第六講-材料化學(xué)合成與制備B

1、1材料化學(xué)材料化學(xué)-第四章第四章Chemosynthesis & Preparation of Inorganic Materials2v4.1 無機材料的選用與合成無機材料的選用與合成v4.2 材料制備方法簡介材料制備方法簡介主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：4.1 4.1 無機材料的選用與合成無機材料的選用與合成4.2 4.2 材料制備方法簡介材料制備方法簡介34.1.2 無機合成原料無機合成原料是剛玉的一種，主要成分是剛玉的一種，主要成分是氧化鋁是氧化鋁(Al2O3)，紅色來，紅色來自鉻自鉻(Cr)。自然沒有鉻的。自然沒有鉻的寶石是藍(lán)色的藍(lán)寶石。寶石是藍(lán)色的藍(lán)寶石。紅紅寶寶石石 44.1.2

2、無機合成原料無機合成原料54.1.2 無機合成原料無機合成原料氧化鋯在大自然中存在于鋯英砂中，澳大氧化鋯在大自然中存在于鋯英砂中，澳大利亞和我國海南島均有高質(zhì)量的鋯英砂。利亞和我國海南島均有高質(zhì)量的鋯英砂。在不同的溫度范圍內(nèi)，氧化鋯呈現(xiàn)出不同在不同的溫度范圍內(nèi)，氧化鋯呈現(xiàn)出不同的晶體結(jié)構(gòu)：從室溫到的晶體結(jié)構(gòu)：從室溫到1170為單斜結(jié)構(gòu)，為單斜結(jié)構(gòu)，11702370為四方結(jié)構(gòu)，為四方結(jié)構(gòu)，23702706為立方結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)的氧化鋯，比重為立方結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)的氧化鋯，比重分別為分別為5.68、6.10和和6.27?？梢姕囟仍礁?，?？梢姕囟仍礁?，比重越大。因此，在同樣重量下，溫度越比重越大。因

3、此，在同樣重量下，溫度越低，體積越大低，體積越大. 氧化鋯是氧化鋯是一種高溫耐火材料，熔點高達(dá)一種高溫耐火材料，熔點高達(dá)2680C，但發(fā)生相變時伴隨很大的，但發(fā)生相變時伴隨很大的體積收縮，這對高溫結(jié)構(gòu)材料是致命的。體積收縮，這對高溫結(jié)構(gòu)材料是致命的。 加入加入CaO，則和，則和ZrO2形成固溶體，無晶型轉(zhuǎn)變，體積效應(yīng)減少，使形成固溶體，無晶型轉(zhuǎn)變，體積效應(yīng)減少，使ZrO2成成為一種很好的高溫結(jié)構(gòu)材料。為一種很好的高溫結(jié)構(gòu)材料。64.1.2 無機合成原料無機合成原料氧化釔固溶穩(wěn)定的氧化鋯是固體氧化物燃料電池的氧化釔固溶穩(wěn)定的氧化鋯是固體氧化物燃料電池的主要氧離子傳導(dǎo)膜主要氧離子傳導(dǎo)膜H2S固體氧

4、化物燃料電池結(jié)構(gòu)簡圖固體氧化物燃料電池結(jié)構(gòu)簡圖74.1.2 無機合成原料無機合成原料84.1.2 無機合成原料無機合成原料二氧化鈦是世界上最白的東西，二氧化鈦是世界上最白的東西， 1克二氧化鈦可以把克二氧化鈦可以把 450多平多平方厘米的面積涂得雪白。它比方厘米的面積涂得雪白。它比常用的白顏料一常用的白顏料一鋅鋇白還要鋅鋇白還要白白5倍，因此是調(diào)制白油漆的倍，因此是調(diào)制白油漆的最好顏料。最好顏料。 納米二氧化鈦（納米二氧化鈦（TiOTiO2 2）作為一種）作為一種新型光催化劑新型光催化劑、抗紫外線劑、光電效應(yīng)劑、抗紫外線劑、光電效應(yīng)劑等，以其神奇的功能，將在抗菌防霉、排氣凈化、脫臭、水處理、防

