1、第一章 先進制造技術在鋼鐵材料中的應用簡介1.1淺析先進制造技術先進制造技術要把原材料變成市場所需求的產品，需要采用一系列的技術，總稱之為制造技 術。近代制造技術的形成距今大約只有兩百年。18世紀后葉，以蒸汽機和工具機發明為特征的產業革命，開始了機器為主導地位的新紀元，促成了制造企業雛形一工場式生產的出現。20世紀初燃機的發明，引發了制造業的革命，流水生產線和泰勒 式工作制得到了廣泛的應用，并導致了制造技術的過細分工和制造系統的功能分解， 產生了鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、表面保護、機械加工、裝配等制造工藝和裝備。 第二次世界大戰后，微電子技術、計算機技術、自動化技術得到迅速發展，推動了 制造技

2、術向高質量生產和柔性生產的方向發展。自80年代以來，受市場多樣化、個性化的牽引及商業競爭加劇的影響，制造技術進人了面向市場、柔性生產的新階段， 引發了生產模式和管理技術的革命。在這樣的背景下，傳統制造技術與計算機為核 心的信息技術、現代管理技術相結合，形成了先進制造技術。1先進制造技術 AMT(adva need manufacturing tech no logy)是制造業不斷吸收信息技術和現代管理技術的成果并將其綜合應用于產品設計、生產、管理、銷售、使 用、服務乃至回收的制造全過程，以實現優質、高效、低耗、清潔和 靈活生產，提高對動態多變的產品市場的適應能力和競爭能力的制造技術的總稱。 它

3、集成了現代科學技術和工業創新的成果，充分利用了信息技術，使制造技術提高 到新的高度。近年來，隨著科學技術的迅猛發展和學科間的交 叉融合，先進制造技術不斷發展，呈現出一些新的特點和趨勢，新技術、新概念層 出不窮，如并行工程(CE)、敏捷制造(AM)、虛擬制造(VM)、智能制造(IM)、綠色制 造(GM)等都代表了 AMT勺發展方向。2先進制造技術與綜合國力1.121先進制造技術與綜合國力先進制造技術是影響一個國家綜合國力的戰略技術、工業發達國家經濟發展的歷史表明，制造技術的出現和進步，對一個國家的經濟發展和具有重要的影響。第 二次世界大戰后，日本產業技術政策走了一條技術引進一一自主開發一一個性化

4、、 創造性的自主開發一一加強基礎研究的發展道路。七、八十年代，正當美國視制造 業為“夕陽工業”時，日本卻悄悄的把主要力量投人到制造技術上，以致許多由美 國最先發明的技術和產品，卻由日本最先做成了產品，投人市場，取得了重大的經 濟效益和快速的經濟增長，在許多方面的國際競爭力處于首位。先進制造技術也是影響一個國家國防實力的戰略技術，因現代戰爭正向高科技 的方向發展，就必須使國防建設立足于高科技裝備之上。只有采用先進的制造技術、 工藝設備，才能實現國防現代化，提高國防實力。先進制造技術是改造傳統產業的 技術基礎，傳統產業的改造必須依賴先進制造技術與先進的技術裝備。一個國家的 制造業是其經濟發展的支柱

5、、是國民收人的重要來源，無論是工業發達國家還是新 興工業國家，制造業在國民經濟中都處于一個十分重要的地位。采用先進制造技術、 工藝和裝備，改造以機械制造業為代表的我國制造業，是實現其技術升級、進而走 出困境的有利舉措。先進制造技術是高技術實現產業化的接口、橋梁和通道，科技 成果一般要直接通過先進制造技術，或通過先進制造技術、工藝和裝備生產出的技 術裝備才能轉化為生產力，物化為人類可使用的產品。先進制造技術作為高新技術 物化和產業化的接口、橋梁和通道，對高技術產業化的形成、對未來經濟的發展起 著十分重要的作用。31.122我國先進制造技術的發展狀況近10年來，中國先進制造技術在政府的關懷下得到快

6、速發展和重大突破。具體 表現在以下9個方面：a. 計算機輔助設計（CAD）技術普及化。CAD技術得到廣泛的應用，提高了中 國企業整體的設計水平和產品開發能力。以三維CAD和產品數據管理為重 點，在軟件市場和企業應用方面得到充分的發揮。 在三維CAD軟件開發上， 主要表現為：第一代三維CAD軟件及CADXCAM系統紛紛上市、建立了 2D 和3D統一模型，軟件的集成性得到提高與改善，軟件的專業化和本地化 得到加強。b. 快速原型制造技術由起步邁向成熟， 應用初具規模。快速原型制造技術是國外在20世紀80年代中期發展起來的高新技術，包括一切由CAD莫型直 接驅動的快速制造任意復雜形狀三維實體的技術總

