钢铁材料的加工过程

钢铁材料的加工过程

埃菲尔铁塔的浪漫美、鸟巢的自然美无不显示出钢铁材料在现实生活中的巨大作用。钢铁材料是人类经济建设和日常生活中所使用的罪重要的结构材料和产量最大的材料，是人类社会进步所依赖的重要物质基础。钢铁工业是为机械制造和金属加工、颜料动力、化学工业、建筑业、宇航与军工，以及交通运输业、农业等部门提供原材料和钢铁产品的重要基础工业。在世界上，不论是发达国家还是发展中国家，都非常重视发展钢铁工业，因为它是国家工业化的支柱。没有强大的钢铁工业，要实现工业化的社会是困难的。因此在一个相当长的历史时期，钢铁工业发展程度如何，是衡量一个国家工业化水平高低的重要标志之一。总之，钢铁材料是人类社会的基础材料，是社会文明的标志。那么，钢铁材料是如何从矿石加工成产品的呢？

大多数钢铁材料的加工过程可分为五个步骤：矿石的冶金、熔炼、铸造、锻造或者轧制、热处理。

首先是矿石的冶金，选矿是冶炼前的准备工作，从矿山开采下来矿石以后，首先需要将含铁、铜、铝、锰等金属元素高的矿石甄选出来，为下一步的冶炼活动做准备。选矿一般分为破碎、磨矿、选别三部分。为了保证供给高炉的铁矿石中铁含量均匀，并且保证高炉的透气性，需要把选矿工艺产出的铁精矿制成10-25mm的块状原料。铁矿粉造块目前主要有两种方法：烧结法和球团法。两种方法所获得的块矿分别为烧结矿和球团矿。高炉生产前的准备除了准备铁矿石（烧结矿和球团矿）外，还需要准备好必需的燃料--焦炭。焦炭是高炉冶炼的主要燃料，焦炭在风口前燃烧放出大量热量并产生煤气，煤气在上升过程中将热量传给炉料，使高炉内的各种物理化学反应得以进行。高炉炼铁生产是冶金(钢铁)工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被

还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。高炉生产是连续进行的。转炉炼钢是把氧气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量（含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成分。

熔炼的工艺在铁矿石的冶炼过程中也非常重要，其主要采取液化提纯法。铁矿石的加工一直围绕提纯进行，经过第一步的冶炼过后，主要除去了矿石中的碳酸钙杂质，而熔炼的步骤主要作用是除去矿石中的硫元素和其他金属元素。熔炼的方法是将矿石升温根据熔点的不同将起中的杂质分离。加热至铁的熔点之后，矿石中的铁元素就会熔化成液态，在用物理的方法分离，当然其中有还原反应，因为矿石中的铁为+2价和+3价，最后变成金属铁是0价，铁发生还原反应，这个反应也贯穿在整个工序之中。

熔炼是铸造生产工艺之一。将金属材料及其它辅助材料投入加热炉溶化并调质，炉料在高温(1300～1600K)炉内物料发生一定的物理、化学变化，产出粗金属或金属富集物和炉渣的火法冶金过程。炉料除精矿、焙砂、烧结矿等外，有时还需添加为使炉料易于熔融的熔剂，以及为进行某种反应而加入还原剂。此外，为提供必须的温度，往往需加入燃料燃烧，并送入空气或富氧空气。粗金属或金属富集物由于与熔融炉渣互溶度很小和密度差分为两层而得以分离。富集物有锍、黄渣等，它们尚须经过吹炼或其他方法处理才能得到金属。熔炼过程进行的反应是很迅速的，故熔炼设备生产率高，每平方米熔池面积的昼夜生产能力达几吨乃至几十吨。这是湿法冶金或电化冶金设备无法与之比拟的。除此，单台设备的生产能力也很大。

其次就是铁矿石的铸造。铁矿石的铸造就是将铁矿石经过熔炼后得到的粗金

属精加工之后，将纯度较高的铁熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷

却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的过程。铸造是现代机

械制造工业的基础工艺之一。

金属铸造在造型方法上可以分为砂型铸造和特种铸造。而砂型铸造又可以分为湿砂型铸造、干砂型铸造和化学硬化砂型铸造三类；特种铸造可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造如（熔模铸造）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（金属型铸造）两类。

