材料加工新技术_材料加工新技术

材料加工新技术由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“材料加工新技术”。

材料加工新技术

姓名: 学号

专业：材料加工工程日期： 2013/11/6

金属材料短流程、近终形生产工艺

人类在探索新材料的过程中，也在不断地探索和完善材料的制备技术。近几十年来，随着高新技术在冶金领域的应用，金属材料短流程、近终成形技术也得到了很快的发展。金属材料的近终成形是集金属合成、精炼、凝固、成形于一道工序的一次成形技术，它实现了减少工序，缩短生产周期，提高金属利用率，提高金属性能。目前已使用的金属近终成形技术有近终形连铸、粉末冶金、喷射沉积成形、电渣转注、电磁铸造、金属泥成型等。近终形连铸

近终形连铸技术是指浇铸接近最终产品(板坯或者带坯)形状的连铸技术。作为一种新型的连铸技术,对钢铁生产工艺进步产生了巨大的影响。近终形连铸主要包括薄板坯连铸技术,薄带连铸技术和异型坯连铸技术等。同传统工艺相比,它主要具有工艺简单、生产周期短、低能量消耗、生产成本低、质量较高等优点。这些优点恰好弥补了传统工艺加工量较大、工序复杂、能耗大、生产周期长、成本较高、劳动强度大等不足。此外,利用薄带连铸技术的快速凝固效应可以获得一些难以生产的材料和新功能材料。

连铸技术已成为现代材料工业，尤其是钢铁工业最主要的技术之一。西方发达国家钢生产中的连铸比已达90%,我国的连铸比也接近90%。作为取代模铸的一种新工艺,连铸已带来巨大的经济效益。但传统的连铸坯需要多道加工工序才能制成最终的产品,因此造成大规模的设备投资和很大的能耗。为了减少投资,降低能耗,提高产品质量,各种种近终形连铸相继出现。

1.1薄板坯连铸技术

薄板坯连铸技术(TSCC)指浇铸厚度为40～80 mm的薄板铸坯,是传统连铸板坯厚度的1/3～1/6,可以直接进入热精轧机。薄板坯连铸连轧技术有很多优点,如其能耗是常规板坯连铸坯热送时的1/4,直接热装时的1/2。但采用TSCC新技术给冶金工艺带来很多困难,如拉坯速度明显提高、保护渣量增加、冷却效率要求很高等。目前,世界上已建成的典型工艺流程有CSP(Compact Strip Plant)、ISP(In-line Strip Plant)、CONROLL、FTSC(Flexible Thin Slab Casting)等。

1.1.1 CSP技术

CSP工艺又称为紧凑式热带生产工艺,是由德国施罗曼-西马克公司开发成功的,是目前应用最广泛的薄板坯连铸连轧工艺。目前已有22条生产线32流铸机(包括我国在内)成功地投入了工业生产。

CSP的工艺过程为:采用立弯式连铸机生产厚50～60 mm的铸坯,经分段剪切后,送入辊底式均热炉(120～185 m)进行加热、均热。薄板坯经加热炉入口段、加热段和均热段加速到20～30 m/min进入轧制工序。六机架精轧机组将厚50～60 mm的铸坯轧制成1.2～12.7 mm的带材,经层流水帘冷却后卷取。生产线全长约270 m。

优点:流程短、生产简便、稳定、产品质量好、成本低、有很强的市场竞争力等。

缺点:对钢水质量要求高、难以生产很宽或较厚的钢板等。

1.1.2 ISP技术

ISP技术也称作在线热带钢生产工艺,是由德国曼内斯曼-德马克公司1989年开发成功的,是世界上第一个在工业条件下采用固液铸轧技术的生产工艺,也被称为无头轧制工艺。首台ISP生产线是于1992年1月在意大利阿维迪公司克雷莫纳(Cremona)厂建成投产的。目前,世界上有6条ISP生产线在运行中。ISP的工艺过程为:钢包车→中间罐→薄片状浸入式水口→结晶器→铸轧段(厚约40 mm)→大压下量粗轧机(厚约20 mm)→剪切机→感应加热炉→克日莫那炉→精轧机→层流冷却→地下卷取。生产线全长约175 m。

优点:生产线布置紧凑、生产能耗少等。

缺点:感应加热炉设备较复杂且维修困难、薄片形水口寿命较短等。

1.1.3 CONROLL技术

该技术是由奥钢联工程技术公司(VILG)开发成功的。目前,已有5条生产线在运行中。其工艺过程为:CONROLL连铸机与热轧机平行布置,铸坯按Dynacs冷却模型冷却,铸机尾部装有一台火焰切割装置,将铸坯切成所需长度后进入连续式加热炉,薄板坯离开加热炉后,通过粗轧机架5个道次的可逆式轧制,轧成厚25 mm后进入带卷箱,经过高压喷水除磷,最后在6机架精轧机上轧成厚1.7～12.7 mm的热轧带钢,出轧机再经层流冷却后,卷曲成卷。

