冶金工程与金属材料工程的联合发展

1、 江苏科技大学(College of materials,Jiangsu University of Science and Technology)论文课题：冶金工程与金属材料 工程的联合发展姓名： 陈仕博学号： 1340602405冶金工程与金属材料工程的联合发展陈 仕博（江苏科技大学材料学院 镇江 1340602405 中国） 摘要：本文探索冶金工程与金属材料工程的联系。金属材料工程包括了金属材料的晶体结构、元素组成、显微组织、物理力学性能以及化学性能等。其中，金属材料工程更强调了金属材料的工程化应用特点。而冶金工程，是要告诉你金属（钢铁）是怎样炼成

2、的，强调的是金属材料的冶炼。这样的话，两者的联系就明晰了：冶金工程是金属材料工程的前沿学科，我们可以根据不同的金属材料工程应用特点，选择符合需要的性能特点的冶炼工艺。因为不同冶炼工艺将决定着金属材料的原始性能（出生性能），当然后期还可以通过热处理，表面处理，喷丸等强化工艺或者喷涂工艺等来改善金属材料的性能以达到所需要的技术要求。关键词：冶金工程 金属材料工程 学科交叉联系 发展方向 Joint development of metallurgical engineering and metal material engineering Shibo Chen(College of ma

3、terials, Jiangsu University of Science and Technology ZhenJiang 1340602405 China)Abstract: This paper explores the relationship between metallurgical engineering and metal material engineering. Metal material engineering includes the crystal structure, element composition, microstructure,

4、physical and mechanical properties and chemical properties of the metal materials. Among them, metal materials engineering emphasizes the engineering application characteristics of metal materials. And Metallurgy Engineering, is to tell you how to make metal (iron and steel), the emphasis is the sme

5、lting of metal materials. In this case, the link between the two becomes clear: Metallurgical Engineering is one of the frontier subjects of metal material engineering, we can according to the different metal material engineering application characteristics, in line with the needs of the performance

6、 characteristics of the smelting process. Because different smelting process will determine the metal material of the original performance (born performance), of course, the latter can also be by heat treatment, surface treatment, shot peening strengthening process or spraying process to improve the

7、 performance of metal materials in order to achieve the required technical requirements. Keyworde: Metallurgical Engineering、 Metal material engineering、  Interdi sciplinary contact 、development direction 0 前言为了增进企业、高校、科研院所金属材料与冶金工程工作者的相互交流, 实现金属材料与冶金工程专业理论、工艺、设备在行

8、业发展中的共同繁荣与进步, 金属材料与冶金工程杂志社拟联合中国金属学会材料专业委员会、中南大学、湖南大学、北京科技大学、内蒙古大学和长沙矿冶研究院等单位, 于 2007 年 6 月在内蒙古自治区海拉尔市共同举办首届全国冶金工程与金属材料学术研讨会, 同期将召开首届金属材料与冶金工程理事会会议。会议论文集以 金属材料与冶金工程增刊形式出版。【01】现在，我们已经知道，金属材料工程专业学生主要学习材料科学的基础理论，掌握金属材料及其复合材料的成分、组织结构、生产工艺、环境与性能之间关系的基本规律。通过综合合金设计和工艺设计，提高材料的性能、质量和寿命，并开发新的材料及工艺。专业培养具备金属材料科学

9、与工程等方面的知识，能在冶金、材料结构研究与分析、金属材料及复合材料制备、金属材料成型等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面工作的高级工程技术人才。冶金工程专业是一门研究从矿石中提取有价金属或其化合物并进行加工成有良好使用性能材料的应用性学科，培养的是冶金工程领域科学研究与开发应用、工程设计与实施、技术攻关与技术改造、新技术推广与应用、工程规划与冶金企业管理等方面的专门人才。冶金工程领域是研究从矿石等资源中提取金属或化合物，并制成具有良好的使用性能和经济价值的材料的工程技术领域。尽管“十二五”期间冶金工业淘汰落后产能及结构重组成为重头戏，但置换落后产能以及结构重组必

