冶金工程與金屬材料工程的聯合發(fā)展

江蘇科技大學(Collegeofmaterials,JiangsuUniversityofScienceandTechnology)論文課題：冶金工程與金屬材料工程的聯合發(fā)展姓名：陳仕博學號：1340602405冶金工程與金屬材料工程的聯合發(fā)展陳仕博（江蘇科技大學材料學院

鎮(zhèn)江

1340602405

中國）

摘要：本文探索冶金工程與金屬材料工程的聯系。金屬材料工程包括了金屬材料的晶體結構、元素組成、顯微組織、物理力學性能以及化學性能等。其中，金屬材料工程更強調了金屬材料的工程化應用特點。而冶金工程，是要告訴你金屬（鋼鐵）是怎樣煉成的，強調的是金屬材料的冶煉。這樣的話，兩者的聯系就明晰了：冶金工程是金屬材料工程的前沿學科，我們可以根據不同的金屬材料工程應用特點，選擇符合需要的性能特點的冶煉工藝。因為不同冶煉工藝將決定著金屬材料的原始性能（出生性能），當然后期還可以通過熱處理，表面處理，噴丸等強化工藝或者噴涂工藝等來改善金屬材料的性能以達到所需要的技術要求。關鍵詞：冶金工程金屬材料工程學科交叉聯系發(fā)展方向

JointdevelopmentofmetallurgicalengineeringandmetalmaterialengineeringShiboChen(Collegeofmaterials,

JiangsuUniversityofScienceandTechnologyZhenJiang1340602405China)Abstract:

Thispaperexplorestherelationshipbetweenmetallurgicalengineeringandmetalmaterialengineering.Metalmaterialengineeringincludesthecrystalstructure,elementcomposition,microstructure,physicalandmechanicalpropertiesandchemicalpropertiesofthemetalmaterials.Amongthem,metalmaterialsengineeringemphasizestheengineeringapplicationcharacteristicsofmetalmaterials.AndMetallurgyEngineering,istotellyouhowtomakemetal(ironandsteel),theemphasisisthesmeltingofmetalmaterials.Inthiscase,thelinkbetweenthetwobecomesclear:MetallurgicalEngineeringisoneofthefrontiersubjectsofmetalmaterialengineering,wecanaccordingtothedifferentmetalmaterialengineeringapplicationcharacteristics,inlinewiththeneedsoftheperformancecharacteristicsofthesmeltingprocess.Becausedifferentsmeltingprocesswilldeterminethemetalmaterialoftheoriginalperformance(bornperformance),ofcourse,thelattercanalsobebyheattreatment,surfacetreatment,shotpeeningstrengtheningprocessorsprayingprocesstoimprovetheperformanceofmetalmaterialsinordertoachievetherequiredtechnicalrequirements.Keyworde:

MetallurgicalEngineering、

Metalmaterialengineering、

Interdisciplinarycontact

、developmentdirection

0

前言為了增進企業(yè)、高校、科研院所金屬材料與冶金工程工作者的相互交流,實現金屬材料與冶金工程專業(yè)理論、工藝、設備在行業(yè)發(fā)展中的共同繁榮與進步,《金屬材料與冶金工程》雜志社擬聯合中國金屬學會材料專業(yè)委員會、中南大學、湖南大學、北京科技大學、內蒙古大學和長沙礦冶研究院等單位,于2007年6月在內蒙古自治區(qū)海拉爾市共同舉辦首屆全國冶金工程與金屬材料學術研討會,同期將召開首屆金屬材料與冶金工程理事會會議。會議論文集以《金屬材料與冶金工程》增刊形式出版。【01】現在，我們已經知道，金屬材料工程專業(yè)學生主要學習材料科學的基礎理論，掌握金屬材料及其復合材料的成分、組織結構、生產工藝、環(huán)境與性能之間關系的基本規(guī)律。通過綜合合金設計和工藝設計，提高材料的性能、質量和壽命，并開發(fā)新的材料及工藝。專業(yè)培養(yǎng)具備金屬材料科學與工程等方面的知識，能在冶金、材料結構研究與分析、金屬材料及復合材料制備、金屬材料成型等領域從事科學研究、技術開發(fā)、工藝和設備設計、生產及經營管理等方面工作的高級工程技術人才。冶金工程專業(yè)是一門研究從礦石中提取有價金屬或其化合物并進行加工成有良好使用性能材料的應用性學科，培養(yǎng)的是冶金工程領域科學研究與開發(fā)應用、工程設計與實施、技術攻關與技術改造、新技術推廣與應用、工程規(guī)劃與冶金企業(yè)管理等方面的專門人才。冶金工程領域是研究從礦石等資源中提取金屬或化合物，并制成具有良好的使用性能和經濟價值的材料的工程技術領域。盡管“十二五”期間冶金工業(yè)淘汰落后產能及結構重組成為重頭戲，但置換落后產能以及結構重組必將帶來先進產能的建設。2008-2010年，我國黑色金屬固定資產投資額處于平穩(wěn)增長階段，三年平均增長率為8.65%。黑色金屬采礦業(yè)方面，鑒于我國鐵礦石受制于國際三大礦商，國內鐵礦石開采投資力度遠大于冶煉加工環(huán)節(jié);而2010年冶煉加工環(huán)節(jié)的投資也出現強勁反彈，其投資額增長率由上年的負增長回升至8.08%，可見我國黑色金屬工業(yè)形勢回暖。與黑色金屬不同的是，有色金屬采礦業(yè)投資及冶煉加工環(huán)節(jié)投資都處于較好的增長態(tài)勢，增速較高時達到30%-40%。2011年上半年，我國黑色金屬采礦業(yè)投資512.91億元，同比增長18.60%;黑色金屬冶煉及壓延加工也投資1662.70億元，同比增長14.80%;有色金屬采礦業(yè)投資472.15億元，同比增長15.80%;有色金屬冶煉及壓延加工業(yè)投資1613.17億元，同比增長30.70%。冶金工業(yè)固定資產投資的穩(wěn)定增長，直接帶動工程市場的增長，冶金工程企業(yè)迎來金融危機后的又一波增長契機。

