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

7 E% ^; q2 q- @# [! l一、钢和生铁
) L$ q) U4 ?( U% s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
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。
6 l! Y  \; A, ^0 n7 J; G    三、合金元素
* f8 \$ s- g3 H, J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。
. V- N/ j6 s8 Z0 P. W* Z    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。
% z' e. S, w9 m3 B* J4 X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。
5 T. t+ B" A2 Y# s" A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。
4 R6 k8 `9 W7 Q; Z2、按冶炼方法和质量水平分类
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。
表1—1  合金元素在钢中的作用
元素
作          用
. b# q8 D+ K+ M; s, bMn
1、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
* `# _* k, ~8 k* H* o" H2、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
' y+ \, z9 _) X, d: ?4、在高含量范围内，作为主要的奥氏体化元素
8 A+ ~" Y; x+ W" j/ w4 sSi
1、强化铁素体，提高钢的强度和硬度
* R: H1 W" x4 U5 p! w1 ~2、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
4、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。）
Cr
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
. r' `0 [* h5 `/ r: s2、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
' w( s9 `3 o0 I1、  强化铁素体，提高钢的强度和硬度
1 m7 F, ?0 d$ V. C# [2、  降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
! ~* t' y3 y2 @# W4 M/ T# \+ w3、  提高钢的耐热性和高温强度
Ni
4 E4 q7 z2 c+ I6 E  X! r" T2 m1、  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
$ c* A0 ?1 v2 D9 ]: s/ A  Y0 n3、  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
Al
/ L8 e% n- P) @6 t6 L' R' _$ d1、  炼钢中起良好的脱氧作用
7 ~" n- l3 ~/ m5 a( M2、  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
$ @4 @# a5 W  Q! `3 \RE
2 e* T$ |0 `8 \' F% R8 M% w1、炼钢中起脱硫、去气、净化钢液作用
; ^& W" D! W  q% j2、细化钢的晶粒，改善铸态组织

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。
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 ^0 |4 B5 @3 T- k4、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。
/ B$ N9 k' L7 ?( T6 q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。
* M0 o+ y7 ]5 L1 c, Z% |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。
, u5 J; n' \$ k0 M1 m4 l$ H* ?5 z
! L1 j3 `. E7 j6 }, W第二节   炼钢的任务和方法

4 y: [7 y  L+ U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：
# }; I. N0 P% H. v, W* I- |（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；
（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；
: ^. t+ f  c6 o1 E( ]（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；
6 O' ]6 \7 G; \（6）将钢水过热至一定温度，保证浇注的需要；
/ A) z. z% _+ @! V（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。
- Q7 B3 o! r1 `6 [二、炼钢的方法
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。
. W. ^6 `$ N$ X! N* G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。
3 Z% Q  m1 _9 S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。
" h) b8 h2 _# ~2 v7 b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。
' i7 U* d; F+ B9 c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。
, z) y9 ]7 P* j! V. K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。

# h+ b% W& D/ b6 W第三节   影响铸钢性能的一些因素
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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。
表1—2   钢中常见杂质元素及其作用
/ w* y7 a1 V% E* V) T3 v元素
来    源
5 K+ Q" N) {9 e5 y作            用
P
炼钢过程中
; r, G" m; G+ V4 d从炉料引入
7 G3 I- k4 ~& m$ N6 Q5 T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
4 Z2 q' I6 S: w* T5 k
% c: m" L, @% k( }. B炼钢过程中
" @! s; s6 Q0 \9 W; ]. `从炉料引入
6 h+ V5 w3 t, O% l2 T1、 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。
H
' A( b- n( j. u+ ^0 g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。
* r! N- p+ x. z2 x. G7 cN
2 c9 U* i9 s! F5 R" v炼钢过程中钢液从炉气中吸收氮
0 C# `; S5 D6 W& j2 \& `+ [- `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。
$ h/ Q0 u, P. T5 P- k+ {2、 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。
8 R- ]4 u2 _7 N! l' `O
* u" f/ q, l: a炼钢过程中
' r; G, u! c* S' ~: t" P7 C钢液被氧化
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。
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。

' R0 a5 \+ _# }& O+ m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：
& J- x2 s( T# Q+ l+ j（1）清除夹杂物
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。
  M) G& N" P9 @0 Q$ o（2）改善夹杂物形态
6 l9 N; q. u  q" c0 ?2 C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。
% Q9 A9 p- w4 s3 `3 U9 [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。
& R; b) Q9 u: L9 D3 w2 `  }6 C" F3、还原期，加入预脱氧剂和合金，杂质含量升高，后慢慢降低。
$ I3 M5 G& L9 O5 F* _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。
6、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 a& G) {4 ]! a  u; J( n       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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