10、将带来先进产能的建设。2008-2010年，我国黑色金属固定资产投资额处于平稳增长阶段，三年平均增长率为8.65%。黑色金属采矿业方面，鉴于我国铁矿石受制于国际三大矿商，国内铁矿石开采投资力度远大于冶炼加工环节;而2010年冶炼加工环节的投资也出现强劲反弹，其投资额增长率由上年的负增长回升至8.08%，可见我国黑色金属工业形势回暖。与黑色金属不同的是，有色金属采矿业投资及冶炼加工环节投资都处于较好的增长态势，增速较高时达到30%-40%。2011年上半年，我国黑色金属采矿业投资512.91亿元，同比增长18.60%;黑色金属冶炼及压延加工也投资1662.70亿元，同比增长14.80%;有色金属

11、采矿业投资472.15亿元，同比增长15.80%;有色金属冶炼及压延加工业投资1613.17亿元，同比增长30.70%。冶金工业固定资产投资的稳定增长，直接带动工程市场的增长，冶金工程企业迎来金融危机后的又一波增长契机。 1 冶金反应工程技术现状1.1 冶金反应工程学分学科范時与战略地位冶金反应工程学(metallurgical reaction engineering)是研究冶金反应器内的流体流动、质量传递和热量传递以及冶金反应宏观动力学的一般性规律的学科。冶金反应工程学是研究冶金反应的工程问题的科学:研究伴随各类传递过程的冶金反应的规律以及实现冶金反应的各类冶

12、金反应器和系统的操作过程特征和规律所形成的独特的学科体系。冶金反应的特点是高温、多相的化学反应，综合考察物理条件对化学反应的影响及化学反应的物理效应。按经典的化学反应动力学，冶金工程中的速率问题，仅考察浓度、压力和温度对物质浓度(随时间)的变化速率的影响，这是远远不够的。大多数冶金反应，特别是火法冶金过程，由于反应温度较高，其本征化学反应的速率较快，整个过程的速率主要取决于传质过程。为此，宏观反应动力学将物质在空间上的分布和传输与化学反应作为一个统一的过程来研究。不仅如此，工程中的实际过程必然在某个具体装置中进行，考虑到反应器特征的冶金反应过程动力学称之为冶金反应工程学。一般来说，宏观反应动力

13、学属于冶金反应工程学。另一方面，为了便于区分，传统的反应动力学可称之为微观化学反应动力学。 自冶金反应工程学借助于数学和物理模拟方法，以研究和解析冶金反应器和系统的操作工程规律为核心，以实现冶金反应器和系统的优化操作、优化设计和放大为目的的新兴工程学科。现代冶金学科研究的问题和对象正经历着一个从微观层次到宏观层次的变化，即冶金物理化学冶金反应工程学冶金流程工程学冶金系统工程。1.2 冶金反应工程学的特点最初，冶金反应工程学借鉴化学反应工程学的方法。经过一段时间的研究，认识到冶金反应工程学有自己的特殊性:冶金反应绝大多数属于非催化型的多相反应;冶金原料为天然原料，成分复杂，副反应多;冶

14、金过程中不仅依靠化学反应，也依靠熔化、凝固、相变等多种物理过程;冶金过程往往利用气泡、液滴、颗粒构成弥散系统，以增加反应效率，从而也增大了研究难度;冶金过程在高温进行，对生产系统测量困难大，过程信息少;反应介质为高温熔体(熔渣、熔盐、熔毓、金属液)。对于高度弥散系统，冶金反应工程学的分析方法具有自身的特点，主要有:(1)研究测量界面反应，特别是气泡、液滴、颗粒界面处的反应动力学，建立动力学方程;(2)描述乳化和弥散现象，包括测定弥散相的微粒尺寸分布和停留时间分布函数;(3)通过平面界面或弥散微粒界面上的物质衡算，把微观的反应动力学和提取相的数量相联系，同理，也可以通过界面上的热衡算，分析弥散相

