第一章 金属材料的制备－冶金
第二章 铸造
第三章 金属的压力加工
第四章 金属材料热处理
第五章 金属的焊接
第六章 工程材料
第一篇 金属材料及制备加工工艺
第一节 冶金工艺概述
第二节 钢铁冶炼
第三节 有色金属冶炼
第一章 金属材料的制备－冶金
因此, 要获得各种金属及其合金材料, 必须首先通过
各种方法将金属元素从矿物中 提取 出来, 接着对粗炼金属
产品进行 精练提纯 和 合金化处理, 然后 浇注成锭, 加工成
形, 才能得到所需成分, 组织和规格的金属材料 。
第一节 冶金工艺概述
绝大多数金属元素（除 Au,Ag,Pt外）都以 氧化物、
碳化物等化合物的形式存在 地壳之中。
金属的冶金工艺可以分为 火法冶金, 湿法冶金, 电冶
金以及真空冶金 等 。
? 火法冶金
? 定义, 火法冶金是指利用高温从矿石中提取金属或其化
合物的方法。
? 工艺过程,
矿石准备
矿石冶炼
精炼提纯
选矿、焙
烧球化或
烧结
金属化合物
的还原
除去杂质
提纯金属
? 工艺方法分类,
火法冶金
提取
冶金
真空
冶金
喷射
冶金
氯化
冶金
? 湿法冶金
? 定义, 湿法冶金是指利用一些化学溶剂的化学作用，在
水溶液或非水溶液中进行包括氧化、还原、中和、水解和
络合等反应，对原料、中间产物或二次再生资源中的金属
进行提取和分离的冶金过程。
? 工艺过程,
离 子
浸 取
固 液
分 离
金属或化
合物提取
溶 液
富 集
? 电冶金
? 定义, 利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精
炼金属的冶金过程。
?工艺分类,
电热熔炼, 直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电
热熔炼包括 电弧熔炼, 等离子熔炼 和 电磁熔炼 等。
水溶液电解,应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。
熔盐电解,直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质
在熔池中进行电解。
Fe在地壳中的含量为 5％ 左右, 在金属中仅次于铝,
除陨石外, 纯铁在地壳中还未见到, 铁容易与其它元素
化合, 特别是与氧化合, 因此 铁矿石多以氧化物形式存
在 。
铁矿石中除铁的氧化物外, 还有其它元素的氧化物
(SiO2,MnO2等 ),这些 统称为脉石 。
炼铁的目的 就是使铁从铁的氧化物中还原, 并使还原
出的铁与脉石分离 。
第二节 钢铁冶炼
? 原料, 脉石、熔剂（如 CaCO3用于造渣）以及焦炭等。
? 生铁冶炼
? 主要反应过程,
CO2 ＋ C ＝ 2CO
Fe2O3－ Fe3O4 － FeO － Fe
生铁 （ 主要产品 ）, 分为炼钢生铁和铸造生铁 。
炉渣 （ 副 产品 ）, 含 SiO2,CaO和 Al2O3的铝硅酸盐, 主
要用于生产水泥 。
煤气 （ 副 产品 ）, 含 26％ 左右的 CO,用作燃料 。
? 炼铁产品及副产品,
? 钢铁冶炼
? 炼钢的目的, 除去生铁中多余的碳和大量杂质元素,
使其化学成分达到钢的要求 。
? 炼钢的基本过程,
铁元素的氧化,
2〔 Fe〕 ＋ ｛ O2｝ ＝ 2（ FeO）
〔 Si〕
〔 Mn〕
〔 P〕
〔 C〕
｝ ＋ (FeO） （ SiO2）（ MnO）（ P2O5）
（ CO）
｝ ＋ 〔 Fe〕
铁元素的再还原,
2P + 5FeO + 4CaO = 5Fe + 4CaO·P 2O5
FeS + CaO = FeO + CaS
由于 P,S元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除。
造渣除 P,S：
脱氧, 消除钢中的氧化杂质, 提高钢的质量 。
合金化, 按照不同钢种对合金元素成分的要求, 进行合金
化处理 。
? 炼钢的常见工艺,
碱性平炉炼钢,以液态生铁或废钢为原料；利用炉气和
矿石供氧；以气体或液体燃料供热 。
