第1章材料的熔煉
冶金工程是給予礦產資源的開發利用和金屬材料的生產加工過程的工程技術。 人們通常將礦石或境況中提金屬的工業叫做冶金工業。
本文主要介紹鋼鐵的冶金，說明金屬冶金的一般過程。
1．1鋼鐵的冶煉
鋼鐵的實質為：鋼和生鐵的統稱。
鋼鐵的基本成分都是鐵，差別僅在於碳的含量不同。
一、鋼鐵冶金過程的熱力學
鐵礦石：鐵的氧化物＋脈石
煉鐵的任務：使鐵從鐵的氧化物中還原；並使還原出的鐵與脈石分離。
煉鋼的任務： 以生鐵為原料，通過冶煉降低生鐵中的碳及其他雜質元素的含量。
二、生鐵冶煉
1、煉鐵原料：鐵礦石 、熔劑、燃料
（1） 冶煉前對鐵礦石的處理
a 破碎和篩分 b 選礦 c 燒結和造塊
（2）熔劑
熔劑的作用：a 降低脈石熔點 b 去硫
熔劑種類分類：鹼性熔劑、酸性熔劑熔劑成分：石灰石（caco3） （） 燃料
（3） 燃料
常用燃料：焦炭
作用： 作為發熱劑提供熱量；還原劑；高爐料柱的骨架。
2、高爐生產
3、高爐冶煉的理化過程
燃料的燃燒 、化鐵的還原、 非鐵元素的還原 、 鐵的增碳 、去硫 、 造渣
（1） 燃料的燃燒
co2 + c → 2co (吸熱)
co2 +c → 2co (吸熱)
（2） 氧化鐵的還原
fe2o3→ fe3o4 → feo → fe
還原劑：co 氣體（間接還原） 固體 c（直接還原）
3fe2o3 + co → 2 fe3o4 + co2 feo + co → fe + co2
fe3o4 + 2co → 6 feo + 2co2co2 + c ? 2co
feo + co → fe + co2feo + c → fe + co (吸熱)
（3） 非鐵元素的還原
錳的還原： mno2 → mn2o3 → mn3o4→ mno → mn
提高溫度有利於錳的還原；提高爐渣的鹼度也有利於錳的還原。
矽的還原： sio 2 +2c → si + 2co （吸熱）
磷的還原：礦石中的磷主要以磷酸鈣的形式存在
(cao )3 p2o5 + 5c→ 3cao + 2 p + 5co
（4）鐵的增碳
從鐵礦石中還原出的鐵呈固體多孔狀，幾乎不含碳，稱為海綿鐵。
（5） 去硫： [ fes ] + (cao ) + c → [ fe] + (cas ) + co (吸熱)
（6）造渣 ：高爐爐渣主要由 sio2、al2o3 和 cao 組成。
爐渣的種類： 酸性渣、鹼性渣、中性渣
爐渣的作用：通過熔化各種氧化物控制金屬的成分；防止金屬過分氧化；防止熱量損失，起到絕熱作用，保證金屬不致過熱。
4、高爐冶煉的產品
生鐵 、 高爐煤氣 、 爐渣
生鐵：以 fe、c、si、mn、s、p 等元素組成的合金。
高爐煤氣：含有大量的 co、ch4 和 h2 等，是可燃性煤氣，可作為工業上的燃料。 爐渣
三、煉鋼
煉鋼：以生鐵為主要原料，通過一系列冶金過程，使其含碳量大幅度降至某一成分範圍 （<1.3％） ，並使各種雜質元素的含量降低的一定程度以下，得到鋼。
1、 煉鋼原材料
主要材料：生鐵、廢鐵和鐵合金
輔助材料：造渣材料、熔劑、氧化劑、還原劑、冷卻劑
2、煉鋼過程的基本反應
（1）氧化 [c ] + [o] → co放熱)
a、氧化脫碳： 2[c ] + o2 → 2co放熱)
c ] + ( feo) → [ fe] + co (吸熱)
b、矽的氧化： [ si ] + 2[o] →( sio2放熱)
si ] + o2 → ( sio2放熱)
si ] + 2( feo) → ( sio2 ) + 2[ fe] (放熱)
mn] + 2[o] → ( mno放熱)
c、錳的氧化： [ mn] + o2 → ( mno放熱)
mn] + ( feo) → ( mno) + [ fe] (放熱) 1
（2）脫磷和脫硫
a、磷的危害：磷使鋼的偏析嚴重、磷含量高時鋼會發生冷脆、磷促使鋼的回火脆性，使鋼的焊接效能變差。 第一步： 2[ p] + 5( feo) = p2o5 + 5[ fe]
b、脫磷反應和回磷現象： 第二步： p2o5 + 4(cao) = (4cao p2o5 )
或 p2o5 + 3(cao) = (3cao p2o5 )
總反應式為： 2[ p] + 5( feo) + 4(cao) = (4cao ? p2o5 ) + 5[ fe]
或 2[ p] + 5( feo) + 3(cao) = (3cao ? p2o5 ) + 5[ fe]
脫磷的基本條件：低溫； 適量增加渣中 cao 的含量；渣中必須含有足夠數量的 feo；渣量。