5、污、等，以其神奇的功能，將在抗菌防霉、排氣凈化、脫臭、水處理、防污、耐候抗老化、汽車面漆領(lǐng)域顯示廣泛的應(yīng)用前景。耐候抗老化、汽車面漆領(lǐng)域顯示廣泛的應(yīng)用前景。 94.1.2 無機合成原料無機合成原料氧化鈹氧化鈹BeO白色末狀，它的熔點為白色末狀，它的熔點為2803K，難溶，可用做耐高溫材料。，難溶，可用做耐高溫材料。 104.1.2 無機合成原料無機合成原料114.1.2 無機合成原料無機合成原料 碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)與金剛石正四面體結(jié)構(gòu)相近，是以碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)與金剛石正四面體結(jié)構(gòu)相近，是以共價鍵為主，結(jié)合而成的化合物，其硬度高（莫氏共價鍵為主，結(jié)合而成的化合物，其硬度高（莫氏 9.3 級），性能

6、穩(wěn)定，物理性能近似于金剛石，故又級），性能穩(wěn)定，物理性能近似于金剛石，故又稱為稱為金剛砂金剛砂。碳化硅硬度是僅次于金剛石的材料碳化硅硬度是僅次于金剛石的材料，主，主要用于制作磨料及砂輪，部分作為生產(chǎn)碳化硅陶瓷的要用于制作磨料及砂輪，部分作為生產(chǎn)碳化硅陶瓷的原料。原料。 124.1.2 無機合成原料無機合成原料熱電偶保護套管熱電偶保護套管 它也是一種超硬物質(zhì)，本身具有潤滑性，并且它也是一種超硬物質(zhì)，本身具有潤滑性，并且耐磨損；除氫氟酸外，抗腐蝕能力強，高溫時耐磨損；除氫氟酸外，抗腐蝕能力強，高溫時抗氧化。而且它還能抗氧化。而且它還能抵抗冷熱沖擊抵抗冷熱沖擊，急劇冷卻，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎

7、裂。正是由于氮化硅陶再急劇加熱，也不會碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此優(yōu)異的特性，人們常常利用它來制瓷具有如此優(yōu)異的特性，人們常常利用它來制造軸承、氣輪機葉片、機械密封環(huán)、永久性模造軸承、氣輪機葉片、機械密封環(huán)、永久性模具等機械構(gòu)件。如果用耐高溫而且不易傳熱的具等機械構(gòu)件。如果用耐高溫而且不易傳熱的氮化硅陶瓷來制造發(fā)動機部件的受熱面，不僅氮化硅陶瓷來制造發(fā)動機部件的受熱面，不僅可以提高柴油機質(zhì)量，節(jié)省燃料，而且能夠提可以提高柴油機質(zhì)量，節(jié)省燃料，而且能夠提高熱效率。我國及美國、日本等國家都已研制高熱效率。我國及美國、日本等國家都已研制出了這種柴油機。出了這種柴油機。134.2 材料制備方法簡介

8、材料制備方法簡介4.2.1 固相反應(yīng)固相反應(yīng)v廣義廣義：凡是有固相參與的化學(xué)反：凡是有固相參與的化學(xué)反應(yīng)。應(yīng)。 例：固體的分解例：固體的分解 氧化氧化 固體與固體的化學(xué)反應(yīng)固體與固體的化學(xué)反應(yīng) 固體與液體的化學(xué)反應(yīng)固體與液體的化學(xué)反應(yīng) v狹義狹義：常指固體與固體間發(fā)生化：常指固體與固體間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新固體產(chǎn)物的過程，學(xué)反應(yīng)生成新固體產(chǎn)物的過程，亦稱陶瓷法。亦稱陶瓷法。 1、固相反應(yīng)定義：、固相反應(yīng)定義：v水泥熟料的煅燒水泥熟料的煅燒v陶瓷和耐火材料陶瓷和耐火材料的高溫?zé)Y(jié)的高溫?zé)Y(jié)v金屬材料的粉末金屬材料的粉末冶金冶金v人工晶體的固相人工晶體的固相生長生長v固相縮聚固相縮聚v自蔓延合成自蔓

9、延合成舉例：舉例：14L1L2S1S2擴散快擴散快 反應(yīng)快反應(yīng)快 均相中反應(yīng)均相中反應(yīng) 一般室溫下反應(yīng)一般室溫下反應(yīng)擴散慢擴散慢 反應(yīng)慢反應(yīng)慢 界面上反應(yīng)界面上反應(yīng) 高溫下反應(yīng)高溫下反應(yīng)2 2、 特點：特點： 固體質(zhì)點間作用力很大，擴散受到限制，而且反應(yīng)組分局固體質(zhì)點間作用力很大，擴散受到限制，而且反應(yīng)組分局限在固體中，使反應(yīng)只能在限在固體中，使反應(yīng)只能在界面界面上進(jìn)行，上進(jìn)行，反應(yīng)物濃度不很重反應(yīng)物濃度不很重要，均相動力學(xué)不適用。要，均相動力學(xué)不適用。 4.2.1 固相反應(yīng)固相反應(yīng)154.2.1 固相反應(yīng)固相反應(yīng)(1) 固體間可以直接反應(yīng)，固體間可以直接反應(yīng)，g或或L沒有或不起重要作用；沒有