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冶金反應工程技術現狀1.1

冶金反應工程學分學科范時與戰(zhàn)略地位冶金反應工程學(metallurgicalreactionengineering)是研究冶金反應器內的流體流動、質量傳遞和熱量傳遞以及冶金反應宏觀動力學的一般性規(guī)律的學科。冶金反應工程學是研究冶金反應的工程問題的科學:研究伴隨各類傳遞過程的冶金反應的規(guī)律以及實現冶金反應的各類冶金反應器和系統(tǒng)的操作過程特征和規(guī)律所形成的獨特的學科體系。冶金反應的特點是高溫、多相的化學反應，綜合考察物理條件對化學反應的影響及化學反應的物理效應。按經典的化學反應動力學，冶金工程中的速率問題，僅考察濃度、壓力和溫度對物質濃度(隨時間)的變化速率的影響，這是遠遠不夠的。大多數冶金反應，特別是火法冶金過程，由于反應溫度較高，其本征化學反應的速率較快，整個過程的速率主要取決于傳質過程。為此，宏觀反應動力學將物質在空間上的分布和傳輸與化學反應作為一個統(tǒng)一的過程來研究。不僅如此，工程中的實際過程必然在某個具體裝置中進行，考慮到反應器特征的冶金反應過程動力學稱之為冶金反應工程學。一般來說，宏觀反應動力學屬于冶金反應工程學。另一方面，為了便于區(qū)分，傳統(tǒng)的反應動力學可稱之為微觀化學反應動力學。自冶金反應工程學借助于數學和物理模擬方法，以研究和解析冶金反應器和系統(tǒng)的操作工程規(guī)律為核心，以實現冶金反應器和系統(tǒng)的優(yōu)化操作、優(yōu)化設計和放大為目的的新興工程學科。現代冶金學科研究的問題和對象正經歷著一個從微觀層次到宏觀層次的變化，即冶金物理化學—冶金反應工程學—冶金流程工程學—冶金系統(tǒng)工程。1.2

冶金反應工程學的特點最初，冶金反應工程學借鑒化學反應工程學的方法。經過一段時間的研究，認識到冶金反應工程學有自己的特殊性:①冶金反應絕大多數屬于非催化型的多相反應;②冶金原料為天然原料，成分復雜，副反應多;③冶金過程中不僅依靠化學反應，也依靠熔化、凝固、相變等多種物理過程;④冶金過程往往利用氣泡、液滴、顆粒構成彌散系統(tǒng)，以增加反應效率，從而也增大了研究難度;⑤冶金過程在高溫進行，對生產系統(tǒng)測量困難大，過程信息少;⑥反應介質為高溫熔體(熔渣、熔鹽、熔毓、金屬液)。對于高度彌散系統(tǒng)，冶金反應工程學的分析方法具有自身的特點，主要有:(1)研究測量界面反應，特別是氣泡、液滴、顆粒界面處的反應動力學，建立動力學方程;(2)描述乳化和彌散現象，包括測定彌散相的微粒尺寸分布和停留時間分布函數;(3)通過平面界面或彌散微粒界面上的物質衡算，把微觀的反應動力學和提取相的數量相聯系，同理，也可以通過界面上的熱衡算，分析彌散相狀態(tài)和傳熱過程的關系，從而得到部分均勻系統(tǒng)的總物質量傳遞和總熱傳遞;(4)研究和描述總的宏觀體積內的混合，以決定整體不均勻系統(tǒng)中的反應工程.對于連續(xù)介質系統(tǒng)，近年來計算流體力學(CFD)的發(fā)展和通用型工程軟件的普及，已經能較方便地求解各種反應器中的流動場。困難在于正確認識和描述邊界條件和設定方程中的系數值，而這和冶金熔煉的高溫物理性質有密切關系?！?2】1.3

