炼钢的基础知识3 z- M7 o' d0 }# g$ g
8 M: y' g' w' s3 b% ^2 ^第一节 钢及钢的分类# s( H* U1 Y7 J* x3 `
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一、钢和生铁
% g; j% {6 k" @' K$ e/ j& Q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。& D' |% v; X- W: W! O
二、工业纯铁和熟铁
5 ]/ X( |$ j" `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。
- e, E/ H, u I" B2 e! e 三、合金元素; G* y* [$ o+ e6 I, X0 m
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 O) N3 W0 B [: E( v- D* p
四、钢的分类, O( f! Z, n$ a( O4 @2 f9 b/ |/ u
1、按化学成分分类 y/ _! y0 X& L& c) h2 B
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。/ U+ A- y Y( v) Z
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。
( q; O9 S: D- Z* n5 x4 @1 w& q+ U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。
$ [" ?1 Q5 |3 {+ V% F& E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 N: B( M d* ?3 H
2、按冶炼方法和质量水平分类
0 j9 y+ K( t% L7 i$ {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 c1 w7 S* {2 X5 S6 l5 o2 k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。
* r7 y% ?/ v: [, Y6 Q q8 u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。0 a4 N1 e& A1 }$ A3 T" |$ y: g& M
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。0 e4 ]( M, Z8 ^# p' \4 U
表1—1 合金元素在钢中的作用
6 H! u- B' q0 M$ r5 B元素 ) I9 C# P, \5 q" T6 i h- L2 S
作 用; v X; P3 Y$ M. A7 O: z
Mn 7 h# T4 K" s# Z: q9 _
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
% s3 O/ G7 g, Q/ U/ B2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
9 }% Z! u. k6 ^- R" J9 M7 V4 Z: M3、稍稍改善钢的低温韧性
U4 O/ t2 z* G" c+ g: ]# T4、在高含量范围内，作为主要的奥氏体化元素
- g+ u; `% u2 W, m( u6 y/ n( PSi , R- K1 _/ S4 K1 j/ k! c7 W; a3 }7 ]; E
1、强化铁素体，提高钢的强度和硬度1 \& Y' e( H" X) N: P
2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
# @4 C' u& A9 M- p9 ^8 ^3、提高钢的氧化性腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性: l1 k) U! N/ s$ y8 T& v Y, P; E
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。）
( H+ F" Y( G0 v- E: H- zCr
; I& D1 s+ w' l; K1、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
5 c( Y; L8 ^# J$ c) Y' L6 `1 m3 g6 Z2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性# a3 M, y) T1 d; J# n2 u& a* q
3、提高钢的耐热性7 K) d; W+ r) W2 w6 s8 X: e* t! H
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
% q& a8 a$ y8 o" h8 Q* ]; KMo
2 C. h, S$ X" c9 g1、 强化铁素体，提高钢的强度和硬度
" {% y( S8 A! ] ~2、 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
7 L9 G" G0 E- g. I- F, p4 R3、 提高钢的耐热性和高温强度
% m% i) X) L+ O O1 FNi $ O a/ b( D$ P
1、 提高钢的强度，而不降低其塑性，改善钢的低温韧性
* L3 M5 L- t3 p6 {' e9 f7 X2、 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性
* s8 d$ G! A1 }- g9 D8 [6 j5 t7 y3、 扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素
7 W8 v% \, F6 c4、 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
6 s& o) a0 S6 d0 E* ?Al
, L P9 k: C2 ~6 }' \" `1、 炼钢中起良好的脱氧作用9 B; [: T9 F7 d; V
2、 细化钢的晶粒，提高钢的强度
4 x! k% n5 R0 y1 l6 U. r3 O) q3、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! a" z: I6 w) q6 a+ G) N1 \
RE
y7 K8 {+ g2 Q& ^* `. j1、炼钢中起脱硫、去气、净化钢液作用0 N3 C' Y$ C* `" d
2、细化钢的晶粒，改善铸态组织
' p8 \7 a9 d0 _7 ~$ F# j' b, ^( s+ [/ U/ ]9 z: u6 \
3、按金相组织分类
2 I9 R. I% y6 x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。
3 q; Z( A0 Q" [& ^( p7 D( p2 d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 Z2 ~" a0 _, ?! ~% x
4、按加工和热处理工艺分类( ~9 R( a& Y9 R3 X9 z
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。
" \" w$ t+ i9 Q/ h. w) H' s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。8 F. s: H2 r" O8 [9 ?% M+ X2 R8 X5 }7 r
5、按用途分类
- t* O [- e/ e1 c& S3 [3 L `. {（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。5 X! Z9 e" Y* y4 O
（2）工具钢。它包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。 j7 I1 t. |( ^5 ^
（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。* Y! C# e3 }4 \: ?% J
