,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,金属材料生产工艺概论,北京科技大学 胡尧和,金属材料生产工艺概论北京科技大学 胡尧和,绪论,成分,组织结构,性能,工艺,冶炼（浇注）,压力加工,热处理,机加工,焊接,绪论成分组织结构性能工艺冶炼（浇注）压力加工热处理机加工焊接,2,一、金属材料冶金质量的评价,1、化学成分“准”,2、纯洁度“净”,3、铸态组织“好”,一、金属材料冶金质量的评价1、化学成分“准”,3,（一）化学成分“准”,1、符合技术条件,2、最佳成分控制,3、最佳微量元素,例：GH132采用电子空位数控制 相析出,Nv=Ni-3Ti-3.5Al-1.7Si-0.9Cr-4.7,（一）化学成分“准”1、符合技术条件2、最佳成分控制3、最佳,4,（二）纯洁度“净”,1、非金属杂质S、P,4、有害金属杂质,2、气体H、N、O,3、非金属夹杂物,例：进口的Allvac Waspaloy棒，盘中S均小于0.0003%。,例：进口的Allvac Waspaloy棒，盘中O均小于0.0002%，,N=0.0028,例1：进口的Allvac Waspaloy棒，盘中Pb0.0001%，Bi0.00001，Se0.00005%，Ag0.0002%，GH132就存在中温低塑性。,（二）纯洁度“净”1、非金属杂质S、P4、有害金属杂质2、气,5,（三）铸态组织“好”,1、外在质量好,不短尺，不出短锭,不翻皮，夹渣，结疤,缩孔小，部位高，减少切头率,当采用三联工艺时，VIM铸造电极必需要除掉氧化皮，否则会给ESR冶炼带来麻烦！,（三）铸态组织“好”1、外在质量好不短尺，不出短锭当采用三联,6,2、内在质量好,疏松少，气泡少，緻密,成分、组织均匀，偏析小,具有良好的结晶组织，小的二次枝晶间距，,轴向发展的柱状晶。,VAR氦气冷却必要性、电极退火的重要性。,2、内在质量好疏松少，气泡少，緻密VAR氦气冷却必要性、电极,7,二、冶金基本原理,添加剂,炉渣,气氛,炉衬,金属熔体,二、冶金基本原理添加剂炉渣气氛炉衬金属熔体,8,以EAF为例：,添加剂,气氛,（炉渣）,金属熔体,炉衬,以EAF为例：添加剂气氛（炉渣）金属熔体炉衬,9,炼钢的基本任务,四脱二去一化,OCSP,气体、夹杂,合金化,炼钢的基本任务四脱二去一化OCSP气体、夹杂合金化,10,1、脱氧,1、脱氧,11,（1）沉淀脱氧,xMe+yO=(Me,x,O,y,),（2）扩散脱氧,(FeO)+C=CO,（3）综合脱氧：先沉淀、后扩散,（4）真空下炭脱氧：C+O=CO,（5）真空下氢脱氧：H,2,+O=H,2,O,（1）沉淀脱氧xMe+yO=(MexOy)（2）扩散,12,2、脱炭,钢水中：C+O =CO,C+2O=CO,2,吹O,2,：C+O,2,=CO,1,2,C+O,2,=CO,2,加铁矿石,:(FeO)+C=CO+Fe,作用,：,(1)降C，合金成分中限,(2)炭氧反应沸腾搅拌加速传质、传热、去气、去夹杂,(3)真空下炭脱氧,(4)去炭保Cr炼不锈钢,(5)炼钢热源之一,配炭量C的中限(每分钟降炭量）氧化期时间,2、脱炭钢水中：C+O =CO吹O2：C+,13,（1）硫的危害,对于高温合金而言，一是形成有害的硫化物，二是偏聚在晶界造成晶界的弱化，最终导致合金塑性的降低和高温持久性能的急剧下降。最终导致合金的成材率和收得率降低。,3、脱硫,（1）硫的危害 对于高温合金而言，一是形成有害,14,例1：1988年5月美国Cannon-Muskegen奎克来华讲学时提供了一张Ni-S塑性图。