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材料科学与工程学院教案用纸
课程章节名称 项目一 型钢生产概述
教学目的、要求 熟悉常见型钢产品分类、规格及用途。 了解型钢的生产方式。 了解型轧机的布置方式及生产特点。 能说出常见型钢产品的形状及规格。 能分析典型型钢产品所采用生产方式的原因 了解型钢生产的方式、生产特点。 了解型钢轧机的布置形式。
重点 难点 型钢的组成分类与性质 型钢生产工艺过程制定的依据 型钢生产各基本工序的作用及要点
教学环节时间分配 2课时
教学手段、教学方法和实施步骤 多媒体
授课内容: 任务一：型钢产品的认知 一、型钢的产品种类 型钢的品种很多,按其断面形状可分为简单断面和复杂或异型断面型钢。按生产方法又可分为轧制型钢、弯曲型钢、焊接型钢等, 1.按断面形状分类 (1)简单断面型钢 有方钢、圆钢、扁钢、六角钢、三角钢、弓形钢、椭圆钢等。 (2)复杂断面型钢 有工字钢、槽钢、丁字钢、钢轨等及异型断面型钢。 (3)特殊端面型钢 有螺纹钢、竹节钢、犁铧钢、车轴、变断面轴、钢球、齿轮、丝杠、车轮和轮箍等。 2.按生产方法分类 (1)轧制型钢 通过轧制方法生产的型钢,断面一般不宜复杂。 (2)弯曲型钢 在冷状态下把带钢逐步进行弯曲成型,用这种方法生产的钢材称为冷弯型钢,它既能生产简单断面又可生产复杂断面。 (3)焊接型钢 用焊接方法把成型的钢材焊在一起,多为复杂断面。 二、型钢的生产方式 热轧型钢具有生产规模大、效率高、能耗少和成本低等特点,故热轧型钢生产是主要的方式。型钢的轧制方法有以下数种: 1.普通轧法 即在一般二辊或三辊轧机上进行的普通轧制方法。 2.多辊轧法 多辊轧法的特点是:孔型由三个以上轧辊轧槽组成,从而减少了闭口糟的不利影响,辊径差亦减小,可轧出凸缘内外侧平行的经济断面型钢。 3.热弯轧法 它的前半部是将坯料轧成扁带式接近成品断面的形状,然后在后继孔型中趁热弯曲成型。 4.热轧—纵剖轧法 它的特点为:将较难轧的非对称断面产品先设计成对称断面,或将小断面产品设计成并联形式的大断面产品,以提高轧机生产能力,然后在轧机上或冷却后用圆盘剪进行纵剖。 5.热轧—冷拔(轧)法 这种方法可生产高精度型材,其产品机械性能和表面质量均高于一般热轧型钢,精度可达3~4级,表面光洁度可达5~7级,可直接用于各种机械零件。 6.热冷弯成型法 以热轧和冷轧板带钢为原料,使其通过带有一定槽形而又回转的轧辊,使板带钢承受横向弯曲变形而获得所需断面形状的钢材。 三、讨论型钢轧机的布置发展的原因及生产特点 横列式 优点：设备简单、造价低、建厂快,产品品种灵活。由于无张力影响,而便于生产断面较复杂的产品,其操作比较简单,适用性强。 缺点：1、产品尺寸精度不高,品种规格受限制；2、间隙时间长,轧件温降大,轧件长度和壁厚均受限制；3、不便于实现自动化。 顺列式 优点：每架速度可单独调整,使轧机能力得以充分发挥。 缺点：1、轧机温降仍然较大,不适于轧小型或壁薄的产品；2、机架数目多,投资大,建厂较慢。 棋盘式 它介于横列式和顺列式之间，这种轧机布置紧凑,适于中小型型钢生产。 半连续式 其设备布置比较紧凑,调整较为方便，:由于多根轧制,辊跳不一,产品精度难以提高。 连续式 轧机纵向紧密排列为连轧机组。可用单独传动或集体传动,每架只轧一道。轧制速度快、产量高、轧机紧密排列,间隙时间短,轧件温降小。 任务二：型钢生产工艺过程制定的依据 钢材产品标准及技术要求 品种(规格)标准 性能标准(技术条件) 试验标准 交货标准 特殊条件 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。目前，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧性。