电弧炉炼钢,利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧
高温 (通常 5000℃ 一 6000℃ )加热和熔化金属, 金属熔化后
加入铁矿石, 熔剂等, 并吹氧, 以加速钢中的碳, 硅,
锰, 磷等元素的氧化 。
当碳, 磷含量合格时,
扒去氧化性炉渣, 再
加入石灰, 萤石, 电
石, 硅铁等造渣剂和
还原剂, 形成高碱度
还原渣, 脱去钢中的
氧和硫 。
氧气顶吹转炉炼钢：
熔池搅拌；放热升温；无需燃料 。 已成为现代冶炼
碳钢和低合金钢的主要方法 。
第三节 有色金属冶炼
? 铜的冶炼
铜在地壳中的含量只有 0.01％，在自然界中大多以硫
化物和氧化物的形式存在于各种伴生矿中。一般，硫化铜
矿采用火法冶炼；氧化铜矿采用湿法冶炼。
? 铜精矿的火法冶炼,
精铜矿 熔 炼 粗 铜冰 铜
火法精炼电解精炼纯 铜
目前, 湿法冶炼的发展出现新的契机, 基于环保的要
求, 湿法冶炼的地位正在显示出不可取代的作用 。
? 铜的湿法冶炼,
铜 矿
溶 剂
铜离子
置换法
溶 解 电沉积
氢还原
铜
由于铝的化学性质活泼, 不能通过各种化学处理直
接还原得到粗金属, 所以长期以来铝的价格极高 。
后来, 人类发现电解法很容易制备金属铝, 铝的价
格大约降低了 20倍 。
电解法制备金属铝必须包括两个环节,一是从含铝
的矿石中制取纯净的氧化铝；二是采用熔盐电解氧化铝
得到纯铝 。
? 铝的冶炼
铝的生产流程示意图
纯冰晶石
铝 锭
萤 石
铝 矿 石
生产氧化铝
纯氧化铝
电 解 制 铝
碳素材料
阳 极 糊 或
其 它 产 品
电极生产选 矿
再熔或精炼 电 能
生产冰晶石
或 氟 化 物
铝冶炼的主要过程,
Al3＋ ＋ 3e → Al
AlO33- - 6e → Al 2O3
矿石（ Al2O3）
NaAlO2
Al2O3?Na2O
Al（ OH） 3
Al2O3
Al
矿石（ Al2O3）
NaAlO2
Al（ OH） 3
NaOH NaOH
Na2CO3
煅烧 950~1000℃
165℃ 0.35Pa
1100 ℃
CO2
900 ℃
第二章 铸造
第三章 金属的压力加工
第四章 金属材料热处理
第五章 金属的焊接
第六章 工程材料
第一篇 金属材料及制备加工工艺
第一节 冶金工艺概述
第二节 钢铁冶炼
第三节 有色金属冶炼
第一章 金属材料的制备－冶金
因此, 要获得各种金属及其合金材料, 必须首先通过
各种方法将金属元素从矿物中 提取 出来, 接着对粗炼金属
产品进行 精练提纯 和 合金化处理, 然后 浇注成锭, 加工成
形, 才能得到所需成分, 组织和规格的金属材料 。
第一节 冶金工艺概述
绝大多数金属元素（除 Au,Ag,Pt外）都以 氧化物、
碳化物等化合物的形式存在 地壳之中。
金属的冶金工艺可以分为 火法冶金, 湿法冶金, 电冶
金以及真空冶金 等 。
? 火法冶金
? 定义, 火法冶金是指利用高温从矿石中提取金属或其化
合物的方法。
? 工艺过程,
矿石准备
矿石冶炼
精炼提纯
选矿、焙
烧球化或
烧结
金属化合物
的还原
除去杂质
提纯金属
? 工艺方法分类,
火法冶金
提取
冶金
真空
冶金
喷射
冶金
氯化
冶金
? 湿法冶金
? 定义, 湿法冶金是指利用一些化学溶剂的化学作用，在
水溶液或非水溶液中进行包括氧化、还原、中和、水解和
络合等反应，对原料、中间产物或二次再生资源中的金属
进行提取和分离的冶金过程。
? 工艺过程,
离 子
浸 取
固 液
分 离
金属或化
合物提取
溶 液
富 集
? 电冶金
? 定义, 利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精
炼金属的冶金过程。
?工艺分类,
电热熔炼, 直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电
热熔炼包括 电弧熔炼, 等离子熔炼 和 电磁熔炼 等。
水溶液电解,应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。
熔盐电解,直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质