10、或不起重要作用；(2) 固相反應(yīng)開始溫度常遠(yuǎn)低于反應(yīng)物的熔點或系統(tǒng)低共熔點溫度；固相反應(yīng)開始溫度常遠(yuǎn)低于反應(yīng)物的熔點或系統(tǒng)低共熔點溫度；此溫度與反應(yīng)物內(nèi)部開始呈現(xiàn)明顯擴散作用的溫度一致，稱為泰此溫度與反應(yīng)物內(nèi)部開始呈現(xiàn)明顯擴散作用的溫度一致，稱為泰曼溫度曼溫度 或燒結(jié)開始溫度或燒結(jié)開始溫度 不同物質(zhì)泰曼溫度與其熔點的關(guān)系：不同物質(zhì)泰曼溫度與其熔點的關(guān)系： 金屬金屬 0.30.4Tm 泰曼溫度泰曼溫度 鹽類鹽類 0.57Tm 硅酸鹽類硅酸鹽類 0.80.9Tm v當(dāng)反應(yīng)物之一有晶型轉(zhuǎn)變時，則轉(zhuǎn)變溫度通常是反應(yīng)開始明顯的溫度當(dāng)反應(yīng)物之一有晶型轉(zhuǎn)變時，則轉(zhuǎn)變溫度通常是反應(yīng)開始明顯的溫度3、 泰曼對于

11、固相反應(yīng)的特點：泰曼對于固相反應(yīng)的特點：164.2.1 固相反應(yīng)固相反應(yīng)4 4、 固相反應(yīng)的步驟固相反應(yīng)的步驟ABABAB(1) 反應(yīng)物擴散到界面反應(yīng)物擴散到界面(2) 在界面上進(jìn)行反應(yīng)在界面上進(jìn)行反應(yīng)(3) 產(chǎn)物層增厚產(chǎn)物層增厚174.2.1 固相反應(yīng)固相反應(yīng)(2) 按反應(yīng)性質(zhì)分按反應(yīng)性質(zhì)分 加成反應(yīng)加成反應(yīng) 置換反應(yīng)置換反應(yīng) 熱分解反應(yīng)熱分解反應(yīng) 還原反應(yīng)還原反應(yīng) 5 5、 固相反應(yīng)的分類固相反應(yīng)的分類( 1) 按物質(zhì)狀態(tài)分按物質(zhì)狀態(tài)分 純固相反應(yīng)純固相反應(yīng)有液相參加的反應(yīng)有液相參加的反應(yīng) 有氣體參加的反有氣體參加的反 應(yīng)應(yīng) *(3) 按反應(yīng)機理按反應(yīng)機理化學(xué)反應(yīng)速率控制過程化學(xué)反應(yīng)速率控

12、制過程晶體長大控制過程晶體長大控制過程擴散控制過程擴散控制過程184.2.1 固相反應(yīng)固相反應(yīng)A 高溫?zé)Y(jié)法高溫?zé)Y(jié)法v燒結(jié)燒結(jié) 固體粉末狀成型固體粉末狀成型體在低于其熔點體在低于其熔點溫度下加熱，使溫度下加熱，使物質(zhì)自發(fā)地填充物質(zhì)自發(fā)地填充顆粒間隙而致密顆粒間隙而致密化的過程?；倪^程。 熱壓法；熱壓法； 液相燒結(jié)法；液相燒結(jié)法； 反應(yīng)燒結(jié)法反應(yīng)燒結(jié)法6 6、固相反應(yīng)技術(shù)、固相反應(yīng)技術(shù)19B 自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法(1)定義：利用反應(yīng)物之間的化學(xué)反應(yīng)熱的自加定義：利用反應(yīng)物之間的化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用來合成材料的一種技術(shù)熱和自傳導(dǎo)作用來合成材料的一種技術(shù)v古代中國：黑色火藥

