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
2 e4 W9 R. A% J  J. W5-1-1  金属材料的制备
1.       铁的制备
  n4 [5 a  y* {! N原理：
: j! j+ |. J) l                               直接还原：以C为还原剂，FeO+C=Fe+CO，高炉下部高温区进行
8 d' T8 e6 ?$ [' c4 I①     还原（反应）                                                   
# D) t6 R# m# V间接还原：以CO为还原剂   
5 }& R' @- m8 k, r$ z
0 j+ f/ y: _; T  u) {; U  
②     造渣（反应）：加入一定量熔剂与矿石中
$ ?) K3 Z3 U' M4 i脉石和焦碳中灰份作用：生成一种多氧化物的熔体
) H$ q4 h7 d0 q! b, l目的是促使需要元素进入铁水，让有害杂质进入渣中除去
' g# B1 J) g: Z) C' l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。
3 [! }' [( N# O主要熔剂：石灰石（CaCO3），锰矿石（脱氧、脱硫剂）等
0 J' h6 x/ g3 H4 T6 u( P/ ~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。
* d5 l* f. \( z" |. y/ W铁矿石：Fe含量<30%无开采价值
0 a# ~0 ^9 T) p              Fe含量>40%可直接冶炼，铁矿石主要有四种：
磁铁矿（Fe3O4）、赤铁矿（Fe2O3）、褐铁矿（FeCO3）、菱铁矿（Fe2O3·mH2O）
    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
. ^( J( s9 ]0 }4 e    高炉内型构造及作用，见图5-1和P448
" z6 d. C1 E. \$ D7 h
3 ~& G$ t  q% N2 Y* K; }& k; q. g2.       钢的制备
钢是含碳量<2.11%，并含有少量C、Si、Mn、S、P元素的铁碳合金
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

1 d. o1 o* g; p7 T6 B: m炼钢原理：
2Fe+O2→2FeO
Si+2FeO→SiO2+2Fe            氧化后钢液中存在较
① 杂质氧化（通入氧气）         Mn+FeO→MnO+Fe      →    多的FeO和大量的气
C+FeO→CO+Fe                  泡，必须加以除去
! h$ Q1 `( r& U  i) n3 A0 l0 w2P+5FeO→P2O5+5Fe
       2FeO+Si→SiO2+Fe
              ② 脱氧（还原）（加入脱氧剂）       FeO+Mn→MnO+Fe
0 C6 H+ Y! ~% K+ \1 ~                                                                      3FeO+2Al→Al2O3+3Fe
1 P" Y- {; b6 ?+ P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
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：
       金属料：铁水、生铁块、废钢、铁合金
       造渣材料：石灰、萤石、白之石
       氧化剂：氧气、铁矿石、氧化铁皮
+ ?# ]: @: p! `) Y5 E) ^2 B" L! q" v( K       脱氧剂：硅、锰、铝及铁合金
  y6 `0 P. ?( t1 T       冷却剂：废钢、铁矿石、氧化铁皮
& L1 R; `3 i5 Z4 ^0 r( m1 Q* [) u. bLD法的设备及工艺见图5-2，P450-452
  ]% G% P3 u: j/ M$ Y) x2 a3.       非铁合金的制备
①     铜的制备
! _$ j" [: T) O6 `! R2 I火法炼铜法：冰铜的冶炼→粗铜的吹炼→铜的精炼
制备方法        
. g% k/ W1 B0 M* j5 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
  `5 C( q, d2 C6 v  m: T0 _中将金属铜析出
/ E. f' k/ k: i8 N. q    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
②     铝的制备
7 l% z' l& n6 H! V$ h) ]- n, `i）Al2O3的制备
+ M/ m; S2 z  M1 V2 K                      湿碱法：铝矿石+NaOH溶液→2NaAlO2水溶液
2 J) c, G) Z. F4 K制备方法                       Al(OH)3 Al2O3
                      干碱法：铝矿石+CaCO3+Na2CO3   烧结块
NaAlO2水溶液 Al(OH)3 Al2O3L
ii）Al2O3的电解
! Z- P* [+ G' ?5 X: [5 P                             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