學科的戰(zhàn)略地位冶金工業(yè)一直是我國國民經濟中非常重要的基礎工業(yè)。隨著科學技術和國民經濟不斷發(fā)展，對冶金產品的品種、質量和性能要求日趨提高，對冶金過程的環(huán)境友好的要求越來越高。在冶金新技術、新型反應器及新的生產流程開發(fā)的過程中，冶金反應工程學都將起到非常重要的作用。這是因為:(1)冶金反應工程學科是在改進和強化反應器操作尋找最優(yōu)化操作條件，以及在新技術、新流程開發(fā)，指導設計、解決比例放大等工作中都能發(fā)揮重要作用。(2)冶金反應工程學的比例放大方法在于根據過程的實質，可以節(jié)省大量資金和時間，而且由于采用“計算機模擬試驗”代替了“逐級放大法”中的許多中間試驗，能夠實現比逐級放大法高得多的放大倍數。(3)數值計算方法、計算機技術的進步，各種現代物理化學測試手段和實驗技術的提高，為發(fā)揮冶金反應工程學的優(yōu)勢提供了日趨穩(wěn)定的技術保證。

2

這冶金反應工程學主要幣開究方向2.1

冶金反應動力學

絕大多數冶金反應是多相反應，界面反應和反應物質向界面的傳遞及反應生成物的離開，是反應持續(xù)進行的必要條件。對于包括固體反應物或固體生成物的體系，固體產物層的生成導致反應界面移動，反應物需要通過固體產物層擴散才能傳遞到反應界面。多相反應有氣固反應、氣液反應、液固反應、液液反應、固固反應等五大類，很多反應都被研究過，初步形成各類反應的動力學模型，模型動力學參數也有很多測定數據。但由于動力學問題的復雜性，各類動力學模型和參數的普適性和可靠性遠遜于冶金過程熱力學和活度理論的水平。至今也還沒有比得上熱力學數據庫那種水平的動力學數據庫。因此，結合具體工藝要求，測定冶金反應速率和研究其動力學機理仍然有其必要。2.2

冶金熔體的熱物理性質在傳輸現象的計算中，正確選擇方程系數是很關鍵的問題，有兩類數據:一是由熔體結構所決定的熱物理性質，如密度、私度、擴散系數、表面張力、蒸氣壓、熱導率、電阻率，這一類數據和物質的本性有關，能像熱力學數據那樣可供查閱應用;第二類是由熔體流動特征所決定的傳輸性質，如湍流戮度、傳熱系數、傳質系數以及湍流模型中的湍動能的產生和耗散有關的系數，這類系數應結合流場的計算來確定。2.3電磁冶金金屬熔體溫度高，電磁場作用形成勞倫茲力可以成為流動控制的作用力。早期，多利用電磁力驅動鋼液流動，如鋼包的電磁攪拌，連鑄結晶器或二次冷卻區(qū)的電磁攪拌等。進一步擴大電磁作用力對冶金過程和新材料制備的控制作用，逐漸形成電磁冶金或材料電磁加工(EPM)o鋁的電磁鑄造已進行工業(yè)生產。銅的電磁鑄造國內外也均有研究。鋼的電磁鑄造必須保留結晶器，成為軟接觸結晶器。國內外已有工業(yè)實驗，但還未有生產。對于板坯連鑄特別是薄板坯連鑄結晶器內流動，電磁制動有重要作用，已廣泛應用。鋼液在中間包或結晶器利用旋轉磁場的離心力去除夾雜物，國內外均有研究。用電磁離心鑄造能生產質量優(yōu)異的耐熱鋼管。感應爐是典型的感應加熱裝置，我國已能制造30t(12000kVA)的感應爐，真空感應爐接近lOt級。中間包感應加熱和連鑄板坯四角局部加熱對鋼鐵制造流程的溫度管理有特殊的意義。對高活性的欽合金、多晶硅等冶煉時防止耐火材料污染，冷柑禍熔煉有特別重要意義，我國已開始研究試驗。EPM的國際學術會議已舉辦13次(1982-2007年)，最后四次為在中國舉辦的雙邊會議。3

