冶金学——发展、成就与展望.docx
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1、冶金学进展、成就与展望2023-2-5冶金学是争论从矿石中提取金属或金属化合物,用各种加工方法制成具有肯定性能的金属材料的学科。人类自从进入青铜时代以来,同金属材料及其制品的关系日益亲热。在现代社会中,人们的衣食住行都离不开金属材料,人们从事生产或其他活动所用的工具和设施也都要使用金属材料。可以说,没有金属材料便没有人类的物质文明。从历史上看,16 世纪以前的冶金业,根本上是阅历式的操作实践,技术水平较低,生产规模不大。17 世纪以来冶金生产不断取得进展。在此根底上,由于近代自然科学理论和试验方法的产生和进展,渐渐形成冶金学。冶金学以争论金属的制取、加工和改进金属性能的各种技术为起点,进展到对
2、金属的成分、组织构造、性能和有关根底理论的争论。19 世纪到 20 世纪中叶,冶金学、冶金生产和技术进展极其快速,成就很大。20 世纪下半叶以来,电子技术特别是集成电路和电子计算机的进展,对冶金产生深刻的影响:一是电子计算机的应用使自动化技术与冶金工艺的结合越来越严密;二是电子器件对材料性能提出了的要求,从而促使冶金学进展成为材料科学的一个主要组成局部。冶金生产进展概况冶金作为一门生产技术,起源格外古老。人类从使用石器、陶器进入到使用金属,是文明的一次飞跃。据冶金史初步争论,人类使用自然金属(主要是自然铜) 距今大约不下 8000 年。但自然铜资源稀有,要使用更多的铜必需从矿石中提取。据目前所
3、知,世界上最早炼铜的是美索不达米亚地区,时间大致在公元前 3836 世纪。最早的青铜是在苏米尔(Sumer)地区消灭的,大约在公元前30 世纪。在人类文明中,大量使用青铜的时代被称为“青铜时代”。使用铁器是人类文明的又一重大进步。最早炼铁的是在黑海南岸的山区,大约在公元前 14 世纪。到公元前 13 世纪,铁器的应用在埃及已占肯定的比重,一般认为这是人类文明进入铁器时代的开端。明显,在不同地区,铁的使用和生产进展水平有很大差异。在欧洲,公元前 11 世纪中欧就开头用铁,但向西欧传播则极其缓慢。直到公元前 55 年,随着罗马人的入侵,铁才传入不列颠。中世纪的一千多年内,冶金技术进展格外缓慢。例如
4、公元初期西欧已有熟铁制品;直至141 6 世纪,欧洲才进展为承受水力鼓风,加大、加高炼铁炉,生产出铸铁。15 世纪的欧洲,尽管熟铁器已经广泛使用,但铜和青铜仍是生产得最多的金属。16 世纪欧洲消灭资本主义的萌芽。首先是英王亨利八世 (15091547 在位) 把属于寺院的采矿和冶金企业拍卖给当时生的资本家。冶金企业转移到苦心经营、孜孜追求高额利润的资本家手中;资本家之间开放竞争,推动了生产技术的进展。另一方面,机器、造船等工业的进展又为冶金业开拓了市场和供给了技术装备。15 世纪以前,英国的冶金以及其他生产技术都落后于欧洲大陆。在1640 年以后的 250 年中,以高炉炼铁、炼钢为主的冶金生产
5、和技术的进展及变革主要发生在英国。尤其是从 17001890 年,一系列重要的技术制造制造使英国的炼铁、炼钢工业得到蓬勃进展。这些制造制造在炼铁方面有:公元 1709 年达比 (A.Darb y)用焦炭代替木炭炼铁成功,使冶金业摆脱了木炭资源(森林)的限制;1828 年尼尔森 (J.B.Neilson)承受热风使炼铁焦比降低,生产效率成倍提高。在炼钢方面有:1 740 年亨茨曼(B.Huntsman)首次承受坩埚炼钢法生产铸钢件;1856 年贝塞麦(H.Bes1semer)制造转炉炼钢法,开创了炼钢的纪元;1855 年西门子(K.W.Siemens)制造了蓄热室,1864 年马丁(P.Mart
