几种典型金属的简要性质与冶炼方法.doc

钢铁
1.铁熔点1535°C，密度7.8g/cm3；钢熔点1450～1500，密度 7.85g/cm3左右
2.钢和铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。
铁：碳含量＞2.11%的铁碳合金。
钢：碳含量＜2.11%的铁碳合金。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。
工业纯铁：碳含量＜0.2%
3.炼铁：把铁从铁矿石中还原出来；炼钢：降低碳含量，除去硫磷等杂志调节合金元素含量。
4.流程：选矿，烧结，炼焦，高炉炼铁，转炉炼钢，连铸，轧制
5.炼铁时焦炭作用：1燃料提供热量，2还原剂，3骨架支撑，4生铁渗碳的碳源
6.炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成分（四脱二去两调整）。采用的主要技术手段为：供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。
7.炉渣的作用：a、控制钢液氧化还原反应； b、脱出杂质（S、P），吸收夹杂物；
c、防止钢液的吸气 d、防止钢液的散热，以保证钢的冶炼温度；e、防止钢液的二次氧化。
8.炼铁三进两出：进：铁矿石，焦炭，溶剂 ，出：渣铁和煤气
高炉分五部分：炉喉，炉身，炉腰，炉腹和炉缸
高炉经济技术指标：有效容积利用系数，焦比，冶炼强度，焦炭负荷，生铁合格率，休风率，炉龄，生铁成本

硅
1.硅的密度：2.3-2.4 g/cm3 熔点：1414℃ 沸点：2355℃
2.工业硅的纯度约为99%，又称为冶金级硅。
工业硅是连续作业过程，无论是国内还是国外都用碳热法。
以硅石和碳质还原剂为原料，在埋弧电炉中由电热法冶炼生产的。
工业硅冶炼化学反应比较复杂，但最基本的反应是：SiO2+2C→Si+2CO
制备工业硅的主要流程：硅石、石油焦、木炭、煤→混料→电炉熔炼→精炼
3.工业硅熔炼反应机理
T<1500℃ 混合炉料处于预热阶段
T>1500℃ SiO2+3C=SiC+2CO
T>1820℃ SiO2+2SiC=3Si+2CO
4.多晶硅的制备传统方法：改良西门子法 硅烷法 流态床反应法
新方法：冶金法
铝
1.铝的密度(20℃)：2.7 g／cm3 熔点660.1 ℃ 沸点2520 ℃
2.铝生产流程：铝土矿，生产氧化铝，纯氧化铝，电解制铝，原铝，精炼，铝锭，
3.氧化铝的生产方法：拜耳法，烧结法，联合法
4.拜耳法用在处理低硅铝土矿，基本原理：用苛性钠溶液在加热的条件下将铝土矿中的各种氧化铝水合物溶解出来，生成铝酸钠溶液，此种溶液经稀释后再冷却的条件下分解出纯的氢氧化铝，同时重新生成苛性钠溶液，供循环使用。
5.拜耳法流程包括三个主要步骤：铝土矿溶出；铝酸钠溶液分解；氢氧化铝煅烧。
6.烧结法基本原理：铝土矿和纯碱、石灰按一定比例配料磨制成生料浆；在熟料窑内高温烧结成熟料，使Al2O3与纯碱（Na2CO3）反应生成易溶于水的固体铝酸钠（Na2O?Al2O3）；Fe2O3与纯碱（Na2CO3）反应生成能水解的铁酸钠;SiO2与石灰反应生成不溶于水的原硅酸钙；熟料用调整液湿磨溶出，铝酸钠溶解进入粗液，铁酸钠水解成碱进入粗液、氧化铁与原硅酸钙一起进入赤泥，用热水将赤泥洗涤后排出；将粗液脱硅后制成铝酸钠精液；再向精液中通入CO2气体进行碳酸化分解；便析出氢氧化铝，氢氧化铝经焙烧产出氧化铝；分离氢氧化铝后的母液称为碳分母液（主要成分为Na2CO3），经蒸发后返回配料。
7.拜耳-烧结联合法特点：用于处理氧化铝与氧化硅质量比为5-7的中等品位铝土矿，其特点是用烧结法系统所得的铝酸钠溶液来补充拜耳法系统中碱损失。
形式：串联（美国、前苏联）、并联（前苏联）、混联（中国)
8.铝电解原理：现代铝工业生产，主要采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法，其中氧化铝是炼铝的原料，冰晶石是熔剂。直流电通入电解槽，在阴极和阳极上发生电化学反应。电解产物，阴极上是液体铝，阳极上是气体CO2（75-80%）和CO（20-25%）。在工业电解槽内，电解质通常由质量分数为95%的冰晶石和5%的氧化铝组成，电解温度为950-970℃。
9.铝电解重要技术参数：1.工作电压4.0V 2．极距的控制4cm左右3.电解温度950-970℃ 4.铝液水平/ cm 12-15 5.电解质水平/cm 20-22
氧化铝生产的主要技术经济指标：氧化铝总回收率，碱耗
电解槽的主要技术经济指标：氧化铝浓度；电解质分子比；槽电压；电解温度；电流效率；电耗
镁
1.镁的密度(20℃)：1.74 g／cm3、熔点651 ℃ 、沸点1107 ℃、1.8万/t
目前金属镁的生产方法主要有以氯化镁为原料的熔盐电解法和以氧化镁为原料的真空热还原法。
2.(1)熔盐电解法是将直流电通入含有氯化镁的熔融电解质中，将氯化镁分解而制得金属镁的方法；镁的氯化需要加碳进行。
（2）真空热还原法是在高温、真空条件下，利用金属或非金属作为还原剂，将氧化镁还原而制取金属镁的方法。根据还原剂的不同，又分为硅热法(如皮江法)、碳化物热还原法和碳热法。
皮江法以白云石和75#硅铁合金为原料，对白云石进行煅烧制得煅白，煅白经破碎磨细后与还原剂硅铁合金粉相混合，制成球团；将球团至于耐高温合金钢材质的还原罐中，在温度为1473 K、真空度10 Pa条件下进行还原，所生成的镁蒸气在反应器的冷端冷凝可获得结晶镁；将结晶镁取下进行精炼、表面处理后即可获得成品镁。
加入氧化钙的原因（三点，从热力学角度来分析）
5.碳化物还原法是以碳化钙（CaC2）为还原剂，对煅烧菱镁石或煅烧白云石进行真空热还原，制取金属镁的工艺。还原过程发生的反应为：MgO+CaC2→Mg+CaO+C

