材料工程-2

材料工程概论（2）卓越班《工程导论》金属材料的制备工艺金属材料的制备工艺金属的三种冶金工艺火法冶金电冶金湿法冶金金属材料的制备工艺火法冶金：在高温下，从矿石中提取和精炼金属或其化合物。一般分矿石准备、冶炼、精炼和烟气处理等步骤。主要化学反应是还原-氧化反应。湿法冶金：金属矿物原料在酸性或碱性的水溶液进行化学处理或有机溶剂萃取、分离杂质、提取金属及其化合物的过程。典型的湿法冶金应用于钨、钼、钽、铌、钴、镍、稀土、铀、钍、铋、锡、铜、铅、锌、钛、锰、钒、金、银、铂等的提炼。电冶金：利用电能从矿石或其他原料中提取、回收和精炼金属的过程。包括电炉冶炼、熔盐电解和水溶液电解等。金属材料的分类按含碳量分类：纯铁（含碳量0.2%）：较软，抗腐蚀性较好，韧性和延展性较高，硬度和强度较低，电磁性能好，有银白色光泽，难生锈，在冷的浓硫酸中可以钝化。纯铁中含碳在0.02%以上就变成硬度较低的能拔铁丝、轧制薄白铁板的低碳钢。常见的有两种规格，一种是是作为深冲材料的，可以冲压成极复杂的形状；另一种是作为电磁材料的，广泛用于电子电工，电器元件，磁性材料，非晶体制品，继电器，传感器，等产品。钢（含碳量0.2－2%）：含碳量0.25%至0.6%的范围内的钢叫中碳钢，其硬度中等，可轧成建筑钢材，钢板、铁钉等制品。铁中含碳量0.6%至2.0%时就成为硬度很高的、可制刀枪、模具等的高碳钢了。生铁（含碳量2－4.3%）：较硬、较脆，可铸铁锅、暖气片、犁锄等。金属材料的分类钢铁材料纯铁（熟铁）—工业纯铁钢—工程结构用钢、机器零件用钢、工具钢、特殊性能钢生铁或铸铁—灰口铸铁、白口铸铁、球墨铸铁非铁金属材料铝—纯铝、变形铝合金、铸造铝合金铜—紫铜、青铜、黄铜……按成分和应用分类：钢铁是以铁元素为基的材料钢铁工业为国民经济的支柱产业钢铁材料与人类生活密切相关什么是钢铁钢—含碳量低。用途广泛，钢材是用量最大、性价比最好的基础性、结构性、功能性材料。各种钢材：长型材—型钢、线材、钢轨等；扁平材—钢板、钢带、硅钢片等；管材—无缝钢管、焊接钢管等。铸铁—含碳量高。用于各种机械零件，如汽车发动机、轮毂、曲轴、制动器等，电动机外壳，机床床身，支架等。大约占钢铁总量的10%左右。什么是钢铁钢和铸铁中主要元素的含量（%）元素碳（C）硅（Si）锰（Mn）磷（P）硫（S）铸铁20.2-2.00.2-2.50.50.7钢20.01-0.30.3-0.80.050.05钢铁是以铁元素为基的金属材料钢铁是以铁元素为基的材料，是铁碳合金，包括钢和铸铁。钢铁炼制成材的过程都要经过烈火的熔炼和清水的洗礼！钢铁是怎样炼成的流程钢铁冶炼主要流程一、炼铁工艺炼铁就是从铁矿石中提取铁的过程自然界铁矿石种类很多，常用的主要有赤铁矿石Fe2O3磁铁矿石Fe3O4人造富矿烧结矿球团矿烧结球团炼铁工艺炼铁原理还原性气氛适宜温度炼铁方法高炉炼铁——是目前最主要的炼铁方法非高炉炼铁——直接还原等高炉炼铁——高炉雄姿高炉构造及炉内反应高炉是用耐火材料围砌而成，外面再用钢板作炉壳。高炉炼铁使用的原料是块状的铁矿石、燃料、熔剂和鼓风形态的空气。高炉构造及炉内反应高炉冶炼过程是一个连续的生产过程，全过程是在炉料自上而下，煤气自下而上的相互接触过程中完成的。高炉出铁出铁沟铁水罐混铁车和混铁炉混铁车混铁炉铸铁：是以铁元素为基的含有共晶组织的铁碳合金材料。二、铸铁铸件：铸造出的金属制品。铸铁件：铸造出的铸铁制品。1、基本概念我国的铸铁成就我国是世界上最早发明并使用铸铁的国家，比欧洲早了1800多年。2000年中国铸件产量（1395万吨）首次超过美国（1313万吨），成为世界上最大铸件生产国。至2011年已连续12年居世界首位，成为名副其实的铸造大国和铸件出口大国。在所有铸件中，铸铁件应用最广，超过铸件总产量的70％。铸铁件第一大国。