6、in)利用该原理制造平炉炼钢法,从而扩大了炼钢的原料来源;1879 年托马斯(S.G.Thomas)和吉尔克里斯特(P. C.Gilchrist)进展出碱性转炉炼钢法,成功地解决了高磷生铁炼优质钢的问题。在轧钢方面有:1697 年汉伯里(J. Hanbury)用平辊轧制出熟铁板,供生产镀锡铁板之用;1783 年科特(H.Cor t)用孔型轧制生产熟铁棒,这种方法后来用于生产型材。这些制造制造使英国炼铁、炼钢工业在 1819 世纪走在世界最前面。19 世纪末英国在钢铁产量方面虽已被资源丰富的美国超过,但在质量方面仍居于领先地位。炼铜状况也是一样。铜资源 并不充裕的英国,在 19 世纪 60 年月
7、竟然成了世界上产铜最多的国家。英国冶金业之所以能从落后变为先进,主要应归功于最早消灭了适合当时生产力进展的资本主义体制。正如马克思、恩格斯在共产主义宣言中所指出的:“资产阶级在它不到一百年的阶级统治中所制造的生产力,比过去一切时代制造的全部生产力还要多,还要大。”中国古代冶金比欧洲先进,尤其是把握铸铁技术比欧洲要早约 2023 年。大量中国古代铁器的鉴定结果说明,中国在汉代生产的有些铸铁件中的石墨呈球絮状,具有肯定的柔韧性,与近代可锻铸铁颇为相像。中国古代生产的铸铁和热处理技术已能适应制造农具的要求,从汉代起铁产量就超过了铜。正由于这样,铁的经营治理在汉代已经提到重要议事日程,盐铁论一书就是明
8、证。从那时直到清末,常常是官商和私商并存。中国冶金生产技术之所以长期停滞不前,与这种封建官商治理体制有关。就金属种类而言,中国在春秋战国之际(公元前 7 世纪)即已把握金、银、铜、铁、锡、铅、汞等七种常用金属。欧洲则直到罗马帝国末期(5 世纪)才全部把握上述金属。中国在 15 世纪已有金属锌,三百多年后,欧洲才有人取得用蒸馏法制锌的专利。炼锌技术传播到资本主义正在进展的欧洲后,便马上应用于黄铜制造业, 使价廉的黄铜逐步取代了一大局部价格较昂贵的青铜。此外,中国古代有优良的铸铁,因而无视钢铁的金属塑性加工,始终没有进展轧制生产。中国古代有色金属制作业也偏重铸造而无视塑性加工。一个突出的例子是铸钱
9、,直到清朝,铜币始终是铸造的,而在公元前 6 世纪的希腊就开头用模锻方法造币了。综观古代世界冶金业的进展,可以看出:金属制品,特别是青铜器和铁器, 对人类社会的生产力的进展起着巨大作用。冶金学的形成源远流长的冶金生产技术,直到 18 世纪末,才从近代自然科学中吸取养分, 渐渐发育成一门近代科学冶金学。16 世纪以前,效益显著的冶金操作大都凭个人阅历或者依靠师徒授受。由于缺乏书本记载,加上技术保密,有些技术甚至失传,中外历史都提到过这种事例。从开头冶铜到 16 世纪,人类从事冶金活动已经有 5000 多年,可是能够炼制的金 属总共只有七、八种。冶金技术的进展是何等缓慢!16 世纪中叶,欧洲最早的
10、两本冶金著作:意大利比林古乔的火法技艺和德国阿格里科拉的论冶金先 后问世。特别是后者较完整地记载了当时欧洲的冶金技术操作,起到承先启后的 作用,这两本书被公认是欧洲冶金文献中的先驱,影响深远。在中国,冶金专书的出版虽然比欧洲早得多,但很惋惜,宋代张潜着的浸铜要略早已散佚,明代傅浚着的铁冶志也未能传世。明末宋应星所著天工开物,初刊于 1637 年,这本书较具体地记载了中国当时的冶金技术。可是,从那时到清末将近三百年间,中国封建科举制度的桎梏使科学技术在学问界不受重视,天工开物这类书在当时就很少有人问津了。在欧洲,1618 世纪是自然科学播种萌芽的时代,欧洲学问界寻求真理的思想日益活泼。17 世纪