优点:生产效率高、产品成本较低等。

缺点:生产线的缓冲能力未必足、铸坯尺寸范围较窄等。

1.1.4 FTSC技术

该技术被称为高质量产品的灵活性薄板坯轧制工艺,是由意大利著名的达涅利(Danieli)公司开发的一种薄板坯连铸连轧工艺。FTSC工艺流程为:炼钢炉→炉外精炼炉→薄板坯连铸机→旋转式除磷机→隧道式加热炉→二次除磷机→立辊轧机→粗轧机→保温轨道→三次除磷装置→精轧机→输出辊道和带钢冷却段→地下卷取机。

FTSC工艺的特点是采用了三点除磷、H2结晶器、动态软压下装置、熔池自动控制系统、全液压宽度自动控制轧机、辊道式隧道加热炉等技术。

优点:钢种浇铸范围较宽、板坯尺寸范围较大、轧制过程操作灵活等。缺点:生产成本较高、对钢水质量要求较高等。

1．2 薄带连铸技术(SCC)薄带坯连铸技术指浇铸厚度为几毫米(厚25mm)或1 mm左右的成品或者半成品。其工艺方案因结晶器的不同分为带式、辊式、辊带式等,其中研究得最多、进展最快、最有发展前途的当属双辊薄带连铸技术。该技术在生产0.72 mm厚的薄钢带方面具有独特的优越性,其工艺原理是将金属液注入一对反向旋转且内部通水冷却的铸辊之间,使金属液在两辊间凝固形成薄带。双辊铸机依两辊辊径的不同分为同径双辊铸机和异径双辊铸机,其中尤以同径双辊铸机发展最快,已接近工业规模生产的水平。

与热轧带钢传统技术相比,该工艺省去了板坯连铸、火焰清理、加热、粗轧及全部或部分热轧,可使设备投资节省40%～50%,生产成本降低10%～20%,吨钢节能0.628 GJ,经济效益明显。其缺点主要是年产量低、有些技术问题比较复杂(如:侧边密封、双辊表面冷却及浇铸过程控制等)。

德国、美国还开发出了一种称为反向凝固的带钢连铸连轧法,利用该工艺可以铸造复合金属带,高效经济,并且不会出现漏钢事故。

1.3 异型坯连铸技术(BBCC)指浇铸除了方坯、板坯、圆坯、矩形坯以外的具有复杂断面的连铸坯。其特点有:表面积大,散热条件好,在二冷区内就能完全凝固,冶金长度短；矫直为固相矫直,许用应变较大,对矫直有利,矫直后形状变形大；断面形状复杂,各点的散热条件差别很大,因而温差就大,易于产生裂纹,所以拉速和铸机半径受到限制。异型坯连铸技术主要用于工字梁(H型钢)连铸。最早的工字形坯连铸机于1968年在加拿大Algoma公司正式投产使用,但由于铸坯断面复杂,易于产生偏析和内部裂纹等问题,长期以来发展缓慢。随着炼钢技术的进步和连铸工艺的日趋完善,工字形坯连铸机不断增加。目前,世界上已有20多条工字形坯连铸生产线,能生产出腹板厚度和翼缘厚度都小于80 mm的工字形坯。国内马鞍山钢铁公司的工字形坯连铸生产线已进行了多次试生产。但在生产过程中异型坯质量经常发生波动,直接影响了H型钢的实物质量,主要有腹板表面纵裂、表面划伤等缺陷。此外,近终形连铸还有线材连铸(WCC)、空心圆管式连铸和喷射沉积成形等。连铸连轧技术向棒、线材乃至异型坯领域扩展,已成为必然趋势。粉末冶金

粉末治金技术的主要优点是它的近终成形的特点,即从金属粉末直接制造出接近于最终形状的零件.采用这种技术可以避免传统工艺中的疏松、缩孔、材料组织的枝晶偏析及晶粒长大等铸造缺陷,有助于提高零件的各项力学性能。因此,粉末冶金技术在制造一些形状复杂的零件及用铸造方法无法得到优良性能的零件方面,具有很大的优越性。

陶瓷模工艺是一种粉末冶金技术。陶瓷模工艺过程包括:陶瓷模的制备、装粉、二次包套、热等静压和脱模陶瓷模的制备包括在蜡模上涂覆陶瓷料浆、脱除蜡模以及烧结几个过程。蜡模是一个与所要获得的零件形状一致,尺寸经放大处理的石蜡或塑料模。装粉就是将金属原料粉末装入陶瓷模内。由于陶瓷模是多孔的,不能直接置于热等静压的压力容器中进行处理,因此,将陶瓷模置于一形状简单的金属包套中,在金属包套与陶瓷模之间,填充陶瓷颗粒作为传压介质。将金属包套置于压力容器中,进行热等静压,三向压力均匀作用于金属包套上,通过陶瓷颗粒传到陶瓷模上,再通过陶瓷模保形传压,使原料粉末成形并致密化.对于不同材料,热等静压的工艺参数也不同,如钛铝合金材料,要求温度超过980℃,压力不小于103 MPa,才能获得全致密的、粉末颗粒间结合良好的零件。热等静压后,将金属包套剥去,倒出陶瓷颗粒,小心地敲去零件表面的陶瓷模即可脱模。陶瓷模工艺原理如下图所示：

