北京科技大学材料学院生产实习调研报告书

..生产实习调研报告题目：一般金属材料生产过程热加工专题调研报告学院：材料科学与工程学院专业：材料科学与工程____410300xx指导XXX摘要金属材料是现今社会发展的支柱性材料,也是现今国家工业生产中生产量最大的一种材料,金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。金属材料的性能主要分为四个方面,即：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。机械性能又包括：强度、塑性、硬度、韧性。化学性能包括：金属的抗蚀性、抗氧化性〔又称作氧化抗力,这是特别指金属在高温时对氧化作用的抵抗能力或者说稳定性,以及不同金属之间、金属与非金属之间形成的化合物对机械性能的影响等等。物理性能主要指：密度、熔点、热膨胀系数、磁导率、电导率等。工艺性能指：切削加工性能、可锻性、可铸性、可焊性。金属材料的上述性能与其生产过程有着密切的联系,生产过程的某一环节出现差错都会导致金属材料性能的偏差。此份调研报告主要着眼于一般金属材料生产涉及到的冶炼、锻造、热加工、冷加工、热处理、精处理、理化检验、成品包装出厂等工艺以及相关辅助环节的实践知识,以北京北冶功能材料为依托,对主要的金属生产加工设备进行一定程度上的了解。在实际生产实习之前完成相关理论的调查研究,包括金属冶炼设备、原理、技术细节；金属铸锭的锻造过程、设备及技术指标,；热轧过程的技术控制、设备运作；冷加工板带加工技术,设备；热处理技术原理及过程控制,精加工方法及技术,物理性能检测方法及设备、化学检验方法及设备。在报告中还将加入,北京北冶功能材料的六个主要车间班组〔一车间〔冶炼；二车间〔锻造、热轧；三车间〔冷轧、热处理；铁芯生产车间；物理检验；化学检验。的前期资料调研情况,为进入北冶进行实地生产实习做必要的前期准备。本调研报告涵盖各个主要的金属生产加工流程,其中将以热加工为主进行详细阐述。包括热加工的热处理、热轧、锻造及其相关设备的调研情况。热加工是冷加工及其后续工作的必经阶段,对加工金属的性能有直接的决定性作用。因此,对热加工进行详细的调查研究有很重要的意义。关键词：炼钢再结晶锻造热轧退火淬火回火正火焊接轧制机北冶目录1.冶炼工艺概述热加工之前的阶段41.1炼铁的基本过程41.2炼钢的基本任务41.3感应加热原理41.4真空感应熔炼41.5电渣重熔：52.热加工52.1热加工的概念52.2热加工的主要工艺流程5锻造6热轧7钢锭加热9热处理10去氧化皮和缺陷11钢带卷取12其它热加工手段123.焊接的简介133.1焊接定义133.2焊接方法134.北冶的热加工车间134.1热加工车间主要设备135.总结141.冶炼工艺概述热加工之前的阶段1.1炼铁的基本过程炼铁工艺是以含铁矿石为主要原料,以焦炭、煤为主要能源,生产炼钢主原料———生铁〔或铁水,并生产部分铸造生铁和铁合金的过程。炼钢工艺是将铁水、直接还原铁或废钢〔铁经加热、熔化,通过化学反应去除金属液中的有害杂质元素,配加合金并浇铸成半成品———铸坯的过程。1.2炼钢的基本任务炼钢的基本任务即为四脱二去一化,"四脱"〔脱碳、氧、磷和硫,"二去"〔去气和去夹杂,"一化"〔合金化采用的主要技术手段为供氧、造渣、升温、加脱氧剂和合金化操作。1.3感应加热原理感应加热原理主要是根据法拉第电磁感应定律和电流热效应的焦耳—楞次定律1.4真空感应熔炼通过改变外界压力对冶金过程中诸多化学反应中有气相参加的反应产生影响,当反应生成物中的气体摩尔数大于反应物中的气体摩尔数,减小系统的压力〔即增加真空度则可以使平衡反应向着增加气态物质的方向移动,促使反应进行的更完全。1.5电渣重熔：电渣重熔是利用炉渣作为电阻和提纯剂,熔渣和钢液的精炼及钢锭结晶都在一个水冷结晶器中进行从而可控制钢锭结晶的一种冶金方法右图为北冶电渣重熔工作图片。2.热加工2.1热加工的概念把高于金属再结晶温度的加工叫热加工。热加工是相对于机械加工而言的,一般是在较高的温度下将金属软化或熔化处理后再冷却至常温的成形技术,常见的是凝固成形〔铸造、连接技术〔焊接和塑性成形〔锻压和冲压。热加工可分为金属铸造、热扎、锻造、焊接和金属热处理等工艺。金属材料热加工过程是极其复杂的高温、动态、瞬时过程,难以直接观察。在这个过程中,材料经液态流动充型、凝固结晶、固态流动变形、相变和再结晶等多种微观组织变化及缺陷的产生与消失等一系列复杂的物理、化学、冶金变化而最后成为毛坯或构件。2.2热加工的主要工艺流程热加工的主要工序为：钢锭加热炉加热到再结晶温度以上—通过锻造〔自由锻或连铸等—锻造热轧坯—在热轧机上热轧—打卷机打卷—放置冷却—得到热轧带坯。2.2.1锻造锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。锻造按成形方法可分为：自由锻和模锻。