炼钢的基础知识

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炼钢的基础知识

+ @( b7 Z$ E3 V7 y& z; n4 U' Q& N第一节    钢及钢的分类
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6 S7 E0 n; [, Y. ~  s) A2 m1 v: h) H' e4 N一、钢和生铁
钢和生铁都是铁碳合金。理论上一般将含碳量<2.11%的铁碳合金称为钢，经常冶炼的钢铁的碳含量均低于1.4%，碳含量大于2.11%的铁碳合金叫做生铁，但碳含量超过5%以上的铁碳合金，因脆性太大而无使用价值。
二、工业纯铁和熟铁
6 K$ Q2 a. x; \: k/ G/ q碳含量低于0.02%的铁碳合金叫做工业纯铁。在目前的生产条件下，即使采用极纯的炉料和最先进的措施，通过冶金方法获得纯铁的纯度只能达到99.9%（如极软钢、阿姆克铁、瑞典铁等）。通过实验或采取化学方法提纯，纯铁中铁的含量最高也只能达到99.99%。通常，民间所谓的熟铁实际上是碳含量将近0.1%并含有大量夹杂的铁碳合金。
- M0 F2 |# V2 _    三、合金元素
钢并不是简单的铁碳二元合金，而是以铁碳为主要元素的多元合金。合金元素的存在对某些钢有时起到有益的作用，但有时也会产生不利的影响。以合金化为目的而使用的合金元素在钢中的作用，归纳于表1—1。
    四、钢的分类
        1、按化学成分分类
按是否有目的地加入合金元素可分为碳素钢和合金钢两类。
按含碳量不同又把钢分为低碳钢、中碳钢、高碳钢三类，一般将碳含量小于0.25%的称为低碳钢，大于0.60%称为高碳钢，而碳含量位于0.25%~0.60%之间的称为中碳钢。
4 s& ?0 j% Q2 ]7 p8 {按钢中合金元素总含量的多少分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。一般合金元素总含量小于3%的为普遍低合金钢，合金元素总量为3%~5%之间的为低合金钢，大于10%的叫做高合金钢，而合金元素总含量位于3%~10%之间的叫做中合金钢。
按钢中所含的主要合金元素不同可分为锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钢、铬锰硅钢等。
; V( w' h0 ^% i: c$ p0 [, q# C* @, f2、按冶炼方法和质量水平分类
9 ^. I/ P" p2 [+ @, `7 N按炼钢炉设备不同分为平炉钢、转炉钢、电炉钢。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣炉钢、电子速熔炼钢及有关的真空熔炼钢等。
按选用炉衬的材质不同，平炉钢、转炉钢、电炉钢均可分为酸性和碱性两类。
按脱氧程度不同分为沸腾钢（不经脱氧或只经微弱脱氧）、镇静钢（脱氧充分）、半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间，由于脱氧不完全，在浇注中仍有微弱的沸腾，故称为半镇静钢）。此外，还有经真空等处理的氧含量极低的特殊镇静钢。
按质量水平不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。普通钢的S、P以及其它杂质的含量较高，如一般S≤0.050%、P≤0.045%。优质钢对 S、P及其它杂质含量均有较严格的限制，一般 S≤0.040%、P≤0.035%，对于优质合金钢则要求更严些。高级优质钢除对S、P等杂质含量有非常严格的限制外，还对力学性能、低倍和高倍组织更有相应的严格要求。
1 y1 U* G. d9 \3 w% h表1—1  合金元素在钢中的作用
元素
2 M; v. r5 B& U. N作          用
2 m& I' B; G* G! A9 [2 F$ YMn
# ?" F/ O2 ?5 B, ^6 x" H: F1、在低含量范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性
4 ~1 Q0 H) M* _8 c% P) P& |2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
3、稍稍改善钢的低温韧性
4、在高含量范围内，作为主要的奥氏体化元素
) K6 K+ ]: W6 L( Z- eSi
1、强化铁素体，提高钢的强度和硬度
2 m  k. J7 L- a% K2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
3、提高钢的氧化性腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性
/ N3 K- d& }" l4、磁钢中的主要合金元素（含量在0.40%范围内时，改善热裂倾向，含量高时，易形成柱状晶，增加热裂倾向。）
8 L% v6 Y" \5 u+ g8 `! I# K: t( XCr
1、在低合金范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性
6 @/ X5 p8 N5 S+ U0 L3 L2 \( x+ @) {# B2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
3、提高钢的耐热性
4、在高合金范围内，使钢具有对强氧化性酸类等腐蚀介质的耐腐蚀能力
Mo
1、  强化铁素体，提高钢的强度和硬度
2、  降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
3、  提高钢的耐热性和高温强度
1 E" D- M5 ~0 {+ i! j) [( MNi
* R! S% j: U6 \5 O* y) H! w% Y& K1、  提高钢的强度，而不降低其塑性，改善钢的低温韧性
2、  降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
, V. M0 Q+ _% Y+ p  S( N1 `3、  扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素
4、  本身具有一定耐蚀性，对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力
/ _+ \1 R# {8 n, Y* c  h& TAl
3 W& y/ t" r% F( F1、  炼钢中起良好的脱氧作用
2、  细化钢的晶粒，提高钢的强度
3、提高钢的抗氧化性能，提高不锈钢对强氧化性酸类的耐蚀能力
RE
1、炼钢中起脱硫、去气、净化钢液作用
2、细化钢的晶粒，改善铸态组织

