煉鋼學(xué)概述和任務(wù)及理論

1、煉鋼學(xué)概述和任務(wù)及理論第一章 煉鋼學(xué)概述第一節(jié) 概述 第二節(jié) 煉鋼的任務(wù)及鋼的分類 第一節(jié) 概述 鋼與生鐵的區(qū)別： 首先是碳的含量，理論上一般把碳含量小于2.11%稱之鋼，它的熔點(diǎn)在1450-1500，而生鐵的熔點(diǎn)在1100-1200。 在鋼中碳元素和鐵元素形成Fe3C固熔體，隨著碳含量的增加，其強(qiáng)度、硬度增加，而塑性和沖擊韌性降低。 鋼的應(yīng)用前景 鋼具有很好的物理化學(xué)性能與力學(xué)性能，可進(jìn)行拉、壓、軋、沖、拔等深加工，其用途十分廣泛； 用途不同對鋼的性能要求也不同，從而對鋼的生產(chǎn)也提出了不同的要求。 石油、化工、航天航空、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、國防等許多重要的領(lǐng)域均需要各種類型的大量鋼材，我們的日常

2、生活更離不開鋼。 總之，鋼材仍將是21世紀(jì)用途最廣的結(jié)構(gòu)材料和最主要功能材料。煉 鋼 方 法（1） 最早出現(xiàn)的煉鋼方法是1740年出現(xiàn)的坩堝法，它是將生鐵和廢鐵裝入由石墨和粘土制成的坩堝內(nèi)，用火焰加熱熔化爐料，之后將熔化的爐料澆成鋼錠。此法幾乎無雜質(zhì)元素的氧化反應(yīng)。 煉 鋼 方 法（2） 1856年英國人亨利貝塞麥發(fā)明了酸性空氣底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法，也稱為貝塞麥法，第一次解決了用鐵水直接冶煉鋼水的難題，從而使煉鋼的質(zhì)量得到提高，但此法要求鐵水的硅含量大于0.8%，而且不能脫硫。目前已淘汰。 煉 鋼 方 法（3） 1865年德國人馬丁利用蓄熱室原理發(fā)明了以鐵水、廢鋼為原料的酸性平爐煉鋼法，即馬丁爐法。

3、1880年出現(xiàn)了第一座堿性平爐。由于其成本低、爐容大，鋼水質(zhì)量優(yōu)于轉(zhuǎn)爐，同時(shí)原料的適應(yīng)性強(qiáng)，平爐煉鋼法仍一時(shí)成為的主要的煉鋼法。 煉 鋼 方 法（4） 1878年英國人托馬斯發(fā)明了堿性爐襯的底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即托馬斯法。他是在吹煉過程中加石灰造堿性渣，從而解決了高磷鐵水的脫磷問題。當(dāng)時(shí)，對西歐的一些國家特別適用，因?yàn)槲鳉W的礦石普遍磷含量高。但托馬斯法的缺點(diǎn)是爐子壽命底，鋼水中氮的含量高。煉 鋼 方 法（5） 1899年出現(xiàn)了完全依靠廢鋼為原料的電弧爐煉鋼法(EAF)，解決了充分利用廢鋼煉鋼的問題，此煉鋼法自問世以來，一直在不斷發(fā)展，是當(dāng)前主要的煉鋼法之一，由電爐冶煉的鋼目前占世界總的鋼的產(chǎn)量的3

4、0-40%。煉 鋼 方 法（6） 瑞典人羅伯特杜勒首先進(jìn)行了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的試驗(yàn)，并獲得了成功。1952年奧地利的林茨城(Linz)和多納維茲城(Donawitz)先后建成了30噸的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐車間并投入生產(chǎn)，所以此法也稱為LD法。美國稱為BOF法（Basic Oxygen Furnace）或BOP法。 LD/ BOF/ BOP煉 鋼 方 法（7） 1965年加拿大液化氣公司研制成雙層管氧氣噴嘴，1967年西德馬克西米利安鋼鐵公司引進(jìn)此技術(shù)并成功開發(fā)了底吹氧轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即OBM法(Oxygen Bottom Maxhuette) 。1971年美國鋼鐵公司引進(jìn)OBM法，1972年建設(shè)了3座20

