炼钢的基础知识
6 @. k3 w: X7 h( B/ R
. E* ~- _0 b; \第一节 钢及钢的分类
% ~ @5 {5 D1 A0 z% O& q3 D' r3 T' J8 S/ Y/ S4 R; x& H
一、钢和生铁! O9 R0 s) u% \ U
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。
; g) W& D \6 k# u4 d二、工业纯铁和熟铁* E* e5 H: [9 p' }8 k }
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。/ y7 |& O" m$ ] E7 l4 j
三、合金元素
7 V! z# k7 C+ n0 w/ q- W+ n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。
8 n0 l. {% H6 P& a* s 四、钢的分类4 E6 b+ u9 N* M* p3 E. g
1、按化学成分分类. ^9 |3 k; Y8 T& [) F
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。
3 @8 h6 p: d/ }; {0 s/ x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 e, J" g- K ]' }! L. ]
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。- I8 f$ P5 F- X; M' 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 S- |. H( Z# I2、按冶炼方法和质量水平分类# e) T3 z1 n1 P$ q- r
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。
6 Z) m- ?' L+ S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。4 d4 i- E/ B( C t
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。
' k( Z( P$ w2 V! T" d7 e) W( {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。) ?: G9 V% Y8 }1 f( {" d- S
表1—1 合金元素在钢中的作用8 L+ T# {7 I! N& Y
元素 2 d0 R: E$ h# r6 p6 @
作 用
- V8 `3 t* r B7 L9 ?3 n1 GMn 5 u% ^; W9 L; g- X5 p9 Y
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9 G& r( ^4 r; C1 m; M
2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
; @3 s) |6 J3 y2 p$ r$ Z3、稍稍改善钢的低温韧性+ A# K- W8 m7 j! d# l! \) y
4、在高含量范围内，作为主要的奥氏体化元素
' a6 r$ y8 `" L# m6 O! I" ySi ; k* M; R6 P+ z$ ]& r1 M
1、强化铁素体，提高钢的强度和硬度
" m+ }! Z2 ~- k: Z d ~2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性. i& i7 h. K1 r2 I4 P v( Q I
3、提高钢的氧化性腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性
/ t& {/ P4 d+ a4、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。）
5 W2 g B& u5 SCr
% ~2 G5 n' k* X/ {3 {0 D1、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! S4 `" {8 J9 M- p' N& p
2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性* J8 k" u% ^; q3 U1 `6 Y- R, @
3、提高钢的耐热性
( c" R% v4 [+ u( F: E4、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$ x9 B* K d; y9 M7 K9 W
Mo 3 t: F& \7 z0 M+ ]( }( c( C
1、 强化铁素体，提高钢的强度和硬度8 W# e4 i2 k" E, F
2、 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性' u# m) R. W0 p1 S) j9 z
3、 提高钢的耐热性和高温强度
. q& ~8 k9 j! R9 R+ {Ni / e+ ~/ ] r$ v' b5 ~5 @7 r* ~
1、 提高钢的强度，而不降低其塑性，改善钢的低温韧性
& p* o" \9 W. H& X% Q1 Y2 [4 W8 x: l2、 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
9 T1 \; B" P, N" Q3、 扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素. G2 n: l9 Z# O
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 ]4 [+ g+ DAl
6 v- \* M) b& u4 ^0 E' M1、 炼钢中起良好的脱氧作用
7 G3 P, Z3 @ U5 I! V7 P2、 细化钢的晶粒，提高钢的强度8 y8 o2 M( y" w1 w& J) T* ~
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
! g9 _" p" {% lRE
2 q+ O6 W0 E# x! W O' Y2 {, k1、炼钢中起脱硫、去气、净化钢液作用
' H. E% Y( c* I7 \) y2、细化钢的晶粒，改善铸态组织
+ h1 j, L% @+ y3 q# x S
% _" x0 H$ S/ N7 r3、按金相组织分类
1 s) O' ^$ L" ?8 Z3 `" U( S# ?; }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。
# O4 O0 \& h! l/ r6 X0 \8 L2 s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。8 E" { m8 u! K* ^ a
4、按加工和热处理工艺分类
8 H+ s4 X% ?0 _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。
9 R# }) S% x1 J! F8 `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。
) _1 i, S! J$ \* F; N5、按用途分类/ I) @# d3 }. z& y$ h- P1 o
（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。
: U7 V y: q# v2 e/ P（2）工具钢。它包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。
