炼钢的基础知识

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炼钢的基础知识
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第一节    钢及钢的分类

) d' ~1 }& t; o& m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
: \' f  X6 c2 x7 d9 B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。
    三、合金元素
- I: u+ s9 M2 [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。
5 e$ A) g) p4 V# h0 J; C    四、钢的分类
        1、按化学成分分类
. P, W1 y" v+ v' g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。
) D+ @1 ?! l. S: B. v+ K! O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。
9 G" g- y, D3 A7 A3 _# |$ w& I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。
2、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。
: M" K, ?5 u- v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。
1 ^+ F$ }! G8 H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。
& x. I! Z. A6 X2 ]8 ~% g表1—1  合金元素在钢中的作用
6 ~0 P- R& a6 B, s. a( J元素
作          用
5 O9 e  j1 s- G! GMn
/ u, z- C: [9 P1、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
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
9 Y) k+ q7 c% a' L4、在高含量范围内，作为主要的奥氏体化元素
Si
1 l  H9 _" C" x5 ?8 G3 S1、强化铁素体，提高钢的强度和硬度
5 V- d4 S) t' H1 @: O! _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
- e  f; H( j' a2 B3 z0 P7 ?$ G! N4、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
9 f2 G$ W7 I9 x3 B1 g5 x+ u2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
3 v8 E2 x, \( i3、提高钢的耐热性
4 M+ c! N: o! |! v4、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
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
3、  扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素
5 `7 o, X/ e8 W* l: N4、  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
% ~" I6 ?" G0 U' J6 wAl
# P# b1 F5 U8 u/ s/ s' ?6 v1 M8 t1、  炼钢中起良好的脱氧作用
2、  细化钢的晶粒，提高钢的强度
7 L. I" u% b7 t2 ]# m: S3、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
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5 H, f6 a6 p5 B8 }/ C1 J3 I3、按金相组织分类
/ ~$ p& g& W; Y: h) g0 I1 @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、按加工和热处理工艺分类
1 S( ~6 D" R' c& V3 W+ T$ f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。
3 v. p# d, k! a$ }0 t1 T7 |& k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。
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9 d2 Q0 V% J$ E) s8 M* y7 E1 F+ n. `' K第二节   炼钢的任务和方法
) p( ~( @' r% B7 U) x
一、炼钢的任务
9 Y/ j$ ]- }6 U& l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；
（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；
8 s$ d6 j& R* ], q（4）清除钢水中的气体和非金属夹杂，使钢水纯净；
4 S2 q/ T7 X2 a+ y: y+ Q' E+ {（5）加入合金元素（熔炼合金钢），使其符合要求；
) d9 K+ E0 a, R% V$ u7 Z) e（6）将钢水过热至一定温度，保证浇注的需要；
4 l' ~1 B8 u7 x$ K- Z$ ~（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。
二、炼钢的方法
2 _5 x+ C& h& ~$ y0 k1 F5 g* M/ 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。
6 u6 U* q# ~7 a/ J# q7 W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。
7 [4 Z' E" Y, Z$ W  r5 j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。
+ {) d0 [, N( x' d- Y1 E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。
$ ]" y& M$ Y6 c) e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。

2 W# q4 O1 w6 B  }第三节   影响铸钢性能的一些因素

& K  i1 }( v6 T$ g一、钢中常见杂质元素的影响
) ^! K# y8 M" t6 A! c8 c# D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
元素
4 m" L7 i  W" C3 [  v, F来    源
, y( x! K' v7 r作            用
. s% f; I, Q& [9 [P
炼钢过程中
; K& M4 l1 Y5 h5 V( I$ Z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
$ S5 B  C$ q$ x+ G4 X& C" C
9 i: P: N9 k+ b& c炼钢过程中
  c4 Y- m, U8 ~, ^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。
0 ~# `; v" O" G5 y) I+ f3 _% y/ GH
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。
1 g; ^, p- M3 g7 b3 x2 lN
炼钢过程中钢液从炉气中吸收氮
" Z* o2 u) p" ^) n/ o1、 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。
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。
O
炼钢过程中
钢液被氧化
" R! r7 v3 V2 K1、 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。
. _8 G6 \6 Q. R0 `) @. h/ ]! K! @
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：
（1）清除夹杂物
( G; _' N2 L9 }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
8 l% F: N. E4 i2 U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。
, G/ Y7 i- O3 u0 \% h- B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。
4 t( ]2 c# T* r+ T* Y5 J+ Y5 w2、氧化期，夹杂物的含量总趋势下降。
/ A& v# E6 c: E9 b6 c: \$ S3、还原期，加入预脱氧剂和合金，杂质含量升高，后慢慢降低。
7 t4 k5 m, D+ q( J; `1 t4、镇静：夹杂物上浮。
- N2 F/ i* K( N" a* A5、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。
8 E4 G( s7 E- }3 n; T2 i       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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