7、稱。中國從20世紀90年代期間起步，并取得了突破性的進展。目前已掌握了 4種最主要的快速 成型制造技術，即立體印刷（SLA）、分層實體制造（LOM）、選擇性激光燒 結（SIS）、熔融沉積成形（FDM）技術，并在工藝、裝備、材料方面并舉 發展。采用上述技術的設備國都已商品化生產，投放國 市場并有少量出口。c. 精密成形與加工技術水平顯著提高，在汽車零部件、重大裝配制造中獲得 廣泛應用。精密成形與加工技術是指機械零部件從毛坯成形、零件加工到 裝配成為產品的全過程中，采用近凈成形、近無缺陷成形、超精密和超高 速等多種先進技術，使制造過程精密、高效、低耗，以獲得高 精度、高品質產品的綜合集成技術，近

8、5年來取得重大進展。d. 熱加工工藝模擬優化技術取得重要進展， 使材料熱加工由“技藝”走向“科 學”。熱加工工藝模擬優化技術以材料熱加工過程的精確數學建模和物理 建模為基礎，以數值模擬及相應的精確測試為手段， 能夠在計算機逼真的 擬實環境中動態模擬熱加工過程，預測材料經過成形、改性制成零件毛坯 后的組織性能品質，特別是能找出易發缺陷的成因及消除方法，通過在虛 擬條件下工藝參數的反復比較，得出最優工藝方案，通過模擬優化，可以確保關鍵大件一次制造成功；對于大批量生產的毛坯件，可以減小試模次 數，直至確保一次試模成功。e. 激光加工在基礎研究和技術開發方面有實質性進展，產業應用獲得經濟效 益。在應用

9、基礎研究方面：大功率 CO及YAG激光三維焊接和切割機理 與技術研究已取得重要進展，一是建立了大功率激光光束的傳輸與聚焦理論及加工用激光光束品質的評定方法；二是建立了具有真正實用價值的 激光三維加工數控自動編程。f. 數控技術取得重要進展，國市場占有率有所提高。中國在數控機床共性關 鍵技術攻關、數控機床開發、數控系統和普及型數控機床產業化工程研究、 傳統裝備的數控化改造等方面取得了進展，在一些基礎技術和關鍵技術上有重大突破。開發出PC機為平臺的數控系統，在充分利用計算機高速發 展的硬件技術基礎上提高了軟件開發水平。 在數控系統功能上，解決了多 坐標聯動、遠程數據傳輸及遠程控制、診斷等技術難題。

10、開發了高速主軸 單元、加工中心刀庫和數控車床回轉動力刀架，普及型數控機床整體性能 有了較大提高。g. 現場總線智能儀表研究開發獲重要進展， 應用已有一定的基礎。基于計算機及數字通信技術的工業控制通信網絡技術，即現場總線技術，以及相關的設備及系統技術獲得快速發展，這是未來工業自動化技術和自動化控制 技術的重要發展方向。h. 現代集成制造系統研究和應用取得突破，在國際上已占有一席之地。現代 集成制造系統是一種新的制造模式，將信息技術、現代管理技術和制造技 術相結合，并應用于產品生命周期的各個階段，通過信息集成、過程優化及資源優化，實現物流、信息流、價值流的集成和優化運行，達到人與 組織，經營管理和

11、技術三要素的集成優化，以改進產品的開發時間、品 質、成本、服務和環境，從而提高企業的市場應變能力和競爭能力。i. 新生產模式的研究和實踐具有特色，推動了中國制造業的技術進步和管理現代化，并在中國汽車制造業中首先推廣。通過精簡機構、減少管理層次 和消除各種浪現象，顯著提高了企業的經營效益。4先進制造技術的體系結構及其分類目前對先進制造技術的體系結構認識很不統一，下面給出二種先進制造技術的 體系結構以供參考。機械科學研究院（AMST提出的先進制造技術由多層次技術群構 成的體系圖（圖1），強調了從基礎制造技術、新型制造單元技術到先進制造集成技術 的發展過程，也表明了在新型產業及市場需求的帶動之下，在

12、各種高新技術的推動 下先進制造技術的發展過程。先進制造技術所涉及的學科門類多，包含的技術容廣泛。1994年，美國聯邦科學、工程和技術協調委員會將先進制造技術分為三個技術群，即：1）主體技術群；2）支撐技術群；3）管理技術群。國學者在此基礎上進行了改進和充實，將其分為如圖2所示的三大主體技術群和一個支撐技術群。6逼丸隨吏戟炸業:社測脫靈議解鰹捷術fftim設計證術詳 產鬲* 丁藝設計 卄算機輔紂設計工藝過程建樣和仿Jt -工藝規程說計系址L畀集農 工惟殲峻浚計. 快盤嵐形畏術 ©井打討計制造T藝戎術禪 材料生產工藝 加r工藝 就叢和程配 崗試利檢鑒 環煤柱朮 迢it幔技術其恤支桶按忒*

