北京科技大學(xué)材料學(xué)院生產(chǎn)實習(xí)調(diào)研報告

1、生產(chǎn)實習(xí)調(diào)研報告題目： 一般金屬材料生產(chǎn)過程熱加工專題調(diào)研報告學(xué)院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)： 材料科學(xué)與工程 姓名： 學(xué)號： 410300xx 指導(dǎo)老師： XX X 摘要金屬材料是現(xiàn)今社會發(fā)展的支柱性材料，也是現(xiàn)今國家工業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)量最大的一種材料，金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。金屬材料的性能主要分為四個方面，即：機(jī)械性能、化學(xué)性能、物理性能、工藝性能。機(jī)械性能又包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性?；瘜W(xué)性能包括：金屬的抗蝕性、抗氧化性（又稱作氧化抗力，這是特別指金屬在高溫時對氧化作用的抵抗能力或者說穩(wěn)定性），以及不同金屬之間、金屬與非金屬之間形成的化合物對機(jī)械性能的影響等等。

2、物理性能主要指：密度、熔點、熱膨脹系數(shù)、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等。工藝性能指：切削加工性能、可鍛性、可鑄性、可焊性。金屬材料的上述性能與其生產(chǎn)過程有著密切的聯(lián)系，生產(chǎn)過程的某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯都會導(dǎo)致金屬材料性能的偏差。此份調(diào)研報告主要著眼于一般金屬材料生產(chǎn)涉及到的冶煉、鍛造、熱加工、冷加工、熱處理、精處理、理化檢驗、成品包裝出廠等工藝以及相關(guān)輔助環(huán)節(jié)的實踐知識，以北京北冶功能材料有限公司為依托，對主要的金屬生產(chǎn)加工設(shè)備進(jìn)行一定程度上的了解。在實際生產(chǎn)實習(xí)之前完成相關(guān)理論的調(diào)查研究，包括金屬冶煉設(shè)備、原理、技術(shù)細(xì)節(jié)；金屬鑄錠的鍛造過程、設(shè)備及技術(shù)指標(biāo)，；熱軋過程的技術(shù)控制、設(shè)備運作；冷加工板帶加工技術(shù)，設(shè)

3、備；熱處理技術(shù)原理及過程控制，精加工方法及技術(shù)，物理性能檢測方法及設(shè)備、化學(xué)檢驗方法及設(shè)備。在報告中還將加入，北京北冶功能材料有限公司的六個主要車間班組（一車間（冶煉）；二車間（鍛造、熱軋）；三車間（冷軋、熱處理）；鐵芯生產(chǎn)車間；物理檢驗；化學(xué)檢驗。）的前期資料調(diào)研情況，為進(jìn)入北冶進(jìn)行實地生產(chǎn)實習(xí)做必要的前期準(zhǔn)備。本調(diào)研報告涵蓋各個主要的金屬生產(chǎn)加工流程，其中將以熱加工為主進(jìn)行詳細(xì)闡述。包括熱加工的熱處理、熱軋、鍛造及其相關(guān)設(shè)備的調(diào)研情況。熱加工是冷加工及其后續(xù)工作的必經(jīng)階段，對加工金屬的性能有直接的決定性作用。因此，對熱加工進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查研究有很重要的意義。關(guān)鍵詞：煉鋼 再結(jié)晶 鍛造 熱軋

4、退火 淬火 回火 正火 焊接 軋制機(jī) 北冶目錄1.冶煉工藝概述 熱加工之前的階段41.1煉鐵的基本過程41.2煉鋼的基本任務(wù)41.3感應(yīng)加熱原理41.4真空感應(yīng)熔煉41.5電渣重熔：52.熱加工52.1熱加工的概念52.2熱加工的主要工藝流程52.2.1鍛造62.2.2熱軋72.2.3鋼錠加熱92.2.4熱處理102.2.5去氧化皮和缺陷112.2.6鋼帶卷取122.2.7其它熱加工手段123.焊接的簡介133.1焊接定義133.2焊接方法134.北冶的熱加工車間134.1熱加工車間主要設(shè)備135.總結(jié)141.冶煉工藝概述 熱加工之前的階段1.1煉鐵的基本過程煉鐵工藝是以含鐵礦石為主要原料，以