此项工艺中最为关键的工序是陶瓷模的制备,陶瓷料浆成分及配制,料浆的均匀涂覆方法及厚度控制、脱蜡及烧结等每一步都影响陶瓷模的性能,从而影响零件的制取.国外十分重视研究这道工序,且大都是保密的。

此项工艺于七十年代末由美国Crucible公司研究开发出来,主要用于一些形状复杂,性能要求较高的零件,如增压发动机的涡轮。国内目前尚无这方面的研究成果。喷射沉积成形

喷射沉积成形技术是在粉末冶金惰性气体雾化制粉的基础上发展起来的一种近终成形技术。原理如下图所示：

它是利用已精炼的液态金属,经雾化成滴射流,使半凝固的颗粒在底衬上沉积,形成盘、棒、带、管等喷射沉积成形技术的关键是熔融金属经高压雾化成微小弥散的液态颗粒,以高速喷射到水冷基板上。到达基板前金属熔滴不能完全凝固,而到达基板后必须很快凝固,不能形成金属熔池。英国Swansea大学的Singger教授首先提出了喷射沉积概念,八十年代英国的Aurora钢公司应用这一原理生产M-2高速钢,由于冷却速度非常大(103～104 K/s),碳化物非常细小,用这种高速钢制成的刀具工作寿命比普遍铸-锻造制出的同钢种工具提高60%。美国麻省理工学院(MIT),用这种方法生产出强度、延伸率及缺口性能良好的Al-Li合金。这种方法还可以用于制取金属基复合材料和多层不同成分的金属复合材料。电渣转注

电渣转注法由乌克兰巴顿电焊研究院首先提出。其原理如下图所示： 6

自耗电极通入电流后,在渣池中析出焦耳热,将电极熔化,熔化金属在溶炼室中集聚,转注入三面封闭的固定式铸模,液态金属在固定模内凝固成形。

转注使液态金属与熔渣接触面积扩大,钢-渣反应时间增长,有利于钢中非金属夹杂物被炉渣吸附和溶解,有利于冷却过程中过饱和气体形成气泡逸出。这一技术的难点是金属液位的控制,熔炼移动过快会导致漏钢,过慢又会使铸模中的凝固外延到熔炼室,造成熔炼室卡死。电磁铸造

电磁铸造是无铸模连续铸造。液体金属在电磁场约束下,保持自由表面状态下凝固成形,其表面光洁似镜面,在强磁场的作用下,金属组织和结构得到改善。前苏联首先发明了这种铸造技术,美国、法国、瑞士相继引进这项技术用于工业化生产,瑞士铝公司利用这种技术生产出大量铝合金。电磁铸造铝锭表面光洁,无偏析、拉伤等铸造缺陷,既省去了铣面和切边工序,又具有良好的内部组织性能。我国在70年代开始研究电磁铸造技术,1989年大连理工大学铸造工程中心用此项技术成功地研制出了120mm×50mm×1000mm的铝锭。这项技术与传统铸造有很大区别,铸件成形过程受温度场、应力场、流速场及浓度场的综合影响,控制参数繁多,某一环节控制不当必将影响铸件的组织及材料的性能。金属泥成形

美国麻省理工学院Fleming教授首先提出了金属泥成形,随后,日本大力开发金属泥成形技术。目前,有色金属及其合金半固态金属泥制备与成形技术较为成熟,利用这项技术已生产出铝镁合金汽车零件。

金属泥成形的优越性是,生产周期短,无疏松、缩孔、气孔及宏观偏析等铸造缺陷,能耗小,工模具损耗小，产品规格与品种的灵活性好。目前制备半固态金属泥主要采用电磁搅拌法，同时探索非均匀形核法、应变诱导熔体活化的SIMA法制备金属泥。采用压铸、挤压、注射、模压等方法对半固态金属泥进行加工。

金属材料短流程、近终形生产工艺的出现和快速发展应归功于近代冶金学的研究成果和现代控制技术的进步。21世纪的金属材料仍将在世界经济中占据重要的位置，同时激烈的竞争也是在所难免。各国目前都相当重视金属材料短流程、近终形生产技术的研究与开发，它将使金属工业的面貌焕然一新，所带来的可观经济效益与社会效益也是令人振奋的。金属材料短流程、近终形生产工艺具有极大的发展潜力，中国在这方面的研究与国外还有较大差距，各金属材料企业应高度重视这一技术的开发应用，应借鉴国外成功的先进经验和他们的研究成果，加大投入，加快研究步伐，争取早日赶上世界先进水平，最终达到降低金属材料成本、不断改善材料性能的目的，进而使中国的金属材料短流程、近终形生产技术取得重大突破。