炼钢的基础知识. o; V: C7 V/ P( F$ A/ o
6 x5 R {8 ]4 c8 c$ K
第一节 钢及钢的分类
8 o N% W5 b6 a. U/ F' j y. E% r: z. o7 q' E$ [
一、钢和生铁
3 N) F% ~$ F R1 t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。
9 [9 q0 _3 j! Z; _# X& l- T# w二、工业纯铁和熟铁
9 ?- m6 z1 T; A3 Y1 R( m! r+ Y$ T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。
9 u9 ], v; v! z" V' c; u) v( q. v 三、合金元素5 H( ]& J0 K& K7 r6 X( M7 D4 {
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。2 b$ h, _1 S* V9 A0 S3 `. u
四、钢的分类
. `. ?& w; ?1 T. m3 k4 Y 1、按化学成分分类5 ~! ~5 q5 r7 g8 M3 D
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。
; L# o @4 G% ^/ z" C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。
7 {' @" g% d, m0 ~; j2 Z4 q" q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。& ^) ?8 ]: _& B8 B9 ?
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。
- g0 F( I8 C( F" Y2 A' y2 u; J2、按冶炼方法和质量水平分类
! ^, n9 c) J4 w5 C( H1 @6 b ~ d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。# b% [4 Q6 {$ C7 \% N2 q
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。# Y8 _3 b; k3 k4 S; C
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。8 A1 k; y a4 j8 ] m2 a
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。% T$ q8 L* E& ~/ M7 r
表1—1 合金元素在钢中的作用% H# O( l) n# T% p5 H, f* T
元素 3 ^2 I- E9 z4 D8 J
作 用
4 z. x: R. Q* d% G. ^ _Mn
$ d( o# y+ r# ^+ {: o1、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
- X3 ?% M8 E3 G6 b: E2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
( ^$ C- Q4 ^) k3、稍稍改善钢的低温韧性
! L7 g/ n# A, B6 A1 n4、在高含量范围内，作为主要的奥氏体化元素7 t* O& B7 N. j d- s9 i
Si 3 c: ^ J' N4 [+ W7 n8 N
1、强化铁素体，提高钢的强度和硬度5 [3 X- T" G. d0 D7 o) G
2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
; l4 Q9 W% E$ u9 w# w+ B3、提高钢的氧化性腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性/ S7 h" C w# K0 a
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。）8 e; ?! t: {0 }0 g% i+ K
Cr . G1 S3 e* J7 Y5 F# C! s* X. T# j
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: c& n2 V0 `- [/ }. y$ r! o: l# v! l4 A
2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性7 D- T% e' J6 D
3、提高钢的耐热性
% Z7 a7 ?( n- z2 S- W- w) G9 |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4 ~0 y6 D% }8 u
Mo 5 @. i/ p; |& n1 m! b+ s
1、 强化铁素体，提高钢的强度和硬度
% a3 g* o. m/ z! P. E2、 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
- d8 S7 T/ l O# }4 ^) X# b3、 提高钢的耐热性和高温强度
; \ p d y, ZNi ! e# ?! ^/ | L1 W4 N. M
1、 提高钢的强度，而不降低其塑性，改善钢的低温韧性
6 c& Y2 M1 ~- k# G# S) }, \2、 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性 R8 |& d6 Z# Q8 w
3、 扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素3 @6 M; o* F3 K
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/ A _' Z+ O: C
Al 4 R1 d/ n3 N B j" b0 e+ u
1、 炼钢中起良好的脱氧作用
' y: j- x0 Q J% ]% T- M2、 细化钢的晶粒，提高钢的强度1 d |9 K% W* F( E$ B' M
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 [& |8 N6 t; {8 g2 l& u0 l5 a
RE
4 k, a4 Z. ]. _5 W p1、炼钢中起脱硫、去气、净化钢液作用
% u! E1 E( M/ m: Z2、细化钢的晶粒，改善铸态组织
/ n$ S5 I9 T. v* u
5 w$ }. k+ L2 P% V3、按金相组织分类
5 Y3 ^& K: H. ?1 D/ ?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。. ]$ j c" w, ~& c2 Z
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。
2 C3 s2 x5 |3 w/ d& d4、按加工和热处理工艺分类0 q; Y3 ]7 h# [ }6 C
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。6 H2 q; O# r4 `3 U
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。# f* w4 I8 q P. q, P
5、按用途分类& X- Q' ~8 B: V1 }; ]2 r7 D
（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。