5、焦炭、煤為主要能源，生產(chǎn)煉鋼主原料生鐵（或鐵水），并生產(chǎn)部分鑄造生鐵和鐵合金的過程。煉鋼工藝是將鐵水、直接還原鐵或廢鋼（鐵）經(jīng)加熱、熔化，通過化學(xué)反應(yīng)去除金屬液中的有害雜質(zhì)元素，配加合金并澆鑄成半成品鑄坯的過程。1.2煉鋼的基本任務(wù)煉鋼的基本任務(wù)即為四脫二去一化，“四脫”（脫碳、氧、磷和硫），“二去”（去氣和去夾雜），“一化”（合金化）采用的主要技術(shù)手段為供氧、造渣、升溫、加脫氧劑和合金化操作。1.3感應(yīng)加熱原理感應(yīng)加熱原理主要是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和電流熱效應(yīng)的焦耳楞次定律1.4真空感應(yīng)熔煉通過改變外界壓力對冶金過程中諸多化學(xué)反應(yīng)中有氣相參加的反應(yīng)產(chǎn)生影響，當(dāng)反應(yīng)生成物中的氣體摩爾數(shù)大于反

6、應(yīng)物中的氣體摩爾數(shù)，減小系統(tǒng)的壓力（即增加真空度）則可以使平衡反應(yīng)向著增加氣態(tài)物質(zhì)的方向移動，促使反應(yīng)進(jìn)行的更完全。1.5電渣重熔：電渣重熔是利用爐渣作為電阻和提純劑，熔渣和鋼液的精煉及鋼錠結(jié)晶都在一個水冷結(jié)晶器中進(jìn)行從而可控制鋼錠結(jié)晶的一種冶金方法右圖為北冶電渣重熔工作圖片。2.熱加工2.1熱加工的概念把高于金屬再結(jié)晶溫度的加工叫熱加工。熱加工是相對于機(jī)械加工而言的，一般是在較高的溫度下將金屬軟化或熔化處理后再冷卻至常溫的成形技術(shù)，常見的是凝固成形（鑄造）、連接技術(shù)（焊接）和塑性成形（鍛壓和沖壓）。熱加工可分為金屬鑄造、熱扎、鍛造、焊接和金屬熱處理等工藝。金屬材料熱加工過程是極其復(fù)雜的高溫、

7、動態(tài)、瞬時過程，難以直接觀察。在這個過程中，材料經(jīng)液態(tài)流動充型、凝固結(jié)晶、固態(tài)流動變形、相變和再結(jié)晶等多種微觀組織變化及缺陷的產(chǎn)生與消失等一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)、冶金變化而最后成為毛坯或構(gòu)件。2.2熱加工的主要工藝流程熱加工的主要工序為：鋼錠加熱爐加熱到再結(jié)晶溫度以上通過鍛造（自由鍛或連鑄等）鍛造熱軋坯在熱軋機(jī)上熱軋打卷機(jī)打卷放置冷卻得到熱軋帶坯。2.2.1鍛造鍛造是利用鍛壓機(jī)械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械 性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。鍛造按成形方法可分為：自由鍛和模鍛。自由鍛：利用沖擊力或壓力使金屬在上下兩個砧塊間產(chǎn)生自由變形以獲得所需鍛件，主要有手工鍛造和