13、（古代中國：黑色火藥（S+2KNO3+3C）v1895年德國人：鋁熱法年德國人：鋁熱法 Fe2O3+2AlAl2O3+2Fe+850 kJmol-1v1967年前蘇聯(lián)馬爾察諾夫年前蘇聯(lián)馬爾察諾夫(Merzhanov)等提出等提出SHS概念：概念： Ti+2BTiB2+280 kJmol-14.2.1 固相反應(yīng)技術(shù)固相反應(yīng)技術(shù)6 6、固相反應(yīng)技術(shù)、固相反應(yīng)技術(shù)20按原料組成按原料組成 元素粉末型：利用粉末間的生成熱 Ti+2B TiB2+280kJ mol-1 鋁熱劑型：利用氧化還原反應(yīng) Fe2O3+2Al Al2O3+2Fe+850kJ mol-1 混合型：以上兩種類型的組合 3TiO2+3B

14、2O3+Al 3TiB2+5Al2O3按反應(yīng)形態(tài)按反應(yīng)形態(tài) 固體氣體反應(yīng) 3Si+2N2(gas)Si3N4 固體液體反應(yīng) 3Si+4N(liguid) Si3N4 固體固體反應(yīng) 3Si+4/3NaN3(solid) Si3N4+4/3Na4.2.1 固相反應(yīng)技術(shù)固相反應(yīng)技術(shù)6 6、固相反應(yīng)技術(shù)、固相反應(yīng)技術(shù)B 自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法v（2）Classification of SHS21v（3）舉例舉例自蔓延合成自蔓延合成NiTi金屬間化合物的新工藝金屬間化合物的新工藝4.2.1 固相反應(yīng)技術(shù)固相反應(yīng)技術(shù)6 6、固相反應(yīng)技術(shù)、固相反應(yīng)技術(shù)B 自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法22v鹽類

15、熱分解成氧化物：鹽類熱分解成氧化物： CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) v還原碳化：還原碳化： TiO2 + C Ti2O3 + CO Ti2O3 + C 2TiO + CO TiO + 2C TiC + CO C 熱分解法熱分解法4.2.1 固相反應(yīng)技術(shù)固相反應(yīng)技術(shù)6 6、固相反應(yīng)技術(shù)、固相反應(yīng)技術(shù)234.2.2 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法Chemical Vapor Deposition 1 定義：定義：利用利用含有所需沉含有所需沉積物質(zhì)元素積物質(zhì)元素的氣態(tài)反應(yīng)的氣態(tài)反應(yīng)物，在固體物，在固體襯底表面進(jìn)襯底表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，行化學(xué)反應(yīng)，而生成的固而生成的固體產(chǎn)物沉積體產(chǎn)物沉

16、積在襯底上的在襯底上的一種制備方一種制備方法。法。242. 特點特點 大于大于99.9%之之高密度鍍層高密度鍍層，有良好的真空密封性，有良好的真空密封性; 高純度高純度; 高強，與晶體結(jié)構(gòu)，大小，純度，密度，內(nèi)高強，與晶體結(jié)構(gòu)，大小，純度，密度，內(nèi)應(yīng)力有關(guān)應(yīng)力有關(guān) 可在相當(dāng)?shù)偷臏囟认洛兩细呷埸c材料鍍層可在相當(dāng)?shù)偷臏囟认洛兩细呷埸c材料鍍層; 良好的拋良好的拋鍍力鍍力; 可控制晶粒大小與微結(jié)構(gòu)可控制晶粒大小與微結(jié)構(gòu); 可制作微粒子鍍層可制作微粒子鍍層; 良好良好的附著性的附著性vAdvantage of CVD4.2.2 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法Chemical Vapor Depositio

17、n25v 反應(yīng)需要揮發(fā)性化合物反應(yīng)需要揮發(fā)性化合物，不適用于一般可電鍍的金屬，因，不適用于一般可電鍍的金屬，因其缺少適合的反應(yīng)物，如：錫、鋅、金其缺少適合的反應(yīng)物，如：錫、鋅、金.v 需可形成穩(wěn)定固體化合物的化學(xué)反應(yīng)，如：硼化物、氮化需可形成穩(wěn)定固體化合物的化學(xué)反應(yīng)，如：硼化物、氮化物及硅化物等物及硅化物等.v 因有劇毒物質(zhì)的釋放，腐蝕性的廢氣及沉積反應(yīng)需適當(dāng)控因有劇毒物質(zhì)的釋放，腐蝕性的廢氣及沉積反應(yīng)需適當(dāng)控制，需要封閉系統(tǒng)制，需要封閉系統(tǒng).v 需要高能量，可能造成基材變形需要高能量，可能造成基材變形(可通過可通過PACVD法改善法改善)v 某些反應(yīng)物價格昂貴某些反應(yīng)物價格昂貴v 反應(yīng)物的使