皮江法 碳热还原法
6.碳热还原制镁工艺：通过对菱镁石进行煅烧获得氧化镁，将氧化镁与焦炭还原剂相混合，在惰性气体的保护下进行还原并对气态产品进行冷却，收集生成的镁粉，后精炼提纯获得成品镁。发生的主要反应为：
7.解法炼镁的技术指标:电流强度，电流效率，直流电耗，氯气产量
硅热法炼镁技术指标：白云石消耗量，料镁比，硅铁耗量，还原罐消耗量，煤耗量
镍
1.熔点： 1453℃，沸点： 2800℃； 比重：8.8g/cm3
2.硫化镍矿：占20%，主要为镍黄铁矿((Fe,Ni)9S8)和镍磁黄铁矿((NiFe)7S8)。 含有铜、钴和铂族元素。硫化矿为主要炼镍原料，矿石品位为0.3%~1.5%，冶炼前需经选将品位提高到4%~8%。
氧化镍矿：占80%，分两类，一类是高硅镁质的镍矿，包括硅酸镁镍矿和暗蛇纹石;另一类为红土矿是镍（含量1%）铁（含量40%~50%）氧化物组成的共矿。氧化镍矿难选，故它目前占镍产量比重不大（只有40%），但氧化矿占镍储藏量大，特别是红土矿（占氧化矿的80%），因此它是未来镍的主要来源。
3.硫化镍精矿的火法冶炼：处理方法是先进行造锍熔炼制取低镍硫，然后再送转炉对低镍硫进行吹炼产出高镍硫；经缓冷后进行破碎、磨细；通过浮选、磁选产出高品位硫化镍精矿、硫化铜精矿和铜镍合金。
4.硫化镍矿的火法冶炼占硫化矿提镍的86%，其处理方法是预先焙烧和熔炼制取冰镍或铜冰镍然后吹炼。氧化镍矿的火法冶炼基本上是以电炉还原熔炼镍铁为主，少数用鼓风炉还原硫化熔炼使之产出冰镍。
5.造锍熔炼的主要方法：鼓风炉熔炼、反射炉熔炼、电炉熔炼和闪速熔炼。
6.火法处理氧化镍的方法有很多，其中以鼓风炉还原硫化熔炼较为普遍。
进入鼓风炉的炉料须经制团或烧结焙烧，配入硫化剂（黄铁矿或石膏）制团后干燥送入鼓风炉熔炼，同时配入焦炭和返粉，烧结层温度在1423K~1473K。氧化镍矿烧结属还原焙烧，热量大部分由焦炭供给。熔炼过程中，矿石中的镍、钴和部分铁还原并硫化为金属硫化物与熔渣分开，鼓风炉熔炼产出镍锍。
7.镍的精炼方法：电解法（隔膜电解），羰基法，高铜冰镍浸出精炼法
隔膜电解：用隔膜将电解槽分为阴极区和阳极区两部分，并保持阴极区液面始终高于阳极区，使电解液由阴极区流向阳极区，从而保证了阴极室内电解液的纯度。阳极区的电解液，也叫阳极液，不断从电解槽流出，送去进行深度净化，然后再送到阴极区进行电解提镍。
原因：由于阳极板成分复杂，杂质含量高，进入电解液后在阴极析出，使阴极产物镍纯度降低。