回磷現象： 在煉鋼過程中的某一時期，當脫磷的基本條件得不到滿足時，則已氧化進入爐渣中的磷會重新被還原，並返回到鋼液中，稱此為回磷現象。
防止措施： 控制煉鋼後期鋼液的溫度；減少鋼液在盛鋼桶內的停留時間；向盛鋼桶中爐渣加石灰提高鹼度；採用鹼性襯層的盛鋼桶。
c、硫的危害
硫對鋼質量的影響表現在： （1） 惡化鋼的熱加工效能（2） 使鋼的鑄造效能和焊接效能變壞 （3） 降低鋼的使用效能
d、脫硫反應
脫硫方法： 爐渣脫硫、氣化脫硫
爐渣脫硫： fes ] + (cao ) ←→ (cas ) + ( feo ) (吸熱)
氣化脫硫： s ] + 2[o ] = so2
[ [ s ] + o2 = so2
[ s ] + 2( feo) = so2 + 2[ fe]
(3)脫氧
脫氧原理：
採用脫氧劑除去鋼液中殘留的氧化亞鐵中的氧，還原出鐵。
脫氧方式：擴散脫氧、沉澱脫氧
擴散脫氧：優點：鋼液乾淨
缺點：速度慢
沉澱脫氧：
優點：速度快
缺點：脫氧產物 mno、sio2、al2o3 容易留在鋼液
[mn] + [o] = ( mno) (放熱) [si] + [o] = ( sio2 ) (放熱)
2[al] + 3[o] = ( al2o3 ) (放熱)
脫氧方法及脫氧程度，鋼可分為三類：
鎮靜鋼：經過充分脫氧處理的鋼，成分比較均勻，組織較緻密，成材具有較高的力學效能。 沸騰鋼：未經完全脫氧處理的鋼
半鎮靜鋼：脫氧程度介於鎮靜鋼與沸騰鋼之間的鋼。
3、典型現代煉鋼法
轉爐煉鋼: 轉爐煉鋼是利用空氣或氧氣進行氧化
電弧爐煉鋼: 電弧煉鋼是利用石墨電極和鋼料之間形成電弧高溫 （通常可達 1500～1600℃） 加熱，並吹氧實現煉鋼過程。
4、鋼的澆注
鋼的澆注，就是把在煉鋼爐中熔煉和爐外精練所得到的合格鋼液，經過盛鋼桶及中間澆包等澆注裝置注入到一定形狀和尺寸的鋼錠模或結晶器中，使之凝固成鋼錠或鋼坯的過程。
方法：模鑄法 、 連鑄法
5、鋼的分類和編號
1.1鋁冶金與熔煉
一、鋁的性質和用途
鋁的物理性質：
熔點低、 密度小、 強度低、塑性好、 比強度高、導熱性好、 導電性好。
鋁的化學性質： 抗蝕性好
鋁的用途：
純鋁：導線
鋁合金：結構材料
二、煉鋁原料和鋁冶金特點
煉鋁原料——鋁土礦
鋁冶金特點：
從鋁土礦中提取純鋁，不能通過化學處理直接得到粗金屬。
因為：鋁的化學活性很強，容易與氧、鹵族元素結合成穩定的化合物；
鋁的電位次序位於最負位置。
三、氧化鋁生產方法
從鋁土礦中製取氧化鋁的生產方法大致可分為鹼法、酸法和電熱法，但在工業中得到應用的只有鹼法。
鹼法生產氧化鋁的方法有： 拜耳法、燒結法、拜耳－燒結聯合法。
拜耳法生產氧化鋁：
（1） 鋁土礦的浸出： al2o 3 ? nh 2o + 2 naoh → 2 naalo2 + nh 2o
（2） 鋁酸鈉溶液的晶種分解: naalo2 + 2 h 2o → al (oh )3 ↓ + naoh
（3） 氫氧化鋁的煅燒
（4） 母液的蒸發與苛化
燒結法生產氧化鋁: na2co3 + al2o3 → na 2 o ? al2o3 + co2 ↑
na2co3 + fe2o3 → na 2 o ? fe2o3 + co2 ↑
sio2 + 2cao →2cao ? sio2
（1） 生料燒結
na2o ? al2o3 + 4 h 2o →2 naal (oh ) 4 (溶解)
（2） 熟料溶出： na2o ? fe2o3 + 2 h 2o → fe2o3 ? h 2o ↓ +2 na(oh ) (水解)
（3） 鋁酸鈉溶液的脫矽
（4） 碳酸化分解： 2 naoh + co2 → na2co 3 + h 2o
naal (oh ) 4 → al (oh )3 ↓ + naoh
四、金屬鋁的生產
熔鹽電解法：氧化鋁、冰晶石、氟化鹽
五、鋁合金的熔煉與凝固
1 鋁合金的熔煉特性：
（1） 熔化時間長（2） 易氧化（3） 易吸氣（4） 容易吸收金屬雜質
2 鋁合金熔煉過程的一般原理：
（1） 鋁液中的氣體和夾雜物的防止
（2） 鋁液中氣體及夾雜物的去除（精煉過程）
六、鋁合金的分類
鑄造鋁合金、 變形鋁合金
1.3銅冶金
根據礦石的型別不同， 從銅礦中提取銅有火法冶金和濕法冶金兩種方法。 火法冶金主要用於硫化銅礦的冶煉，濕法冶金主要用於處理氧化銅礦。
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