Z向鋼 及 煉鋼基礎(chǔ)

1、 機(jī)械設(shè)計及理論研究所School of Mechanical Engineering, Tongji University 機(jī)械與能源工程學(xué)院 孫遠(yuǎn)韜 現(xiàn)代工程機(jī)械設(shè)計第1章 緒論現(xiàn)代設(shè)計方法 第1章-緒論煉鋼簡介煉鋼簡介 鋼鐵的冶煉是生產(chǎn)鋼材料的過程?，F(xiàn)代工業(yè)離不開鋼鐵。煉鋼是指控制碳含量（一般小于2%），消除P、S、O、N等有害元素，保留或增加Si、Mn、Ni、Cr等有益元素并調(diào)整元素之間的比例，獲得鋼的最佳性能的過程。煉鋼原料為各種天然鐵礦石，主要的產(chǎn)品有鋼錠、連鑄坯和直接鑄成各種鋼鑄件等。通常所講的鋼，一般是指軋制成各種鋼材的鋼?，F(xiàn)代設(shè)計方法 第1章-緒論 煉鋼生產(chǎn)流程煉鋼生產(chǎn)流程現(xiàn)

2、代設(shè)計方法 第1章-緒論 煉鋼生產(chǎn)流程煉鋼生產(chǎn)流程從煉鋼工藝流程上來說，煉鋼通?？梢苑譃橐韵聨讉€過程： 高爐煉鐵；鐵水預(yù)處理；轉(zhuǎn)爐煉鋼；精煉；連鑄；u高爐煉鐵 煉鐵的原理即用還原劑將鐵礦石中的鐵氧化物還原成金屬鐵。煉鐵的方法有直接還原法和高爐煉鐵法，其中高爐煉鐵為主要方法。 高爐煉鐵的原料有提供鐵元素的鐵礦石、提供熱量的焦炭、去除有害元素的熔劑、提供氧的空氣?，F(xiàn)代設(shè)計方法 第1章-緒論 u鐵水預(yù)處理 鐵水預(yù)處理是指將鐵水兌入轉(zhuǎn)爐之前進(jìn)行的各種提純處理分為普通鐵水預(yù)處理和特殊鐵水預(yù)處理。普通鐵水預(yù)處理包括：鐵水脫硫、脫硅、脫磷的三脫預(yù)處理。特殊鐵水預(yù)處理是針對鐵水中含有特殊元素進(jìn)行提純精煉或資源

3、綜合利用如鐵水提釩、提鈮、脫鉻等預(yù)處理工藝。u轉(zhuǎn)爐煉鋼 轉(zhuǎn)爐煉鋼是以鐵水、廢 鋼、鐵合金為主要原料，不借助外加能源，靠轉(zhuǎn)爐內(nèi)液態(tài)生鐵的物理熱和生鐵內(nèi)各組分（如碳、錳、硅、磷等）與送入爐內(nèi)的氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，使金屬達(dá)到出鋼要求的成分和溫度。其爐體可以轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)代設(shè)計方法 第1章-緒論 u轉(zhuǎn)爐煉鋼現(xiàn)代設(shè)計方法 第1章-緒論u精煉 將煉鋼爐（轉(zhuǎn)爐、電爐等）中初煉過的鋼液移到另一個容器中進(jìn)行冶煉的煉鋼過程叫做精煉，也叫二次冶金。精煉的任務(wù)是將初煉的鋼液在真空、惰性氣體或還原性氣氛的容器中進(jìn)行脫氣、脫氧、脫硫，去除夾雜物和進(jìn)行成分微調(diào)等。精煉過程可提高鋼的質(zhì)量，縮短冶煉時間，簡化工藝過程并降低生