冲击试验是利用能量守恒定律原理:试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。试样被冲断时所吸收的能量即是摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功。用符号Ak表示，单位为J。可以看出Ak大小真实地反映了材料的韧性，其值越大表示材料抵抗冲击载荷的能力越强，韧性越高。 二、金属与合金的加工特性 1.塑性 纯金属和固溶体有较高的塑性，一般纯铁和低碳钢的塑性最好,含碳愈高,塑性愈差。钢的塑性一方面取决于金属本身,如组织中相的分布、晶界杂质的形态与分布、再结晶温度等，再结晶开始温度高,再结晶速度慢,往往使钢的塑性变差。另一方面,塑性还与变形条件,即与变形温度、变形速度、变形程度及应力状态有关,其中变形温度的影响最大。 2.变形抗力 有色金属及合金的变形抗力比钢的要低,随着含碳量及合金量的增加,钢的变形抗力将提高。合金元素增加使铁素体强化，能使奥氏体晶粒细化,使钢具有较高的强度，还能影响钢的熔点和再结晶温度与速度来影响变形抗力。高温时,由于合金钢一般熔点都较低,因而合金钢的高温变形抗力可能大为降低,例如,高碳钢、硅钢等在高温时甚至比低碳钢还要软。 3.导热系数 导热系数随着钢中合金元素和杂质含量的增多而降低，随温度升高而增大。合金钢的导热系数愈低,则在铸锭凝固时冷却愈加缓慢,因而使枝晶愈加发达和粗大,甚至横穿整个钢锭,这种组织称为柱状晶或横晶。这种柱状晶组织可能本身并不十分有害,但由于不均匀偏析较重,当有非金属夹杂或脆性组织成分存在时,则塑性降低,轧时易开裂。 4.摩擦系数 由于合金钢中大都含有铬、铝、硅等元素，故合金钢的热轧摩擦系数一般都比较大，宽展也较大。但与此相反,含铜、镍和高硫的钢则使摩擦系数降低。合金钢的摩擦系数和宽展的这种变化,在拟定生产工艺过程和制定轧下规程及孔型设计时必须加以考虑。 5.相图形态 合金元素在钢中影响奥氏体的形成与分解。了解一种相图变化规律和特点,是制订该钢种生产工艺过程及规程的基础。 6.淬硬性 合金钢往往较碳素钢易于淬硬或淬裂。除Co以外,合金元素Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Al等延缓奥氏体向珠光体的转变,降低钢的临界淬火速率，塑性较差的钢易产生冷却裂纹(冷裂或淬裂)。在生产过程中便时常采取缓冷、退火等工序,以消除应力及降低硬度,以便于清理表面或进一步加工。 7.对某些缺陷的敏感性 钢中合金元素增多,可在不同程度上阻止晶粒长大,尤其是铝、钛、铌、钒、锆等元素有强烈抑制晶粒长大的作用,故大多数合金钢比碳素钢的过热敏感性要小。 三、比较普通碳素钢与合金钢的生产工艺流程的不同 任务三：型钢生产各基本工序的作用及要点 原料的选择及准备 二、原料的加热 1 加热的目的：提高钢的塑性,降低变形抗力及改善金属 加热升温——得到塑性高、变形抗力低、加工性能好的金属组织。一般为了更好地降低变形抗力和提高塑性。 温度过高——可能引起钢的强烈氧化、脱碳、过热、过烧等缺陷，降低钢的质量，甚至导致废品。 加热温度的选择应依钢种不同而不同。对于碳素钢,最高加热温度应低于固相线100~150℃；而钢种不同,化学成分不同，加热温度也不同，与钢的特性、组织有直接关系。很多钢种的加热温度由实验取得。加热温度的下限理论上应高于Ac3线30~50℃。 过热与过烧敏感性最大的是铬合金钢、镍合金钢及铬镍合金钢。 产生原因：加热温度过高、加热时间过长和氧化性气氛等。 解决措施：必须对加热温度和加热时间加以严格限制,适当减少炉内的过剩空气量。如停轧时炉子必须降温。 2 热缺陷的种类： 黏钢：加热温度过高或加热时间过长所引起钢锭或钢坯表面的熔化,使钢坯(锭)之间黏上。 脱碳：炉气中氧化性气体与钢的表面上碳的作用,降低表面层含碳量的现象。（碳高的钢最容易脱碳） 氧化：炉气中氧化性气体(O2、CO2、H2O、SO2)使钢锭或钢坯的表面氧化而形成氧化铁皮。 