先进制造工艺在钢铁材料中的应用简介

安徽工业大学硕士学位论文第一章XXXXXXXXX-1-第一章先进制造工艺在钢铁材料中的应用简介1.1浅析先进制造工艺1.1.1先进制造工艺传统的机械制造工艺是以机械制造中的工艺问题为研究对象的一门应用性制造技术学科。所谓工艺，是使各种原材料、半成品成为产品的方法和过程；而机械制造工艺是指各种机械的制造方法和过程的总称。所谓制造技术学科，就是在深入了解实际的基础上，利用各种基础理论知识，经过实事求是分析、对比，找出客观规律，解决面临的工艺问题的学科。机械制造工艺的内容极其广泛，它包括零件的毛胚制造、机械加工、热处理、产品的装配以及先进制造技术等。机械制造工艺基础的研究对象主要是机械加工和产品装配两大部分。机械制造工艺基础设计的行业五花八门，产品的品种成千上万，但是机械制造工艺基础所研究的问题可归结为质量、生产率和经济性三大类。[1]随着越来越激烈的市场竞争，制造业的经营战略不断发生变化，生产规模、生产成本、产品质量、市场响应速度响应成为企业的经营目标。为此，要求机械制造工艺必须适应这种变化，促使一种优质、高效、低耗、洁净和灵活的制造工艺的形成。因而，先进制造工艺是在不断变化和发展的传统机械制造基础上主编形成的一种制造工艺技术，是高新技术产业化和传统工艺高新技术化的结果。先进制造工艺是先进制造技术的核心和基础，一个国家的制造工艺技术水平的高低，在很大程度上决定了其制造业在国际市场的竞争力。[2]1.1.2先进制造工艺与综合国力1.1.2.1先进制造工艺与综合国力先进制造工艺是影响一个国家综合国力的战略技术、工业发达国家经济发展的历史表明，制造工艺的出现和进步，对一个国家的经济发展和具有重要的影响。第二次世界大战后，日本产业技术政策走了一条技术引进——自主开发——个性化、创造性的自主开发——加强基础研究的发展道路。七、八十年代，正当美国视制造业为“夕阳工业”时，日本却悄悄的把主要力量投人到制造技术上，以致许多由美国最先发明的技术和产品，却由日本最先做成了产品，投人市场，取得了重大的经安徽工业大学硕士学位论文第一章XXXXXXXXX-2-济效益和快速的经济增长，在许多方面的国际竞争力处于首位。先进制造工艺也是影响一个国家国防实力的战略技术，因现代战争正向高科技的方向发展，就必须使国防建设立足于高科技装备之上。只有采用先进的制造技术、工艺设备，才能实现国防现代化，提高国防实力。先进制造工艺是改造传统产业的技术基础，传统产业的改造必须依赖先进制造工艺与先进的工艺装备。一个国家的制造业是其经济发展的支柱、是国民收人的重要来源，无论是工业发达国家还是新兴工业国家，制造业在国民经济中都处于一个十分重要的地位。采用先进制造技术、工艺和装备，改造以机械制造业为代表的我国制造业，是实现其技术升级、进而走出困境的有利举措。先进制造工艺是高技术实现产业化的接口、桥梁和通道，科技成果一般要直接通过先进制造技术，或通过先进制造技术、工艺和装备生产出的技术装备才能转化为生产力，物化为人类可使用的产品。先进制造工艺作为高新技术物化和产业化的接口、桥梁和通道，对高技术产业化的形成、对未来经济的发展起着十分重要的作用。[3]1.1.2.2我国先进制造工艺的发展状况先进制造工艺具有直接的推广价值和广阔的应用前景，是最活跃的前沿研究领域。先进制造工艺发展表现在如下几个方面：a.制造加工精度不断提高。随着制造工艺技术的进步与发展，机械制造加工精度得到不断提高。18世纪，加工第一台蒸汽机所用的汽缸镗床，其加工精度为1mm；19世纪，机械制造精度也仅为0.05mm；20世纪，由于能够测量0.001mm千分尺和光学比较仪的问世，使加工精度向微米过渡；20世纪50年代末，实现了微米级的精度；在最近的一二十年时间内，精度又提高了1~2个数量级。预计在不远的将来，课实现原子级的加工和测量。b.切削加工速度迅速提高。随着刀具材料的发展和变革，在近一个世纪内，切削加工速度提高了100倍~数百倍。