8、機(jī)械鍛造兩種，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器自由鍛已成為鍛造生產(chǎn)的主要方法。自由鍛造的基本工序包括鐓粗、拔長、沖孔、切割、彎曲、扭轉(zhuǎn)、錯移及鍛接等。自由鍛造所用工具和設(shè)備簡單，通用性好，成本低。生產(chǎn)工藝靈活，在特別適于單件、小批量和大型鍛件的生產(chǎn)。同鑄造毛坯相比，自由鍛消除了縮孔、縮松、氣孔等缺陷，使毛坯具有更高的力學(xué)性能。同樣，自由鍛也有自身的缺陷：容易產(chǎn)生裂紋、末端凹陷和軸心裂紋、折疊。左圖為10MN快速鍛造機(jī)。模鍛：在專用模鍛設(shè)備上利用模具使毛坯成型而獲得鍛件的鍛造方法。此方法生產(chǎn)的鍛件尺寸精確，加工余量較小，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜生產(chǎn)率高。模鍛分為錘上模鍛，曲柄壓力機(jī)模鍛，平鍛機(jī)模鍛，摩擦壓力機(jī)模鍛等

9、。2.2.2熱軋軋鋼是指鋼坯加熱到一定溫度后，軋機(jī)對鋼坯進(jìn)行壓力加工，獲得需要的形狀規(guī)格和性能的過程。熱軋是相對于冷軋而言的，冷軋是在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的軋制，而熱軋就是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的軋制。上圖為熱軋機(jī)的實物圖片熱軋通常的工序需要經(jīng)過板坯加熱、除磷、粗軋、精軋、卷曲的過程。熱軋的優(yōu)點：（1）熱軋能顯著降低能耗，降低成本。熱軋時金屬塑性高，變形抗力低，大大減少了金屬變形的能量消耗。（2）熱軋能改善金屬及合金的加工工藝性能，即將鑄造狀態(tài)的粗大晶粒破碎，顯著裂紋愈合，減少或消除鑄造缺陷，將鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃谓M織，提高合金的加工性能。（3）熱軋通常采用大鑄錠，大壓下量軋制，不僅提高了生產(chǎn)效率，

10、而且為提高軋制速度、實現(xiàn)軋制過程的連續(xù)化和自動化創(chuàng)造了條件熱軋的缺點：（1）經(jīng)過熱軋之后，鋼材內(nèi)部的非金屬夾雜物（主要是硫化物和氧化物，還有硅酸鹽）被壓成薄片，出現(xiàn)分層（夾層）現(xiàn)象。分層使鋼材沿厚度方向受拉的性能大大惡化，并且有可能在焊縫收縮時出現(xiàn)層間撕裂。焊縫收縮誘發(fā)的局部應(yīng)變時常達(dá)到屈服點應(yīng)變的數(shù)倍，比荷載引起的應(yīng)變大得多。（2）不均勻冷卻造成的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是在沒有外力作用下內(nèi)部自相平衡的應(yīng)力，各種截面的熱軋型鋼都有這類殘余應(yīng)力，一般型鋼截面尺寸越大，殘余應(yīng)力也越大。殘余應(yīng)力雖然是自相平衡的，但對鋼構(gòu)件在外力作用下的性能還是有一定影響。如對變形、穩(wěn)定性、抗疲勞等方面都可能產(chǎn)生不利的作

11、用。（3）熱軋不能非常精確地控制產(chǎn)品所需的力學(xué)性能，熱軋制品的組織和性能不能夠均勻。其強(qiáng)度指標(biāo)低于冷作硬化制品，而高于完全退火制品;塑性指標(biāo)高于冷作硬化制品，而低于完全退火制品。（4）熱軋產(chǎn)品厚度尺寸較難控制，控制精度相對較差;熱軋制品的表面較冷軋制品粗糙Ra值一般在0.51.5m。因此，熱軋產(chǎn)品一般多作為冷軋加工的坯料。2.2.2.1軋機(jī)簡介在帶鋼熱軋機(jī)上生產(chǎn)厚度為1.28mm成卷熱軋帶鋼的工藝。帶鋼寬度600mm以下稱為窄帶鋼；超過600mm的稱為寬帶鋼。第一臺帶鋼熱連軋機(jī)于1905年在美國投產(chǎn)，生產(chǎn)寬 200mm的帶鋼。帶鋼熱軋機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越，發(fā)展很快。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，1950年以