,例1：1988年5月美国Cannon-Muskegen奎克来,15,例2：1991年6月，M.SingLetum，P.Nash，and K.J.Lee 三人的,一篇文章中指出，硫在Ni中具有强烈的晶界偏聚作用，,9ppm S在Ni中就具有脆化作用。,例3：长钢李守军硕士论文，In 690合金脱硫至12ppm管坯成材,率达到80。他们厂U710脱硫至10ppm收得率从20提,高到60。,例2：1991年6月，M.SingLetum，P.Nash，,16,（2）脱硫的实践,脱硫有如下三种主要方法：,（1）气化脱硫,（2）沉淀脱硫,S+O=SO,2,2,此外，还有CS、COS、CS 等气相产物，真空下S也会有少量的蒸发进入气相。,2,xMe+yS=(Me S),x,y,Me通常为Ce、La、Ca、Ba、Mg,（3）炉渣脱硫,S+（O）=O+（S）,L=K,s,(%S),%S,f,S,.,(O),=,.,N,(O),=,f,O,.,(S),=,.,%O,（2）脱硫的实践脱硫有如下三种主要方法：（1）气化脱硫（2）,17,影响因素：,a）渣成分 R,，,，,，,N,(O),=,L,s,(S),=,b)（FeO,），%O,，,L,s,c)搅拌钢渣接触面大，动力学条件好，增加,L,s,d)真空熔炼时O,，,L,s,氧化钙坩埚脱硫,3(Cao)+2Al+3S=3(CaS)+(Al O ),2 3,MgO,CaO,影响因素：a）渣成分 R，,18,4、脱磷,炉渣氧化法脱磷：P,P,+5,2P+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO,P,2,O,5,)+5Fe,脱磷的影响因素：三高一低,三高：R、(,FeO)、大渣量,一低：低温脱磷,还原法脱磷：P,P,-3,3Ca+2P=(Ca,3,P,2,),4、脱磷炉渣氧化法脱磷：P P+52P+5(FeO)+,19,（1）氮的危害,氮化物导致疲劳性能下降、氮会引起偏析，国际上已提出要求将高温合金中的氮控制在溶解度的范围以内，以抑制氮化物的析出。,（2）降氮的实践,5、降氮,（1）氮的危害氮化物导致疲劳性能下降、氮会引起偏析，国际上已,20,氮分子从气相向气体金属界面的传质,N,2气,N,2气,N,2气,2N,气,N,2气,N ,2,吸,2N,气,2N,吸,N ,2,吸,2N,吸,2N,吸,2N,液,2N,液,2N,氮分子从气相向气体金属界面的传质 N2气N2气N2气2N气,21,萨凡尔斯公式：,N,2,=2N,Lg%N=lgK,N,+lgPN,2,=+B+lgPN,2,1,2,A,T,1,2,萨凡尔斯公式：N2=2NLg%N=lgKN+,22,影响因素：,（1）T,，%N,齐钢电弧炉的实验：,出钢T，,1500 1520 1515 1535 1570,N，0.075 0.079 0.080 0.128 0.161,（2）气相分压力,P,N,2,，mmHg,760 1 0.1,N，0.045 0.002 0.001,（3）金属与气体的本质决定A,B值,（4）合金元素的影响,a,N,=f,N,%N,影响因素：（1）T，%N齐钢电弧炉的实验：出钢T，,23,交互作用的参数：,e,i,j,Mn(-0.02),Al(-0.028),Cr(-0.047),Nb(-0.06),V(-0.093),Ti(-0.53),降氮动力学：,C=C,0,ex,P,(D/,),A,V,交互作用的参数：eijMn(-0.02)降氮动力学：C=C0,24,脱氮实践,a)高真空、强搅拌,b)利用真空下的炭氧反应,c)吹氩清洗,工业实施,a)净化原材料,b)改善冶炼工艺,氮的去除主要是由解吸过程完成的。,N向金属气相界面迁移,穿过边界层,N原子在表面吸附,吸附的氮原子分子化,形成的N2分子解析,氮分子穿过气相边界层从表面排除。