英文
design of cemented carbide plant
简介
以蓝色氧化钨 (WO2.9)或三氧化钨(WO3)为主要原料，经还原、碳化、混合、成形、烧结、加工和涂层等工序，生产硬质合金制品的有色金属加工厂设计。设计范围包括硬质合金粉末车间设计、硬质合金混合料车间设计、硬质合金烧结毛坯车间设计、硬质合金磨削与涂层车间设计、硬质合金工具车间设计和硬质合金厂压模车间设计。
制造硬质合金的原料除钨以外，还有钛、钴、钽、铌和镍等金属及其碳化物。
硬质合金制品有烧结地质、矿山刀片，焊接刀片(毛坯)，精密级与涂层刀片，耐磨耐蚀零件，模具，量具和工具等。
各国的硬质合金牌号、标准、品种和规格、形状繁多，性能各异。为便于市场流通，国际标准组织制定出硬质合金的ISO标准(国际标准)。通常，将硬质合金按成分和用途分为各种牌号。中国硬质合金牌号与ISO的分类对应见表。
中国硬质合金牌号与ISO分类对应表
| 中国 |
国际标准组 织(ISO) |
颜色 | 加工材料 |
| YT类 | P类 | 蓝色 | 长切削黑色金属材料 |
| YG类 | K类 | 红色 |
短切削黑色金属和有色金 属及非金属材料 |
| YW类 | M类 | 黄色 |
长切削或短切削黑色和有 色金属材料 |
按硬质合金用途分类。有切削刀片(焊接、涂层和非涂层可转位刀片)、矿山和地质钻齿、拉伸与冲压模坯、量具、耐磨和耐腐蚀零件。
按硬质合金成分分类。一般有碳化钨基、碳化钛基、涂层、钢结和其他五类硬质合金。
(1)碳化钨基类硬质合金。以碳化钨为主的硬质相和以钴为粘结相组成的硬质合金，有WC-Co类硬质合金、WC-TiC-Co类硬质合金、WC-TaC-Co类硬质合金、WC-TiC-TaC (NbC)-Co类硬质合金和超细晶粒WC-Co (WC粉粒度小于1μm)类硬质合金等。
(2)碳化钛基类硬质合金。以碳化钛为硬质相和以镍钼为粘结相组成的硬质合金，即TiC-Ni-Mo合金。
(3)涂层硬质合金。以碳化钨或碳化钛合金为基体，在其表面涂覆耐磨的碳化钛、氮化钛等硬质材料。
(4)钢结硬质合金。以碳化钛、碳化钨为硬质相和以工具钢、合金钢、不锈钢为粘结相组成的硬质合金。
(5)其他类硬质合金。如铸造碳化钨、WC-Fe、WC-Ni、WC-Fe-Ni或WC-TiC-Fe-Ni等硬质合金等。
以上五类硬质合金，基本上都是以碳化钨或碳化钛为硬质相和以金属为粘结相组成的，生产工艺大同小异。
硬质合金厂的设计内容包括：设计规模、工艺流程选择、车间组成、工厂布置与要求和主要技术经济指标等。
简史 1926年德国克虏伯(krupp)公司开始工业规模制造钨钴(WC-Co)类硬质合金，1931年研制成功钨钛钴(WC-TiC-Co)类硬质合金。随后英国、美国、苏联及瑞典等国先后建成硬质合金工厂。1940年，中国大华电气冶金厂试制成功钨钴类硬质合金，1958年设计建成了株洲硬质合金厂。80年代，株洲和自贡等硬质合金厂分别进行技术改造，使中国的硬质合金工业在一些领域接近或达到世界先进水平。
设计规模 一般为年产几百吨至一二千吨硬质合金制品。设计规模要适应近期和长远市场对硬质合金的需求，其主要设备运行负荷率应在90%以上，主要辅助设施应能得到充分利用。设计规模与生产的硬质合金牌号、产品方案及品种等有关。硬质合金工具的生产比例较高时，规模可小些;当其生产的比例小或者根本不生产时，规模可大些。硬质合金厂设计规模一般为150～400t/a，微型钻的年产量不小于50万支。
工艺流程选择 硬质合金的生产工序包括粉末制造、混合料制备、成形、烧结、磨削和涂层等。
粉末制造 包括钨粉、碳化钨粉和复式碳化物粉的制取工序。
(1)钨粉制取。还原WO3或WO2.9制取钨粉主要有碳还原法和氢还原法两种，碳还原法制取的钨粉质量差，设计中通常采用氢还原法。氢还原法制取钨粉的工艺有两种：一是顺氢(氢气与物料流向一致)一次或两次还原工艺;二是逆氢(氢气与物料流向相反)一次或两次还原工艺。一次还原工艺的金属回收率高，成本低，技术控制要求严。此外，还有用氢还原氯化钨制取超细(<1μm)钨粉工艺，因其成本高，应用不广泛。
