法冶金
3 c/ q/ G( U& a9 K' |1 a" D　　利用溶劑，借助于氧化、還原、中和、水解、絡合等化學作用，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。水法冶金的優點是環境污染少，并且能提煉低品位的礦石，但成本較高。主要用于生產鋅、氧化鋁、氧化鈾及一些稀有金屬。
　　濕法冶金在機理上屬分析化學的內容，其生產步驟主要包括：浸取、分離、富集和提取。
　
: G2 j( f/ |4 i3 O4 a　　　 浸　取
" C/ W/ s! j7 Q! |. O　　　　　 選擇適當的溶劑（如酸、堿、氨、氰化物、氯化物、有機溶劑等）把經處理過的
　　　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分離的
　　　過程。浸取過程常涉及到置換和氧化還原反應，為得到所需要的產物，對浸取劑的酸堿
　　　度要加以控制。此外，凡影響化學反應的因素都對浸取過程產生影響，一般加溫和加壓
　　　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
% M& v; K$ K" p, e  M7 w' t　　　金或細菌采礦。
% M% _" `3 x$ B7 H　　　 分　離
( X# S6 d; V* `6 M+ Q　　　　　　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。
5 V0 q: f& V' Z0 y　　
% v2 s+ ~3 T7 E! k4 C7 S5 d　　　 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
　　　方法。
, v0 e$ `0 p+ n& u8 ]　　　　　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（如鈹的鹽類
: W7 r1 f9 V9 l. R: C- Q　　　化合物水解成氫氧化物）、分布結晶（如銣和鉀的草酸鹽）等種類。
) d" z2 Y- U; J9 A　　　　　離子交換過程是以固相的樹脂作為離子交換劑，與液相中的離子發生可逆的離子交
　　　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，把水溶液中的溶質擇優地轉
0 r. H4 o4 k) X2 b　　　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
  Q7 R4 d& m2 M4 a6 y" @$ Helectrometallurgy
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- h& j- W3 s5 W+ [0 ]5 v! I   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。電冶金成為大規模工業生產的先決條件是廉價電能的大量供應。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。如電弧爐煉鋼是通過石墨電極向電弧煉鋼爐內輸入電能，以電極端部和爐料之間發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化為化學能，將某些金屬的鹽類熔融并作為電解質進行電解，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。③水溶液電解是利用電能轉化的化學能使溶液中的金屬離子還原為金屬析出，或使粗金屬陽極經由溶液精煉沉積于陰極，如銅、鋅的電積和銅、鉛的電解精煉。
: r  U; H* H& ?( \# f+ M" W) t; T電冶金
　　廣義上講電冶金是指應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。
　
　　 水溶液電解
　　　 以溶有金屬離子的水溶液作為電解質，使金屬離子在陰極上析出的過程。
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0 p+ ?! I. e. O. u" P1 z8 [　　　　水溶液電解過程也可以把含雜質的金屬作為陽極，電解過程使其不斷溶解到水溶液中，并在
　　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
$ }7 I6 W7 C5 `: j/ m　　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
　　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。
　　
" b1 `: n$ m6 t* f) z　　 熔鹽電解
　　　　以高導電率、低熔點的金屬熔鹽作為電解質 ，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。
; V% m& I* p- S0 w1 u　　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
+ n1 D9 X! i  n8 u- I( E靜壓（各方向同時受液壓）的方法成型。粉末冶金的生產工藝與陶瓷產品的生產工藝非常相近，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。粉末冶金工藝發展很快，現在常常用來制做減磨材料、摩擦材料、結構材料、刀具和模具材料、過濾材料等。
　
　　粉末冶金在技術上和經濟上有以下特點：
; [9 d; A+ @. a　 　　　
- q+ D. T9 r3 `! h( K　　　　 　可生產普通熔煉方法無法生產的特殊性能材料，如多孔材料、復合材料等；
  I8 r" h4 B0 b" S4 F5 ?　　　　 　可避免成分偏析、保證合金具有均勻的組織和穩定的性能；
　　　　 　可生產高熔點金屬（如鎢和鉬）和不互熔的合金（如鎢-銀合金）；
　　　　 　可大量減少產品的后續機加工量，節約金屬材料，提高勞動生產率。這一點對
. O3 y& y9 z% v8 b' K8 m, |　　　　　　 貴重金屬尤其重要；
0 H/ c; m3 H$ Y& i  \　　　　 　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工藝。其中火法冶金大量用于鋼鐵材料的生產，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。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，可根據礦石品位、工程條件以及生產成本來選擇。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品常常是作為初級產品，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。 　　　　
1 c+ c; F+ v2 ?, h8 K9 H# v  T　　　　　　　金屬生產工藝示意圖  
各種金屬材料可采用的生產工藝如下：
　　　火法冶金：鋼鐵、粗銅、錫、鎳、鉛、鋅、鈦等
7 _2 Z' R0 @4 ^3 A: T6 }, S: X/ {　　　濕法冶金：銅、鋅、鈾、稀土、鎳、鈷、鎢等
9 f$ c( |. n; u  a　　　電冶金：金、銀、鈷、鎳、銅、鉛、鋅、錫、鉻、錳、鋁、鎂、鈉、鈹等
　　　粉末冶金：各種固態金屬。