自由锻：利用冲击力或压力使金属在上下两个砧块间产生自由变形以获得所需锻件,主要有手工锻造和机械锻造两种,在现代工业生产中,机器自由锻已成为锻造生产的主要方法。自由锻造的基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、扭转、错移及锻接等。自由锻造所用工具和设备简单,通用性好,成本低。生产工艺灵活,在特别适于单件、小批量和大型锻件的生产。同铸造毛坯相比,自由锻消除了缩孔、缩松、气孔等缺陷,使毛坯具有更高的力学性能。同样,自由锻也有自身的缺陷：容易产生裂纹、末端凹陷和轴心裂纹、折叠。左图为10MN快速锻造机。模锻：在专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件的锻造方法。此方法生产的锻件尺寸精确,加工余量较小,结构也比较复杂生产率高。模锻分为锤上模锻,曲柄压力机模锻,平锻机模锻,摩擦压力机模锻等。2.2.2热轧轧钢是指钢坯加热到一定温度后,轧机对钢坯进行压力加工,获得需要的形状规格和性能的过程。热轧是相对于冷轧而言的,冷轧是在再结晶温度以下进行的轧制,而热轧就是在再结晶温度以上进行的轧制。上图为热轧机的实物图片热轧通常的工序需要经过板坯加热、除磷、粗轧、精轧、卷曲的过程。热轧的优点：〔1热轧能显著降低能耗,降低成本。热轧时金属塑性高,变形抗力低,大大减少了金属变形的能量消耗。〔2热轧能改善金属及合金的加工工艺性能,即将铸造状态的粗大晶粒破碎,显著裂纹愈合,减少或消除铸造缺陷,将铸态组织转变为变形组织,提高合金的加工性能。〔3热轧通常采用大铸锭,大压下量轧制,不仅提高了生产效率,而且为提高轧制速度、实现轧制过程的连续化和自动化创造了条件热轧的缺点：〔1经过热轧之后,钢材内部的非金属夹杂物〔主要是硫化物和氧化物,还有硅酸盐被压成薄片,出现分层〔夹层现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化,并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。焊缝收缩诱发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍,比荷载引起的应变大得多。〔2不均匀冷却造成的残余应力。残余应力是在没有外力作用下内部自相平衡的应力,各种截面的热轧型钢都有这类残余应力,一般型钢截面尺寸越大,残余应力也越大。残余应力虽然是自相平衡的,但对钢构件在外力作用下的性能还是有一定影响。如对变形、稳定性、抗疲劳等方面都可能产生不利的作用。〔3热轧不能非常精确地控制产品所需的力学性能,热轧制品的组织和性能不能够均匀。其强度指标低于冷作硬化制品,而高于完全退火制品;塑性指标高于冷作硬化制品,而低于完全退火制品。〔4热轧产品厚度尺寸较难控制,控制精度相对较差;热轧制品的表面较冷轧制品粗糙Ra值一般在0.5～1.5μm。因此,热轧产品一般多作为冷轧加工的坯料。2.2.2.1轧机简介在带钢热轧机上生产厚度为1.2～8mm成卷热轧带钢的工艺。带钢宽度600mm以下称为窄带钢；超过600mm的称为宽带钢。第一台带钢热连轧机于1905年在美国投产,生产宽200mm的带钢。带钢热轧机的技术经济指标优越,发展很快。在工业发达国家,1950年以前热轧宽带钢的产量约占钢材总产量的25%,70年代已达50%左右。热轧带钢的原料是连铸板坯或初轧板坯,厚度为130～300mm。板坯在加热炉中加热后,送到轧机上轧成厚1.00～25.4mm的带钢,并卷成钢卷。轧制的钢种有普通碳钢、低合金钢、不锈钢和硅钢等。其主要用途是作冷轧带钢、焊管、冷弯和焊接型钢的原料；或用于制作各种结构件、容器等。带钢热轧机由粗轧机和精轧机组成。粗轧机组分半连续式、3/4连续式和全连续式三种:①半连续式有一台破鳞〔去掉氧化铁皮机架和1台带有立辊的可逆式机架；②3/4连续式则除上述机架外,还有2台串列连续布置机架；③全连续式由6～7台机架组成。精轧机组均由5～7台连续布置的机架和卷取机组成。带钢热轧机按轧辊辊身长度命名,辊身长度在914mm以上的称为宽带钢轧机。精轧机工作辊辊身长度为1700mm的,称为1700mm带钢热轧机,这种轧机能生产1550mm宽的带钢卷。带钢热轧按产品宽度和生产工艺有四种方式：宽带钢热连轧、宽带钢可逆式热轧、窄带钢热连轧以及用行星轧机热轧带钢。2.2.3钢锭加热使钢锭获得能满足热加工所需的温度并使之内外均匀的工序。钢锭的加热温度,一般指出炉温度,通常要比热加工开始温度略高,因钢锭从炉子到加工设备存在温降。钢锭加热的目的是使钢锭具有足够的塑性,降低轧制时的变形抗力,减少轧制能耗,改善内部组织,消除铸锭带来的成分,组织,应力的不均匀性。在轧钢生产中,用作加热的主要设备有两类,即均热炉和各种形式的连续式加热炉。