有色金属冶金概论

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有色金属冶金概论范文第1篇

冶金工程是一门研究从矿石（或其他金属资源）中提取钢铁或有色金属材料并进行加工的应用学科，可以分为化学冶金学（Chemicalmetallurgy）和物理冶金学（Physicalmetallurgy），如图1所示。从矿石提取金属的生产过程称为化学冶金学；通过成型加工，制备有一定性能的金属或合金材料的学科称为物理冶金学。目前，冶金工程专业的课程设置以化学冶金学为主，包括钢铁冶金、冶金物理化学、冶金传输原理、有色金属冶金等课程。尽管也开设金属学，材料加工技术等课程，但内容较为宽泛，针对性不强。2007年，本文开始承担江苏大学冶金工程专业材料加工技术课程的教学任务，结合多年从事钢铁生产、科研的经历，根据自己对物理冶金和化学冶金的理解，以拓宽毕业生专业口径、提高学生的综合素质为目的，将教学重点调整为“塑性加工及物理冶金理论”，取得了良好的效果。

一、增加物理冶金教学内容的思路

为适应社会发展和需求，拓宽专业、宽口径专业教育已成为冶金领域培养人才的重要模式。目前，冶金工程专业设置涵盖了钢铁冶金专业、有色冶金专业和冶金物理化学专业，改变了过去专业划分过细的弊端，增强了学生的适应性，提高了学生独立工作的能力。这体现了教育思想观念由“对口”向“适应”转变的进程。但是，也应认识到，随着冶金技术的进步，物理过程在冶金中的重要性日显突出，物理冶金和化学冶金（传统冶金）同等重要。冶金工程专业的教学重点以化学冶金学为主是毋庸置疑的，但适当增加、补充和生产密切相关的物理冶金学的教学内容也是大有裨益的。首先，物理冶金学和化学冶金学是冶金工程学科不可分割的组成部分。例如钢铁生产是从铁矿石中提取钢铁并加工成钢材的过程，包括炼铁（焦化、烧结）、炼钢、精炼、连铸、轧钢、热处理等工艺环节。钢铁生产的集成技术已经打破了冶金、轧钢和热处理的明确分工，尤其是薄板坯连铸连轧技术的兴起，更是将炼钢、连铸、轧钢等工艺环节有效地联系在一起。为了得到性能合格的钢材，需要控制钢材的化学成分和组织结构，化学冶金学可以解决化学成分控制的问题，在钢铁生产中由连铸之前的工艺环节完成，最终的组织状态则通过后续的成型加工和热处理实现。可见，钢铁生产需要化学冶金学和物理冶金学的综合知识，只有把两者结合才能解释并解决钢铁生产中出现的问题。目前，冶金工程专业的主要教学内容为化学冶金，尽管也开设了金属学等课程，但内容宽泛，针对性不强，学生对钢材加工和热处理过程中组织、结构和性能的变化不甚了了，无法对钢铁生产建立起系统、全面的认识。其次，物理冶金学和化学冶金学的内容是互相联系的，通过物理冶金学的学习，能够促进对化学冶金学的深入理解。例如：冶金过程热力学中自由能的计算，是判别、变更或控制化学反应发生的趋势、方向和达到平衡态的手段，运用热力学计算可以分析钢中元素的氧化还原问题。由于Cu氧化的标准自由能和铁相比更高，在炼钢吹氧过程中，将被铁保护而不被氧化。而铜是钢材热加工产生热脆的有害元素，这是由于加热过程中铁被氧化，铜在轧件表面富集，成为液相后沿奥氏体晶界渗透，弱化晶界而造成热塑性降低。所以，只有通过配料降低钢中的Cu含量。这样，就会对Cu在钢中的危害、控制及氧化还原的热力学条件有了系统的认识。可见，通过物理冶金的学习，冶金工程专业的学生可以更加深刻地理解冶金过程热力学中元素氧化还原的规律性，认识到合理控制化学成分的必要性。另外，物理冶金课程在冶金工程专业的引入能够拓宽学生的知识面，增加毕业生的适应性，促进将来工作和事业的发展。钢铁生产中需要专才，更需要通才。钢铁生产的集成技术已经打破了冶金、轧钢和热处理的明确分工，化学冶金学和物理冶金学的知识相互联系、相互融合。只有具备了化学冶金学和物理冶金学的综合知识，才能使毕业生对操作岗位的工艺特点和目的要求有更深刻的认识；在产品出现质量问题时，才能对复杂工艺环节的影响因素做出准确判断，并制定出切实可行的解决方案。市场疲软和原材料涨价的双重影响，压缩了钢铁行业的利润率空间，而且产品的同质化竞争日趋激烈，产品开发日益受到重视，新产品开发更需要具备化学冶金学和物理冶金学的综合知识，对冶金工程专业的毕业生在知识面和综合能力上提出了更高的要求。例如，Ti微合金化高强钢的开发主要是利用了纳米尺寸TiC的沉淀强化作用，需要通过控制轧制和控制冷却来实现，但由于钛容易氧化的特点，必须在精炼后期用铝充分脱氧后加入钛才能提高其收得率。通过类似产品开发的实例，将枯燥的书本知识和生产实际结合，使学生加深对物理冶金学和化学冶金学的理解，提高综合运用知识的能力。