11、初,培根(F.Bacon)(15611617)明确指出,生疏事物要有正确的方法。数学进一步受到重视,并日益成为增进学问的重要工具,这对开拓自然科学很多领域起了重要作用。另一增进学问的重要工具是科学试验设备的制造和应用,复合显微镜就是詹森(Z.Jansen) 在这个时期制造的。胡克(R.Hooke) 于 1665 年用显微镜观看剃刀外表的锈点和划痕,列奥米尔(R.A.F.de Raumur)于 171317 16 年用它观看金属断口。化学试验手段的改进,也有利于觉察和制取一系列的金属元素。铸钢技术于 1740 年被突破后,对钢进展深入争论的条件初步具备了。这反映在两个方面:18 世纪下半叶,伯格
12、曼(T.Bergman)对钢进展认真分析,作出结论: “钢是铁与碳交互作用的产物。”人们对钢的实质才有较为正确的理解。碳的数量和形态是钢进展金属热处理的依据,要制出好钢,就必需在“碳”上作文章。从今,为钢冶金指明白方向。氧化及其反面复原,是冶金的化学根底。假设对这两者缺乏生疏,建立冶金学科就无从谈起。以前人们认为氧化和燃烧是“燃素”的转移,直到 1786 年,“燃素”学说被拉瓦锡等人彻底推翻,人们对氧化和燃烧现象才有了正确的生疏。由此可见,冶金学的序幕,在 18 世纪末才真正揭开。冶金学的序幕揭开的前夕,人类能冶炼的金属种类还很少,冶金的技术手段也很有限。18 世纪中叶,冶金产品仍只有钢铁和铜
13、、铅、锡、金、银、铂、锌、汞等;锑、铋、钴、镍等虽已被识别,但生产甚少,应用不多。冶金手段根本上还只是氧化法(如灰吹法)和碳复原法,远不能满足制取金属的需要。19 世纪末, 电能登上冶金历史舞台,熔盐电解法和水溶液电解法消灭了,能产生高温顺掌握冶炼气氛的电炉制造出来了。从今冶金技术大步前进,觉察并且生产出了一系列的金属和的合金。冶金学受到其他学科的培育而成长,冶金学也为其他学科供给了的金属材料和的争论课题。金属元素和金属化合物的争论促进了化学的进展,金属物理性质(如导电性、磁性)的争论成了分散态物理的重要内容。冶金学的成就冶金学不断地吸取自然科学,特别是物理学、化学、力学等方面的成就, 指导着
14、冶金生产技术向广度和深度进展。另一方面,冶金生产又以丰富的实践阅历,充实冶金学的内容,进展成为两大领域:即 (1)提取冶金学(extractive metallu rgy)和物理冶金学(physicalmetallurgy)。提取冶金学 从矿石提取金属(包括金属化合物)的生产过程称为提取冶金学。由于这些生产过程伴有化学反响,又称为化学冶金学(chemical metallurgy)。它争论分析火法冶炼、湿法提取或电化学沉积等各种过程及方法的原理、流程、工艺及设备,故又称为过程冶金学(process metallurgy)。后一名词依据国内冶金工作者的习惯简称冶金学。也就是说,狭义的冶金学指的是
15、提取冶金学,而广义的冶金学则包括提取冶金学及物理冶金学。提取冶金学的任务是争论各种冶炼及提取方法,提高生产效率,节约能源, 改进产品质量,降低本钱,扩大品种并增加产量。钢铁冶炼 主要成就反映在以下诸方面。1828 年英国人尼尔森依据热工原理对高炉承受预热空气鼓风,虽然当时所用的预热温度不过 350,可是获得显著降低焦比并成倍提高炼铁效率的良好效果,炼铁效率提高后,坩埚炼钢和炒钢法这些 旧的炼钢方法就很不适应了。1850 年英国生铁产量 250 万吨,钢产量却只有 6 万吨。明显,炼钢力量大大落后于炼铁。换句话说,只有很小一局部生铁能被炼制 成钢。1856 年贝塞麦制造转炉炼钢法,向转炉中的铁水