钢锭加热过程主要有两个阶段：1加热阶段<包括低温加热及高温加热>,将钢锭表面温度提高到出炉温度；2>均热阶段,使钢锭内外温度均匀化。由于钢锭断面大,均热阶段显得更突出。钢锭的加热制度主要是指加热温度、加热速度和加热时间。当钢锭的加热制度不合理时,会产生大量氧化铁皮、脱碳、过热、过烧以及过大的内应力等缺陷使钢锭质量恶化,造成废品。2.2.3.1加热温度加热温度是指钢料在炉内加热完毕出炉时的表面温度。确定钢的加热温度不仅要根据钢种的性质,而且还要考虑到加工的要求,以获得最佳的塑性,最小的变形抗力,从而有利于提高轧制的产量、质量,降低能耗和设备磨损。实际生产中加热温度主要由以下两方面来确定。加热温度的上限和下限〔铁碳相图确定加热温度与轧制工艺的关系如轧制薄钢带时为满足产品厚度均匀的要求,比轧制厚钢带时的加热温度要高一些。2.2.3.2加热温度加热速度指单位时间内钢锭表面温升程度.加热速度越快,炉子生产能力越高,燃料消耗和金属烧损相对就少。2.2.3.3加热时间加热时间指钢锭加热到出炉温度所需时间,它包括预热、加热和均热三段时间的总和。确定加热时间的方法,可按传热学理论计算,或用经验公式、试验图表等来确定。理论计算法由于计算复杂,且与实际有差距,在生产中很少采用。经验公式或图表法虽然使用方便,但有一定局限性,也只能作为估算使用。2.2.4热处理热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却,通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。热处理用于改变钢的内部组织结构,以改善钢的性能,提髙钢的机械性能,还可进一步提高金属材料的性能,充分发挥材料性能的潜力。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷,细化晶粒、消除偏析、降低内应力,使钢的组织和性能更加均匀。因此,大部分机器零件都要进行热处理。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。退火：将金属和合金加热到适当温度,保温一定时间,然后缓慢冷却,达到将金属软化的作用改善切削加工性；消除残余应力,稳定尺寸,减少变形与裂纹倾向；细化晶粒,调整组织,消除组织缺陷。。正火：将钢材或钢件加热到Ac3或Acm<Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线>以上30～50℃,保温适当的时间后,在静止空气中冷却,使晶粒细化和碳化物分布均匀化,去除材料的内应力,降低材料的硬度。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快,因而正火组织要比退火组织更细一些,其机械性能也有所提高。淬火：钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3〔亚共析钢或Ac1〔过共析钢以上温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体1化,然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下〔或Ms附近等温进行马氏体〔或贝氏体转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体或贝氏体组织,然后配合以不同温度的回火,以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等,从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。回火：将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度,保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理工艺。或将淬火后的合金工件加热到适当温度,保温若干时间,然后缓慢或快速冷却。一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力,或降低其硬度和强度,以提高其延性或韧性。立式光亮退火炉加热炉2.2.5去氧化皮和缺陷机械加工方法清理：用车、铣、刨等机械加工方式清理钢坯表面缺陷的方法。机械方法清理的特点是：一般用在清理贵重钢坯以及表面质量要求严格的钢坯。这种方法清理彻底,切屑可回收,但生产率低,金属损失多,成本较高。2.2.6钢带卷取热轧完毕后将钢带打卷,以便运输的过程称之为卷取。2.2.7其它热加工手段热切割：利用集中热能使材料熔化并分离的方法。由于热切割与焊接有直接关系,两者所用热源设备相同,且热切割常用作焊接前的焊件下料和接头坡口加工,因而通常将热切割归并