1、第一章先進(jìn)制造工藝在鋼鐵材料中的使用簡介1.1淺析先進(jìn)制造工藝先進(jìn)制造工藝傳統(tǒng)的機械制造工藝是以機械制造中的工藝問題為研究對象的一門使用性制造技術(shù)學(xué)科。所謂工藝，是使各種原材料、半成品成為產(chǎn)品的方法和過程；而機械制造工藝是指各種機械的制造方法和過程的總稱。所謂制造技術(shù)學(xué)科，就是在深入了解實際的基礎(chǔ)上，利用各種基礎(chǔ)理論知識，經(jīng)過實事求是分析、對比，找出客觀規(guī)律，解決面臨的工藝問題的學(xué)科。機械制造工藝的內(nèi)容極其廣泛，它包括零件的毛胚制造、機械加工、熱處理、產(chǎn)品的裝配以及先進(jìn)制造技術(shù)等。機械制造工藝基礎(chǔ)的研究對象主要是機械加工和產(chǎn)品裝配兩大部分。機械制造工藝基礎(chǔ)設(shè)計的行業(yè)五花八門，產(chǎn)品的品種成千上萬

2、，但是機械制造工藝基礎(chǔ)所研究的問題可歸結(jié)為質(zhì)量、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性三大類。1隨著越來越激烈的市場競爭，制造業(yè)的經(jīng)營戰(zhàn)略不斷發(fā)生變化，生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量、市場響應(yīng)速度響應(yīng)成為企業(yè)的經(jīng)營目標(biāo)。為此，要求機械制造工藝必須適應(yīng)這種變化，促使一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、潔凈和靈活的制造工藝的形成。因而，先進(jìn)制造工藝是在不斷變化和發(fā)展的傳統(tǒng)機械制造基礎(chǔ)上主編形成的一種制造工藝技術(shù)，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和傳統(tǒng)工藝高新技術(shù)化的結(jié)果。先進(jìn)制造工藝是先進(jìn)制造技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，一個國家的制造工藝技術(shù)水平的高低，在很大程度上決定了其制造業(yè)在國際市場的競爭力。2先進(jìn)制造工藝和綜合國力1.121先進(jìn)制造工藝和綜合國力先進(jìn)制造

3、工藝是影響一個國家綜合國力的戰(zhàn)略技術(shù)、工業(yè)發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟發(fā)展的歷史表明，制造工藝的出現(xiàn)和進(jìn)步，對一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和具有重要的影響。第二次世界大戰(zhàn)后，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)政策走了一條技術(shù)引進(jìn)一一自主開發(fā)一一個性化、創(chuàng)造性的自主開發(fā)一一加強基礎(chǔ)研究的發(fā)展道路。七、八十年代，正當(dāng)美國視制造業(yè)為“夕陽工業(yè)”時，日本卻悄悄的把主要力量投人到制造技術(shù)上，以致許多由美國最先發(fā)明的技術(shù)和產(chǎn)品，卻由日本最先做成了產(chǎn)品，投人市場，取得了重大的經(jīng)濟效益和快速的經(jīng)濟增長，在許多方面的國際競爭力處于首位。先進(jìn)制造工藝也是影響一個國家國防實力的戰(zhàn)略技術(shù)，因現(xiàn)代戰(zhàn)爭正向高科技的方向發(fā)展，就必須使國防建設(shè)立足于高科技裝備之上。只有采

4、用先進(jìn)的制造技術(shù)、工藝設(shè)備，才能實現(xiàn)國防現(xiàn)代化，提高國防實力。先進(jìn)制造工藝是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造必須依賴先進(jìn)制造工藝和先進(jìn)的工藝裝備。一個國家的制造業(yè)是其經(jīng)濟發(fā)展的支柱、是國民收人的重要來源，無論是工業(yè)發(fā)達(dá)國家還是新興工業(yè)國家，制造業(yè)在國民經(jīng)濟中都處于一個十分重要的地位。采用先進(jìn)制造技術(shù)、工藝和裝備，改造以機械制造業(yè)為代表的我國制造業(yè)，是實現(xiàn)其技術(shù)升級、進(jìn)而走出困境的有利舉措。先進(jìn)制造工藝是高技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的接口、橋梁和通道，科技成果一般要直接通過先進(jìn)制造技術(shù)，或通過先進(jìn)制造技術(shù)、工藝和裝備生產(chǎn)出的技術(shù)裝備才能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，物化為人類可使用的產(chǎn)品。先進(jìn)制造工藝作為高新技術(shù)物化