& i6 {& v1 G& [# M- U `4 T4 l7 Q第二节 炼钢的任务和方法
1 P0 C, j2 m) z# o5 u) v* ?) w9 K* L$ z# K' z+ z7 Z2 B
一、炼钢的任务. j P, W+ I, k+ [3 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：; Z: u4 Y! X5 F
（1）熔化固体炉料（生铁、废钢等）；7 J: o0 N8 ~, i% Y- i# F; ]
（2）使钢水中的硅、锰、碳等元素达到规格成分；' `- @2 U7 c3 `' Q* T! M# n; l
（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；: P: t' ] j% W. M
（4）清除钢水中的气体和非金属夹杂，使钢水纯净；
' c0 j* p9 G5 u, p9 e% |9 N（5）加入合金元素（熔炼合金钢），使其符合要求；7 z" ?9 X5 c/ ?: g
（6）将钢水过热至一定温度，保证浇注的需要；
|5 }. _0 G4 I7 V9 L! P（7）为了提高产量和降低成本，必须快速炼钢；2 c1 |3 @+ k ^( s
（8）浇注成良好的铸件。
5 U) e \7 i" ?. R' v4 T二、炼钢的方法
* b) D% N/ _2 j% \( Y炼钢的方法有很多，主要有转炉炼钢、平炉炼钢、电弧炉炼钢和感应炉炼钢等。, s! i) k* M$ S) l' n% B( g
在铸钢车间上普遍应用的电弧炉。电弧炉炼钢对原材料要求较松，炼出的钢水质量较高，而且炼钢周期适合于铸钢生产的特点，开炉、停炉都比较方便，容易与造型、合箱等工序的进度相协调，便于组织生产。另外，电炉炼钢的设备比较简单，投资少，基建速度以及资金回收快。2 `7 L+ @. x" P0 I7 R! O9 Y; o
近年来，感应炉炼钢逐渐发展。感应炉炼钢工艺比较简单，钢水质量也能得到保证。不少的工厂用感应炉炼钢来浇注小铸件，特别是熔模精密铸造车间，广泛采用感应电炉来熔炼钢水。
e% a, ^$ P7 E0 w& T; E, p* L在重型机器厂中，至今还使用平炉炼钢，平炉的容量一般比电炉大，用平炉炼钢能一次炼出大量的钢水，适用于浇庞大而复杂的重型铸件。但是，平炉炼钢的周期长，炼出一炉钢的时间一般需要六小时以上。平炉结构庞大而复杂，产量低，钢水质量不如电炉，因此它的发展受到很大的限制。在有些国家，已不再建新的平炉了。
( f5 y+ g) I( i! G% \, m近几十年来，炼钢工业中广泛应用纯氧顶吹转炉来炼钢，这种炼钢方法速度快，生产率高，钢水质量也得到保证，这种炉子较适用于钢锭生产。
6 R+ h- l. N, |+ g) M! ~1 W- E随着生产和科学技术的发展，直流电弧炉、真空感应电炉以及炉外精炼设备的新的炼钢方法不断出现，熔炼出来的钢水质量大大提高，铸件质量大为改善。
6 O( T2 {: N& c
1 Y, u e& U2 i& w% n第三节 影响铸钢性能的一些因素
! ]% p6 i1 m) r" B: R7 Z% {0 E% t/ X% Y9 `) T4 E
一、钢中常见杂质元素的影响3 M/ w2 Q* I7 r! m4 @9 `& J. S
钢中常见的杂质元素有P、S、H、N、O等。这些元素在一般情况下对钢的性能起有害作用，但其中有的元素在特定的条件下，也能起有益的作用，成为特意加入的合金元素。这几种杂质元素的来源及其在钢中的作用见表1—2。
f) Q+ N4 |/ y" q表1—2 钢中常见杂质元素及其作用' B+ {! i) \: G" c& j& }
元素 6 O+ V2 e$ ^& E# L5 \) Z7 O
来 源
. o! `& s+ `% m S作 用
% U1 z3 f9 q% _. }4 Y& w$ ZP : @4 Y" l! s7 k7 ]! ?" |5 f
炼钢过程中
7 G J/ B; \( u; I, u从炉料引入 1 m; d% Z5 l: ]
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。
; e' X% A2 p; Y2 T1 s$ x. u% f$ vS
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9 F+ d3 g" p) [1 S) {炼钢过程中/ b4 e9 @5 X1 c3 H4 v0 l1 P
从炉料引入
# z3 |% B) c# I( M1、 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。9 y/ e4 B7 U `/ b" b4 s8 T$ \
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。
. r* _2 ^' X7 s- i+ Y- R3、 硫含量的提高，增加铸件热裂倾向。
) l! L0 V2 t6 E) ~7 v5 q% ^( ~8 YH Z F7 K, c- Z* s4 u" B l6 G
炼钢过程中钢液从炉气中吸收氢
; E, L" L9 K. a' x4 \/ d, L. ?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。
% b+ X" @5 {* EN / l; k) ^5 U9 d
炼钢过程中钢液从炉气中吸收氮 - r* z8 i% Q7 f0 f, q+ G
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。
2 L+ p2 I7 O& J/ X2、 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。. S9 t: M. [# c! M4 J
O & t- [# F( y6 u" f: P$ ]
炼钢过程中
6 |7 s3 F1 A7 z1 Y钢液被氧化
& D* u O) Q7 \8 N1、 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。0 P0 X1 n5 D. P6 K+ c% t5 h% e
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。
$ T' C. A7 q8 m, G, L
5 l1 ?9 u* A. A' M( Y! V2 N二、钢中非金属夹杂物的影响
8 E1 M j: y4 c* h* u7 a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：
b1 ~# z$ @; v$ n（1）清除夹杂物
" o+ t6 v5 e( V. p) i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。& O5 Z! D/ K" S+ ^7 I
（2）改善夹杂物形态8 t) b" H- _9 g
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。
, @) z& M5 m, u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。* C; i0 A! e% ]* Z& ~4 k
三、夹杂物含量在电炉钢生产过程中的变化
w8 X, }$ l' @: g% R1、炉料全熔化，夹杂物的含量较高。
. {. V2 ]! k- r2 b( k2 X% R2、氧化期，夹杂物的含量总趋势下降。. p2 R/ R2 m. \2 k, a
3、还原期，加入预脱氧剂和合金，杂质含量升高，后慢慢降低。
; w$ [# e& @- Q6 b! j5 @; c! {3 s4、镇静：夹杂物上浮。0 d0 w: Y( ~# @, F
5、吹氩：氧化物、硫化物杂质含量降低，但氮化物几乎不变。3 n* t- B) V' G, u$ n( K
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。
, L. }- u" f: ^1 c( _ 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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发表于 2009-3-25 21:14:46