冶金工程專業(yè)生產實習教學的改革3.1

進一步改革生產實習

目前，冶金工程專業(yè)的生產實習都是在第七學期進行。實習中，首先由實習指導教師進行少量的課堂教學，使學生對實習環(huán)境和實習內容有基本的了解，然后將學生分組安排到實習企業(yè)，由實習教師和現場工程技術人員共同進行現場指導，完成實習。近年來，通過了解學生對生產實習教學的看法，檢查學生實習報告的完成情況，我們對生產實習教學方法進行了一些改革，取得了較好的效果。（一）制定完善的實習大綱及實習計劃，保證實習順利進行根據冶金工程專業(yè)教學計劃對實習教學環(huán)節(jié)的要求以及實習教學計劃,結合實習單位的實際特點,制定出較為完善的實習手冊，它包括生產實習大綱和實習計劃兩部分。由于現場生產環(huán)境復雜和實習時間偏短，學生在實習單位幾乎沒有參與動手實踐機會。為此，專業(yè)實習指導教師將早期實習大綱中關于實踐操作方面的要求進行了調整，重點要求了解鋼鐵企業(yè)的生產原理、設備、原料、操作制度、產品等情況。生產實習計劃要在有限的實習期限內，考慮實習單位的接收能力，將學生分批次分組安排下廠。每組盡量固定實習指導教師。實習大綱和計劃是組織和安排學生實習和進行成績考核的依據之一，學生每人一份,并由指導教師組織學生學習和安排落實。（二）擴展課堂教學內容，豐富教學手段由于學生下廠生產實踐的時間越來越短，在企業(yè)能學到的知識越來越有限，這需要通過加強課堂教學來彌補。課堂教學的主要任務是進行生產實踐的知識準備及生產實習效果的檢查。【03】4

金屬材料工程專業(yè)“三性”實驗的構建與實踐4.1

金屬材料工程專業(yè)實驗教學的現狀

金屬材料工程專業(yè)設置的專業(yè)限選課程有《金屬材料學》、《材料力學性能》、《金屬凝固理論》、《金屬熱處理原理與工藝》等，以及《材料質量分析與失效分析》、《鑄造工藝學》、《材料腐蝕與防護技術》、《材料表面強化技術》等專業(yè)選修課程。在原有的實驗教學培養(yǎng)計劃中，每門專業(yè)課程均有4－8學時的實驗課時，實驗穿插在課程教學過程中進行。金屬材料科學與工程學科是一門實用性和實驗性都很強的學科，實驗是最有效的教學形式，它既可以幫助學生鞏固金屬材料科學的基本概念和基本理論，培養(yǎng)科學素養(yǎng)，又可以鍛煉學生的綜合技能以及解決工程實際問題的能力。但是目前的實驗教學還存在以下不足。(1)現有的實驗絕大多數以驗證性實驗為主，通常內容比較單一，限定于對某個知識點或者是某個工藝的基本操作、基本訓練。(2)實驗教學中，老師一般會按照固定的模板，提供實驗指導書，并對實驗目的、原理、方案、器材和實驗數據的采集處理以及結果分析等都有詳盡的介紹，學生只需要按照實驗指導書的要求一步一步往下做，整個實驗過程如同一個填鴨過程，學生完全處于被動接收知識的狀況，獨立思維受到壓抑。(3)現有的設計性實驗，其原理、方法、手段通常是有章可循的，一般依據對大多數同學的學習能力和科學素養(yǎng)的基本認知進行設計安排，缺少針對學生創(chuàng)新能力和科學研究能力的培養(yǎng)。因此，為了培養(yǎng)金屬材料工程專業(yè)高素質人才，突出學生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對現有實驗課程體系的改革勢在必行。4.2