4 c5 O- Q2 U# K. ^$ ~3 ]" c$ J, X* X（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。1 r! ^( H* T* O" ~! s& U. @
- r+ c% R! i; ^+ j) N9 k3 V
第二节 炼钢的任务和方法
, L3 A1 V* S0 |' l( T5 o6 w' P- L# j+ O* X8 B# M
一、炼钢的任务
+ d/ A3 g5 g' n8 l% J7 o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：
* C' A4 U9 I3 D3 ^* I（1）熔化固体炉料（生铁、废钢等）；
7 Z; ?+ U- v8 Y% Y( I. w; W b- x（2）使钢水中的硅、锰、碳等元素达到规格成分；& o6 ?, M/ y, R& v/ z
（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；
1 g% Y! O8 i4 X: E* ^4 }（4）清除钢水中的气体和非金属夹杂，使钢水纯净；
# {, C' d! c+ U' S. ]; c" s（5）加入合金元素（熔炼合金钢），使其符合要求；' S, o+ Y6 J# u, b! |& @, a% j
（6）将钢水过热至一定温度，保证浇注的需要；5 b d: e* w# P. V9 G
（7）为了提高产量和降低成本，必须快速炼钢；3 `' x" ?* u+ T
（8）浇注成良好的铸件。
# t. M& l) K: t9 _二、炼钢的方法5 b; a, G6 @3 ]. }! i
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 F: s6 Z$ V$ i( T( N
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。
, G# G! M! z' ]$ Q4 D2 \" S' a4 ]+ G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。
4 Q' `2 _( l0 X3 C3 k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。- X4 h5 _0 H- f- _
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。
$ p7 i" c+ ?$ w* R$ W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。4 t$ z( b C* |9 L
' J# t6 X$ `- R/ V第三节 影响铸钢性能的一些因素
+ |$ t! `3 B ?9 R0 \5 @* N, e! n0 I
一、钢中常见杂质元素的影响' n: q9 G4 Y1 f1 z4 p; ~9 l' k3 p
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。
: V4 l6 T* m I表1—2 钢中常见杂质元素及其作用+ j) V6 ]% ~( ~# T9 o* \; ]6 ]
元素 + ]/ Q4 k4 n: w2 I. P5 G3 h ~
来 源 4 V% I/ d7 [8 p4 @+ e
作 用" j5 i2 ]; D; Y) N C$ O* e
P
. J+ w3 O% n- t5 c2 f炼钢过程中
' g4 J* N5 O( M0 ~从炉料引入 & N+ A' u% d0 w8 n+ P, U
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。/ L& p) a( @8 Z. S
S 5 m8 C3 @9 i8 A5 v
' [0 G1 |, Q- T+ U8 [+ o
炼钢过程中: H! F9 m g0 I$ K) }
从炉料引入
3 x- r8 X8 `0 u# V1、 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。 m4 w7 {8 R+ j% ? t, E6 k! x% j- L
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。) p+ E- X4 O) ?- C$ _! E6 m, I, v" \
3、 硫含量的提高，增加铸件热裂倾向。
9 c* _4 T u, L# u* r6 [( @H
% x F0 v5 ^) b( j c; b* u) s炼钢过程中钢液从炉气中吸收氢
1 g8 n% _1 X) a8 u; _5 W& ]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。
! v+ k, q n* dN
5 b9 N/ r4 Q- y; d6 V炼钢过程中钢液从炉气中吸收氮
P/ @# E. |1 \: D. D2 Q1、 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。
% g& }2 b( _$ e& T. p2、 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 D4 P$ |" r h; x
O
F* h T8 }9 Y, d: e/ r: k% e炼钢过程中0 @; E; p8 t# q) W2 W1 W+ T. ]0 K' l
钢液被氧化 ! `+ c7 ^9 b& e
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。9 l4 _3 Z% X* X2 x
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。9 i# w' n% h, i2 d9 n* O2 z1 z; ~
* \5 A( e' i6 d% [0 c4 B9 t二、钢中非金属夹杂物的影响
9 S0 D7 O( U$ l' n4 m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：9 O9 K& a o) b. v& X6 C; k5 [% [
（1）清除夹杂物
' Q. C3 m; A3 R& ?$ d$ w( w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。
' d# E& n8 X( f7 X$ y（2）改善夹杂物形态$ z) J+ Z, F; L/ J3 X2 w
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。1 M) N" B) K5 ^2 R, G# F
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。
/ k8 o, m& s! \4 N2 O2 ^三、夹杂物含量在电炉钢生产过程中的变化
F8 N4 z* s6 s9 j' k! E- R1、炉料全熔化，夹杂物的含量较高。
. A' w9 [1 c: A& a0 a2、氧化期，夹杂物的含量总趋势下降。% t9 o1 |) p7 V, C7 r. h
3、还原期，加入预脱氧剂和合金，杂质含量升高，后慢慢降低。$ v# ]+ A' `+ \! }
4、镇静：夹杂物上浮。
! Q# V' m9 L+ Z( U5 `5 }5、吹氩：氧化物、硫化物杂质含量降低，但氮化物几乎不变。
- J& U& k1 q1 J* T, m! H, T; Q6、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。
! h% r) u0 m s" ?4 M 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。
7 ?8 k' u8 ]; u |
发表于 2009-3-25 21:14:46