5、和產(chǎn)業(yè)化的接口、橋梁和通道，對高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的形成、對未來經(jīng)濟的發(fā)展起著十分重要的作用。31.122我國先進(jìn)制造工藝的發(fā)展?fàn)顩r先進(jìn)制造工藝具有直接的推廣價值和廣闊的使用前景，是最活躍的前沿研究領(lǐng)域。先進(jìn)制造工藝發(fā)展表現(xiàn)在如下幾個方面：a. 制造加工精度不斷提高。隨著制造工藝技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，機械制造加工精度得到不斷提高。18世紀(jì)，加工第一臺蒸汽機所用的汽缸鏜床，其加工精度為1mm；19世紀(jì)，機械制造精度也僅為0.05mm；20世紀(jì)，由于能夠測量0.001mm千分尺和光學(xué)比較儀的問世，使加工精度向微米過渡；20世紀(jì)50年代末，實現(xiàn)了微米級的精度；在最近的一二十年時間內(nèi)，精度又提高了12個數(shù)量級。預(yù)

6、計在不遠(yuǎn)的將來，課實現(xiàn)原子級的加工和測量。b. 切削加工速度迅速提高。隨著刀具材料的發(fā)展和變革，在近一個世紀(jì)內(nèi)，切削加工速度提高了100倍數(shù)百倍。在20世紀(jì)前，切削刀具是以碳素鋼作為刀具材料，由于其耐熱溫度低于200°C，所允許的切削速度不超過10m/min；20世紀(jì)初，出現(xiàn)了高速鋼，耐熱溫度達(dá)到550E，課允許的切削速度為30m/min40m/min；到了20世紀(jì)30年代，硬質(zhì)合金開始得到使用，刀具的耐熱溫度達(dá)到800T1000C，切削速度很快提高到數(shù)百米、米。隨后，相繼使用了陶瓷刀具、金剛石刀具和立方氮化硼刀具，切削速度進(jìn)一步提高。C.新型工程材料的使用推動了制造工藝的進(jìn)步和變革

7、。超硬材料、超塑材料、高分子材料、復(fù)合材料、工程陶瓷、非晶和微晶合金、功能材料等新型材料的發(fā)展和使用，對制造工藝提出了新的挑戰(zhàn)：一方面迫使在通常加工工藝方法中要不斷改善刀具材料的切削性能，改進(jìn)機械加工制造設(shè)備，使之滿足新材料的機械加工要求；另一方面探求使用更多的物理、化學(xué)、材料科學(xué)的現(xiàn)代知識來開發(fā)新型的制造工藝，以便更有效地適應(yīng)新型工程材料的加工。近幾十年來發(fā)展了一系列特種加工工藝方法，如電火花加工、點解加工、超聲波加工、電子束加工、離子束加工和激光加工等。d. 自動化和數(shù)字化工藝裝備的發(fā)展提高了機械加工的效率。由于微電子、計算機、自動檢測和控制技術(shù)和制造工藝裝備相結(jié)合，使工藝裝備實現(xiàn)了從單機

8、到系統(tǒng)、從剛性到柔性、從簡單到復(fù)雜等不同檔次的多種自動化轉(zhuǎn)變，使工藝過程的檢測和控制方式和手段發(fā)生了質(zhì)的變化，可以使整個工藝過程和工藝參數(shù)得到實時的優(yōu)化，大大提高了加工制造的效率和質(zhì)量。零件毛胚成型在向少無余量發(fā)展。零件毛胚成形是機械制造的第一道工序，有鑄造、鍛造、沖裁、焊接和軋制等常用工藝、隨著人們對人類生存資源的節(jié)省和保護(hù)意識的提高，要求零件毛胚成形精度向少、舞余量方向發(fā)展。因而出現(xiàn)了熔模精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷溫擠壓、精密焊接和精密切割等新工藝。e. 優(yōu)質(zhì)清潔表面工程技術(shù)的形成和發(fā)展。表面工程技術(shù)是通過表面涂覆、表面改性、表面加工以及表面復(fù)合處理，來改變零件表面的形態(tài)、化學(xué)成分和

