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
1.       铁的制备
8 T/ M, s+ C/ O2 L1 m" z' _+ f6 V4 F0 Z$ W原理：
( `; T* \& z/ n4 j' {( ~                               直接还原：以C为还原剂，FeO+C=Fe+CO，高炉下部高温区进行
8 v; Z+ R# }- ^1 c& @①     还原（反应）                                                   
0 \5 z) l# T, B' |间接还原：以CO为还原剂   
, l; S# l5 S4 W6 E: j) m1 I; ~; E: l, a2 j
  
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
' i+ D; `3 U1 ^0 j' T& q; r目的是促使需要元素进入铁水，让有害杂质进入渣中除去
; L6 [& a8 X) W; w5 i  h/ o7 y* F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
" J- m) i% b& s# g  _$ h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。
铁矿石：Fe含量<30%无开采价值
/ a- f8 ~# F+ g! I              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）
+ ]" J7 Q" f& r    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
, Y& L# a2 p$ u8 {+ h( ~# g    高炉内型构造及作用，见图5-1和P448

2.       钢的制备
& Q7 k& e9 M5 M; ?8 ]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

炼钢原理：
7 [' f7 U. h- y; e" p  B2Fe+O2→2FeO
7 F$ I( K( Z) q3 W+ \& \' g" Z+ PSi+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
, Z" q) n) C0 a! B3 J( L1 W5 A1 DC+FeO→CO+Fe                  泡，必须加以除去
5 v0 B, y- W! V$ u2 W2P+5FeO→P2O5+5Fe
       2FeO+Si→SiO2+Fe
              ② 脱氧（还原）（加入脱氧剂）       FeO+Mn→MnO+Fe
+ w1 {+ {  a  W* h2 b. t9 L8 ]6 k                                                                      3FeO+2Al→Al2O3+3Fe
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
# G. @. F! w* `) v  d4 e                            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
9 y5 C! z  G  V* C* N       造渣材料：石灰、萤石、白之石
/ H  x) g' @$ l# T6 B% \7 ?( ?       氧化剂：氧气、铁矿石、氧化铁皮
. z" ~: v4 R% m       脱氧剂：硅、锰、铝及铁合金
- C+ F& R% I- t4 r5 ?* v       冷却剂：废钢、铁矿石、氧化铁皮
! n' x, @; _0 p& m+ QLD法的设备及工艺见图5-2，P450-452
3.       非铁合金的制备
/ y, X: q: e/ B: k" V& R4 t①     铜的制备
  t2 o/ ]; ]. g火法炼铜法：冰铜的冶炼→粗铜的吹炼→铜的精炼
制备方法        
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
) P: [% i! t' g) Y中将金属铜析出
* _+ N5 x: ?, M    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
/ I  |0 a" f$ j7 J9 `2 z# {1 ^i）Al2O3的制备
% Q# s! m/ j" i* g. @8 q3 T- k                      湿碱法：铝矿石+NaOH溶液→2NaAlO2水溶液
制备方法                       Al(OH)3 Al2O3
0 k7 z0 I# F0 \. ]9 U& b2 |3 m                      干碱法：铝矿石+CaCO3+Na2CO3   烧结块
NaAlO2水溶液 Al(OH)3 Al2O3L
ii）Al2O3的电解
                             Al++++3e→Al                               阴极       铝纯度达99.7%
! _, V) h+ R1 ~& UAl2O3
                             2AlO3––––6e→Al2O3+ O2 阳极
电解槽见图5-6