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1、第一章 先进制造技术在钢铁材料中的应用简介1.1 浅析先进制造技术1.1.1 先进制造技术要把原材料变成市场所需求的产品，需要采用一系列的技术，总称之为制造技术。近代制造技术的形成距今大约只有两百年。18世纪后叶，以蒸汽机和工具机发明为特征的产业革命，开始了机器为主导地位的新纪元，促成了制造企业雏形 工场式生产的出现。20世纪初内燃机的发明，引发了制造业的革命，流水生产线和泰勒式工作制得到了广泛的应用，并导致了制造技术的过细分工和制造系统的功能分解，产生了铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工、装配等制造工艺和装备。第二次世界大战后，微电子技术、计算机技术、自动化技术得到迅速发展，推动了
2、制造技术向高质量生产和柔性生产的方向发展。自80年代以来，受市场多样化、个性化的牵引及商业竞争加剧的影响，制造技术进人了面向市场、柔性生产的新阶段，引发了生产模式和管理技术的革命。在这样的背景下，传统制造技术与计算机为核心的信息技术、现代管理技术相结合，形成了先进制造技术。1先进制造技术AMT(advanced manufacturing technology)是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果并将其综合应用于产品设计、生产、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁和 灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。它集成了现代
3、科学技术和工业创新的成果，充分利用了信息技术，使制造技术提高到新的高度。近年来，随着科学技术的迅猛发展和学科间的交 叉融合，先进制造技术不断发展，呈现出一些新的特点和趋势，新技术、新概念层出不穷，如并行工程(CE)、敏捷制造(AM)、虚拟制造(VM)、智能制造(IM)、绿色制造(GM)等都代表了AMT的发展方向。2 1.1.2先进制造技术与综合国力1.1.2.1先进制造技术与综合国力先进制造技术是影响一个国家综合国力的战略技术、工业发达国家经济发展的历史表明，制造技术的出现和进步，对一个国家的经济发展和具有重要的影响。第二次世界大战后，日本产业技术政策走了一条技术引进自主开发个性化、创造性的自
4、主开发加强基础研究的发展道路。七、八十年代，正当美国视制造业为“夕阳工业”时，日本却悄悄的把主要力量投人到制造技术上，以致许多由美国最先发明的技术和产品，却由日本最先做成了产品，投人市场，取得了重大的经济效益和快速的经济增长，在许多方面的国际竞争力处于首位。 先进制造技术也是影响一个国家国防实力的战略技术，因现代战争正向高科技的方向发展，就必须使国防建设立足于高科技装备之上。只有采用先进的制造技术、工艺设备，才能实现国防现代化，提高国防实力。先进制造技术是改造传统产业的技术基础，传统产业的改造必须依赖先进制造技术与先进的技术装备。一个国家的制造业是其经济发展的支柱、是国民收人的重要来源，无论是
5、工业发达国家还是新兴工业国家，制造业在国民经济中都处于一个十分重要的地位。采用先进制造技术、工艺和装备，改造以机械制造业为代表的我国制造业，是实现其技术升级、进而走出困境的有利举措。先进制造技术是高技术实现产业化的接口、桥梁和通道，科技成果一般要直接通过先进制造技术，或通过先进制造技术、工艺和装备生产出的技术装备才能转化为生产力，物化为人类可使用的产品。先进制造技术作为高新技术物化和产业化的接口、桥梁和通道，对高技术产业化的形成、对未来经济的发展起着十分重要的作用。31.1.2.2我国先进制造技术的发展状况近10年来，中国先进制造技术在政府的关怀下得到快速发展和重大突破。具体表现在以下9个方面