18、用率低，反應(yīng)常受到沉積反應(yīng)平衡常數(shù)的限制反應(yīng)物的使用率低，反應(yīng)常受到沉積反應(yīng)平衡常數(shù)的限制Disadvantage of CVD2. 特點特點 4.2.2 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法Chemical Vapor Deposition26d) 羰基金屬化合物以及羰基金屬化合物以及氨配合物氨配合物4.2.2 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法Chemical Vapor Deposition3. 分類分類 274.2.2 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法3. 分類分類 284.2.2 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法3. 分類分類 294.2.3. 液相沉淀法液相沉淀法v在原料溶液中添加適當(dāng)?shù)某恋韯?，原料中?/p>

19、陽離子形成在原料溶液中添加適當(dāng)?shù)某恋韯现械年栯x子形成沉淀物。沉淀物。（1）共沉淀法）共沉淀法 在含有多種可溶性陽離子的鹽溶液中，經(jīng)沉淀反應(yīng)后在含有多種可溶性陽離子的鹽溶液中，經(jīng)沉淀反應(yīng)后得到各種成分均一的混合沉淀物得到各種成分均一的混合沉淀物30（2）均勻沉淀法）均勻沉淀法沉淀劑由化學(xué)反應(yīng)緩慢地生成避免沉淀劑濃度不均勻可獲得粒子均沉淀劑由化學(xué)反應(yīng)緩慢地生成避免沉淀劑濃度不均勻可獲得粒子均勻、夾帶少、純度高的超細(xì)粒子。勻、夾帶少、純度高的超細(xì)粒子。4.2.3. 液相沉淀法液相沉淀法31v（3）水解法）水解法 利用金屬鹽溶液在較高溫度下發(fā)生水解反應(yīng)生成氫氧化物利用金屬鹽溶液在較高溫度下發(fā)生水

20、解反應(yīng)生成氫氧化物或水合氧化物沉淀，再熱分解成氧化物粉末?；蛩涎趸锍恋?，再熱分解成氧化物粉末。4.2.3. 液相沉淀法液相沉淀法324.2.4. 溶膠溶膠凝膠法凝膠法334.2.4. 溶膠溶膠凝膠法凝膠法344.2.4. 溶膠溶膠凝膠法凝膠法354.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法v是指將礦物原料投入到各種高溫熔爐內(nèi)，使其在高溫下是指將礦物原料投入到各種高溫熔爐內(nèi)，使其在高溫下發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)并熔融。例如玻璃的熔制、高爐的煉發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)并熔融。例如玻璃的熔制、高爐的煉鐵、轉(zhuǎn)爐的煉鋼等。鐵、轉(zhuǎn)爐的煉鋼等。（1）玻璃熔制）玻璃熔制玻璃瓶玻璃瓶建筑夾層玻璃建筑夾層玻璃 玻璃玻璃工藝工藝燭臺燭臺

21、36（1）玻璃熔制）玻璃熔制4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法37（1）玻璃熔制）玻璃熔制4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法38（1）玻璃熔制）玻璃熔制4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法39（1）玻璃熔制）玻璃熔制4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法40（1）玻璃熔制）玻璃熔制4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法41（1）玻璃熔制）玻璃熔制4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法42（1）玻璃熔制）玻璃熔制4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法43（2）金屬的冶煉過程）金屬的冶煉過程4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法44（2）金屬的冶煉過程）金屬的冶煉過程4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法45（2）金屬的冶

22、煉過程）金屬的冶煉過程4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法46（2）金屬的冶煉過程）金屬的冶煉過程 煉鐵過程實質(zhì)上是將鐵從其自然形態(tài)煉鐵過程實質(zhì)上是將鐵從其自然形態(tài)礦石等含鐵化合物中還原出礦石等含鐵化合物中還原出來的過程。其原理是礦石在特定的氣氛中（還原物質(zhì)來的過程。其原理是礦石在特定的氣氛中（還原物質(zhì)COCO、H H2 2、C C；適宜溫度；適宜溫度等）通過物化反應(yīng)獲取還原后的生鐵。生鐵除了少部分用于鑄造外，絕大等）通過物化反應(yīng)獲取還原后的生鐵。生鐵除了少部分用于鑄造外，絕大部分是作為煉鋼原料。部分是作為煉鋼原料。 v 鐵在自然界中蘊藏量極為豐富，鐵在自然界中蘊藏量極為豐富，占地殼元素含量的占