13、工信宜技*:捲門和涌信.數骼零，K班權蟻.枕件工稈. 人工智能，決竜克持煒瞄和幗耗；救窗驚曬.產品定児標雇.工藝標冷* tftfe 如眸.播口框架瞬和工Att術；4被翦和捷制技術管揮枝耒口1罷J說耳用戶膿直冑交互作用人最堆訓fnKflr少全區監督槪星淮評測si時勵鮭imw惦擁觀和純團2先進制崔枝術斷徘丘的學科.技術會喜找術搽骯和劇用1.2我國鋼鐵工業發展現狀1.2.1 20世紀鋼鐵工業回顧中國鋼鐵工業主要成就（1）產量高速發展（2）質量顯著提高（3）品種齊全，基本滿足國需求（4）能耗逐年降低（5）勞動生產率逐步提高（6）環境污染得到治理1.2.1.2 20世紀鋼鐵生產技術的主要進步（1）高爐大

14、型化和噴煤技術（2）純氧轉爐技術（3）連鑄技術的崛起（4）爐外處理技術的發展（5）連軋技術的發展（6）電爐短流程的興起7122 21世紀鋼鐵生產技術的關鍵技術1.2.2.1 煉鐵預計高爐仍將是21世紀最主要的煉鐵方法。但是在環境污染、對燃料的適應性 和生產效率等方面將受到熔融還原等新興工藝技術的嚴峻挑戰。21世紀將發展以下高爐技術：（1）大量噴煤降低焦比（2）長壽技術（3）提高利用系數1.2.2.2 煉鋼21世紀煉鋼生產技術的發展將日臻完善，逐步向純凈化、連續化和高效化方向 發展：（1）高效轉爐生產工藝技術（2）建立大規模生產潔凈鋼的工藝體系（3）高效電爐及短流程生產工藝1.2.2.3 連鑄（

15、1）高效連鑄工藝：是指高拉速、高質量、高作業，是連鑄技術向縱深發展的基礎（2）連鑄連軋技術，是簡化工序、節能降耗、降低生產成本的重大跨世紀鋼鐵生產 技術；1.2.2.4 車L鋼現代加工技術的發展使熱軋產品的尺寸精度和質量得以提高，熱軋產品更多的 代替冷軋產品已成為可能。面向21世紀，軋鋼技術的發展將實施精品戰略，重點開 發以下技術：大斷面高剛度厚板軋機生產技術；冷熱軋板厚、版型在線測量及人工智能控制技術； 型鋼生產中，柔性軋制技術、無孔型平輥軋制技術及切分軋制綜合系統；連軋管竹 節與力減徑頭尾端部壁厚控制技術。環境保護和綜合利用技術（1）各種節能技術冶金生產中主要的節能技術包括： 高爐高煤粉量

16、噴吹技術，以煤代焦； 高速連鑄技術，擴鑄比； 連鑄連軋技術； 廢鋼預熱技術； 鋼水快速加熱、保溫技術； 高性能、高效率加熱噴嘴；廢熱最大限度的回收利用技術： CDC裝置； 燒結機排熱回收裝置； TRT裝置； 高爐干式除塵裝置； 轉爐煤氣回收技術； 熱水、蒸汽的回收利用等。（2）爐渣的綜合利用技術（3）粉塵回收技術122.6冶金自動化近年來，冶金自動化技術取得了巨大的進步。由于自動化系統可以提供高速計 算功能、大容量信心存儲和簡潔的研制開發手段。能方便地實現離線仿真和在線控 制功能，不僅有利于提高現有設備的生產效率，而且促進了新工藝的發展。（1）在線檢測技術的發展（2）過程只能控制技術的發展（3

17、）引入企業部網絡891.321世紀鋼鐵工業的去向鋼鐵材料作為人類社會使用的最主要的結構材料和產量最大的功能材料這種格 局在21世紀前半葉不會有大的改變。其依據是：鐵是地殼中含量較多的元素之一, 地殼中含量最多的元素是氧（以氧化物存在）、硅和鋁，而氧不能作為結構材料使用; 硅太脆，不可能代替鐵；鋁可以作為結構材料，但由于鋁和氧親和力強，其提煉比 鐵困難，所以從地殼構成看，鋼鐵材料的重要性不會改變，除非科學技術出現新的突破；鋼鐵材 料的性能價格 比最好，是所有材料中的首選；鐵材料易于回收利用，有利于實現可持續發展。21世紀全球經濟必將繼續發展。 在科學技術進步的推動下，人類社會對鋼鐵材料的需求亦將