12、前熱軋寬帶鋼的產(chǎn)量約占鋼材總產(chǎn)量的25%,70年代已達(dá)50%左右。熱軋帶鋼的原料是連鑄板坯或初軋板坯，厚度為130300mm。板坯在加熱爐中加熱后,送到軋機(jī)上軋成厚1.0025.4mm的帶鋼，并卷成鋼卷。軋制的鋼種有普通碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和硅鋼等。其主要用途是作冷軋帶鋼、焊管、冷彎和焊接型鋼的原料；或用于制作各種結(jié)構(gòu)件、容器等。帶鋼熱軋機(jī)由粗軋機(jī)和精軋機(jī)組成。粗軋機(jī)組分半連續(xù)式、3/4連續(xù)式和全連續(xù)式三種:半連續(xù)式有一臺破鱗（去掉氧化鐵皮）機(jī)架和 1臺帶有立輥的可逆式機(jī)架；3/4連續(xù)式則除上述機(jī)架外，還有2臺串列連續(xù)布置機(jī)架；全連續(xù)式由67臺機(jī)架組成。精軋機(jī)組均由57臺連續(xù)布置的機(jī)架和卷取

13、機(jī)組成。帶鋼熱軋機(jī)按軋輥輥身長度命名,輥身長度在914mm以上的稱為寬帶鋼軋機(jī)。精軋機(jī)工作輥輥身長度為1700mm的，稱為1700mm帶鋼熱軋機(jī)，這種軋機(jī)能生產(chǎn)1550mm寬的帶鋼卷。帶鋼熱軋按產(chǎn)品寬度和生產(chǎn)工藝有四種方式：寬帶鋼熱連軋、寬帶鋼可逆式熱軋、窄帶鋼熱連軋以及用行星軋機(jī)熱軋帶鋼。2.2.3鋼錠加熱使鋼錠獲得能滿足熱加工所需的溫度并使之內(nèi)外均勻的工序。鋼錠的加熱溫度，一般指出爐溫度，通常要比熱加工開始溫度略高，因鋼錠從爐子到加工設(shè)備存在溫降。鋼錠加熱的目的是使鋼錠具有足夠的塑性，降低軋制時的變形抗力，減少軋制能耗，改善內(nèi)部組織，消除鑄錠帶來的成分，組織，應(yīng)力的不均勻性。在軋鋼生產(chǎn)中，

14、用作加熱的主要設(shè)備有兩類，即均熱爐和各種形式的連續(xù)式加熱爐。鋼錠加熱過程主要有兩個階段：1）加熱階段(包括低溫加熱及高溫加熱)，將鋼錠表面溫度提高到出爐溫度；2)均熱階段，使鋼錠內(nèi)外溫度均勻化。由于鋼錠斷面大，均熱階段顯得更突出。鋼錠的加熱制度主要是指加熱溫度、加熱速度和加熱時間。當(dāng)鋼錠的加熱制度不合理時，會產(chǎn)生大量氧化鐵皮、脫碳、過熱、過燒以及過大的內(nèi)應(yīng)力等缺陷使鋼錠質(zhì)量惡化，造成廢品。2.2.3.1加熱溫度加熱溫度是指鋼料在爐內(nèi)加熱完畢出爐時的表面溫度。確定鋼的加熱溫度不僅要根據(jù)鋼種的性質(zhì)，而且還要考慮到加工的要求，以獲得最佳的塑性，最小的變形抗力，從而有利于提高軋制的產(chǎn)量、質(zhì)量，降低能耗