9、組織結(jié)構(gòu)，以獲得和基體材料不同性能要求的一項使用技術(shù)。進(jìn)幾十年來，出現(xiàn)了如電刷鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、熱噴涂、化學(xué)熱處理、激光表面處理、離子注入等一系列先進(jìn)表面處理技術(shù)。46先進(jìn)制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)及其分類從先進(jìn)制造工藝的內(nèi)涵和發(fā)展可以清洗地看出，先進(jìn)制造工藝具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、潔凈和靈活5個方面顯著的特點。a.優(yōu)質(zhì)。以先進(jìn)制造工藝加工制造出的產(chǎn)品質(zhì)量高、性能好、尺寸精確、表面光潔、組織致密、舞缺陷雜志、使用性能好、使用壽命和可靠性高。b. 高效。和傳統(tǒng)制造工藝相比，先進(jìn)制造工藝可極大地提高勞動生產(chǎn)率，大大降低了操作者的勞動強度和生產(chǎn)成本。c. 低耗。先進(jìn)制造工藝可大大節(jié)省源材

10、料消耗，降低能耗的消耗，提高了對日益枯竭的自然資源的利用率。d. 潔凈。使用先進(jìn)制造工藝可做到零排放或少排放，生產(chǎn)過程不污染環(huán)境,復(fù)合日益增長的環(huán)境保護(hù)要求。e. 靈活。能快速地對市場和生產(chǎn)過程的變化以及產(chǎn)品設(shè)計內(nèi)容的更改做出反應(yīng)，可進(jìn)行多品種的柔性生產(chǎn)，適應(yīng)多變的產(chǎn)品消費市場需求。1.2我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)鋼鐵工業(yè)回顧中國鋼鐵工業(yè)主要成就（1）產(chǎn)量高速發(fā)展（2）質(zhì)量顯著提高（3）品種齊全，基本滿足國內(nèi)需求（4）能耗逐年降低（5）勞動生產(chǎn)率逐步提高（6）環(huán)境污染得到治理20世紀(jì)鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的主要進(jìn)步（1）高爐大型化和噴煤技術(shù)（2）純氧轉(zhuǎn)爐技術(shù)（3）連鑄技術(shù)的崛起（4）爐外處理技術(shù)的發(fā)展

11、（5）連軋技術(shù)的發(fā)展（6）電爐短流程的興起721世紀(jì)鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)煉鐵預(yù)計高爐仍將是21世紀(jì)最主要的煉鐵方法。但是在環(huán)境污染、對燃料的適應(yīng)性和生產(chǎn)效率等方面將受到熔融還原等新興工藝技術(shù)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。21世紀(jì)將發(fā)展以下高爐技術(shù)：（1）大量噴煤降低焦比（2）長壽技術(shù)（3）提高利用系數(shù)122.2煉鋼21世紀(jì)煉鋼生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展將日臻完善，逐步向純凈化、連續(xù)化和高效化方向發(fā)展：（1）高效轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝技術(shù)（2）建立大規(guī)模生產(chǎn)潔凈鋼的工藝體系（3）高效電爐及短流程生產(chǎn)工藝連鑄（1）高效連鑄工藝：是指高拉速、高質(zhì)量、高作業(yè)，是連鑄技術(shù)向縱深發(fā)展的基礎(chǔ)（2）連鑄連軋技術(shù)，是簡化工序、節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本

