炼钢的基础知识

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炼钢的基础知识

第一节    钢及钢的分类
$ r, [! T2 k# v+ z; P
' s) K( K  }* m$ Z. m) T! Q一、钢和生铁
, [# Y: L- p. {) H- h2 r1 a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。
. r1 H; d$ X% N2 E8 z二、工业纯铁和熟铁
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。
: N) [  U/ l- o    三、合金元素
: r0 C( K9 ]/ X  G  h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
* a: r6 B( L3 Y, U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。
6 ^: Q. q+ g; k" _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。
' ?! t0 |- `. {0 l+ H( f7 @" T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。
2 W0 J" o& y$ k' q$ ?% Z) }6 T7 n1 z- A2、按冶炼方法和质量水平分类
7 _4 P$ {' M4 Q: v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。
6 X1 t! Y/ |; C2 [: H4 P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。
" |4 N0 E; c4 T" [* r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。
! U2 \3 T& {: O, k表1—1  合金元素在钢中的作用
元素
作          用
: _; ]7 W0 c- i/ ~Mn
& N, F( N& v5 c, ~6 m1、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
% ~' J+ u" p1 J8 I: `$ J2、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
Si
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
! O- C' D) C  {4 ]& e3、提高钢的氧化性腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性
/ b9 G0 U* Y, H. _* W. X" z4、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。）
& u* ~7 P6 E0 O' R7 ^Cr
, p2 @. R- H; p1 s  Y5 w1、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
2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
9 c2 @! E$ v  b: d3、提高钢的耐热性
/ v, V# D& E7 R0 F9 L4、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
8 r/ j- y) A- c  ^/ N2、  降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
- B3 q# j6 _- h! y3 x3、  提高钢的耐热性和高温强度
Ni
1、  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
! }2 C4 y! A: y. i+ F$ q2 S: c3、  扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素
0 J3 L( X" A! |$ O  z4、  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
Al
1、  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
3 S; Z% ^2 y; }0 Y. |! dRE
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
; _( o5 U( L' h. S( T
3、按金相组织分类
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。
( F6 F) a: s+ k; ~9 l) p2 j1 Y4 U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。
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）工具钢。它包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。
（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。
6 ]2 J8 U& g, }" I* R
第二节   炼钢的任务和方法

- M) i1 x* t  R( M一、炼钢的任务
3 Y5 `7 Y) l8 ]1 ~0 p- i* @! A6 q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 U$ v% ^' x& S4 j（1）熔化固体炉料（生铁、废钢等）；
- K' ^$ @2 y. H' b（2）使钢水中的硅、锰、碳等元素达到规格成分；
; P3 h6 o+ K4 V" g5 U（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；
（4）清除钢水中的气体和非金属夹杂，使钢水纯净；
7 u8 f. a; [/ r" F; \! p（5）加入合金元素（熔炼合金钢），使其符合要求；
" C; B; u! l4 ^# X; o1 Y$ Q" z（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；
; T/ c( A, V+ `- S3 _- z（8）浇注成良好的铸件。
& q9 s) f( ~$ }二、炼钢的方法
% j/ e/ R& ^5 l0 R7 c! a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。
0 ?1 S& l& t7 s3 h8 H' I0 }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。
: Y+ Q& ^3 [) Z& ?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。
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。
$ Y7 F* ^* T% y1 Q5 w8 w8 q" T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。

1 {: s$ P7 L3 c2 j6 K' B" k第三节   影响铸钢性能的一些因素

一、钢中常见杂质元素的影响
% M0 b1 ?  W% H$ |" r/ w2 C8 D" m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。
+ Q5 R9 E( B. \! G# \# o7 h* o表1—2   钢中常见杂质元素及其作用
元素
来    源
作            用
  f3 c! D5 [& q8 u. \4 TP
炼钢过程中
从炉料引入
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。
S

3 O! @% j% w0 _; M炼钢过程中
从炉料引入
& ^- K9 r, j9 E' N1、 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。
) M! a5 l6 b' @3 u% y) Y2、 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。
1 e6 X2 {0 \" G7 F) I8 Z& N3、 硫含量的提高，增加铸件热裂倾向。
4 L2 \/ c  _; |, t% bH
5 n3 K6 J8 K8 N# F1 [; [4 r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
5 \8 E0 i& [! h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。
+ w8 y5 ~; `6 y! D! M& a2、 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。
O
; z+ [8 e3 I$ \' ]3 h. H' {3 S炼钢过程中
  i7 C  }! g/ U" M, T: f钢液被氧化
0 N: [9 N' X& S+ z1、 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。
4 V# G% H8 ]" ?4 B, v8 `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。
5 _; a0 _) {' G& L0 X
# l7 v4 \: J1 X% z$ }二、钢中非金属夹杂物的影响
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：
+ O$ _1 I' K$ C+ M1 y' t（1）清除夹杂物
% U4 G1 m7 m5 T% o+ _; i. P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
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。
3 c( a" Z( _. v6 x' |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。
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。
2、氧化期，夹杂物的含量总趋势下降。
& v: N# M2 i1 g. ^' H4 l- q6 @4 X3、还原期，加入预脱氧剂和合金，杂质含量升高，后慢慢降低。
4、镇静：夹杂物上浮。
5、吹氩：氧化物、硫化物杂质含量降低，但氮化物几乎不变。
. g9 x* `! V0 ]! S% f  c9 v+ U6、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。
! s0 P! m" C! ?2 C( I4 P       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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