铸造生铁——铸铁件的原料生铁锭铸铁熔炼设备——冲天炉和感应电炉感应电炉炉体结构示意图1—坩埚；2—感应器铸铁中基本组元的结构纯铁渗碳体和石墨复杂正交晶格六方晶格铸铁的种类灰铸铁(片墨)球墨铸铁蠕墨铸铁白口铸铁可锻铸铁铸铁的应用铸铁的应用炼钢原理铁(水)中含有C、S、P等杂质，影响铁的强度和脆性等，需要对铁(水)进行再冶炼，以去除上述杂质，并加入Si、Mn等，调整其成分。炼钢的主要原料是含炭较高的铁水或生铁以及废钢铁。为了去除铁水中的杂质，还需要向铁水中加入氧化剂、脱氧剂和造渣材料，以及铁合金等材料，以调整钢的成分。炼钢方法转炉炼钢——是目前最主要的炼钢方法。电炉炼钢三、炼钢工艺转炉炼钢加料兑铁水加废钢小转炉转炉炼钢转炉外壳由钢板制成，内侧衬有耐火材料。转炉炼钢不必另外加热，以铁水为主要原料，吹入高压氧气流，适当加入废钢进行冶炼。转炉吹氧转炉炼钢时利用氧气将铁水中的碳元素等快速氧化。氧化反应放出的热量，将铁水（1200℃-1300℃）加热到1560℃-1660℃。冶炼周期一般为20-40分钟。转炉出钢炼钢和出钢钢包电炉炼钢电炉炼钢是以电能作为热源，主要是指电弧炉炼钢。电炉炼钢是短流程工艺采用废钢为主要原料的炼钢方法。电炉炼钢是生产特殊钢、高合金钢、铸钢的主要方法。电炉构造电炉炼钢三相电弧炉二次精炼作用提高钢的质量，去除钢中的有害元素及气体，调整成分；炼钢和连铸的柔性连接环节与电炉配合，提高炼钢生产效率，降低成本、优化工艺；与转炉配合，扩大冶炼品种。手段渣洗、真空、搅拌、喷吹、调温等连铸过程小方坯连铸连铸机连铸坯四、轧钢高速线材生产线热轧板生产线轧辊轧钢主要工艺流程板材长型材角钢H型钢角钢新世纪钢铁工业展望大型化CCCRCCDR5~10Mt/a}追求产品的竞争力4000MBF400tBOF150tEAF3连续化单元化产量规模上升成本价格下降KRVDLFRHetc.300~400$/ts.绿色冶金是21世纪钢铁工业的重点目标＝＋＋钢铁产品的质量和性能将大幅度提高＝＋＋对环境友好低能源消耗低资源消耗低排放和可循环使用新世纪钢铁工业展望新一代钢铁材料超纯净杂质含量≤80-100ppm超细晶晶粒尺寸≤1μm超均质无宏观偏析及凝固缺陷近年世界粗钢产量（亿吨）年份世界中国日本美国俄罗斯印度中国所占比例20018.51.51.0290.9010.5900.273(17.74%)20029.01.81.0770.9160.5980.288(20.16%)20039.72.21.1050.9370.6150.318(22.96%)200410.72.81.1270.9970.6560.326(26.24%)200511.43.51.1250.9490.6610.458(31.01%)200612.44.21.1620.9860.7080.495(33.79%)200713.44.91.2020.9720.7220.531(36.44%)200813.25.01.190.9930.6850.550(37.88%)200912.25.680.8750.5810.5990.566(46.6%)201014.16.271.0960.8060.670.668(44.3%)201115.36.961.0760.8620.6870.722(45.5%)世界钢铁发展趋势世界钢铁产量增速减慢。产生这种现象的原因发达国家发展速度减慢：汽车、建筑、机械等；技术进步：钢铁本身强度和使用寿命的提高；其它材料的竞争：如塑料、陶瓷、复合材料等；钢铁工作者更要着眼于钢铁质量的提高和能源、原材料消耗的降低。钢铁成材要经过火的熔炼和水的洗礼！高品位的铁矿石，在还原性气氛下，经过高温大熔炉长时间的熔炼，最后还要经过清水的多次洗礼。丢失的成分包括：脆弱的碳硫磷、轻浮的氮氢氧、其它另类杂质金属等。钢铁是最普通的金属材料——它具有坚硬、刚强、柔韧、不知疲劳、耐受腐蚀的优良品质。长期以来，由于有了一本书，我们一直是在隐喻的意义上使用“钢铁是怎样炼成的？”这句话。《钢铁是怎样炼成的》塑造了一个有着钢铁般意志的共产主义战士的形象，是世界青年成才的“教科书”和“圣经”。保尔·柯察金奥斯特洛夫斯基希望大家有钢铁般的意志和钢铁般的体魄！ThankYou！