钛
1.钛的密度4.51g/cm3， 熔点1670 ℃左右， 沸点3260 ℃，12万/t。90%生产钛白，4%-5%生产金属钛，其余用于电焊条与钛合金。
2.炼钛原料：钛铁矿（FeTiO3）：铁和钛的氧化物矿物，是提炼钛的主要矿石。
金红石（TiO2）：是较纯的二氧化钛，一般含二氧化钛在95％以上，但地壳中储量较少。
3.金属钛生产主流程四大步骤：
1.钛铁矿还原熔炼——富集钛，除铁
2.富钛渣的氯化，精制——除杂产出纯四氯化钛
3.四氯化钛的金属热还原——产出金属海绵钛
4.海绵钛真空电弧熔炼——生产致密海绵钛
4.钛铁矿精矿还原熔炼原理：钛精矿中主要伴生FeO 和Fe2O3，由于钛和铁对氧的亲和力不同，它们的氧化物生成自由焓有较大的差异，因此，经过选择性还原熔炼，分别获得生铁和富钛渣。
5.镁热还原法生产海绵钛（Kroll法）
① 在氩气中镁还原TiCl4产出海绵钛和氯化镁
② 真空蒸馏法除去海绵钛中的镁和氯化镁
③ 熔盐电解法从氯化镁中回收镁和氯气供循环使用
TiCl4+2Mg= 2MgCl2+Ti
6.钛的精炼方法分为：电解法精炼，热法精炼，和碘化法精炼
电解精炼将含杂质的钛或其合金作为可溶性阳极，以钢棒(或板)作为阴极，在NaCl或NaCl-KCI熔盐电解质中进行电解制取纯钛的过程。
7.钛铁矿→采矿→选矿→钛精矿→富集→富钛料→氯化→粗TiCl4 →精制→纯TiCl4 →镁还原→海绵钛
富集:还原熔炼 氯化:加碳氯化 精制:精馏+蒸馏+除钒 镁还原:镁还原+蒸馏除镁
锌
1.锌的密度7.133g/cm3， 熔点419.05 ℃左右， 沸点906.97 ℃。
闪锌矿(ZnS)、铅锌矿、锌铜矿和铜铅锌矿。液态锌的蒸气压随温度升高而迅速增大，火法炼锌就是利用了锌的这一特点。
2.株洲冶炼集团公司， 葫芦岛有色集团公司

2. 火法炼锌占20%, 湿法炼锌占80%。
火法炼锌是将含ZnO的死焙烧矿用碳质还原剂还原得到金属锌的过程。
还原蒸馏法主要包括竖罐炼锌、平罐炼锌和电炉炼锌。共同特点是：产生的炉气中锌蒸气浓度大，而且含CO2含量少，容易冷凝得到液体锌。
鼓风炉炼锌与蒸馏法炼锌的不同之处在于鼓风炉炼锌直接加热炉料，作为还原剂的焦炭同时又是维持作业温度所需的燃料。大量的燃烧气体和还原产出的锌蒸气混在一起。
3.湿法炼锌(ZnS)的本质是用稀硫酸(或废电解液)浸出不完全焙烧矿中的锌，锌进入溶液后再以电解法从溶液中沉积出来。
过程可分为焙烧、浸出、净化、电解和熔铸五个阶段。
4.电解过程的技术经济指标：电流效率 槽电压 电能消耗

稀土
1.轻稀土（铈组稀土）包括（7种）：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕。
重稀土（钇组稀土）包括（10种）：钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、 钪、钇。三种常见的矿物类型：独居石，氟碳铈矿、离子型矿。
2.稀土精矿分解，就是将矿物中的主要成分转变成易溶于水或酸的化合物，然后经溶解、分离、净化等工序，为稀土分离做准备，也可以直接沉淀成混合稀土化合物产品。稀土精矿的分解方法通常可归纳成三大类：酸分解法（又分硫酸法和氢氟酸法），碱分解法（又分苛性钠法和苏打法），高温氯化法。目前我国应用最普遍的是独居石-氟碳铈矿混合型精矿的浓硫酸强化焙烧法和独居石精矿的苛性钠溶液分解法。
3.生产流程： 1、硫酸焙烧，2、水浸，3、硫酸复盐沉淀，4、碱转化，5、盐酸优溶制取RECl3

熔 炼
氯 化
精 制
镁还原
真空蒸馏
Mg