在20世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，由于其耐热温度低于200°C，所允许的切削速度不超过10m/min；20世纪初，出现了高速钢，耐热温度达到550℃，课允许的切削速度为30m/min~40m/min；到了20世纪30年代，硬质合金开始得到使用，刀具的耐热温度达到800℃~1000℃，切削速度很快提高到数百米、安徽工业大学硕士学位论文第一章XXXXXXXXX-3-米。随后，相继使用了陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮化硼刀具，切削速度进一步提高。c.新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革。超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出了新的挑战：一方面迫使在通常加工工艺方法中要不断改善刀具材料的切削性能，改进机械加工制造设备，使之满足新材料的机械加工要求；另一方面探求应用更多的物理、化学、材料科学的现代知识来开发新型的制造工艺，以便更有效地适应新型工程材料的加工。近几十年来发展了一系列特种加工工艺方法，如电火花加工、点解加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工和激光加工等。d.自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率。由于微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不同档次的多种自动化转变，使工艺过程的检测和控制方式和手段发生了质的变化，可以使整个工艺过程和工艺参数得到实时的优化，大大提高了加工制造的效率和质量。零件毛胚成型在向少无余量发展。零件毛胚成形是机械制造的第一道工序，有铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺、随着人们对人类生存资源的节省和保护意识的提高，要求零件毛胚成形精度向少、舞余量方向发展。因而出现了熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压、精密焊接和精密切割等新工艺。e.优质清洁表面工程技术的形成和发展。表面工程技术是通过表面涂覆、表面改性、表面加工以及表面复合处理，来改变零件表面的形态、化学成分和组织结构，以获得与基体材料不同性能要求的一项应用技术。进几十年来，出现了如电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积、热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注入等一系列先进表面处理技术。[4][5][6]1.1.3先进制造技术的体系结构及其分类从先进制造工艺的内涵和发展可以清洗地看出，先进制造工艺具有优质、高效、低耗、洁净和灵活5个方面显著的特点。安徽工业大学硕士学位论文第一章XXXXXXXXX-4-a.优质。以先进制造工艺加工制造出的产品质量高、性能好、尺寸精确、表面光洁、组织致密、舞缺陷杂志、使用性能好、使用寿命和可靠性高。b.高效。与传统制造工艺相比，先进制造工艺可极大地提高劳动生产率，大大降低了操作者的劳动强度和生产成本。c.低耗。先进制造工艺可大大节省源材料消耗，降低能耗的消耗，提高了对日益枯竭的自然资源的利用率。d.洁净。应用先进制造工艺可做到零排放或少排放，生产过程不污染环境，复合日益增长的环境保护要求。e.灵活。能快速地对市场和生产过程的变化以及产品设计内容的更改做出反应，可进行多品种的柔性生产，适应多变的产品消费市场需求。1.2我国钢铁工业发展现状1.2.120世纪钢铁工业回顾1.2.1.1中国钢铁工业主要成就（1）产量高速发展（2）质量显著提高（3）品种齐全，基本满足国内需求（4）能耗逐年降低（5）劳动生产率逐步提高（6）环境污染得到治理1.2.1.220世纪钢铁生产技术的主要进步（1）高炉大型化和喷煤技术（2）纯氧转炉技术（3）连铸技术的崛起（4）炉外处理技术的发展（5）连轧技术的发展（6）电炉短流程的兴起[7]1.2.221世纪钢铁生产技术的关键技术1.2.2.1炼铁预计高炉仍将是21世纪最主要的炼铁方法。