材料加工新技术

材料加工新技术赵红亮(教授)材料科学与工程学院课程性质与目的:介绍性质,不专注于太具体的东西目的是开阔思维,抛砖引玉,力争为学生课题的开展提供一个思路课程内容：近终形成型技术半固态加工技术金属的塑性成型新工艺材料加工中的计算机模拟考试形式：试卷考试！材料与人类文明材料是现代文明的支柱材料是人类生存的基础(Basis)材料是人类发展的标志(Mark)材料是科技创新的先导(Lead)材料制备方法IM(IngotMetallurgy)熔铸法熔(melting)、炼(refining)、铸(casting)铸件(castings)机加工(machining)零件铸坯(ingots)塑性成形(plasticforming)热处理(heattreatment)机加工零件PM(PowderMetallurgy)粉末冶金法制粉(powdermaking)压型(pressing)烧结(sintering)SF(SprayForming)喷射成型法材料成型方法铸造(pour-casting,die-casting)例如：汽车轮毂（Al、Zn）、活塞（Al）、手机外壳（Mg）等塑性成形(plasticforming)挤压(extrusion)、轧制(rolling)、拉拔(drawing)、冲压(punching)、锻造(forging)焊接（welding)切削(cutting)粉末成型(powderforming)复合成型（铸轧、铸挤、锻轧、挤轧等）近终形成型技术材料加工新技术之一连铸出的直接为坯，不再需要初轧开坯!连续铸钢技术的开发与应用是钢铁生产中继氧气转炉后又一次重大的技术革命。它取消了传统模铸中的初轧开坯工序，具有节约能源、降低消耗、节省投资、机械化和自动化程度高等优点，已成为现代钢铁企业广泛应用的生产技术。目前不少发达国家已实现全连铸。一个国家的连铸水平已成为衡量这个国家钢铁生产水平的重要标志。90年代初，中国连铸比仅为30%，到2000年，中国连铸比已达85.3%，到2007年，中国连铸比已跃至96.95%，达到国际先进水平。连铸技术自70年代以来，钢铁工业从追求产量粗放型的规模扩张走上了注重质量、节能降耗、结构优化，使我国由钢铁大国走向钢铁强国的新路子：一方面，用户对钢材质量、性能的要求越来越高。另一方面，由于竞争激励，厂家需要不断尽可能地降低成本。为了应付激烈的市场竞争，发达国家的钢铁企业投入了大量的资金和人力开发新的工艺技术。其中近终形连铸技术是近20年来最为瞩目的成就之一，它包括薄板坯连铸和薄带坯连铸两种。近终形连铸（Near-Net-ShapeContinuousCasting）是指使连铸坯的断面尺寸在保证钢材性能、质量的前提下，尽量接近最终钢材断面的形状、尺寸。模铸、传统连铸、薄板坯连铸和薄带坯连铸工艺过程对比钢液铸锭均热初轧加热热粗轧热精轧冷轧模铸········传统连铸·····薄板坯连铸···薄带连铸··工艺生产工序目前，薄板坯连铸技术已经进入工业化生产，而大多数薄带坯连铸技术仍主要处于实验室研究阶段，一些技术难点和缺陷还有待进一步解决。日本预测，到2020年，在连铸技术领域，传统连铸占40％，薄板坯连铸占50％，薄带坯连铸占10％。目前发展状况:近终形连铸的优点可省去开坯、初轧，甚至可免去整个热轧工序，使设备投资和过程能耗大为降低；因断面尺寸接近成品，总轧制变形量减小，减少了机架数量，进而降低基建投资。应用薄板坯连铸生产热轧带钢，已使生产带卷的成本大大降低，正在研究中的薄带连铸的工业应用，将会带来进一步的革命性变化，这其中之一将是取消热连轧机组。薄板坯连铸薄板坯连铸是介于传统连铸和薄带连铸之间的一种工艺。世界上第一台薄板坯连铸机于1989年在美国Nucor公司的Crawfordsville工厂投产。进入90年代以来，薄板坯连铸连轧工艺迅猛发展。