金屬材料工程專業(yè)“三性”實驗的構建

絕實驗課程體系改革中總的原則是建立金屬材料科學與工程專業(yè)多層次、多模式創(chuàng)新實驗教學體系，注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)，突出工程實踐特色，進行結構重組和整體優(yōu)化，減少單純的認知性和驗證性實驗，增加具有創(chuàng)新性的綜合性、設計性和研究探索性實驗，構建創(chuàng)新型“三性”實驗體系。綜合性實驗是指實驗內容涉及相關的綜合知識或者運用綜合的實驗方法、實驗手段，對學生的知識、能力、素質形成綜合的學習與培養(yǎng)的實驗。金屬材料工程專業(yè)擬定的綜合實驗方向有:①合金結構鋼、工具鋼、鑄鐵、鋁合金、銅合金和鋅合金等常用金屬材料的成分、組織與性能之間的關系;②塑性加工、熱處理和合金化等材料強韌化手段對常用金屬材料性能的影響。綜合實驗的內容包括材料的成分設計、熔鑄、冷熱加工、熱處理、性能測試和組織結構分析的全過程。開設的實驗項目有:①工具鋼、模具鋼在不同熱處理狀態(tài)下的顯微組織分析和性能測定;②常用有色金屬與特種合金不同形態(tài)組織觀察與分析;③材料表面預處理綜合實驗;④齒輪與軸類零件顯微組織觀察與齒輪失效分析等。通過綜合實驗的訓練，學生能夠掌握運用所學知識解決實際工程問題的方法與步驟。設計性實驗是學生在教師的指導下，根據給定的實驗目的和實驗條件，自己設計實驗方案、選擇實驗方法、選擇實驗器材、擬定實驗操作程序，自己加以實現并對實驗結果進行分析處理的實驗。如“典型零件選材及熱處理工藝設計”實驗中，發(fā)給每位學生一份常見工模具或者機械零件產品的工藝設計任務書，讓學生獨立選材、設計熱處理工藝方案并在教師指導下完成整個實驗，最終完成綜合實驗報告。該實驗過程中，每個學生分析不同的試樣，鼓勵學生獨立思考并發(fā)揮個性特長，避免了傳統(tǒng)教學模式中千人一面的現象，有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。研究探索性實驗是指學生在導師指導下，在自己的研究領域或導師選定的學科方向，針對某一或某些選定研究目標所進行的具體研究、探索性質的實驗，是學生早期參與科學研究，教學科研早期結合的一種重要形式。金屬材料專業(yè)教師承擔了國家和省部市級各類研究項目多項，將科研課題分解為多個子課題或者是將某個課題按階段設計為研究探索性試驗，可以有效培養(yǎng)學生的學習興趣和探索創(chuàng)新能力，并實現科研資源的教學共享。如《材料腐蝕與防護技術》課程實驗中，以寶鋼委托的橫向課題“寶鋼1550CGL連續(xù)鍍鋅生產線鋅鍋有效鋁在線檢測系統(tǒng)開發(fā)”為題，可提出“有效鋁計算軟件的開發(fā)”、“有效鋁探測器的設計”和“有效鋁在線監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)”等多項子課題，學生在查閱到相關資料了解課題背景之后，即可按興趣選擇相應課題，自行設計實驗方案并完成實驗。這類實驗來自科研課題，從實驗內容到實驗方法和手段都具有創(chuàng)新性，得到的實驗結果也是全新的，因此對學生非常有吸引力，也增加了挑戰(zhàn)性。這類實驗的開設也充分發(fā)揮了實驗教學、科學研究以及科技開發(fā)中實驗室的綜合功能，促進實驗教學與科學研究的良性循環(huán)。【04】5

冶金工程與金屬材料工程之間的同異性5.1

金屬材料工程與冶金工程之間的區(qū)別

金屬材料和冶金工程，屬于相近專業(yè)。

區(qū)別主要有以下2點：①冶金工程一般是為黑色金屬冶金行業(yè)，如鋼鐵企業(yè)，還有有色冶金行業(yè)，如鋁業(yè)公司，鎢業(yè)公司，銅業(yè)公司等，工作環(huán)境稍差一些，屬于國家照顧專業(yè)。

②金屬材料就業(yè)面就比冶金工程廣了，還可以選擇去汽車行業(yè)，重型機械行業(yè)，航空航天，電子信息材料，腐蝕科學防護等方向行業(yè)，待遇收入與冶金工程差不多，工作環(huán)境相對好一些，就業(yè)面相對廣一些?！?5】5.2

金屬材料工程與冶金工程之間的聯系要找到兩者的聯系，首先要明白其區(qū)別。金屬材料工程包括了金屬材料的晶體結構、元素組成、顯微組織、物理力學性能以及化學性能等。其中，金屬材料工程更強調了金屬材料的工程化應用特點。而冶金工程，是要告訴你金屬（鋼鐵）是怎樣煉成的，強調的是金屬材料的冶煉。這樣的話，兩者的聯系就明晰了：冶金工程是HYPERLINK"/s?wd=%E9%87%91%E5%B1%9E%E6%9D%90%E6%96%99%E5%B7%A5%E7%A8%8B&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1Y3uAmknWKBPjbzPhuhuyfk0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3E