18、繼續增長。二次世界大戰后，全球經濟發展迅速，爾后的十多年間，一部分發達國家進入后工業化階段，一部分國家進入工業化過程，尚有一些國家未步入工業化。完成基礎設施建設的國 家，鋼材需求量下降；處于工業化過程的國家，鋼材需求量增長；總的趨勢使全球 鋼產量在波動中增長。到2030年，世界人口達到85億時，全球鋼產量至少達10億 t。由此可見，鋼鐵工業在 21世紀決非“夕陽工業”。另一方面，21世紀鋼鐵工業 雖然將繼續增長，但面臨的挑戰也是空前嚴峻的。應對挑戰的實質是兩大課題：“如何進一步提高鋼鐵工業競爭力”，“如何減輕鋼鐵工業對地球環境的負荷，將鋼鐵工 業建成為對地球環境友好，以實施可持續發展戰略”。鋼

19、鐵工業的先進制造技術化先進制造技術化長期以來，人們習慣于把機械 電器設備制造業作為制造業，鋼鐵冶煉不算作制 造業。近年來，人們認為，凡加工生產商品的都屬于制造業。按此定義，21世紀 的鋼鐵工業也必須開發新工藝、新產品和新裝備，將鋼鐵生產過程進一步集成優化， 將各個工序逐步改進為用信息技術支撐的全自動的工序單元。只有這樣做，才能進 一步提高效率，改善質量，降低消耗，降低成本，提高鋼鐵工業的總體競爭力。目 前能基本達到這一水平的工序僅局限于某些軋鋼工序，并且與機電制造業相比，在產品質量控制上，還有差距。顯而易見，21世紀鋼鐵工業在與其他材料工業的競爭中要想取得優勢，必須在先進制造技術化方面取得突破

20、。綠色之造化地球環境惡化是21世紀人類社會面臨的最大威脅。為改變這一狀況，全球鋼鐵 工業在減輕環境負荷方面所面臨的壓力必然愈來愈大。對全球鋼鐵工業來講，要減 輕地球環境負荷，必須實施污染的末端治理與源頭治理并舉的方針，并把治理重點由末端移至源頭。排放無害化是環境保護的最低要求。制造過程中排放物 的再資 源化、再能源化及減少排放，是實現鋼鐵工業綠色制造重點（見圖 3）胖源的優化、舉 戰坊創新 賽源卜j能I源消隹的J制造過種屮排枚物的再KKfc再能源応打無害化處理隊塵及塵泥利用少at廢渣廢水 廢氣排投達標二次蚪 供能源廠區住氣 貞!ft込杯圖3綠色創鐵制辺工廠壞境負荷示意圖132鋼鐵生產的前沿技術

21、熔融還原煉鐵法立足于非焦煤的煉鐵新方法能解決當今鋼鐵工業發展面臨的焦煤匱乏和環境污 染兩大難題，并能省略煉焦和燒結工序，縮短工藝流程，具有降低基建投資和生產 成本、增強生產靈活性提高鐵水質量等優點。近終形連鑄連軋技術厚2090mn薄板坯連鑄和1.55mm薄帶連鑄被人們稱為近終形狀澆注技術。由 于省去部分或全部熱軋，被認為是新一代連鑄技術，主要優點有：(1)生產周期短(2)節能降耗，流程短(3)生產成本低(4)節省投資近終形連鑄技術有望成為跨世紀板帶生產的主流，世界各國都投入大量的人力、財力競相開發。半凝固加工工藝半凝固加工對提高金屬材料的質量和功能起著很大的作用，和熔融還原法并列 為鋼鐵業21

22、世紀重大技術。半凝固加工工藝是把鑄造工序和加工工序綜合在一起的 金屬成型新方法。其發展前景非常廣闊，目前科研工作者正在探索的半凝固加工工藝有：機械攪拌法、電磁攪拌法和粘鑄法等。1.324無污染冶金企業人類為了生存和持續發展，保護環境將是 21世紀中最重要的任務。作為重要污 染源的冶金企業應成為無污染工廠。采取高品位、高質量的清潔原材料和能源，選 擇無污染和少污染的替代產品，減少廢物的排放，即以最少量的投入得到最高的產 出和最少的污染。先進、高效的清潔生產工藝及其技術裝備，對生產過程中的廢水、 廢氣、粉塵等排泄物進行清潔處理，實現有害物質的零排放。加強生產過程中煤氣 回收，各種廢氣、廢渣和熱錠坯的預熱利用等，最大限度提高能源利用率。所以， 未來的冶金企業應當是零污染，資源百分之百