4、產(chǎn)成本。CAS-OB是最簡單的非真空精煉設(shè)備，多適用于普碳鋼、低合金鋼等以化學(xué)成分交貨的鋼種；LF有很強(qiáng)的清洗精煉和加熱功能,適宜冶煉低氧鋼、低硫鋼和高合金鋼；VD脫碳能力弱(受鋼包凈高度的限制),具備一定的鋼渣精煉功能,適宜生產(chǎn)重軌、軸承、齒輪等氣體含量和夾雜物要求嚴(yán)格的優(yōu)質(zhì)鋼種；RH脫碳能力強(qiáng),適宜大量生產(chǎn)超低碳鋼、IF鋼(低N無間隙鋼)；VOD、AOD等專門用于生產(chǎn)不銹鋼；此外,經(jīng)常采用不同功能的精煉爐組合使用,如CAS-RH LF-RH LF-VD AOD-VOD?，F(xiàn)代設(shè)計方法 第1章-緒論u連鑄工業(yè)模鑄與連鑄 模鑄指將高溫鋼液澆注到一個或多個鋼錠模內(nèi)使之凝固成形的方法，是鋼液凝固成形

5、的基本方法，其典型特征是生產(chǎn)過程的間續(xù)化。 連續(xù)鑄鋼指的是將高溫鋼液連續(xù)地澆鑄到一個或多個強(qiáng)制水冷的金屬型腔內(nèi)。凝固成形后，再經(jīng)二次冷卻，使之凝固，且成一定形狀（規(guī)格）鑄坯的工藝方法，其典型特征是生產(chǎn)過程的連續(xù)化。 注：模鑄工藝由于生產(chǎn)效率較低，現(xiàn)在一般只用于澆鑄一些高碳高合金鋼以及一些特殊規(guī)格要求的坯錠現(xiàn)代設(shè)計方法 第1章-緒論煉鋼工藝過程對鋼性能的影響 鋼材的質(zhì)量及性能是根據(jù)需要而確定的，不同的需要，要有不同的元素含量。鋼中常見的元素種類有很多種，其中左右鋼材性能的主要有碳、鉻、錳、鉬、鎳、硅、鎢、釩等。除此之外鋼中還有硫、磷等“有害元素”。下面簡要介紹鋼中的主要元素及其作用。 碳；含碳量

6、越高，剛的硬度就越高，但是它的可塑性和韌性就越差 硫；是鋼中的有害雜物，含硫較高的鋼在高溫進(jìn)行壓力加工時，容易脆裂，通常叫作熱脆性 磷；能使鋼的可塑性及韌性明顯下降，特別的在低溫下更為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象叫作冷脆性在優(yōu)質(zhì)鋼中，硫和磷要嚴(yán)格控制但從另方面看，在低碳鋼中含有較高的硫和磷，能使其切削易斷，對改善鋼的可切削性是有利的 錳；能提高鋼的強(qiáng)度，能消弱和消除硫的不良影響，并能提高鋼的淬透性，含錳量很高的高合金鋼（高錳鋼）具有良好的耐磨性和其它的物理性能鋼中常見元素現(xiàn)代設(shè)計方法 第1章-緒論 硅；它可以提高鋼的硬度，但是可塑性和韌性下降，電工用的鋼中含有一定量的硅，能改善軟磁性能 鎢；能提高鋼的紅硬性

7、和熱強(qiáng)性，并能提高鋼的耐磨性 鉻；能提高鋼的淬透性和耐磨性，能改善鋼的抗腐蝕能力和抗氧化作用 釩；能細(xì)化鋼的晶粒組織，提高鋼的強(qiáng)度，韌性和耐磨性當(dāng)它在高溫熔入奧氏體時，可增加鋼的淬透性；反之，當(dāng)它在碳化物形態(tài)存在時，就會降低它的淬透性 鉬；可明顯的提高鋼的淬透性和熱強(qiáng)性，防止回火脆性，提高剩磁和嬌頑力 鈦；能細(xì)化鋼的晶粒組織，從而提高鋼的強(qiáng)度和韌性在不銹鋼中，鈦能消除或減輕鋼的晶間腐蝕現(xiàn)象 鎳；能提高鋼的強(qiáng)度和韌性，提高淬透性含量高時，可顯著改變鋼和合金的一些物理性能，提高鋼的抗腐蝕能力 硼；當(dāng)鋼中含有微量的（0.0010.005）硼時，鋼的淬透性可以成倍的提高 鋁；能細(xì)化鋼的晶粒組織，阻抑低