5、0噸底吹轉(zhuǎn)爐，命名為Q-BOP (Quiet BOP)。OBM/ Q-BOP煉 鋼 方 法（8） 在頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼發(fā)展的同時(shí)，1978-1979年成功開發(fā)了轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉工藝，即從轉(zhuǎn)爐上方供給氧氣（頂吹氧），從轉(zhuǎn)爐底部供給惰性氣體或氧氣，它不僅提高鋼的質(zhì)量，降低了消耗和噸鋼成本，更適合供給連鑄優(yōu)質(zhì)鋼水。 LD- Q- BOP煉 鋼 方 法（9） 我國首先在1972-1973年在沈陽第一煉鋼廠成功開發(fā)了全氧側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝。并在唐鋼等企業(yè)推廣應(yīng)用。 總之，煉鋼技術(shù)經(jīng)過200多年的發(fā)展，技術(shù)水平、自動(dòng)化程度得到了很大的提高，21世紀(jì)煉鋼技術(shù)會(huì)面臨更大的挑戰(zhàn)，相信會(huì)有不斷的新技術(shù)涌現(xiàn)。 我國很早

6、就掌握了煉鐵的冶煉技術(shù)，東漢時(shí)就出現(xiàn)了冶煉和鍛造技術(shù)，南北朝時(shí)期就掌握了灌鋼法，曾在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。 但舊中國鋼鐵工業(yè)非常落后，產(chǎn)量很低，從1890年建設(shè)的漢陽鋼鐵廠至1948年的半個(gè)世紀(jì)中，鋼產(chǎn)量累計(jì)到200萬噸，1949年只有萬噸。 新中國成立后，特別是改革開放以來，我國的鋼鐵事業(yè)得到迅速發(fā)展，1980年鋼產(chǎn)量達(dá)到3712萬噸，1990年達(dá)到6500萬噸，1996年首次突破1億噸大關(guān)，成為世界第一產(chǎn)鋼大國，2005年產(chǎn)量達(dá)到億噸，占世界產(chǎn)量的1/3。 可以這樣講，我國的鋼鐵工業(yè)對世界產(chǎn)生了重要影響，我國不僅是產(chǎn)鋼大國，而且已經(jīng)開始邁入鋼鐵強(qiáng)國的行列。 第二節(jié) 煉鋼的任務(wù)及鋼的分類

7、煉鋼的基本任務(wù)是脫碳、脫磷、脫硫、脫氧，去除有害氣體和非金屬夾雜物，提高溫度和調(diào)整成分。 歸納為：“四脫”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去氣和去夾雜），“二調(diào)整”（成分和溫度）。采用的主要技術(shù)手段為：供氧，造渣，升溫，加脫氧劑和合金化操作。一、鋼中的磷 對于絕大多數(shù)鋼種來說磷是有害元素。鋼中磷的含量高會(huì)引起鋼的 “冷脆”，即從高溫降到0以下，鋼的塑性和沖擊韌性降低，并使鋼的焊接性能與冷彎性能變差。磷是降低鋼的表面張力的元素，隨著磷含量的增加，鋼液的表面張力降低顯著，從而降低了鋼的抗裂性能。磷是僅次于硫在鋼的連鑄坯中偏析度高的元素，而且在鐵固熔體中擴(kuò)散速率很小，因而磷的偏析很難消除，從而嚴(yán)重影響

8、鋼的性能，所以脫磷是煉鋼過程的重要任務(wù)之一。磷在鋼中是以Fe3P或Fe2P形式存在，但通常是以P來表達(dá)。煉鋼過程的脫磷反應(yīng)是在金屬液與熔渣界面進(jìn)行的。 不同用途的鋼對磷的含量有嚴(yán)格要求： 非合金鋼中普通質(zhì)量級鋼P(yáng)0.045%； 優(yōu)質(zhì)級鋼 P0.035%； 特殊質(zhì)量級鋼 P0.025%； 有的甚至要求 P0.010%。 有些鋼種:炮彈鋼，耐腐蝕鋼需加P元素。二、鋼中的硫 硫?qū)︿摰男阅軙?huì)造成不良影響，鋼中硫含量高，會(huì)使鋼的熱加工性能變壞，即造成鋼的“熱脆”性。 硫在鋼中以FeS的形式存在， FeS的熔點(diǎn)為1193， Fe與FeS組成的共晶體的熔點(diǎn)只有985。液態(tài)Fe與FeS雖可以無限互溶，但在固熔

