材料的制备与成型加工

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5-1  材料的制备原理及方法
5-1-1  金属材料的制备
9 R4 R9 ?( d0 |2 Y. \( E( s1.       铁的制备
. d0 d& s7 \6 w原理：
                               直接还原：以C为还原剂，FeO+C=Fe+CO，高炉下部高温区进行
  R4 z& p& {5 ^+ l①     还原（反应）                                                   
. \& A/ Q4 }7 ^: a& y间接还原：以CO为还原剂   
' g2 G% p1 p! P! C- S7 A/ R) t) Z- F
; H# I+ L# E! k9 W( K, k4 X  
②     造渣（反应）：加入一定量熔剂与矿石中
脉石和焦碳中灰份作用：生成一种多氧化物的熔体
; s3 Z; r, X# f/ A6 n! o. ?3 n目的是促使需要元素进入铁水，让有害杂质进入渣中除去
5 r# v, S$ R; [5 {) z# Q造渣反应十分复杂，总体上是酸性氧化物与碱性氧化物的中和反应。
主要熔剂：石灰石（CaCO3），锰矿石（脱氧、脱硫剂）等
) R3 ~6 `6 A* Y/ ^$ ~9 F6 C高炉炼铁原料主要用铁矿石、焦碳、石灰石、锰矿石和一些铁石代用品组成。
- y6 a  f9 G: R9 O7 N" L* n铁矿石：Fe含量<30%无开采价值
              Fe含量>40%可直接冶炼，铁矿石主要有四种：
2 g: B8 J- X8 ?. o磁铁矿（Fe3O4）、赤铁矿（Fe2O3）、褐铁矿（FeCO3）、菱铁矿（Fe2O3·mH2O）
$ `; R, t# m* q% V9 S. h! H    焦碳要求：含炭量要高，灰份要少，含P、S愈低愈好，发热值愈高愈好，且有适当的气孔率以保证料柱的透气性和足够的机械强度
    高炉内型构造及作用，见图5-1和P448
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& z) X7 r; I" X& w2.       钢的制备
9 u+ ^0 J3 c* ?& p5 N  V# r/ U$ Y钢是含碳量<2.11%，并含有少量C、Si、Mn、S、P元素的铁碳合金
$ a6 l# t7 Q" h: d生铁含碳量较高（>2.11%），含Si、Mn、S、P、杂质量较高
炼钢的目的：①降低生铁中碳含量，②去除有害杂质，③添加适量的合金元素

炼钢原理：
2Fe+O2→2FeO
4 q& D- G) g: h6 ^- [Si+2FeO→SiO2+2Fe            氧化后钢液中存在较
, [! U* A4 A1 l① 杂质氧化（通入氧气）         Mn+FeO→MnO+Fe      →    多的FeO和大量的气
( X5 s& c/ S0 y0 g3 v2 q/ z7 C7 NC+FeO→CO+Fe                  泡，必须加以除去
" I* p7 ?5 r0 o# }. F2P+5FeO→P2O5+5Fe
8 P; A5 g8 z8 D/ W3 t8 G; c       2FeO+Si→SiO2+Fe
; y0 [5 P' u& u% K. [4 j              ② 脱氧（还原）（加入脱氧剂）       FeO+Mn→MnO+Fe
$ c9 U) S$ c) w, f8 x                                                                      3FeO+2Al→Al2O3+3Fe
! i) e; S/ c, F: [# N* M整个炼钢过程就是氧化和还原过程，关键是清除钢水中杂质，其中最主要的因素是造渣和除渣，仍需加入熔剂造渣
                            平炉炼钢
9 F/ B6 `1 Q6 r- q/ t9 l( ^钢的制备方法       电炉炼钢
                            纯氧顶吹转炉炼钢（LD法），代表当前炼钢发展方向
炼钢原料：
4 q4 Y5 b( I+ X2 S4 u9 P9 P7 {: \       金属料：铁水、生铁块、废钢、铁合金
       造渣材料：石灰、萤石、白之石
: @! q" }  v! J: a/ ~- |& _$ c  f       氧化剂：氧气、铁矿石、氧化铁皮
       脱氧剂：硅、锰、铝及铁合金
       冷却剂：废钢、铁矿石、氧化铁皮
LD法的设备及工艺见图5-2，P450-452
3.       非铁合金的制备
①     铜的制备
/ T( b* y! f; [+ w9 x0 @' A火法炼铜法：冰铜的冶炼→粗铜的吹炼→铜的精炼
6 a  T  F/ R9 ^. ]0 ?, M/ o5 T' j制备方法        
' M5 ]2 U6 K. u6 }" p% i& C湿法炼铜法：用溶液浸泡铜矿石，使铜从矿石中浸出，再从浸出液
7 g( B/ R% J( l. g- _' f! V  V5 M: B中将金属铜析出
    其中火法炼铜法占主导地位。具体工艺、设备见图5-4、5-3、5-5和P454-457
. A& s/ ]. Z# H( B2 j②     铝的制备
  t; F/ k0 j; b; ii）Al2O3的制备
7 c" Y6 t) |0 |' a                      湿碱法：铝矿石+NaOH溶液→2NaAlO2水溶液
$ F8 q+ y" A; q. ~制备方法                       Al(OH)3 Al2O3
2 a# a) l# o4 L5 ]                      干碱法：铝矿石+CaCO3+Na2CO3   烧结块
1 O7 |" T7 D5 v* o# }2 @NaAlO2水溶液 Al(OH)3 Al2O3L
1 K( U' V3 z9 P7 M) G% @ii）Al2O3的电解
7 ?7 d8 D0 t# K0 h; k$ _4 d                             Al++++3e→Al                               阴极       铝纯度达99.7%
Al2O3
                             2AlO3––––6e→Al2O3+ O2 阳极
电解槽见图5-6