8、碳鋼的時效提高鋼在低溫下的韌性，還能提高鋼的抗氧化性，提高鋼的耐磨性和疲勞強(qiáng)度等 銅；它的突出作用是改善普通低合金鋼的抗大氣腐蝕性能，特別是和磷配合使用時更為明顯鋼中常見元素現(xiàn)代設(shè)計方法 第1章-緒論煉鋼工藝過程對鋼性能的影響 煉鋼過程中的鐵水預(yù)處理、高爐煉鋼以及轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要目的在于去除有害元素磷及硫等，無法做到生產(chǎn)特殊性能的鋼。故通過精煉過程，精確鋼材料中各元素成分配比，達(dá)到生產(chǎn)特殊用途鋼的目的。煉鋼工藝對剛性能的影響主要在于此。通過精煉之后成分不同的軸承鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼項(xiàng)目項(xiàng)目CMnSiCrSPNiCuGCr15SiMn0.95/1.050.90/1.200.45-0.651.30/1.6

9、50.020.0270.300.25（以GCr15SiMn為例）軸承鋼軸承鋼現(xiàn)代設(shè)計方法 第1章-緒論煉鋼工藝過程對鋼性能的影響項(xiàng)目CSiMnP SCrMoAlCu Ni38CrMoAl0.35/0.420.20/0.420.30/0.600.0351.35/1.650.15/0.250.70/1.100.30（以38CrMoAl為例）合金鋼合金鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介1、什么是z向鋼Z向鋼并不是形狀呈“z形”的鋼材，而是指在厚度方向（即z方向）的抗拉伸性能較好的厚鋼材，它的厚度一般不小于40mm。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介2、z向鋼的

10、用途用于造船、海上采油平臺、鍋爐、壓力容器和高層建筑等某些重要焊接構(gòu)件的鋼板，不僅要求鋼板的常規(guī)力學(xué)性能，而且對厚度方向抗層狀撕裂性能提出了更高的要求。這些重要鋼材一般首選z向鋼。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介z向鋼板與普通厚鋼板的主要區(qū)別：抗層狀撕裂性能好z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介3、層狀撕裂 大型厚壁結(jié)構(gòu)，在焊接過程中會沿鋼板的厚度方面出現(xiàn)較大的拉伸應(yīng)力，如果鋼中有較多的夾雜，那么沿鋼板軋制方向出現(xiàn)一種臺階狀的裂紋，一般稱為層狀撕裂。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介4、層狀撕裂的特征及其危害性 層狀

11、撕裂是一種內(nèi)部沿軋向的應(yīng)力開裂，它的特征是呈階梯狀，這是其他裂紋所沒有的。 層狀撕裂常出現(xiàn)在T形接頭、角接頭和十字接頭中。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介 根據(jù)層狀撕裂產(chǎn)生的位置大體可分三類： （1）在焊接熱影響區(qū)焊趾或焊根處由冷裂紋而誘發(fā) 現(xiàn)成的層狀撕裂； （2）在焊接熱影響區(qū)沿夾雜開裂，是工程上最常見的層狀撕裂； （3）遠(yuǎn)離熱影響區(qū)母材中沿夾雜開裂，這種情況多出現(xiàn)在有較多MS的片狀夾雜的厚板結(jié)構(gòu)中。 層狀撕裂主要發(fā)生在低合金高強(qiáng)鋼的厚板焊接結(jié)構(gòu)中，多用于海洋采油平臺、核反應(yīng)堆壓力容器及潛艇外殼等重要結(jié)構(gòu)。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡

12、介5、層狀撕裂的形成機(jī)理 厚板結(jié)構(gòu)焊接時，特別是T形和角接接頭，在強(qiáng)制拘束的條件下，焊縫收縮時會在母材厚度方向產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變超過母材金屬的塑性變形能力時（沿板厚方向），夾雜物與金屬基體之間就會發(fā)生分離而產(chǎn)生微裂，在應(yīng)力的繼續(xù)作用下，裂紋尖端沿著夾雜所在平面進(jìn)行擴(kuò)展，就形成的所謂“平臺”。 z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介6、影響層狀撕裂的因素 1非金屬夾雜物的種類、數(shù)量和分布形態(tài)它是產(chǎn)生層狀撕裂的基本原因，是造成鋼的各向異性、力學(xué)性能差異的內(nèi)在因素。鋼中夾雜物一般常見的有硫化物、各種硅酸鹽和鋁酸鹽等。 2Z向拘束應(yīng)力 厚壁結(jié)構(gòu)在焊接過程中承受不同程

13、度的Z向拘束應(yīng)力，同時還不焊后的殘余應(yīng)力及負(fù)載，它們是造成層狀撕裂的力學(xué)條件。 3氫的影響 在焊接熱影響區(qū)附近，由冷裂誘發(fā)成為層狀撕裂中氫是一個重要的影響因素。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介7、層狀撕裂常見的型貌特征宏觀形態(tài)宏觀形態(tài)(A) (D)比較典型, 也常見,(E)是產(chǎn)生在自動焊對接接頭的一種撕裂, 又稱為熱撕裂或液化開裂。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介顯微斷口顯微斷口右上圖是一種由平臺直壁平臺組成的階梯狀斷裂面裂縫平臺區(qū)平坦, 邊界清晰, 幾乎看不到塑性變形, 是片狀夾雜物與基體在拉伸應(yīng)力作用下形成的一種解理面, 平臺之間被山

14、脊?fàn)钏毫牙馑g隔。因此認(rèn)為, 層狀撕裂是低延性準(zhǔn)解理斷裂, 見右下圖。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介8、層狀撕裂產(chǎn)生的原因l層狀撕裂的產(chǎn)生與鋼種強(qiáng)度級別無關(guān)，主要與鋼種夾雜物量和分布形態(tài)有關(guān)。l在軋制鋼板中存在硫化物、氧化物和硅酸鹽等低熔點(diǎn)非金屬夾雜物，其中尤以硫化物的作用為主，在軋制過程中被延展成片狀，分布在與表面平行的各層中，在垂直于厚度方向的焊接應(yīng)力作用下，夾雜物首先開裂并擴(kuò)展，以后這種開裂在各層之間相繼發(fā)生，連成一體，造成層次撕裂的階梯性。 z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介啟裂源分類啟裂源分類成因成因第1類 以焊根裂紋。焊趾裂紋

15、為啟裂源，沿HAZ發(fā)展 焊趾裂紋為啟裂源，沿HAZ發(fā)展由冷裂而引起的（PCM、HD、RF偏高）伸長的MnS夾雜物 角變形引起有彎曲拘束應(yīng)力或缺口引起的應(yīng)變集中第2類 以軋層夾雜物為啟裂源。沿HAZ發(fā)展 伸長的MnS夾雜物及硅酸鹽夾雜物拘束度大，存在Z向拉伸拘束應(yīng)力氫脆 第3類 完全由收縮應(yīng)變而致，以軋層夾雜物為啟裂源，沿遠(yuǎn)離HAZ的母材板厚中央發(fā)展 軋層中的長條MnS夾雜物及硅酸鹽夾雜物 拘束度大，彎曲拘束產(chǎn)生的殘余應(yīng)力應(yīng)變時效 HAZ：熱影響區(qū)域z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介9、預(yù)防層狀撕裂的措施 （一）選用具有抗層狀撕裂的鋼材，降低鋼中夾雜物的含量和控制夾雜物的形態(tài)，來提高鋼板厚向的塑性是有效的。 （二）設(shè)計和工藝上的措施 在設(shè)計和施工工藝上主要是避免Z向應(yīng)力和應(yīng)力集中，具體措施如下： （1）應(yīng)盡量避免單側(cè)焊縫，改用雙側(cè)焊縫，這樣可以緩和焊縫根部的應(yīng)力狀態(tài)，并防止應(yīng)力集中。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計簡介 （2）在強(qiáng)度允許的情況下，盡量采用焊接量少的對稱角焊縫來代替焊接量大