12、的重大跨世紀(jì)鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)；軋鋼現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展使熱軋產(chǎn)品的尺寸精度和質(zhì)量得以提高，熱軋產(chǎn)品更多的代替冷軋產(chǎn)品已成為可能。面向21世紀(jì)，軋鋼技術(shù)的發(fā)展將實施精品戰(zhàn)略，重點開發(fā)以下技術(shù)：大斷面高剛度厚板軋機生產(chǎn)技術(shù)；冷熱軋板厚、版型在線測量及人工智能控制技術(shù)；型鋼生產(chǎn)中，柔性軋制技術(shù)、無孔型平輥軋制技術(shù)及切分軋制綜合系統(tǒng)；連軋管竹節(jié)和張力減徑頭尾端部壁厚控制技術(shù)。環(huán)境保護(hù)和綜合利用技術(shù)（1）各種節(jié)能技術(shù)冶金生產(chǎn)中主要的節(jié)能技術(shù)包括： 高爐高煤粉量噴吹技術(shù)，以煤代焦；高速連鑄技術(shù)，擴大連鑄比； 連鑄連軋技術(shù)；廢鋼預(yù)熱技術(shù)； 鋼水快速加熱、保溫技術(shù)；高性能、高效率加熱噴嘴；廢熱最大限度的回收利用技術(shù)

13、： CDQ裝置；燒結(jié)機排熱回收裝置； TRT裝置；高爐干式除塵裝置； 轉(zhuǎn)爐煤氣回收技術(shù)；熱水、蒸汽的回收利用等。（2）爐渣的綜合利用技術(shù)（3）粉塵回收技術(shù)122.6冶金自動化近年來，冶金自動化技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。由于自動化系統(tǒng)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(fā)手段。能方便地實現(xiàn)離線仿真和在線控制功能，不僅有利于提高現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)效率，而且促進(jìn)了新工藝的發(fā)展。（1）在線檢測技術(shù)的發(fā)展（2）過程只能控制技術(shù)的發(fā)展（3）引入企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)891.321世紀(jì)鋼鐵工業(yè)的去向鋼鐵材料作為人類社會使用的最主要的結(jié)構(gòu)材料和產(chǎn)量最大的功能材料這種格局在21世紀(jì)前半葉不會有大的改變。其依據(jù)是：鐵

14、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(jié)構(gòu)材料使用;硅太脆，不可能代替鐵；鋁可以作為結(jié)構(gòu)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(gòu)成看，鋼鐵材料的重要性不會改變，除非科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)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(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。21世紀(jì)全球經(jīng)濟必將繼續(xù)發(fā)展。在科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的推動下，人類社會對鋼鐵材料的需求亦將繼續(xù)增長。二次世界大戰(zhàn)后，全球經(jīng)濟發(fā)展迅速，爾后的十多年間，一部分發(fā)達(dá)國家進(jìn)入后工業(yè)化階段，一部分國家進(jìn)入工業(yè)化過程，尚有一些國家未步入工業(yè)化。完成基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的國家，鋼材需求

15、量下降；處于工業(yè)化過程的國家，鋼材需求量增長；總的趨勢使全球鋼產(chǎn)量在波動中增長。到2030年，世界人口達(dá)到85億時，全球鋼產(chǎn)量至少達(dá)10億t。由此可見，鋼鐵工業(yè)在21世紀(jì)決非“夕陽工業(yè)”。另一方面，21世紀(jì)鋼鐵工業(yè)雖然將繼續(xù)增長，但面臨的挑戰(zhàn)也是空前嚴(yán)峻的。應(yīng)對挑戰(zhàn)的實質(zhì)是兩大課題：“如何進(jìn)一步提高鋼鐵工業(yè)競爭力”，“如何減輕鋼鐵工業(yè)對地球環(huán)境的負(fù)荷，將鋼鐵工業(yè)建成為對地球環(huán)境友好，以實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”。鋼鐵工業(yè)的先進(jìn)制造技術(shù)化131.1先進(jìn)制造技術(shù)化長期以來，人們習(xí)慣于把機械電器設(shè)備制造業(yè)作為制造業(yè)，鋼鐵冶煉不算作制造業(yè)。近年來，人們認(rèn)為，凡加工生產(chǎn)商品的都屬于制造業(yè)。按此定義，21世紀(jì)的