6、：a. 计算机辅助设计(CAD)技术普及化。CAD技术得到广泛的应用，提高了中国企业整体的设计水平和产品开发能力。以三维CAD和产品数据管理为重点，在软件市场和企业应用方面得到充分的发挥。在三维CAD软件开发上，主要表现为：第一代三维CAD软件及CADCAM系统纷纷上市、建立了2D和3D统一模型，软件的集成性得到提高与改善，软件的专业化和本地化得到加强。 b. 快速原型制造技术由起步迈向成熟，应用初具规模。快速原型制造技术是国外在20世纪80年代中期发展起来的高新技术，包括一切由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。中国从20世纪90年代期间起步，并取得了突破性的进展。目
7、前已掌握了4种最主要的快速成型制造技术，即立体印刷 (SLA)、分层实体制造(LOM)、选择性激光烧结(SIS)、熔融沉积成形(FDM)技术，并在工艺、装备、材料方面并举 发展。采用上述技术的设备国内都已商品化生产，投放国 内市场并有少量出口。 c. 精密成形与加工技术水平显著提高，在汽车零部件、重大装配制造中获得广泛应用。精密成形与加工技术是指机械零部件从毛坯成形、零件加工到装配成为产品的全过程中，采用近净成形、近无缺陷成形、超精密和超高速等多种先进技术，使制造过程精密、高效、低耗，以获得高 精度、高品质产品的综合集成技术，近5年来取得重大进展。 d. 热加工工艺模拟优化技术取得重要进展，使
8、材料热加工由“技艺”走向“科学”。热加工工艺模拟优化技术以材料热加工过程的精确数学建模和物理建模为基础，以数值模拟及相应的精确测试为手段，能够在计算机逼真的拟实环境中动态模拟热加工过程，预测材料经过成形、改性制成零件毛坯后的组织性能品质，特别是能找出易发缺陷的成因及消除方法，通过在虚拟条件下工艺参数的反复比较，得出最优工艺方案，通过模拟优化，可以确保关键大件一次制造成功；对于大批量生产的毛坯件，可以减小试模次数，直至确保一次试模成功。e. 激光加工在基础研究和技术开发方面有实质性进展，产业应用获得经济效益。在应用基础研究方面：大功率CO：及YAG激光三维焊接和切割机理与技术研究已取得重要进展，
9、一是建立了大功率激光光束的传输与聚焦理 论及加工用激光光束品质的评定方法；二是建立了具有真正实用价值的激光三维加工数控自动编程。 f. 数控技术取得重要进展，国内市场占有率有所提高。中国在数控机床共性关键技术攻关、数控机床开发、数控系统和普及型数控机床产业化工程研究、传统装备的数控化改造等方面取得了进展，在一些基础技术和关键技术上有重大突破。开发出PC机为平台的数控系统，在充分利用计算机高速发展的硬件技术基础上提高了软件开发水平。在数控系统功能上，解决了多坐标联动、远程数据传输及远程控制、诊断等技术难题。开发了高速主轴单元、加工中心刀库和数控车床回转动力刀架，普及型数控机床整体性能有了较大提高
10、。g. 现场总线智能仪表研究开发获重要进展，应用已有一定的基础。基于计算机及数字通信技术的工业控制通信网络技术，即现场总线技术，以及相关的设备及系统技术获得快速发展，这是未来工业自动化技术和自动化控制技术的重要发展方向。h. 现代集成制造系统研究和应用取得突破，在国际上已占有一席之地。现代集成制造系统是一种新的制造模式，将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于产品生命周期的各个阶段，通过信息集成、过程优化 及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人与组织，经营管理和技术三要素的集成优化，以改进产品的开发时间、品质、成本、服务和环境，从而提高企业的市场应变能力和竞争能
11、力。i. 新生产模式的研究和实践具有特色，推动了中国制造业的技术进步和管理现代化，并在中国汽车制造业中首先推广。通过精简机构、减少管理层次和消除各种浪现象，显著提高了企业的经营效益。4 1.1.3先进制造技术的体系结构及其分类目前对先进制造技术的体系结构认识很不统一，下面给出二种先进制造技术的体系结构以供参考。机械科学研究院(AMST)提出的先进制造技术由多层次技术群构成的体系图(图1)，强调了从基础制造技术、新型制造单元技术到先进制造集成技术的发展过程，也表明了在新型产业及市场需求的带动之下，在各种高新技术的推动下先进制造技术的发展过程。 先进制造技术所涉及的学科门类多，包含的技术内容广泛。