) P+ g1 z( n3 b0 j: a! i/ r/ C" O3、按金相组织分类
8 \7 Z  y7 @0 y; Q按钢的奥氏体分解转变方式不同可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。
9 p! W; z- v0 h2 ~按正火后的组织不同可分贝氏体钢、珠光体钢、马氏体钢及奥氏体钢。
4、按加工和热处理工艺分类
按加工成形的方式不同可分为压力加工用钢和切削加工用钢等。
7 X' h2 l  O7 p$ m6 y% M按热处理工艺的不同可分为调质钢、低温回火钢、渗碳钢、氰化钢等。
5、按用途分类
（1）结构钢。目前生产最多，使用最广的是结构钢。它包括碳素结构钢和合金结构钢，主要用于制造机器和结构零件及建筑工程用的金属结构等。
2 `0 s$ l4 M+ c, t7 w4 I% L（2）工具钢。它包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。
7 B: W& S" L6 y) H4 l1 o+ i（3）特殊性能钢。就是具有特殊物理性能或力学性能的钢，称为特殊性能钢。如轴承钢、不锈钢、弹簧钢及其他磁性钢或高温合金钢等。
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% k+ M& X' b& W" a+ I第二节   炼钢的任务和方法

一、炼钢的任务
熔炼的主要原料是废钢和一部分生铁。外购进来的废钢锈多，夹有泥砂及其他脏物，钢中硫磷的含量也较高。炼钢的任务就是要把上述条件的原料冶炼成气体和夹杂含量低、成分合格、温度符合要求的优质钢液。具体说来，炼钢的基本任务是：
（1）熔化固体炉料（生铁、废钢等）；
（2）使钢水中的硅、锰、碳等元素达到规格成分；
6 z$ E2 \5 U/ W$ L5 m9 r（3）去除有害元素硫和磷，将它们的含量降到规定的限量以下；
* X& c8 \) L- f$ J（4）清除钢水中的气体和非金属夹杂，使钢水纯净；
（5）加入合金元素（熔炼合金钢），使其符合要求；
& Q8 }: e8 ^; D. r5 M（6）将钢水过热至一定温度，保证浇注的需要；
（7）为了提高产量和降低成本，必须快速炼钢；
（8）浇注成良好的铸件。
3 d$ a/ V* k8 u+ W. ]' a二、炼钢的方法
1 O7 P2 J. G/ X% J炼钢的方法有很多，主要有转炉炼钢、平炉炼钢、电弧炉炼钢和感应炉炼钢等。
/ [- i6 B& n: a! E+ Y' I; j在铸钢车间上普遍应用的电弧炉。电弧炉炼钢对原材料要求较松，炼出的钢水质量较高，而且炼钢周期适合于铸钢生产的特点，开炉、停炉都比较方便，容易与造型、合箱等工序的进度相协调，便于组织生产。另外，电炉炼钢的设备比较简单，投资少，基建速度以及资金回收快。
近年来，感应炉炼钢逐渐发展。感应炉炼钢工艺比较简单，钢水质量也能得到保证。不少的工厂用感应炉炼钢来浇注小铸件，特别是熔模精密铸造车间，广泛采用感应电炉来熔炼钢水。
在重型机器厂中，至今还使用平炉炼钢，平炉的容量一般比电炉大，用平炉炼钢能一次炼出大量的钢水，适用于浇庞大而复杂的重型铸件。但是，平炉炼钢的周期长，炼出一炉钢的时间一般需要六小时以上。平炉结构庞大而复杂，产量低，钢水质量不如电炉，因此它的发展受到很大的限制。在有些国家，已不再建新的平炉了。
6 H. _$ Z6 T3 x$ s, `5 z& L近几十年来，炼钢工业中广泛应用纯氧顶吹转炉来炼钢，这种炼钢方法速度快，生产率高，钢水质量也得到保证，这种炉子较适用于钢锭生产。
随着生产和科学技术的发展，直流电弧炉、真空感应电炉以及炉外精炼设备的新的炼钢方法不断出现，熔炼出来的钢水质量大大提高，铸件质量大为改善。
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第三节   影响铸钢性能的一些因素
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1 c. Q6 {  `6 R+ O! X一、钢中常见杂质元素的影响
钢中常见的杂质元素有P、S、H、N、O等。这些元素在一般情况下对钢的性能起有害作用，但其中有的元素在特定的条件下，也能起有益的作用，成为特意加入的合金元素。这几种杂质元素的来源及其在钢中的作用见表1—2。
, Q2 I8 w, p/ I* s; m0 K0 u: h% ?表1—2   钢中常见杂质元素及其作用
元素
来    源
作            用
' Z; ~' o+ N2 G5 S2 O* P" jP
炼钢过程中
从炉料引入