16、吹空气,使铁水中硅、锰、碳等元素含量快速降低,同时产生大量的热能,使液态生铁炼成液态的钢。转炉 炼钢是冶金史上最出色的成就之一,是制造性地将物理化学的热力学和动力学应 用于冶金生产工艺的典范。从今开头了炼钢的纪元。西门子和马丁制造的平炉 炼钢法在 1864 年投产。这种方法能用废钢作原料。平炉承受蓄热室使炉温显著提高,在冶金炉热工方面是继高炉承受热风之后又一项重大突破。为了扩大炼钢原 料来源,托马斯和吉尔克里斯特依据磷在渣和钢中平衡安排这一物理化学原理, 承受碱性炉衬、碱性造渣,并依据具体状况进展屡次扒渣以促进去磷,成功地解 决了用高磷生铁冶炼优质钢的问题。上述问题在 19 世纪下半叶次第解决
17、后,炼钢生产如同脱缰之马,驰骋向前。1850 年欧洲钢的总产量约 6.6 万吨,1900 年仅低碳钢就达 2800 万吨,1955 年全世界钢产量为 2.6 亿吨。以 1850 年的钢产量为基数,五十年增长 400 多倍,一百年增长 4000 倍,这样大的增长速度是以往不敢想像的。20 世纪下半叶以来,钢铁冶金又有的进展。炼铁高炉承受温度高达 1200的热风和 2.5 大气压的高压炉顶操作,使炼铁生产效率上升到一个的水平,同时也促进了耐火材料和焦炭的生产。高炉体积也加大了,日产铁达万吨以上的高炉并不罕见。炼钢方面,最主要的是进展出氧气顶吹转炉炼钢(后又进展出底吹和复合吹炼)和连续铸钢技术。目前
18、,氧气转炉已取代平炉成为最主要的炼钢设备。1 979 年世界钢产量达 7 亿多吨,其中有一半以上是用氧气转炉生产的。其他如真空冶金、炉外精炼、喷射冶金等技术对提高钢的质量都起了重要作用。此外,轧制则向高速化和连续化进展,带钢冷轧速度可高达每分钟 2500 米。连铸和连轧工艺的承受提高了钢的收得率,节约了能源。就生产规模而言, 1981 年年产钢超过千万吨的钢厂已有 12 个之多。有色金属冶炼 科学技术的进展向冶金业不断提诞生产型材料的要求,冶金业在满足这些要求中,推动了科学技术的进展,自身也大步前进。有色金属冶金业就是这样在和整个现代科学技术息息相关的状况下建立了一系列的金属工业。例如:20
19、世纪 50 年月以前,硅、锗的冶金不被重视,只有半导体争论兴起后, 才快速进展起来,并已形成一个的冶金行业半导体冶金。铝和航空技术的关系,铀和原子能技术的关系等等,也莫不如此。有色金属种类繁多,物理和化学性质各不一样,它们的生产工艺在富集、分别、制取和提纯等过程中技术比较简单。而且有色金属矿大都品位不高,往往是多种矿物共生,在采矿、选矿、资源综合利用和环境保护方面要解决大量简单的问题。在冶金学和生产实践亲热结合的条件下,有色金属冶金业取得格外丰富的技术成果。其中较重要的有:重有色金属火法冶金的进展 有色金属硫化矿简洁选成精矿,传统的冶炼方法是火法冶金,虽然这种方法有产生大量废气并放出有毒气体的
20、缺点,但经过技术上的不断改善,能够大量削减废气,削减有害气体的逸出,并利用硫燃烧所发生的热量,使火法冶金成为有效地利用能量的冶炼方法,并使设备的生产力量不断提高。现代火法冶金具有以下的特点:利用工业氧气以代替空气,强化熔炼过程;使用力量大的冶炼设备;尽最大可能利用硫化精矿的燃料价值,使连续操作改为连续操作;在焙烧和复原冶炼过程中,可以综合回收各种有价金属,如在镍冶炼过程中,可回收镍、钴、铜、金、银、铂、钯、铑、钌、铱、硒、碲、铁、硫等金属。虽然近代电冶金、湿法冶金有了很大的进展,但火法冶金仍旧是处理重有色金属硫化矿的主要方法。熔盐电解法炼制轻金属 熔盐电解法是用电解复原的方法。早在 19 世纪
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