二、增加物理冶金教学内容的实践

依据冶金工程的专业特点，结合多年现场生产和科学研究的经历，本文自2007年起在冶金工程专业开设了“塑性加工及物理冶金理论“课程。由于江苏大学冶金工程专业毕业生的分配去向主要是武钢、沙钢、兴澄等钢铁企业，课程重点针对钢材塑性加工过程中的物理冶金问题，讲解塑性加工的原理、工艺以及物理冶金学理论，包括化学冶金的产品再加工和热处理产生的金属及合金组织、结构的变化，以及由此造成的金属材料的机械、物理、化学、工艺性能的变化。课程设置在大四上学期，此时钢铁冶金、冶金物化和金属学等相关教学已经结束，学生具备了化学冶金的基础知识，通过认识实习和生产实习，对钢铁生产流程和工艺环节有了一定的了解。课程设置为30学时，教学内容包括以下5个部分：（A）介绍大型钢铁企业的生产流程，及物理冶金在其中的地位和作用；（B）介绍钢材的分类，重点使学生认识钢材的用途，以及由此带来的对成分、组织和性能的要求；（C）轧制工艺学，包括轧钢生产基本工序、轧机分类、组成和布置形式、厚度和板型控制等；（D）轧制原理介绍，包括塑形加工基本概念、轧制过程基本概念、实现轧制过程的条件、延伸和宽展等；（E）物理冶金概论，强韧化机制，热变形和冷却过程中的组织变化，控制轧制和控制冷却，微合金化元素的作用，等。采用计算机多媒体教学方式授课，大大提高了教学的效率。由于教学内容是本文多年学习和科研工作的总结，并加入许多最新成果和图片，知识贴近实际而新鲜；注意收集国内外文献、会议资料和各大钢厂的生产实例，内容生动直观，激发起学生强烈的学习兴趣。例如，关于钢材按用途分类，结合西气东输的工程建设讲述管线钢的强度级别和性能要求；建筑用钢的讲解则展示了鸟巢、水立方美仑美奂的图片及其中钢材的使用情况。授课过程中摈弃了按部就班、照本宣科的填鸭式教学，采用融会贯通、举一反三的教学方法。以不锈钢为例，先介绍不锈钢的相关知识，由不锈钢的金属学问题、耐蚀原理讲述配料熔炼法、返回吹氧法和高碳真空吹炼法3个阶段的发展历史。最后，重点讲述碳的选择性氧化———奥氏体不锈钢冶炼的去碳保铬问题。这样就会使学生对不锈钢的生产工艺以及化学冶金学和物理冶金学在生产中的应用有了深入的理解。在课堂教学外，注重生产实习和实践环节中物理冶金的教学。在钢铁企业的认识实习和生产实习期间，结合对中厚板、热轧带钢和棒线材生产线的参观，在介绍生产工艺和生产设备的基础上，为学生重点讲解轧制和冷却过程中的组织、性能变化及微合金化元素的固溶和析出规律。使学生认识到轧制和冷却中组织复杂的演变过程，其中加工硬化、回复、再结晶、相变和第二相粒子的析出过程交织在一起。在为大三学生开设的专业讲座中，也注意把物理冶金学的知识贯穿其中：以瑞典SSAB公司为例，用英文幻灯片讲述钢铁的生产流程；结合最新资料介绍国际和国内钢铁生产的历史、现状和发展趋势；运用物理冶金和化学冶金的综合知识介绍管线钢、汽车板等专用钢种的产品开发实践。在指导本科生的毕业设计时，依据自己的科研方向，确定产品开发、组织性能分析、强韧化机理等紧密联系生产实际的题目，加深毕业生对物理冶金学的认识并掌握物理冶金的研究方法，注重培养他们综合运用知识分析问题和解决问题的能力，为踏入工作岗位或继续深造做好准备。