16、鋼鐵工業(yè)也必須開發(fā)新工藝、新產(chǎn)品和新裝備，將鋼鐵生產(chǎn)過程進(jìn)一步集成優(yōu)化，將各個工序逐步改進(jìn)為用信息技術(shù)支撐的全自動的工序單元。只有這樣做，才能進(jìn)一步提高效率，改善質(zhì)量，降低消耗，降低成本，提高鋼鐵工業(yè)的總體競爭力。目前能基本達(dá)到這一水平的工序僅局限于某些軋鋼工序，并且和機電制造業(yè)相比，在產(chǎn)品質(zhì)量控制上，還有差距。顯而易見，21世紀(jì)鋼鐵工業(yè)在和其他材料工業(yè)的競爭中要想取得優(yōu)勢，必須在先進(jìn)制造技術(shù)化方面取得突破。綠色之造化地球環(huán)境惡化是21世紀(jì)人類社會面臨的最大威脅。為改變這一狀況，全球鋼鐵工業(yè)在減輕環(huán)境負(fù)荷方面所面臨的壓力必然愈來愈大。對全球鋼鐵工業(yè)來講，要減輕地球環(huán)境負(fù)荷，必須實施污染的末端治

17、理和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(huán)境保護(hù)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(xiàn)鋼鐵工業(yè)綠色制造重點（見圖3）少凰股潘廢水股代排放達(dá)標(biāo)二次外r供能源卜副產(chǎn)品4-鋼材產(chǎn)品、廠區(qū)住氣質(zhì)鮒達(dá)杯圖3綠色鋼鐵制造工廠壞境負(fù)荷示意圖132鋼鐵生產(chǎn)的前沿技術(shù)熔融還原煉鐵法立足于非焦煤的煉鐵新方法能解決當(dāng)今鋼鐵工業(yè)發(fā)展面臨的焦煤匱乏和環(huán)境污染兩大難題，并能省略煉焦和燒結(jié)工序，縮短工藝流程，具有降低基建投資和生產(chǎn)成本、增強生產(chǎn)靈活性提高鐵水質(zhì)量等優(yōu)點。近終形連鑄連軋技術(shù)厚2090mm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(shù)。由于省去部分

18、或全部熱軋，被認(rèn)為是新一代連鑄技術(shù)，主要優(yōu)點有：/鋼鐵工業(yè)制造流程的憂化、集滋與創(chuàng)新”7低化上持放物的再資源化*再能源化與無害化處理除坐及塵泥利用能源、(1)生產(chǎn)周期短(2)節(jié)能降耗，流程短(3)生產(chǎn)成本低(4)節(jié)省投資近終形連鑄技術(shù)有望成為跨世紀(jì)板帶生產(chǎn)的主流，世界各國都投入大量的人力、財力競相開發(fā)。半凝固加工工藝半凝固加工對提高金屬材料的質(zhì)量和功能起著很大的作用，和熔融還原法并列為鋼鐵業(yè)21世紀(jì)重大技術(shù)。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(fā)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(yè)人類

19、為了生存和持續(xù)發(fā)展，保護(hù)環(huán)境將是21世紀(jì)中最重要的任務(wù)。作為重要污染源的冶金企業(yè)應(yīng)成為無污染工廠。采取高品位、高質(zhì)量的清潔原材料和能源，選擇無污染和少污染的替代產(chǎn)品，減少廢物的排放，即以最少量的投入得到最高的產(chǎn)出和最少的污染。先進(jìn)、高效的清潔生產(chǎn)工藝及其技術(shù)裝備，對生產(chǎn)過程中的廢水、廢氣、粉塵等排泄物進(jìn)行清潔處理，實現(xiàn)有害物質(zhì)的零排放。加強生產(chǎn)過程中煤氣回收，各種廢氣、廢渣和熱錠坯的預(yù)熱利用等，最大限度提高能源利用率。所以，未來的冶金企業(yè)應(yīng)當(dāng)是零污染，資源百分之百利用，廠區(qū)公園化的都市型企業(yè)。101112先進(jìn)制造工藝大力發(fā)展鋼鐵業(yè)鋼鐵業(yè)反應(yīng)了一個國家的綜合國力，經(jīng)濟建設(shè)離不開鋼鐵業(yè)的大力發(fā)展。而我國的整體制造業(yè)和發(fā)達(dá)國家相比，差距很大，主要表