但是在环境污染、对燃料的适应性安徽工业大学硕士学位论文第一章XXXXXXXXX-5-和生产效率等方面将受到熔融还原等新兴工艺技术的严峻挑战。21世纪将发展以下高炉技术：（1）大量喷煤降低焦比（2）长寿技术（3）提高利用系数1.2.2.2炼钢21世纪炼钢生产技术的发展将日臻完善，逐步向纯净化、连续化和高效化方向发展：（1）高效转炉生产工艺技术（2）建立大规模生产洁净钢的工艺体系（3）高效电炉及短流程生产工艺1.2.2.3连铸（1）高效连铸工艺：是指高拉速、高质量、高作业，是连铸技术向纵深发展的基础;（2）连铸连轧技术，是简化工序、节能降耗、降低生产成本的重大跨世纪钢铁生产技术；1.2.2.4轧钢现代加工技术的发展使热轧产品的尺寸精度和质量得以提高，热轧产品更多的代替冷轧产品已成为可能。面向21世纪，轧钢技术的发展将实施精品战略，重点开发以下技术：大断面高刚度厚板轧机生产技术；冷热轧板厚、版型在线测量及人工智能控制技术；型钢生产中，柔性轧制技术、无孔型平辊轧制技术及切分轧制综合系统；连轧管竹节与张力减径头尾端部壁厚控制技术。1.2.2.5环境保护和综合利用技术（1）各种节能技术冶金生产中主要的节能技术包括：①高炉高煤粉量喷吹技术，以煤代焦；②高速连铸技术，扩大连铸比；③连铸连轧技术；④废钢预热技术；安徽工业大学硕士学位论文第一章XXXXXXXXX-6-⑤钢水快速加热、保温技术；⑥高性能、高效率加热喷嘴；废热最大限度的回收利用技术：①CDQ装置；②烧结机排热回收装置；③TRT装置；④高炉干式除尘装置；⑤转炉煤气回收技术；⑥热水、蒸汽的回收利用等。（2）炉渣的综合利用技术（3）粉尘回收技术1.2.2.6冶金自动化近年来，冶金自动化技术取得了巨大的进步。由于自动化系统可以提供高速计算功能、大容量信心存储和简洁的研制开发手段。能方便地实现离线仿真和在线控制功能，不仅有利于提高现有设备的生产效率，而且促进了新工艺的发展。（1）在线检测技术的发展（2）过程只能控制技术的发展（3）引入企业内部网络[8][9]1.321世纪钢铁工业的去向钢铁材料作为人类社会使用的最主要的结构材料和产量最大的功能材料这种格局在21世纪前半叶不会有大的改变。其依据是：①铁是地壳中含量较多的元素之一，地壳中含量最多的元素是氧（以氧化物存在）、硅和铝，而氧不能作为结构材料使用；硅太脆，不可能代替铁；铝可以作为结构材料，但由于铝和氧亲和力强，其提炼比铁困难，所以从地壳构成看，钢铁材料的重要性不会改变，除非科学技术出现新的突破；②钢铁材料的性能价格比最好，是所有材料中的首选；③铁材料易于回收利用，有利于实现可持续发展。21世纪全球经济必将继续发展。在科学技术进步的推动下，人类社会对钢铁材料的需求亦将继续增长。二次世界大战后，全球经济发展迅速，尔后的十多年间，一部分发达国家进入后工业化阶段，一部分国家进入工业化过程，尚有一些国家未步入工业化。完成基础设施建设的国安徽工业大学硕士学位论文第一章XXXXXXXXX-7-家，钢材需求量下降；处于工业化过程的国家，钢材需求量增长；总的趋势使全球钢产量在波动中增长。到2030年，世界人口达到85亿时，全球钢产量至少达10亿t。由此可见，钢铁工业在21世纪决非“夕阳工业”。另一方面，21世纪钢铁工业虽然将继续增长，但面临的挑战也是空前严峻的。应对挑战的实质是两大课题：“如何进一步提高钢铁工业竞争力”，“如何减轻钢铁工业对地球环境的负荷，将钢铁工业建成为对地球环境友好，以实施可持续发展战略”。1.3.1钢铁工业的先进制造技术化1.3.1.1先进制造技术化长期以来，人们习惯于把机械电器设备制造业作为制造业，钢铁冶炼不算作制造业。近年来，人们认为，凡加工生产商品的都属于制造业。按此定义，21世纪的钢铁工业也必须开发新工艺、新产品和新装备，将钢铁生产过程进一步集成优化，将各个工序逐步改进为用信息技术支撑的全自动的工序单元。只有这样做，才能进一步提高效率，改善质量，降低消耗，降低成本，提高钢铁工业的总体竞争力。目前能基本达到这一水平的工序仅局限于某些轧钢工序，并且与机电制造业相比，在产品质量控制上，还有差距。显而易见，21世纪钢铁工业在与其他材料工业的竞争中要想取得优势，必须在先进制造技术化方面取得突破。1.3