加热温度不均：钢的上下面温度不均匀,钢的表面与中心温度不均匀和钢在长度或宽度上温度不均匀。 3 防止热缺陷的方法 加热温度要考虑钢种、原料种类(锭或坯)及断面尺寸大小等。如钢锭的加热温度比钢坯的加热温度适当地高些，可改善钢锭的组织，使钢锭中的偏析与杂质得到一定的扩散。 还必须考虑轧制工艺的要求。如：当轧制道次多，轧制温降大时可适当提高加热温度；锻造开坯时，因加工时间较长，应尽量提高加热温度。 还须考虑钢种和规格大小，大规格适当提高加热温度。 除了加热温度保证外，还必须有正确的加热制度。加热制度指原料在加热炉中所经历的温度升高过程。 4 对连续加热炉可按炉内温度分为： 一段式：只有加热阶段。 两段式：加热+均热 三段式：预热+加热+均热 多段式：预热段+第一加热段+第二加热段+…+均热 1）.预热段(温度应力期) 金属入炉后,在加热到500~550℃以前以较慢的速度加热。钢的加热温度低于700~800℃的加热段称为预热阶段。因加热钢表面的温度高，热膨胀较大,中心的温度低，热膨胀较小, 所以使金属表面部分受到压应力，同时中心受到拉应力。这种应力叫“温度应力”或热应力。 2）.加热阶段 温度大于700~800℃时的加热阶段称为加热阶段。其塑性显著提高,不再会由于热应力而形成裂纹。因此,加热阶段应采用快速加热,以提高炉子的产量和减少钢的氧化。 3）.均热阶段 在轧制时使轧制压力增大,而且由于不均匀变形(如钢坯弯曲和附加内应力)可能导致轧卡和内裂。因此必须通过均热阶段,使轧件断面温度分布趋于均匀，炉温略低于加热段。 三、钢的轧制 轧制工序的两大任务是精确成型及改善组织和性能。 1.在精确成型方面 要求产品形状正确、尺寸精确、表面完整光洁。对精确成型有决定性影响的因素是轧辊孔型设计(包括辊型设计及压下规程)和轧机调整。目前轧制条件中, 温度的波动,引起辊跳值的变化,从而影响产品精度。只有通过生产过程的自动化,才能最大限度地保持轧制条件的稳定。 2.在钢材的组织和性能方面 热轧钢材的组织和性能决定于变形程度、变形温度和变形速度。一般说来变形程度越大,三向压应力状态越强,对改善钢的组织性能越有利。变形温度应在不产生加热缺陷情况下尽量提高。变形速度越高生产率越大，轧制速度的提高受到电机能力、轧机设备结构及强度、机械化自动化水平以及咬入条件和坯料规格等一系列设备和工艺因素的限制。另外,轧制速度的变化通过摩擦系数的影响,会影响质量指标。 四、钢材的轧后冷却与精整 1.轧后冷却 冷却过程实质上是利用轧制余热的热处理过程。冷却速度或过冷度,对奥氏体转化温度及转化后的组织要产生显著的影响,选择不当不但得不到要求的性能,还可能产生白点（由于氢的析出和聚集）、裂纹（由于钢中内应力的影响）等缺陷,甚至前功尽弃变为废品。 冷却的三种方法： 空冷：这是最常用的一种冷却方法,凡是在空气中冷却不会由于热应力而产生裂纹和最终组织不是马氏体或半马氏体的钢种,均可采用 水冷：水冷包括在冷床或辊道上进行喷水、喷雾、浸水和使钢材通过涡漩流动的冷却器等几种方式。 堆冷及缓冷：对某些钢材为了获得具有较高的强度韧性和塑性等良好的综合机械性能,在冷床上冷却到一定温度后,可采用堆垛冷却或缓冷坑中冷却、炉冷及等温处理等方法。 2.精整 钢材的精整是冷却、切断、矫直、酸洗、热处理、成品表面清理和检查等后部工序的总称。 最终成品质量检查的任务是确定成品质量是否符合产品标准和技术要求。检查的内容取决于钢的成分、用途和要求,一般包括化学分析、机械性能检验、工艺试验、低倍组织及显微组织的检验等。
课堂讨论 讨论型钢生产工艺过程制定的依据
课外思考、练 习及作业题 课后习题
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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