15、状态和传热过程的关系，从而得到部分均匀系统的总物质量传递和总热传递;(4)研究和描述总的宏观体积内的混合，以决定整体不均匀系统中的反应工程.对于连续介质系统，近年来计算流体力学(CFD)的发展和通用型工程软件的普及，已经能较方便地求解各种反应器中的流动场。困难在于正确认识和描述边界条件和设定方程中的系数值，而这和冶金熔炼的高温物理性质有密切关系。【02】1.3 学科的战略地位 冶金工业一直是我国国民经济中非常重要的基础工业。随着科学技术和国民经济不断发展，对冶金产品的品种、质量和性能要求日趋提高，对冶金过程的环境友好的要求越来越高。在冶金新技术、新型反应器及新的生产流程开发的过程中，

16、冶金反应工程学都将起到非常重要的作用。这是因为: (1)冶金反应工程学科是在改进和强化反应器操作寻找最优化操作条件，以及在新技术、新流程开发，指导设计、解决比例放大等工作中都能发挥重要作用。(2)冶金反应工程学的比例放大方法在于根据过程的实质，可以节省大量资金和时间，而且由于采用“计算机模拟试验”代替了“逐级放大法”中的许多中间试验，能够实现比逐级放大法高得多的放大倍数。(3)数值计算方法、计算机技术的进步，各种现代物理化学测试手段和实验技术的提高，为发挥冶金反应工程学的优势提供了日趋稳定的技术保证。 2 这冶金反应工程学主要币开究方向2.1 冶金反应动力学

17、60; 绝大多数冶金反应是多相反应，界面反应和反应物质向界面的传递及反应生成物的离开，是反应持续进行的必要条件。对于包括固体反应物或固体生成物的体系，固体产物层的生成导致反应界面移动，反应物需要通过固体产物层扩散才能传递到反应界面。多相反应有气固反应、气液反应、液固反应、液液反应、固固反应等五大类，很多反应都被研究过，初步形成各类反应的动力学模型，模型动力学参数也有很多测定数据。但由于动力学问题的复杂性，各类动力学模型和参数的普适性和可靠性远逊于冶金过程热力学和活度理论的水平。至今也还没有比得上热力学数据库那种水平的动力学数据库。因此，结合具体工艺要求，测定冶金反应速率和研究其动力学

18、机理仍然有其必要。2.2 冶金熔体的热物理性质 在传输现象的计算中，正确选择方程系数是很关键的问题，有两类数据:一是由熔体结构所决定的热物理性质，如密度、私度、扩散系数、表面张力、蒸气压、热导率、电阻率，这一类数据和物质的本性有关，能像热力学数据那样可供查阅应用;第二类是由熔体流动特征所决定的传输性质，如湍流戮度、传热系数、传质系数以及湍流模型中的湍动能的产生和耗散有关的系数，这类系数应结合流场的计算来确定。2.3电磁冶金 金属熔体温度高，电磁场作用形成劳伦兹力可以成为流动控制的作用力。早期，多利用电磁力驱动钢液流动，如钢包的电磁搅拌，连铸结晶器或二次冷却区的电磁搅拌等。进一步扩大电

19、磁作用力对冶金过程和新材料制备的控制作用，逐渐形成电磁冶金或材料电磁加工(EPM) o铝的电磁铸造已进行工业生产。铜的电磁铸造国内外也均有研究。钢的电磁铸造必须保留结晶器，成为软接触结晶器。国内外已有工业实验，但还未有生产。对于板坯连铸特别是薄板坯连铸结晶器内流动，电磁制动有重要作用，已广泛应用。钢液在中间包或结晶器利用旋转磁场的离心力去除夹杂物，国内外均有研究。用电磁离心铸造能生产质量优异的耐热钢管。感应炉是典型的感应加热装置，我国已能制造30 t(12 000 kVA)的感应炉，真空感应炉接近lOt级。中间包感应加热和连铸板坯四角局部加热对钢铁制造流程的温度管理有特殊的意义。对高活性的钦合