! P4 L( R" d$ b" u; F0 M4 h6 W1 ?（2）工具钢。它包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。7 e( ?( p& P3 g0 _
（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。
! m1 D% V7 V! ^! i0 K+ y$ w2 |. Y% T. O
第二节 炼钢的任务和方法
3 A5 z$ ]$ N; M9 D/ F
+ U: z8 l* c, J一、炼钢的任务& ^: K7 y. R2 ^3 ~+ O) B
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：$ g# H8 N, F+ {. {& |- b
（1）熔化固体炉料（生铁、废钢等）；/ A; n* T. {! \4 m2 _4 C
（2）使钢水中的硅、锰、碳等元素达到规格成分；
! s9 {; ?2 G. ^8 c) m（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；
' b* k/ a6 N: b5 |6 \/ m7 L" Z: R（4）清除钢水中的气体和非金属夹杂，使钢水纯净；- \3 x# w ]: l$ l5 ]6 D- p
（5）加入合金元素（熔炼合金钢），使其符合要求；
0 Z/ ? g; ?8 ~（6）将钢水过热至一定温度，保证浇注的需要；
- v* h$ r* r7 i2 t0 l6 M（7）为了提高产量和降低成本，必须快速炼钢；
% ]$ m u; z4 V（8）浇注成良好的铸件。$ p- s8 D6 J* f, B6 ]
二、炼钢的方法+ M6 C! j; {2 S& w! B/ k
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。$ r. U* J2 r3 G: O, h9 A8 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。
& {: @) z5 C% [4 b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" s) @0 H8 T& k* L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。
# y/ E, c5 U$ v! ~# x% W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。, U' L1 [- u1 x
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。
5 Q' }, I7 u" }) o( k/ e0 N" U, w( g# W3 l; N9 z- E3 z- D% X
第三节 影响铸钢性能的一些因素
" Z) m% E/ F9 y w8 T. P. ~ a) [( @$ K2 w+ X
一、钢中常见杂质元素的影响. M+ L5 f6 W. O+ T7 K
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。
* j6 p0 d4 m7 O/ i$ G7 M表1—2 钢中常见杂质元素及其作用( |# T9 W7 p D2 l+ O* t: c2 R' n' n
元素 & k# v2 P8 z6 g
来 源 ; `: E2 `; o6 X# g! _
作 用/ U: e: F( u( x ?/ a# R8 ^; r
P
. c; \% |7 o$ `: w炼钢过程中* g* P+ y& |( M! ~% k1 S
从炉料引入
) l( b2 ]# B# n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。
- W2 o, {. Q X5 I5 H% aS
8 w) Q' `/ D/ E6 L: i 1 s5 x1 c' I* ]8 E/ S# p8 c
炼钢过程中
3 x6 H, y7 y( X从炉料引入 ; q. b' S; v5 p
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。
6 h0 t' o. E$ T3 Z0 e) A$ g j4 p2、 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。" B( M5 D+ S# v. m
3、 硫含量的提高，增加铸件热裂倾向。
: K8 O4 p3 J* x. JH : C7 e' H/ I& \: |7 ]
炼钢过程中钢液从炉气中吸收氢
, A, A& R- Z" R( w' q4 S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。
( O( k5 ], j. m- a" d' }- g: XN
/ V" B/ G& n$ N$ `4 {$ }炼钢过程中钢液从炉气中吸收氮 , V6 u2 C" v- H
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。0 t6 x) T a" s
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。
2 D% v l! k1 k. l/ ~2 xO " J# \. J/ ]* ]& y9 b+ e
炼钢过程中( }6 [; P: I, q0 w/ p; t
钢液被氧化 # L- P& I3 u1 B/ `0 _
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。, K/ u) d l) c3 [' D
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。
W4 e& }- C; b0 H7 V# n o' ?! R M1 B) W% d* ] y
二、钢中非金属夹杂物的影响% S2 D1 W/ [5 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：; w' r4 A/ D5 y
（1）清除夹杂物! j0 O% R" D! s7 W) o
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。
5 T" Z) {2 N; _7 v( l$ {" i: _4 f（2）改善夹杂物形态$ O. V$ A, E/ w& X$ j
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。' P, c, A; f. L( b- \; C
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。# X, @) k; W" W* L I
三、夹杂物含量在电炉钢生产过程中的变化
" h5 U# _7 n3 N$ l1、炉料全熔化，夹杂物的含量较高。
6 t2 I& A' F& h3 ]3 A2、氧化期，夹杂物的含量总趋势下降。7 u) ^$ [( o, Z( j6 g
3、还原期，加入预脱氧剂和合金，杂质含量升高，后慢慢降低。0 B4 p: L* n/ o6 Z7 o7 l
4、镇静：夹杂物上浮。+ D1 o, M$ N2 f3 h! D1 j
5、吹氩：氧化物、硫化物杂质含量降低，但氮化物几乎不变。
. Y; C6 J( V. k! t$ 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。
3 C7 b [+ `' m3 ?/ B 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。
0 i* u8 i( Y/ M- J2 r |
发表于 2009-3-25 21:14:46