$ h+ U. s" D0 k1 M# x' n6 g6 _2 q磷微溶于钢中，当钢中含磷量，形成Fe 2P在晶粒周界析出，降低钢的塑性和韧性，增加冷、热裂倾向。
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9 a! k- K$ _1 m2 p; K! B% \) P炼钢过程中
从炉料引入
1、 硫在钢中以FeS-Fe共晶体存在于钢的晶粒周界，降低钢的力学性能，优制钢含硫量一般应限制在0.04%以下。
2、 在机械制造中，有时为了改善某些钢的切削加工性能，人为将含硫量提高，以形成硫化物，起中断基体连续性的作用。
3、 硫含量的提高，增加铸件热裂倾向。
  ]% s0 m+ L6 M  d0 z& L8 WH
炼钢过程中钢液从炉气中吸收氢
钢液中氢的溶解度随温度升高而提高，在缓慢凝固条件下，氢以针孔形态析出。快速凝固时，析出氢在铁的晶格内造成高应力状态，导致脆性。
N
炼钢过程中钢液从炉气中吸收氮
1、 钢液中溶解的氮在凝固过程中因溶解度降低而析出，并与钢中的Si、Al、Zr等元素化合，生成SiN、AlN 、ZrN等氮化物。少量氮化物能细化钢的晶粒。氮休物多时，会使钢的塑性和韧性降低。
9 L0 x+ E. ~+ F& z, t: `0 K2、 氮属于扩大奥氏体区元素，在钢中可部分代替镍的作用，是铬锰氮不锈钢中的合金元素，，在超低碳不锈钢中，可代替碳的作用，提高钢的强度。
  r% v: S8 P0 {  y3 dO
$ a# _2 b- t. C& d' O炼钢过程中
0 S" S, A- g$ W; X5 `) t1 o$ H6 W. D4 N4 n$ W钢液被氧化
3 c6 H- c" v. G. \9 k0 ^1、 钢液中溶解的FeO 在凝固前温度降低过程中与钢液中的碳起反应，生成一氧化碳气泡，在铸件中造成气孔。
/ L' ~7 m8 w  U8 @& W' _3 |2、 钢液凝固过程中，FeO因溶解度下降而析出在钢的晶粒周界处，降低钢的性能。
& T. @( Q! [, F" v! V( u
二、钢中非金属夹杂物的影响
" @# A9 B0 e" Q, e6 H钢中的非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、硫氧化合物、硅酸盐化合物及氮化物等。这些夹杂物的来源有外来的和自生的两类。外来的夹杂物包括在炼钢过程中从炉料夹带的不洁物，炉衬因经常受侵蚀而脱落的耐火材料等。自生的夹杂物是在炼钢过程中及钢液浇注过程中，由于钢液中元素氧化或发生其它化学反应而生成的。夹杂物对钢的力学性能有害，特别是对韧性的削弱作用较大。为减轻夹杂物的有害作用，可采取两种途径：
（1）清除夹杂物
9 K- R7 W" ^; n3 j1 Q9 H0 V如在炼钢氧化期中，使钢液良好地沸腾，藉以有效地清除夹杂物，并在出钢后浇注前使用钢液在钢包中镇静一段时间（5~10min），使夹杂物自钢液中上浮。采用炉外吹氩精炼，或将钢液过滤，都能有效地清除钢液中的夹杂物。
（2）改善夹杂物形态
% i# ]* |2 G! M2 ~; K! L: |夹杂物对钢削弱作用的程度依其形状及分布状况而定：带尖角的多角形夹杂物在钢中造成大的应力集中，在外力作用下易形成裂纹源，而颗粒状和球状夹杂则危害较小；条状夹杂物沿晶粒周界以网状或断续网状分布时，对钢的割裂作用较大，而呈岛状弧立分布的夹杂物的割裂作用较小。
, d- I5 r5 M; a% n如采用稀土合金对钢液进行处理，以使多角形氧化物和条状硫化物为球状的稀土硫氧化合物，就能降低夹杂物对钢的削弱作用。
6 O- e- k4 K! Q& R- O三、夹杂物含量在电炉钢生产过程中的变化
1、炉料全熔化，夹杂物的含量较高。
1 f! {( @' x& Y0 O' p" g# o2、氧化期，夹杂物的含量总趋势下降。
3、还原期，加入预脱氧剂和合金，杂质含量升高，后慢慢降低。
2 l+ t: q; S  Q: ]+ E$ N" `4、镇静：夹杂物上浮。
7 z- `: _- k, |: ?3 @6 q2 `5、吹氩：氧化物、硫化物杂质含量降低，但氮化物几乎不变。
$ M6 `! V1 d: `- P5 Y: D. q* A5 T6、浇注：由于二次氧化，钢水对浇注系统的冲刷，氧的析出并与其它元素发生反应，夹杂物含量上升。
7 T8 A$ a0 }9 x- {6 V1 h5 k, t       7、凝固：温度下降，显微偏析，枝晶的液体富集的溶质元素易发生一系列反应，形成氧化物、硫化物。

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