23、地殼元素含量的5 5，居地球物質(zhì)中的，居地球物質(zhì)中的第四位第四位。鐵元素很活潑，容易與其它物質(zhì)結(jié)合。習(xí)慣上常說的鋼鐵是對鋼和鐵。鐵元素很活潑，容易與其它物質(zhì)結(jié)合。習(xí)慣上常說的鋼鐵是對鋼和鐵的總稱。的總稱。v 鋼和鐵是有區(qū)別的，所謂鋼鐵，主要由兩個元素構(gòu)成，即鐵和碳，一般碳鋼和鐵是有區(qū)別的，所謂鋼鐵，主要由兩個元素構(gòu)成，即鐵和碳，一般碳和元素鐵形成化合物，叫鐵碳合金。含碳量多少對鋼鐵的性質(zhì)影響極大，含碳和元素鐵形成化合物，叫鐵碳合金。含碳量多少對鋼鐵的性質(zhì)影響極大，含碳量增加到一定程度后就會引起質(zhì)的變化。由鐵原子構(gòu)成的物質(zhì)叫純鐵，純鐵雜量增加到一定程度后就會引起質(zhì)的變化。由鐵原子構(gòu)成的物質(zhì)叫純鐵

24、，純鐵雜質(zhì)很少。含碳量多少是區(qū)別鋼鐵的主要標(biāo)準(zhǔn)。生鐵含碳量大于質(zhì)很少。含碳量多少是區(qū)別鋼鐵的主要標(biāo)準(zhǔn)。生鐵含碳量大于2.02.0；鋼含碳量；鋼含碳量小于小于2.02.0。生鐵含碳量高，硬而脆，幾乎沒有塑性。鋼不僅有良好塑性，而且。生鐵含碳量高，硬而脆，幾乎沒有塑性。鋼不僅有良好塑性，而且鋼制品具有強度高、韌性好、耐高溫、耐腐蝕、易加工、抗沖擊、易提煉等優(yōu)鋼制品具有強度高、韌性好、耐高溫、耐腐蝕、易加工、抗沖擊、易提煉等優(yōu)良物化應(yīng)用性能，因此被廣泛利用。良物化應(yīng)用性能，因此被廣泛利用。4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法v高爐煉鐵過程簡介高爐煉鐵過程簡介47（2）金屬的冶煉過程）金屬的冶煉過程v

25、高爐生產(chǎn)是連續(xù)進(jìn)行的。生產(chǎn)時，從爐頂不斷地裝入高爐生產(chǎn)是連續(xù)進(jìn)行的。生產(chǎn)時，從爐頂不斷地裝入鐵礦石、焦炭、熔劑鐵礦石、焦炭、熔劑，從高，從高爐下部的風(fēng)口吹進(jìn)熱風(fēng)，噴入油、煤或天然氣等燃料。裝入高爐中的鐵礦石，主要是鐵爐下部的風(fēng)口吹進(jìn)熱風(fēng)，噴入油、煤或天然氣等燃料。裝入高爐中的鐵礦石，主要是鐵和氧的化合物。在高溫下，焦炭中和噴吹物中的碳及碳燃燒生成的一氧化碳將鐵礦石中和氧的化合物。在高溫下，焦炭中和噴吹物中的碳及碳燃燒生成的一氧化碳將鐵礦石中的氧奪取出來，得到鐵，這個過程叫做的氧奪取出來，得到鐵，這個過程叫做還原還原。鐵礦石通過還原反應(yīng)煉出生鐵，鐵水從出。鐵礦石通過還原反應(yīng)煉出生鐵，鐵水從出鐵口

26、放出。鐵礦石中的脈石、焦炭及噴吹物中的灰分與加入爐內(nèi)的石灰石等熔劑結(jié)合生鐵口放出。鐵礦石中的脈石、焦炭及噴吹物中的灰分與加入爐內(nèi)的石灰石等熔劑結(jié)合生成成爐渣爐渣，從出鐵口和出渣口分別排出。煤氣從爐頂導(dǎo)出，經(jīng)除塵后，作為工業(yè)用煤氣。，從出鐵口和出渣口分別排出。煤氣從爐頂導(dǎo)出，經(jīng)除塵后，作為工業(yè)用煤氣?，F(xiàn)代化高爐還可以利用爐頂?shù)母邏海脤?dǎo)出的部分煤氣發(fā)電?，F(xiàn)代化高爐還可以利用爐頂?shù)母邏?，用?dǎo)出的部分煤氣發(fā)電。v 高爐內(nèi)的還原氣體產(chǎn)生于風(fēng)口前的燃料燃燒，這一過程產(chǎn)生了兩大運動流：一個高爐內(nèi)的還原氣體產(chǎn)生于風(fēng)口前的燃料燃燒，這一過程產(chǎn)生了兩大運動流：一個是上升的熱煤氣流，一個是下降的爐料流（鐵礦石、焦