除德国西马克和德马克公司开发的CSP和ISP技术进展很快外，奥钢联开发的Controll技术、意大利达涅利公司开发的FTSC技术、美国蒂平斯公司和韩国三星重工公司共同开发的TSP技术都陆续被采用，各种技术在竞争中发展迅速。北京钢铁研究总院也研制了我国第一台薄板坯连铸机，安装在兰州钢铁集团公司。1999年8月26日，我国引进的第一条薄板坯连铸连轧生产线（CSP）在广州珠江钢铁有限责任公司投产。整个生产过程采用计算机控制，从废钢入炉到热轧成板只需2.5h，与需要28h的传统工艺相比，具有明显的竞争优势。薄板坯连铸连轧工艺生产带钢的成本（从钢水到热带）较传统工艺约低50美元/吨。铝合金哈兹列特连铸连轧工艺一:工艺背景二:国内外研究现状及发展趋势哈兹列特工艺特点哈兹列特工艺研究现状及发展趋势车身板研究现状及发展趋势一:工艺背景•铝加工工业的发展,铝材市场需求增大.产能产量迅猛增加.产业结构性矛盾突出.节能降耗形式严峻.•哈兹列特工艺.节能、减排，有利于可持续发展.加快我国铝加工业的技术进步和产业结构升级。•车身铝合金化,减轻汽车自重.提高燃油效率,减少污染.有利于缓解能源,环保,安全三大问题.•降低成本.提高性能.返回全国年度原铝(电解铝)产量(万吨)29.689.2330.81255.902004006008001000120014001978199020002007万吨从1978年的29.6万吨,2007年增加到1255.9万吨,年均递增13.8%,连续七年位居第一全国年度铝材产量(万吨)10.5639.38217.151175.902004006008001000120014001978199020002007万吨1978年铝材产量仅10.56万吨,1990年39.38万吨,2000年217.15万吨,2007年1175.9万吨.自2006年起世界第一•我国铝加工业存在中低端铝板带材产品过多，生产能力相对过剩，产品竞争激烈，企业效益空间相对变小的局面。而高附加值、高技术含量的高端铝板带材如电子工业用电子铝箔、罐用深冲铝板、汽车、飞机用铝板等，由于技术上的原因仍主要依赖进口，严重制约了我国相关产业的发展。•2007年4月，国家发展改革委发布《能源发展“十一五”规划》。单位国内生产总值能耗降低20％左右、主要污染物排放总量减少10％。•2007年6月3日新华社受权发布《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》。•2008年４月１日起施行《中华人民共和国节约能源法》,使节约资源成为我国基本国策。•利用高效节能新技术哈兹列特连铸连轧工艺,通过优化成分,热处理退火轧制工艺,研究开发低成本高性能的铝合金车身板生产工艺.达到节能降耗、降低成本、提高板材质量、缩短交货期、提高产品竞争力的目的。二.国内外研究现状及发展趋势•2.1.哈兹列特工艺特点•2.2.哈兹列特研究现状及发展趋势•2.3.车身板研究现状及发展趋势返回2.1.哈兹列特工艺特点•1.铝板带坯主要生产工艺•直冷铸锭热轧工艺•双辊连续铸轧工艺•哈兹列特连铸连轧工艺返回•2.哈兹列特工艺优势•高产率•节能降耗•减排环保•生产合金产品范围宽•国外已得到广泛应用•惰性气体保护:控制氧化.控制热传输速度.它可以根据Agema扫描系统显示的结果,在钢带宽度方向上改变气体的配方和用量有选择地对冷却速度进行区域性调节.•磁力支撑辊:在钢带的各支撑轴上套上磁力环,采用Nd-Fe-B为主的强磁性材料做磁体以磁化与钢带相接触的翅片,这种磁体不必与钢带紧密贴合便可将钢带紧紧吸靠在支撑辊上,从而可控制钢带与铝水大面积接触时的热变形.•钢带的感应预加热•1.防止钢带进入模腔时发生的冷箍及弯曲和热变形•2.干燥钢带表面的水汽.感应预加热到150°C可很方便地赶掉夹带在钢带表面和永久性涂层中的水汽.•ESPTM涂层:采用永久性Matric涂层,基本采用陶瓷物质,用火焰或等粒子喷涂在钢带表面.根据不同合金固化条件的需要,通过改变涂层厚度,粗糙度,多孔性及化学组分可获得所需的公称固化速率.