15、和設(shè)備磨損。實際生產(chǎn)中加熱溫度主要由以下兩方面來確定。加熱溫度的上限和下限（鐵碳相圖確定）加熱溫度與軋制工藝的關(guān)系如軋制薄鋼帶時為滿足產(chǎn)品厚度均勻的要求，比軋制厚鋼帶時的加熱溫度要高一些。2.2.3.2加熱溫度加熱速度指單位時間內(nèi)鋼錠表面溫升程度.加熱速度越快，爐子生產(chǎn)能力越高，燃料消耗和金屬燒損相對就少。2.2.3.3加熱時間加熱時間指鋼錠加熱到出爐溫度所需時間，它包括預(yù)熱、加熱和均熱三段時間的總和。確定加熱時間的方法，可按傳熱學(xué)理論計算，或用經(jīng)驗公式、試驗圖表等來確定。理論計算法由于計算復(fù)雜，且與實際有差距，在生產(chǎn)中很少采用。經(jīng)驗公式或圖表法雖然使用方便，但有一定局限性，也只能作為估算使用

16、。2.2.4熱處理熱處理是將金屬材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內(nèi)部的金相組織結(jié)構(gòu),來控制其性能的一種金屬熱加工工藝。熱處理用于改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善鋼的性能，提髙鋼的機(jī)械性能，還可進(jìn)一步提高金屬材料的性能，充分發(fā)揮材料性能的潛力。恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳梢韵T、鍛、焊等熱加工工藝造成的各種缺陷，細(xì)化晶粒、消除偏析、降低內(nèi)應(yīng)力，使鋼的組織和性能更加均勻。因此，大部分機(jī)器零件都要進(jìn)行熱處理。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。退火：將金屬和合金加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻，達(dá)到將金屬軟化的作用改善切削加工性；消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少

17、變形與裂紋傾向；細(xì)化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷。正火：將鋼材或鋼件加熱到Ac3或Acm(Acm是實際加熱中過共析鋼完全奧氏體化的臨界溫度線 )以上3050，保溫適當(dāng)?shù)臅r間后，在靜止空氣中冷卻，使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化，去除材料的內(nèi)應(yīng)力，降低材料的硬度。正火與退火的不同點是正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快，因而正火組織要比退火組織更細(xì)一些，其機(jī)械性能也有所提高。淬火： 鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體1化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。通常也將鋁

18、合金、銅合金、鈦合金、鋼化玻璃等材料的固溶處理或帶有快速冷卻過程的熱處理工藝稱為淬火。淬火的目的是使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學(xué)性能?；鼗穑簩⒔?jīng)過淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度的適當(dāng)溫度，保溫一段時間后在空氣或水、油等介質(zhì)中冷卻的金屬熱處理工藝。或?qū)⒋慊鸷蟮暮辖鸸ぜ訜岬竭m當(dāng)溫度，保溫若干時間，然后緩慢或快速冷卻。一般用以減低或消除淬火鋼件中的內(nèi)應(yīng)力，或降低其硬度和強(qiáng)度，以提高

19、其延性或韌性。 立式光亮退火爐 加熱爐2.2.5去氧化皮和缺陷機(jī)械加工方法清理：用車、銑、刨等機(jī)械加工方式清理鋼坯表面缺陷的方法。機(jī)械方法清理的特點是：一般用在清理貴重鋼坯以及表面質(zhì)量要求嚴(yán)格的鋼坯。這種方法清理徹底，切屑可回收，但生產(chǎn)率低，金屬損失多，成本較高。2.2.6鋼帶卷取熱軋完畢后將鋼帶打卷，以便運輸?shù)倪^程稱之為卷取。2.2.7其它熱加工手段熱切割：利用集中熱能使材料熔化并分離的方法。由于熱切割與焊接有直接關(guān)系，兩者所用熱源設(shè)備相同，且熱切割常用作焊接前的焊件下料和接頭坡口加工， 因而通常將熱切割歸并在焊接技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)。主要包括氣割，電弧切割，等離子弧切割，激光切割四種，與熔焊關(guān)系緊密。熱噴涂：將熔融狀態(tài)的噴涂材料，通過高速氣流使其霧化噴射在零件表面上，形成噴涂層的一種金屬表面加工方法。3.焊接的簡介3.1焊接定義 焊接焊接是被焊工件的材質(zhì)（同種或異