20、金、多晶硅等冶炼时防止耐火材料污染，冷柑祸熔炼有特别重要意义，我国已开始研究试验。EPM的国际学术会议已举办13次(1982-2007年)，最后四次为在中国举办的双边会议。3 冶金工程专业生产实习教学的改革3.1 进一步改革生产实习  目前，冶金工程专业的生产实习都是在第七学期进行。实习中，首先由实习指导教师进行少量的课堂教学，使学生对实习环境和实习内容有基本的了解，然后将学生分组安排到实习企业，由实习教师和现场工程技术人员共同进行现场指导，完成实习。近年来，通过了解学生对生产实习教学的看法，检查学生实习报告的完成情况，我们对生产实习教学方法进行了一些改

21、革，取得了较好的效果。 （一）制定完善的实习大纲及实习计划，保证实习顺利进行根据冶金工程专业教学计划对实习教学环节的要求以及实习教学计划, 结合实习单位的实际特点,制定出较为完善的实习手册，它包括生产实习大纲和实习计划两部分。由于现场生产环境复杂和实习时间偏短，学生在实习单位几乎没有参与动手实践机会。为此，专业实习指导教师将早期实习大纲中关于实践操作方面的要求进行了调整，重点要求了解钢铁企业的生产原理、设备、原料、操作制度、产品等情况。生产实习计划要在有限的实习期限内，考虑实习单位的接收能力，将学生分批次分组安排下厂。每组尽量固定实习指导教师。实习大纲和计划是组织和安排学生实习和进行成绩考核的

22、依据之一，学生每人一份, 并由指导教师组织学生学习和安排落实。 （二）扩展课堂教学内容，丰富教学手段由于学生下厂生产实践的时间越来越短，在企业能学到的知识越来越有限，这需要通过加强课堂教学来弥补。课堂教学的主要任务是进行生产实践的知识准备及生产实习效果的检查。【03】4 金属材料工程专业“三性”实验的构建与实践4.1 金属材料工程专业实验教学的现状  金属材料工程专业设置的专业限选课程有 金属材料学、材料力学性能、 金属凝固理论、 金属热处理原理与工艺 等，以及 材料质量分析与失效分析、 铸造工艺学、 材料腐蚀与防护技术、材料表面强化技术等专业选修课程。

23、在原有的实验教学培养计划中，每门专业课程均有 4 8 学时的实验课时，实验穿插在课程教学过程中进行。金属材料科学与工程学科是一门实用性和实验性都很强的学科，实验是最有效的教学形式，它既可以帮助学生巩固金属材料科学的基本概念和基本理论，培养科学素养，又可以锻炼学生的综合技能以及解决工程实际问题的能力。但是目前的实验教学还存在以下不足。(1)现有的实验绝大多数以验证性实验为主，通常内容比较单一，限定于对某个知识点或者是某个工艺的基本操作、基本训练。(2)实验教学中，老师一般会按照固定的模板，提供实验指导书，并对实验目的、原理、方案、器材和实验数据的采集处理以及结果分析等都有详尽的介绍，学生只需要按

24、照实验指导书的要求一步一步往下做，整个实验过程如同一个填鸭过程，学生完全处于被动接收知识的状况，独立思维受到压抑。 (3)现有的设计性实验，其原理、方法、手段通常是有章可循的，一般依据对大多数同学的学习能力和科学素养的基本认知进行设计安排，缺少针对学生创新能力和科学研究能力的培养。因此，为了培养金属材料工程专业高素质人才，突出学生自主创新能力的培养，对现有实验课程体系的改革势在必行。4.2 金属材料工程专业 “三性” 实验的构建  绝实验课程体系改革中总的原则是建立金属材料科学与工程专业多层次、多模式创新实验教学体系，注重创新能力培养，突出工程实践特色，进行结构重