27、炭、熔劑等）。高爐內(nèi)的一切反是上升的熱煤氣流，一個是下降的爐料流（鐵礦石、焦炭、熔劑等）。高爐內(nèi)的一切反應(yīng)均發(fā)生于煤氣和爐料的相向運動和相互作用之中。它包括爐料的加熱、蒸發(fā)、揮發(fā)和應(yīng)均發(fā)生于煤氣和爐料的相向運動和相互作用之中。它包括爐料的加熱、蒸發(fā)、揮發(fā)和分解；鐵及其它元素的還原；爐料中非鐵氧化物的熔化、造渣和生鐵的脫硫；鐵的滲碳分解；鐵及其它元素的還原；爐料中非鐵氧化物的熔化、造渣和生鐵的脫硫；鐵的滲碳及生鐵的形成；爐料和煤氣之間的熱交換等等，是一系列物理化學(xué)反應(yīng)過程的總和。及生鐵的形成；爐料和煤氣之間的熱交換等等，是一系列物理化學(xué)反應(yīng)過程的總和。4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法v高爐煉鐵

28、的冶煉原理高爐煉鐵的冶煉原理48（2）金屬的冶煉過程）金屬的冶煉過程4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法49（2）金屬的冶煉過程）金屬的冶煉過程高爐冶煉用的原料主要由鐵礦石、燃料和熔劑三部分組成。高爐冶煉用的原料主要由鐵礦石、燃料和熔劑三部分組成。（一）鐵礦石（一）鐵礦石 高爐冶煉用的鐵礦石要求成分穩(wěn)定、含鐵品位高、脈石（礦石中有用部分高爐冶煉用的鐵礦石要求成分穩(wěn)定、含鐵品位高、脈石（礦石中有用部分與沒有工業(yè)價值的巖石或其它礦物伴生在一起，與沒有工業(yè)價值的巖石或其它礦物伴生在一起，這些沒有用的部分叫脈石這些沒有用的部分叫脈石）少、）少、有害雜質(zhì)少、礦石粒度均勻、強度好、還原性好。鐵礦石含鐵量的多

29、少（即品有害雜質(zhì)少、礦石粒度均勻、強度好、還原性好。鐵礦石含鐵量的多少（即品位高低），直接影響到煉鐵生產(chǎn)的各項指標(biāo)。一般含鐵量在位高低），直接影響到煉鐵生產(chǎn)的各項指標(biāo)。一般含鐵量在3030以上的鐵礦石以上的鐵礦石才有開采價值。當(dāng)前作為煉鐵原料的鐵礦石主要有：才有開采價值。當(dāng)前作為煉鐵原料的鐵礦石主要有：（1 1）磁鐵礦。）磁鐵礦。主要成分主要成分Fe3O4，純礦石最高含鐵量為純礦石最高含鐵量為72.472.4。（2 2）赤鐵礦。）赤鐵礦。主要成分主要成分Fe2O3，純礦石最高含鐵量為純礦石最高含鐵量為70.070.0。（3 3）褐鐵礦。）褐鐵礦。主要成分主要成分FeO(OH) ，純礦石含鐵量在

30、純礦石含鐵量在48486363之間。之間。（4 4）菱鐵礦。主要成分）菱鐵礦。主要成分FeCO3 ，經(jīng)過焙燒，二氧化碳從礦石中分解出來。，經(jīng)過焙燒，二氧化碳從礦石中分解出來。（5 5）釩鈦磁鐵礦。除含鐵外，還有金屬釩和輕金屬鈦，理論上釩鈦磁鐵礦）釩鈦磁鐵礦。除含鐵外，還有金屬釩和輕金屬鈦，理論上釩鈦磁鐵礦的含鐵量為的含鐵量為36.836.8，含鈦，含鈦31.631.6，其余是釩和氧。我國西南地區(qū)重要鋼鐵基地，其余是釩和氧。我國西南地區(qū)重要鋼鐵基地攀枝花鋼鐵公司所用的礦石就是釩鈦磁鐵礦。攀枝花鋼鐵公司所用的礦石就是釩鈦磁鐵礦。4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法v高爐冶煉用的原料高爐冶煉用的原料5