,脱氮实践a)高真空、强搅拌b)利用真空下的炭氧反应c)吹氩清,25,6、去夹杂,6、去夹杂,26,浮升法：斯托克斯公式 V=,r,(,金,夹,),2,9,1,2,渣洗法：最好的办法是ESR,过滤法：如泡沫陶瓷过滤,浮升法：斯托克斯公式 V=,27,7、合金化,合金元素加入时机、合金元素收得率,合金元素加入量,合金成分最佳量钢中该元素成分,合金中元素含量收得率,8、挥发反应,i=i,K=,P,i,a,(i),9、铸锭造块“三分炼七分浇”,7、合金化合金元素加入时机、合金元素收得率合金元素加入量合,28,三、冶炼方法,三、冶炼方法,29,1、氧气转炉炼钢,热源：自热炼钢,铁水物理热元素氧化化学热,冶金特点：,（1）生产效率高,例如：300吨转炉1炉钢只要42分钟，,实际吹炼时间只要12分钟。,（2）产品质量好,（3）经济效益好,（4）容易实现自动化控制，产品质量稳定。,存在问题：,（1）操作频繁,（2）烟尘大，必须除尘,1、氧气转炉炼钢热源：自热炼钢铁水物理热元素氧化化学热冶金,30,2、电弧炉炼钢,外加热源：直流或交流电弧,冶金特点：可造还原期，脱O、S及合金化优点明显，是合金钢厂主要冶金设备,氧化期脱P条件好。,当前短流程生产的基础条件：,超高功率电炉炉外精炼连铸直接轧制，从废钢入炉到成品仅需3小时。,2、电弧炉炼钢外加热源：直流或交流电弧冶金特点：可造还原期，,31,金属材料生产工艺ppt课件,32,金属材料生产工艺ppt课件,33,宝钢三炼钢厂150吨直流电弧炉,宝钢三炼钢厂150吨直流电弧炉,34,连铸,优点：,1、收得率高,2、机械化程度高,3、效益好,缺点：,1、非金属夹杂物问题,2、各种裂纹,连铸优点：,35,炉外精炼,1、渣洗法,2、稀释法,AOD、CLU、LF,3、真空法,VOD、VAD(VHD)、,RH-OB、DH等,炉外精炼1、渣洗法,36,3、真空感应熔炼,（1）非真空感应炉,热源：感应加热,E=4.4410,f,n,-8,集肤效益：,=2030,f,电磁搅拌,作用：,a.熔化,b.调整成分,c.控制温度,d.部分脱氧脱硫,3、真空感应熔炼（1）非真空感应炉热源：感应加热-8集肤效益,37,（2）真空感应炉,（2）真空感应炉,38,金属材料生产工艺ppt课件,39,优点：,（1）化学成分控制好,（2）去气,（3）去除有害金属杂质,（4）特种冶炼的基础,缺点：,（1）坩埚反应,（2）基本不能去磷,四个条件：,（1）设备,（2）原料,（3）工艺,（4）坩埚,四个关键：,（1）高真空,（2）高温精炼,（3）熔化期长,（4）精炼期短,四个操作：,（1）送电搅拌,（2）低温合金化,（3）中温出钢,（4）带电出钢,优点：（1）化学成分控制好缺点：（1）坩埚反应四个条件：（1,40,4、VAR（真空电弧重熔）,原理：,真空、高温电弧、薄层熔化、熔滴过渡、在水冷铜结晶器里凝固,优点：,去气、去有害金属杂质、无渣及耐火材料污染、改善了结晶组织,缺点：,不能脱硫、表面及结晶组织不如ESR。,VAR的新进展：,氦气冷却VAR,4、VAR（真空电弧重熔）原理：真空、高温电弧、薄层熔化、熔,41,5、ESR（电渣重熔）,渣阻热、渣池活跃、薄层熔化、熔滴过渡、水冷铜结晶器凝固,原理：,（1）去夹杂,（2）脱硫,（3）表面质量好,（4）结晶组织好、塑性好,（5）操作灵活,优点：,（1）电耗高,（2）铝、钛易烧损,缺点：,关键：渣系,5、ESR（电渣重熔）渣阻热、渣池活跃、薄层熔化、熔滴过渡、,42,ESR的新发展：,保护性气氛ESR,快速电渣炉等,ESR的新发展：保护性气氛ESR,43,谢谢！,北京科技大学,胡尧和,2007.7.,谢谢！北京科技大学,44,