12、1994年，美国联邦科学、工程和技术协调委员会将先进制造技术分为三个技术群，即：1)主体技术群；2)支撑技术群；3)管理技术群。国内学者在此基础上进行了改进和充实，将其分为如图2所示的三大主体技术群和一个支撑技术群。561.2 我国钢铁工业发展现状1.2.1 20世纪钢铁工业回顾1.2.1.1 中国钢铁工业主要成就（1）产量高速发展（2）质量显著提高（3）品种齐全，基本满足国内需求（4）能耗逐年降低（5）劳动生产率逐步提高（6）环境污染得到治理 1.2.1.2 20世纪钢铁生产技术的主要进步（1）高炉大型化和喷煤技术（2）纯氧转炉技术（3）连铸技术的崛起（4）炉外处理技术的发展（5）连轧技术的
13、发展 （6）电炉短流程的兴起71.2.2 21世纪钢铁生产技术的关键技术1.2.2.1炼铁预计高炉仍将是21世纪最主要的炼铁方法。但是在环境污染、对燃料的适应性和生产效率等方面将受到熔融还原等新兴工艺技术的严峻挑战。21世纪将发展以下高炉技术：（1） 大量喷煤降低焦比（2） 长寿技术（3） 提高利用系数1.2.2.2炼钢21世纪炼钢生产技术的发展将日臻完善，逐步向纯净化、连续化和高效化方向发展：（1） 高效转炉生产工艺技术（2） 建立大规模生产洁净钢的工艺体系（3） 高效电炉及短流程生产工艺1.2.2.3连铸（1）高效连铸工艺：是指高拉速、高质量、高作业，是连铸技术向纵深发展的基础;（2）连铸
14、连轧技术，是简化工序、节能降耗、降低生产成本的重大跨世纪钢铁生产技术；1.2.2.4轧钢现代加工技术的发展使热轧产品的尺寸精度和质量得以提高，热轧产品更多的代替冷轧产品已成为可能。面向21世纪，轧钢技术的发展将实施精品战略，重点开发以下技术：大断面高刚度厚板轧机生产技术；冷热轧板厚、版型在线测量及人工智能控制技术；型钢生产中，柔性轧制技术、无孔型平辊轧制技术及切分轧制综合系统；连轧管竹节与张力减径头尾端部壁厚控制技术。1.2.2.5环境保护和综合利用技术（1）各种节能技术冶金生产中主要的节能技术包括： 高炉高煤粉量喷吹技术，以煤代焦； 高速连铸技术，扩大连铸比； 连铸连轧技术； 废钢预热技术；
15、 钢水快速加热、保温技术； 高性能、高效率加热喷嘴；废热最大限度的回收利用技术： CDQ装置； 烧结机排热回收装置； TRT装置； 高炉干式除尘装置； 转炉煤气回收技术； 热水、蒸汽的回收利用等。（2）炉渣的综合利用技术（3）粉尘回收技术1.2.2.6冶金自动化近年来，冶金自动化技术取得了巨大的进步。由于自动化系统可以提供高速计算功能、大容量信心存储和简洁的研制开发手段。能方便地实现离线仿真和在线控制功能，不仅有利于提高现有设备的生产效率，而且促进了新工艺的发展。（1） 在线检测技术的发展（2） 过程只能控制技术的发展（3） 引入企业内部网络 891.3 21世纪钢铁工业的去向钢铁材料作为人类
16、社会使用的最主要的结构材料和产量最大的功能材料这种格局在21世纪前半叶不会有大的改变。其依据是：铁是地壳中含量较多的元素之一，地壳中含量最多的元素是氧（以氧化物存在）、硅和铝，而氧不能作为结构材料使用；硅太脆，不可能代替铁；铝可以作为结构材料，但 由于铝和氧亲和力强，其提炼比铁困难，所以从地壳构成看，钢铁材料的重要性不会改变，除非科学技术出现新的突破；钢铁材 料的性能价格 比最好，是所有材料中的首选； 铁材料易于 回收利用，有利于实现可持续发展。21世纪全球经济必将继续发展。在科学技术进步的推动下，人类社会对钢铁材料 的需求亦将继续增长。二次世界大战后，全球经济发展迅速，尔后的十多年间，一部分
17、发达 国家进入后工业化阶段，一部分国家进入工业化过程，尚有一些国家未步入工业化。完成基础设施建设的国家，钢材需求量下降；处于工业化过程的国家，钢材需求量增长；总的趋势使全球钢产量在波动中增长。到2030 年，世界人口达到85亿时，全球钢产量至少达10亿t。由此可见，钢铁工业在21 世纪决非“夕阳工业”。另一方面，21世纪钢铁工业虽然将继续增长，但面临的挑战也是空前严峻的。应对挑战的实质是两大课题：“如何进一步提高钢铁工业竞争力”，“如何减轻钢铁工业对地球环境的负荷，将钢铁工业建成为对地球环境友好，以实施可持续发展战略”。 1.3.1钢铁工业的先进制造技术化1.3.1.1 先进制造技术化长期以来