9、體中的溶解度很小，僅為0.015%-0.020%。 當(dāng)鋼中的S0.020%時(shí)，由于凝固偏析，F(xiàn)e-FeS共晶體分布于晶界處，在1150-1200的熱加工過程中，晶界處的共晶體熔化，鋼受壓時(shí)造成晶界破裂，即發(fā)生“熱脆”現(xiàn)象。如果鋼中的氧含量較高，F(xiàn)eS與FeO形成的共晶體熔點(diǎn)更低（940），更加劇了鋼的“熱脆”現(xiàn)象的發(fā)生。錳可在鋼凝固范圍內(nèi)生成MnS和少量的FeS，純MnS的熔點(diǎn)為1610，共晶體FeS-MnS（占93.5%）的熔點(diǎn)為1164，它們能有效的防止鋼熱加工過程的“熱脆”。 冶煉一般鋼種時(shí)要求將Mn控制在0.4%-0.8%。在實(shí)際生產(chǎn)中還將Mn/S比作為一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行控制，Mn/S對鋼的

10、熱塑性影響很大。 從低碳鋼高溫下的拉伸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)提高M(jìn)n/S比可以提高鋼的熱延展性。一般Mn/S7時(shí)不產(chǎn)生熱脆。Mn/S比對低碳鋼熱延展性的影響 硫還會(huì)明顯降低鋼的焊接性能，引起高溫龜裂，并在焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松，從而降低焊縫的強(qiáng)度。硫含量超過0.06%時(shí)，會(huì)顯著惡化鋼的耐蝕性。硫還是連鑄坯中偏析最為嚴(yán)重的元素。不同鋼種對硫含量有嚴(yán)格的規(guī)定： 非合金鋼中普通質(zhì)量級鋼S0.045% 優(yōu)質(zhì)級鋼 S0.035%， 特殊質(zhì)量級鋼 S0.025% 有的鋼種要求如管線鋼 S0.005%,甚至更低。 有些鋼種，如易切削鋼硫則作為合金元素加入，要求S=0.08%-0.20%。三、鋼中的氧在吹煉過程中，向熔池供入

11、了大量的氧氣，到吹煉終點(diǎn)時(shí)，鋼水中含有過量的氧，即鋼中實(shí)際氧含量高于平均值。如不脫氧，在出鋼、澆鑄中，溫度降低，氧溶解度降低，促使碳氧反應(yīng)，鋼液劇烈沸騰，使?jié)茶T困難，得不到正確凝固組織結(jié)構(gòu)的連鑄坯。 鋼中氧含量高，還會(huì)產(chǎn)生皮下氣泡，疏松等缺陷，并加劇硫的熱脆作用。在鋼的凝固過程中，氧將會(huì)以氧化物的形式大量析出，會(huì)降低鋼的塑性，沖擊韌性等加工性能。一般測定的是鋼中的全氧，即氧化物中的氧和溶解的氧之和，在使用濃差法定氧時(shí)才是測定鋼液中溶解的氧，在鑄坯或鋼材中取樣時(shí)是全氧樣。 脫氧的任務(wù)根據(jù)具體的鋼種，將鋼中的氧含量降低到所需的水平，以保證鋼水在凝固時(shí)得到合理的凝固組織結(jié)構(gòu)；使成品鋼中非金屬夾雜物含

12、量最少，分布合適，形態(tài)適宜，以保證鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)；得到細(xì)晶結(jié)構(gòu)組織。 常用的脫氧劑有Fe-Mn，F(xiàn)e-Si，Mn-Si，Ca-Si等合金。 四、鋼中的氣體 鋼液中的氣體會(huì)顯著降低鋼的性能，而且容易造成鋼的許多缺陷。鋼中氣體主要是指氫與氮，它們可以溶解于液態(tài)和固態(tài)純鐵和鋼中。氫在固態(tài)鋼中溶解度很小，在鋼水凝固和冷卻過程中，氫會(huì)和CO、N2等氣體一起析出，形成皮下氣泡中心縮孔、疏松、造成白點(diǎn)和發(fā)紋。 鋼熱加工過程中，鋼中含有氫氣的氣孔會(huì)沿加工方向被拉長形成發(fā)裂，進(jìn)而引起鋼材的強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性的降低，即發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象。在鋼材的縱向斷面上，呈現(xiàn)出圓形或橢圓形的銀白色斑點(diǎn)稱之為“白點(diǎn)”，實(shí)為交錯(cuò)