在熔池中进行电解。
Fe在地壳中的含量为 5％ 左右, 在金属中仅次于铝,
除陨石外, 纯铁在地壳中还未见到, 铁容易与其它元素
化合, 特别是与氧化合, 因此 铁矿石多以氧化物形式存
在 。
铁矿石中除铁的氧化物外, 还有其它元素的氧化物
(SiO2,MnO2等 ),这些 统称为脉石 。
炼铁的目的 就是使铁从铁的氧化物中还原, 并使还原
出的铁与脉石分离 。
第二节 钢铁冶炼
? 原料, 脉石、熔剂（如 CaCO3用于造渣）以及焦炭等。
? 生铁冶炼
? 主要反应过程,
CO2 ＋ C ＝ 2CO
Fe2O3－ Fe3O4 － FeO － Fe
生铁 （ 主要产品 ）, 分为炼钢生铁和铸造生铁 。
炉渣 （ 副 产品 ）, 含 SiO2,CaO和 Al2O3的铝硅酸盐, 主
要用于生产水泥 。
煤气 （ 副 产品 ）, 含 26％ 左右的 CO,用作燃料 。
? 炼铁产品及副产品,
? 钢铁冶炼
? 炼钢的目的, 除去生铁中多余的碳和大量杂质元素,
使其化学成分达到钢的要求 。
? 炼钢的基本过程,
铁元素的氧化,
2〔 Fe〕 ＋ ｛ O2｝ ＝ 2（ FeO）
〔 Si〕
〔 Mn〕
〔 P〕
〔 C〕
｝ ＋ (FeO） （ SiO2）（ MnO）（ P2O5）
（ CO）
｝ ＋ 〔 Fe〕
铁元素的再还原,
2P + 5FeO + 4CaO = 5Fe + 4CaO·P 2O5
FeS + CaO = FeO + CaS
由于 P,S元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除。
造渣除 P,S：
脱氧, 消除钢中的氧化杂质, 提高钢的质量 。
合金化, 按照不同钢种对合金元素成分的要求, 进行合金
化处理 。
? 炼钢的常见工艺,
碱性平炉炼钢,以液态生铁或废钢为原料；利用炉气和
矿石供氧；以气体或液体燃料供热 。
电弧炉炼钢,利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧
高温 (通常 5000℃ 一 6000℃ )加热和熔化金属, 金属熔化后
加入铁矿石, 熔剂等, 并吹氧, 以加速钢中的碳, 硅,
锰, 磷等元素的氧化 。
当碳, 磷含量合格时,
扒去氧化性炉渣, 再
加入石灰, 萤石, 电
石, 硅铁等造渣剂和
还原剂, 形成高碱度
还原渣, 脱去钢中的
氧和硫 。
氧气顶吹转炉炼钢：
熔池搅拌；放热升温；无需燃料 。 已成为现代冶炼
碳钢和低合金钢的主要方法 。
第三节 有色金属冶炼
? 铜的冶炼
铜在地壳中的含量只有 0.01％，在自然界中大多以硫
化物和氧化物的形式存在于各种伴生矿中。一般，硫化铜
矿采用火法冶炼；氧化铜矿采用湿法冶炼。
? 铜精矿的火法冶炼,
精铜矿 熔 炼 粗 铜冰 铜
火法精炼电解精炼纯 铜
目前, 湿法冶炼的发展出现新的契机, 基于环保的要
求, 湿法冶炼的地位正在显示出不可取代的作用 。
? 铜的湿法冶炼,
铜 矿
溶 剂
铜离子
置换法
溶 解 电沉积
氢还原
铜
由于铝的化学性质活泼, 不能通过各种化学处理直
接还原得到粗金属, 所以长期以来铝的价格极高 。
后来, 人类发现电解法很容易制备金属铝, 铝的价
格大约降低了 20倍 。
电解法制备金属铝必须包括两个环节,一是从含铝
的矿石中制取纯净的氧化铝；二是采用熔盐电解氧化铝
得到纯铝 。
? 铝的冶炼
铝的生产流程示意图
纯冰晶石
铝 锭
萤 石
铝 矿 石
生产氧化铝
纯氧化铝
电 解 制 铝
碳素材料
阳 极 糊 或
其 它 产 品
电极生产选 矿
再熔或精炼 电 能
生产冰晶石
或 氟 化 物
铝冶炼的主要过程,
Al3＋ ＋ 3e → Al
AlO33- - 6e → Al 2O3
矿石（ Al2O3）
NaAlO2
Al2O3?Na2O
Al（ OH） 3
Al2O3
Al
矿石（ Al2O3）
NaAlO2
Al（ OH） 3
NaOH NaOH
Na2CO3
煅烧 950~1000℃
165℃ 0.35Pa
1100 ℃
CO2
900 ℃