25、组和整体优化，减少单纯的认知性和验证性实验，增加具有创新性的综合性、设计性和研究探索性实验，构建创新型“三性”实验体系。综合性实验是指实验内容涉及相关的综合知识或者运用综合的实验方法、实验手段，对学生的知识、能力、素质形成综合的学习与培养的实验。金属材料工程专业拟定的综合实验方向有: 合金结构钢、工具钢、铸铁、铝合金、铜合金和锌合金等常用金属材料的成分、组织与性能之间的关系; 塑性加工、热处理和合金化等材料强韧化手段对常用金属材料性能的影响。综合实验的内容包括材料的成分设计、熔铸、冷热加工、热处理、性能测试和组织结构分析的全过程。开设的实验项目有: 工具钢、模具钢在不同热处理状态下的显微组织分

26、析和性能测定;常用有色金属与特种合金不同形态组织观察与分析;材料表面预处理综合实验;齿轮与轴类零件显微组织观察与齿轮失效分析等。通过综合实验的训练，学生能够掌握运用所学知识解决实际工程问题的方法与步骤。设计性实验是学生在教师的指导下，根据给定的实验目的和实验条件，自己设计实验方案、选择实验方法、选择实验器材、拟定实验操作程序，自己加以实现并对实验结果进行分析处理的实验。如 “典型零件选材及热处理工艺设计”实验中，发给每位学生一份常见工模具或者机械零件产品的工艺设计任务书，让学生独立选材、设计热处理工艺方案并在教师指导下完成整个实验，最终完成综合实验报告。该实验过程中，每个学生分析不同的试样，鼓

27、励学生独立思考并发挥个性特长，避免了传统教学模式中千人一面的现象，有利于创新能力的培养。研究探索性实验是指学生在导师指导下，在自己的研究领域或导师选定的学科方向，针对某一或某些选定研究目标所进行的具体研究、探索性质的实验，是学生早期参与科学研究，教学科研早期结合的一种重要形式。金属材料专业教师承担了国家和省部市级各类研究项目多项，将科研课题分解为多个子课题或者是将某个课题按阶段设计为研究探索性试验，可以有效培养学生的学习兴趣和探索创新能力，并实现科研资源的教学共享。如 材料腐蚀与防护技术 课程实验中，以宝钢委托的横向课题 “宝钢 1550CGL 连续镀锌生产线锌锅有效铝在线检测系统开发” 为题

28、，可提出 “有效铝计算软件的开发”、 “有效铝探测器的设计”和 “有效铝在线监控系统的开发”等多项子课题，学生在查阅到相关资料了解课题背景之后，即可按兴趣选择相应课题，自行设计实验方案并完成实验。这类实验来自科研课题，从实验内容到实验方法和手段都具有创新性，得到的实验结果也是全新的，因此对学生非常有吸引力，也增加了挑战性。这类实验的开设也充分发挥了实验教学、科学研究以及科技开发中实验室的综合功能，促进实验教学与科学研究的良性循环。【04】5 冶金工程与金属材料工程之间的同异性5.1 金属材料工程与冶金工程之间的区别  金属材料和冶金工程，属于相近专业。

29、区别主要有以下2点：冶金工程一般是为黑色金属冶金行业，如钢铁企业，还有有色冶金行业，如铝业公司，钨业公司，铜业公司等，工作环境稍差一些，属于国家照顾专业。金属材料就业面就比冶金工程广了，还可以选择去汽车行业，重型机械行业，航空航天，电子信息材料，腐蚀科学防护等方向行业，待遇收入与冶金工程差不多，工作环境相对好一些，就业面相对广一些。【05】5.2 金属材料工程与冶金工程之间的联系 要找到两者的联系，首先要明白其区别。金属材料工程包括了金属材料的晶体结构、元素组成、显微组织、物理力学性能以及化学性能等。其中，金属材料工程更强调了金属材料的工程化应用特点。而冶金工程，是要告诉你金属（钢铁）是怎样炼成的，强调的是金属材料的冶炼。这样的话，两者的联系就