31、0v 高爐用燃料包括焦炭和噴吹燃料兩大類。高爐用燃料包括焦炭和噴吹燃料兩大類。v焦炭在煉鐵過程中有三種作用：一是燃燒供給熱量（熱源）；二是作為料焦炭在煉鐵過程中有三種作用：一是燃燒供給熱量（熱源）；二是作為料柱骨架（氣窗）；三是作還原劑。因此，焦炭中的含碳量越高越好。除了柱骨架（氣窗）；三是作還原劑。因此，焦炭中的含碳量越高越好。除了強度好和骨架作用外，高爐對噴吹燃料的要求及其作用與焦炭相同。強度好和骨架作用外，高爐對噴吹燃料的要求及其作用與焦炭相同。 v 高爐煉鐵主要用焦炭作燃料。焦炭含碳量較高，氣孔率高，最大的特高爐煉鐵主要用焦炭作燃料。焦炭含碳量較高，氣孔率高，最大的特點是機械強度（以轉(zhuǎn)

32、鼓指數(shù)表示）高，能滿足大型高爐的要求。因此，目點是機械強度（以轉(zhuǎn)鼓指數(shù)表示）高，能滿足大型高爐的要求。因此，目前在高爐煉鐵中一般都采用焦炭作主要燃料。前在高爐煉鐵中一般都采用焦炭作主要燃料。20世紀(jì)世紀(jì)60年代開始盛行噴吹年代開始盛行噴吹技術(shù)（噴煤、油、天然氣等），目的在于部分取代寶貴的焦炭資源，但只技術(shù)（噴煤、油、天然氣等），目的在于部分取代寶貴的焦炭資源，但只能取代焦炭的還原劑和熱源兩個作用，而料柱骨架作用取代不了。焦炭是能取代焦炭的還原劑和熱源兩個作用，而料柱骨架作用取代不了。焦炭是高爐煉鐵必不可少的燃料。高爐煉鐵必不可少的燃料。（2）金屬的冶煉過程）金屬的冶煉過程4.2.5. 高溫高溫

33、熔融法熔融法v（二）燃料（二）燃料51v在鐵礦石中，除鐵以外，還有脈石及硫等有害雜質(zhì)，在焦炭在鐵礦石中，除鐵以外，還有脈石及硫等有害雜質(zhì)，在焦炭及煤粉中含有灰分，所以煉鐵時要加入熔劑，與脈石和焦炭及煤粉中含有灰分，所以煉鐵時要加入熔劑，與脈石和焦炭及煤粉中的灰分及其它雜質(zhì)化合，形成及煤粉中的灰分及其它雜質(zhì)化合，形成爐渣爐渣，以達(dá)到降低脈，以達(dá)到降低脈石熔點并使雜質(zhì)、灰分與鐵水分離的目的。石熔點并使雜質(zhì)、灰分與鐵水分離的目的。v 高爐冶煉采用的熔劑主要有石灰石、白云石、蛇紋石等。對高爐冶煉采用的熔劑主要有石灰石、白云石、蛇紋石等。對熔劑的要求是：堿性氧化物（主要是氧化鈣）的含量要高，熔劑的要求是

34、：堿性氧化物（主要是氧化鈣）的含量要高，而酸性氧化物（主要是二氧化硅和三氧化二鋁）的含量盡可而酸性氧化物（主要是二氧化硅和三氧化二鋁）的含量盡可能低，有害雜質(zhì)硫、磷含量也要低，強度高，塊度適宜。能低，有害雜質(zhì)硫、磷含量也要低，強度高，塊度適宜。（2）金屬的冶煉過程）金屬的冶煉過程4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法v（三）熔劑（三）熔劑52（2）金屬的冶煉過程）金屬的冶煉過程轉(zhuǎn)爐煉鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼 4.2.5. 高溫高溫熔融法熔融法53氧化：氧化： 轉(zhuǎn)爐煉鋼是在轉(zhuǎn)爐里進(jìn)行。開始時，向內(nèi)注入轉(zhuǎn)爐煉鋼是在轉(zhuǎn)爐里進(jìn)行。開始時，向內(nèi)注入1300攝氏度的液態(tài)生攝氏度的液態(tài)生鐵，并加入一定量的生石灰，然后鼓入氧氣。這時液態(tài)生鐵表面劇烈的反應(yīng)，鐵，并加入一定量的生石灰，然后鼓入氧氣。這時液態(tài)生鐵表面劇烈的反應(yīng)，使鐵、硅、錳氧化使鐵、硅、錳氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成爐渣，利用熔化的鋼鐵和爐渣的生成爐渣，利用熔化的鋼鐵和爐渣的對流作用，使反應(yīng)遍及整個爐內(nèi)。對流作用，使反應(yīng)遍及整個爐內(nèi)。 幾分鐘后，當(dāng)鋼液中只