对于砂型铸造来说，首先需要铸造图纸进而来设计模具，模具一般由木材或者其他金属材料制成的，然后是制造砂型。制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。最常用的铸造砂是硅质砂，应用最广的型砂粘结剂是粘土，也可采用各种干性油或半干性油、水溶性硅酸盐或磷酸盐和各种合成树脂作型砂粘结剂。接下来是制芯，只要通过把树脂砂粒置于模具中，以形成内部表面的铸件，因此芯与模具之间的空隙即为铸造的零件。最后一步是清洁，目的是除去砂砾以及打磨铸件外的多余金属。

对于特种铸造中的熔模铸造它的制壳过程为首先是模组的除油和脱脂，将表面的油污除去，接下来是在模组上涂挂涂料和撒砂挂，涂料时,把模组浸泡在涂料中,左右上下晃动,使涂料能很好润湿熔模，均匀覆盖模组表面。涂料涂好后，即可进行撒砂。然后是型壳干燥和硬化。接下来是在型模中熔去蜡模，脱蜡方法用得较多的是热水法和同压蒸汽法。最后一步是焙烧型壳，焙烧时逐步增加炉温，将型壳加热至800-1000℃，保温一段时间，即可进行浇注。

金属型铸造又称硬模铸造，它是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次（几百次到几千次）。金属型铸造目前所能生产的铸件，在重量和形状方面还有一定的限制，如对黑色金属只能是形状简单的铸件；铸件的重量不可太大；壁厚也有限制，较小的铸件壁厚

无法铸出。但是金属型铸造也是有很多优点的：生产效率高；使铸件产生缺陷的原因减少。

然后是锻造，锻造是一种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，锻压（锻造与冲压）的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。

根据成形机理，锻造可分为自由锻、模锻、碾环、特殊锻造。不同的锻造方法有不同的流程，其中以热模锻的工艺流程最长，一般顺序为：锻坯下料；锻坯加热；辊锻备坯；模锻成形；切边；冲孔；矫正；中间检验，检验锻件的尺寸和表面缺陷；锻件热处理，用以消除锻造应力，改善金属切削性能；清理，主要是去除表面氧化皮；矫正；检查，一般锻件要经过外观和硬度检查，重要锻件还要经过化学成分分析、机械性能、残余应力等检验和无损探伤。

与铸件相比，金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。

铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性能。锻件是金属被施加压力，通过塑性变形塑造要求的形状或合适的压缩力的物件。这种力量典型的通过使用铁锤或压力来实现。锻件过程建造了精致的颗粒结构，并改进了金属的物理属性。此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持

一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。采用精密模锻、冷挤压、温挤压等工艺生产的锻件，都是铸件所无法比拟的。

最后就是钢铁材料加工中的热处理。金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理、局部热处理和化学热处理等。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同,每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺,可获得不同的组织,从而具有不同的性能。

钢铁是工业上应用最广的金属,而且钢铁显微组织也最为复杂,因此钢铁热处理工艺种类繁多。整体热处理是对工件整体加热,然后以适当的速度冷却,以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。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。其中的淬火与回火关系密切,常常配合使用,缺一不可。随着加热温度和冷却方式的不同,又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性,把淬火和高温回火结合起来的工艺,称为调质。

某些合金淬火形成过饱和固溶体后,将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间,以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行,使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理;在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理,它不仅能使工件不氧化,不脱碳,保持处理后工件表面光洁,提高工件的性能,还可以通入渗剂进行化学热处理。

表面热处理是只加热工件表层,以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部,使用的热源须具有高的能量密度,即在单位面积的工件上给予较大的热能,使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法,有激光热处理、火焰淬火和感应加热热处理,

常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。

化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热,保温较长时间,从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后,有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属、复合渗等。

热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。大体来说,它可以保证和提高工件的各种性能,如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态,以利于进行各种冷、热加工。

经过矿石的冶金、熔炼、铸造、锻造或者轧制、热处理等步骤，把矿石加工成产品。钢铁材料作为人类社会的基础材料，社会文明的标志，它的加工技术是人类进步的依赖，是科技文明发展的保障。

通过对钢铁材料加工过程的了解，让我们认识到我们所学材料加工的重要性及必要性，我们一定要联系专业培养目标，树立献身我国现代化建设，提高我国材料加工水平的远大志向!