从而获取合金坯的最佳表面质量.•正在试产的合金预示哈兹列特工艺未来商业生产方向以及巨大的市场潜力和社会效应.诸多实践已证明,哈兹列特工艺已能生产含镁较高(4.5%)的合金和含铜较高的AA2024合金.•3.拓宽合金系新产品的研究与开发4.车身板研究现状及发展趋势•最常用的汽车用铝合金有2xxx,5xxx和6xxx系合金,这些合金板材通常采用铸锭热轧法生产,成本高.•6xxx系Al-Mg-Si合金具有强度和塑性的良好组合，综合性能优，油漆烘烤强化效应好，焊接性能好。但成形性能有待提高.返回•对6000系铝合金的研究1)优化合金成分和各种加工工艺,提高成形性能(添加少量多种合金元素,退火轧制工艺)2)高效节能低成本铝合金板材的开发(哈兹列特工艺)•美国能源部及国家实验室与阿莱锐斯公司一起研发用于汽车的AA5754合金,已被通用汽车公司和福特汽车公司认可,用于制作18种汽车部件.福特汽车公司指出对用哈氏工艺生产的5754车身用结构铝合金板(内板1-3mm,3-3.5%Mg)成形性能和疲劳性能测试,其机械性能接近于直冷铸造热轧工艺•福特公司汽车结构用5754铝合金板哈兹列特工艺和直冷铸锭热轧工艺性能对比钢的薄带连铸作为生产扁平材的近终形连铸技术，带钢连铸工艺生产的钢带较之薄板坯连铸更接近于最终产品的形状，也就是连铸带钢更薄一些。它可将钢水直接浇铸出1～10mm厚的钢带，不经热轧或稍经热轧（1～2个机架），即可进行冷轧，而产品的性能和质量仍可与常规生产的产品相媲美。薄带连铸能大大降低基建投资和生产成本，是当今钢铁工业令人关注的新工艺，也是最热门的研究课题之一。省却热轧而只有带坯连铸和冷轧两大步骤的冷轧带钢生产线于1999年11月在德国克虏伯·蒂森·尼罗斯塔的不锈钢厂投产。随热轧一起省掉的还有退火、酸洗、运输等一系列辅助工序和设备，称之为超短流程生产线。整条机组长75m，带坯宽1050mm～1350mm，厚1.5mm～4.5mm，连铸速度每分钟在100m以上。主要有3种方法：1.单辊连铸2.双辊连铸3.辊带连铸薄带连铸分类单辊连铸单辊法又称为熔－拖法，图1为其工作原理示意图。钢水从中间包流出，直接浇到旋转辊上，由于铸辊的冷却作用使其凝固，形成薄带。薄带产品氩气金属液面内衬中间包喷嘴圆形铸机图1单辊带钢连铸示意图单辊连铸缺点:单面凝固会造成产品内部结构不均匀，且长度方向厚度也可能不均匀。另外，带钢的宽度也不易控制。据报道，生产的高粘度材料，如奥氏体不锈钢和Ni3Al带的表面质量较好，奥氏体不锈钢带的机械性能也与常规产品相当，但普碳钢和硅钢的的质量较差。双辊连铸:双辊连铸又称双辊铸轧，图2为其工作原理示意图。由两个铸辊和端面侧封板构成钢水池，钢水经浸入式浇铸系统控制，送入辊口，薄带坯厚度通过调节辊缝的大小来控制。图2双辊带钢连铸示意图浸入式水口铸辊钢液薄带产品侧封堰双辊连铸其中，两个铸辊的直径可以相等，也可以不等；其轴线布置可以是水平的或倾斜的。根据铸辊直径可以分为等径双辊连铸和异径双辊连铸；根据轴线布置又可分为水平双辊连铸和倾斜双辊连铸。由于双辊连铸实现的是双面冷却，其冷却速率较单辊连铸的大，浇铸的薄带坯厚度可大些。国外的新日铁与三菱重工合作，于1985年开始双辊铸轧不锈钢薄带技术的研究，所建立的铸轧试验机可以生产宽800mm、长1330mm的带卷。生产的带卷表面无裂纹且组织结构均匀，力学性能和抗腐蚀性能达到或超过用传统工艺生产的带钢。他们目前已达到工业试验阶段。此后，澳大利亚的BHP公司、意大利的AST公司、法国的Usinor公司和韩国的浦项钢铁公司也相继进行了双辊铸轧技术的研究，都取得了一定的研究成果。国内东北大学自1958年开始进行薄带钢铸轧方面的研究，在自制的连续铸轧试验机上铸轧出了1～2mm厚、260mm宽的球墨铸铁板和变压器硅钢带。1983年建立了1号异径双辊式铸轧机。1990年3月又建成了2号异径双辊式薄带铸轧机，采用直流电机驱动，速度可调，配有磨辊装