(2)碳化钨粉制取。由钨粉制造碳化钨的方法，有在氢气中进行和不在氢气中进行两种。前者成本低，并能控制碳化钨中的碳含量，设计中经常采用。
(3)复式碳化物粉制取。工业上最重要的复式碳化物有TiC-WC、TaC-WC、TiC-WC-TaC (NbC)等。这些复式碳化物粉的制取，一般采用单一金属碳化物和必要成分混合均匀后在氢气中加热碳化。例如TiC-WC复式碳化物粉的制取，是以碳化钨、碳黑和二氧化钛为原料，混合后采用氢气保护碳化或真空碳化工艺。前者设备投资省，后者制造的TiC-WC质量好。
混合料制备 将各种碳化物和粘结金属粉末配成一定成分、粒度均匀的混合料，以满足制造各种牌号硬质合金的要求，其制备过程主要包括湿磨和干燥制粒工序。
(1)湿磨。一般采用搅拌球磨或滚动球磨工艺。搅拌球磨效率高，湿磨时间仅为滚动球磨的6%～10%，能耗低，滚动球磨破碎均匀。
(2)干燥制粒。有喷雾干燥制粒和真空干燥(或双筒振动干燥)机械制粒两种。前者为连续作业，自动化程度高，制粒质量好，但设备造价高，广泛用于规模大的硬质合金厂。后者设备投资少，但劳动强度大，仅适用于规模小的硬质合金厂。
成形 将粉末混合料压制成具有一定形状和尺寸坯块的过程。成形后的坯块应具有足够的强度和密度均匀。成形方法有模压、等静压、增塑性毛坯加工成形、挤压和热压等。
(1)模压。连续作业，自动化程度高，效率高，成本低。(2)等静压。间断作业，压坯密度均匀，模具成本低，但尺寸精度差。(3)增塑性毛坯加工成形。生产效率差，返回料多，仅用于制造形状极为复杂而其它成形方法又不能生产的坯块。(4)挤压。连续作业，效率高，设备简单，投资少。(5)热压。将压制和烧结结合在一起的成形方法。热压可制得密度很高(几乎可达理论密度)、性能良好(硬度高，耐磨性好)的硬质合金制品，但生产率低，成本高，工艺控制较困难。
烧结 硬质合金的压坯烧结有氢气保护烧结和真空(或低压真空)烧结两种。前者设备简单、投资少、连续作业、产量大，但产品质量比真空烧结差，较适用于高钴粘结硬质合金的压坯烧结。后者在负压气氛中进行，不用填料，断续作业，产品质量好，但设备投资大，一般常用于含碳化钛硬质合金的压坯烧结。
磨削和涂层 制造精密硬质合金刀片有磨削加工和涂层两个工序。
根据硬质合金刀片精度等级的要求，确定对刀片的底面、顶面、周边等进行磨削加工。涂层可采用物理气相沉积、化学气相沉积和电泳沉积等方法。用化学气相沉积涂层的刀片质量好，产量大，生产过程可以微机控制，设计中较多采用。
硬质合金制造原则工艺流程如图。
硬质合金的生产工序多，设备类型和规格亦多，按作业工序划分有还原炉、碳化炉、球磨机、干燥设备、粉料成形设备、烧结设备、加工涂层设备、普通加工机床和专用加工机床等。
车间组成 一般由生产车间、辅助生产设施、全厂公用设施、管理和服务设施等组成。
生产车间包括硬质合金粉末车间、混合料车间、烧结毛坯车间、磨削及涂层车间、工具车间和压模车间等。
辅助生产设施一般有氢氧气站，机电设备、仪表、计量仪器检修站，中心分析检验室和中心试验室等。
硬质合金制造原则工艺流程示意图
工厂布置与要求 一般有将制造车间分建或合建两种形式。合建的车间可为多层结构厂房，亦可为单层结构厂房，具有占地少、运输距离短、投资省的优点。一般新建的硬质合金厂均采用车间合建形式。
金属钨粉、钴粉和碳化钨粉的料仓以及压制成形的室内温度须保持在25±3℃，相对湿度保持在55%～65%。生产中使用氢气的作业场地须安装报警器和防爆设施，厂房要采取防尘措施。
主要技术经济指标 从化合物 (WO2.9、Co2O3、Ta2O5、Nb2O5、V2O5等)至硬质合金制品(烧结毛坯、精密刀片、合金工具等)，碳化物回收率为95.5%～97%;钴粉(或镍粉、钼粉)回收率为96%～97.5%;产品合格率为96%～98.5%;每吨产品电耗为17500～22500kW·h(外购氢)或30000～33000kW·h;水耗1600～2000t。