18、，人们习惯于把机械 电器设备制造业作为制造业，钢铁冶炼不算作制造业。近年来，人们认为，凡加工生产商品的都属于制造业。按此定义，21世纪 的钢铁工业也必须开发新工艺、新产品和新装备，将钢铁生产过程进一步集成优化，将各个工序逐步改进为用信息技术支撑的全自动的工序单元。只有这样做，才能进一步提高效率，改善质量，降低消耗，降低成本，提高钢铁工业的总体竞争力。目前能基本达到这一水平的工序仅局限于某些轧钢工序，并且与机 电制造业相比，在产品质量控制上，还有差距。显而易见，21世纪钢铁工业在与其他材料工业的竞争中要想取得优势，必须在先进制造技术化方面取得突破。1.3.1.2 绿色之造化地球环境恶化是21世纪
19、人类社会面临的最大威胁。为改变这一状况，全球钢铁工业在减轻环境负荷方面所面临的压力必然愈来愈大。对全球钢铁工业来讲，要减轻地球环境负荷，必须实施污染的末端治理与源头治理并举 的方针，并把治理重点由末端移至源头。排放无害化是环境保护的最低要求。制造过程 中排放物 的再资源化、再能源化及减少排放，是实现钢铁工业绿色制造重点（见图3）。1.3.2钢铁生产的前沿技术1.3.2.1熔融还原炼铁法立足于非焦煤的炼铁新方法能解决当今钢铁工业发展面临的焦煤匮乏和环境污染两大难题，并能省略炼焦和烧结工序，缩短工艺流程，具有降低基建投资和生产成本、增强生产灵活性提高铁水质量等优点。1.3.2.2近终形连铸连轧技术
20、厚2090mm薄板坯连铸和1.55mm薄带连铸被人们称为近终形状浇注技术。由于省去部分或全部热轧，被认为是新一代连铸技术，主要优点有：（1） 生产周期短（2） 节能降耗，流程短（3） 生产成本低（4） 节省投资近终形连铸技术有望成为跨世纪板带生产的主流，世界各国都投入大量的人力、财力竞相开发。1.3.2.3半凝固加工工艺半凝固加工对提高金属材料的质量和功能起着很大的作用，和熔融还原法并列为钢铁业21世纪重大技术。半凝固加工工艺是把铸造工序和加工工序综合在一起的金属成型新方法。其发展前景非常广阔，目前科研工作者正在探索的半凝固加工工艺有：机械搅拌法、电磁搅拌法和粘铸法等。1.3.2.4无污染冶金
21、企业人类为了生存和持续发展，保护环境将是21世纪中最重要的任务。作为重要污染源的冶金企业应成为无污染工厂。采取高品位、高质量的清洁原材料和能源，选择无污染和少污染的替代产品，减少废物的排放，即以最少量的投入得到最高的产出和最少的污染。先进、高效的清洁生产工艺及其技术装备，对生产过程中的废水、废气、粉尘等排泄物进行清洁处理，实现有害物质的零排放。加强生产过程中煤气回收，各种废气、废渣和热锭坯的预热利用等，最大限度提高能源利用率。所以，未来的冶金企业应当是零污染，资源百分之百利用，厂区公园化的都市型企业。1011121.3.3先进制造技术大力发展钢铁业钢铁业反应了一个国家的综合国力，经济建设离不开
22、钢铁业的大力发展。而我国的整体制造业与发达国家相比，差距很大，主要表现为自主开发能力和技术创新能力薄弱，核心技术、关键技术仍依赖进口。对此，我国已经引起重视，在科技发展规划中，将先进制造技术列为重点发展领域之一。进入21世纪，经济全球化的进程日益加快，制造业领域的竞争日益加剧，钢铁行业作为制造业中重要的不可或缺的一个部分，同样处于白热化的竞争中，而竞争的核心是先进制造技术。在此环境下，我们只有抓住机遇，利用先进制造技术改造传统产业，实现技术创新、机制创新、管理创新以及人才创新，才能实现我国跻身世界制造业强国的目标。参考文献：1 刘践丰，丁杰.先进制造技术的发展趋势A.北京石油化工学院，2008
23、，2.2 刘晓玲，董平.先进制造技术的发展趋势及其关键技术A.扬州工业职业技术学院，2008，2.3 阳尧璋2l世纪制造技术发展趋势及重点发展方向J机械制造，2003，34 陈波2l世纪机械制造业的发展趋势J工具技术200135 杨坤怡，杜全兴制造技术M北京：网防工业出版被，2005 6 张世昌.先进制造技术M天津：天津大学出版被，20047 李梦群,庞学慧,王凡，等先进制遗技术导论M北京：国防工业出版社，20058 刘浏，杜挺，等.跨世纪钢铁工业生产技术的发展A.北京：钢铁研究总院冶金工艺研究所，1999.9 王爱玲.推行适合我国国情的先进制造技术A.山西：华北工学院，1999.10 郭锐.知识经济与中国制造业.11 雷源忠.跨世纪先进制造技术基础研究M.中国机械工程，1996，7.12 吴锡英.信息时代的全球制造战略M.中国机械工程学会会讯，1998，7.