13、的細(xì)小裂紋。主要原因是鋼中的氫在小孔隙中析出的壓力和鋼相變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力的綜合力超過了鋼的強(qiáng)度，產(chǎn)生了“白點(diǎn)”。一般白點(diǎn)產(chǎn)生的溫度低于2000C。 鋼中的氮是以氮化物的形式存在，它對鋼質(zhì)量的影響體現(xiàn)出雙重性。氮含量高的鋼種長時(shí)間放置，將會(huì)變脆，這一現(xiàn)象稱為“老化”或“時(shí)效”。原因是鋼中氮化物的析出速度很慢，逐漸改變著鋼的性能。低碳鋼產(chǎn)生的脆性比磷還嚴(yán)重。鋼中氮含量高時(shí)，在250-4500C溫度范圍，其表面發(fā)藍(lán)，鋼的強(qiáng)度升高，沖擊韌性降低，稱之為“藍(lán)脆”。氮含量增加，鋼的焊接性能變壞。鋼中加入適量的鋁，可生成穩(wěn)定的AlN，能夠壓抑Fe4N生成和析出，不僅改善鋼的時(shí)效性，還可以阻止奧氏體晶粒的長

14、大。氮可以作為合金元素起到細(xì)化晶粒的作用.在冶煉鉻鋼，鎳鉻系鋼或鉻錳系等高合金鋼時(shí)，加入適量的氮，能夠改善塑性和高溫加工性能。 五、鋼中的夾雜 鋼中非金屬夾雜按來源分可以分成外來夾雜和內(nèi)生夾雜。外來夾雜是指冶煉和澆鑄過程中，帶入鋼液中的爐渣和耐火材料以及鋼液被大氣氧化所形成的氧化物。內(nèi)生夾雜包括：脫氧時(shí)的脫氧產(chǎn)物；鋼液溫度下降時(shí)，硫、氧、氮等雜質(zhì)元素溶解度下降而以非金屬夾雜形式出現(xiàn)的生成物；凝固過程中因溶解度降低、偏析而發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物；固態(tài)鋼相變?nèi)芙舛茸兓傻漠a(chǎn)物。 鋼中大部分內(nèi)生夾雜是在脫氧和凝固過程中產(chǎn)生的。根據(jù)成分不同，夾雜物可分為氧化物夾雜，即 FeO、MnO、SiO2、Al2O3

15、、Cr2O3等簡單的氧化物；FeO-Fe2O3 、FeO-Al2O3、MgO-Al2O3等尖晶石類和各種鈣鋁的復(fù)雜氧化物；2FeO-SiO2，、2MnO-SiO2、 3MnO-Al2O3-2SiO2等硅酸鹽；硫化物夾雜，如FeS、MnS、CaS等；氮化物夾雜，如AlN、TiN、ZrN、VN、BN等。 按加工性能，夾雜物可分為：塑性夾雜，它是在熱加工時(shí)，沿加工方向延伸成條帶狀；脆性夾雜，它是完全不具有塑性的夾雜物，如尖晶石類型夾雜物，熔點(diǎn)高的氮化物；點(diǎn)狀不變性夾雜，如SiO2超過70%的硅酸鹽，CaS、鈣的鋁硅酸鹽等。 由于非金屬夾雜對鋼的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此在煉鋼、精煉和連鑄過程應(yīng)最大限度

16、地降低鋼液中夾雜物的含量，控制其形狀、尺寸。 六、鋼中的成分(碳)煉鋼的重要任務(wù)之一就是要把熔池中的碳氧化脫除至所煉鋼鐘的要求。從鋼的性質(zhì)可看出碳也是重要的合金元素，它可以增加鋼的強(qiáng)度和硬度，但對韌性產(chǎn)生不利影響。鋼中的碳決定了冶煉、軋制和熱處理的溫度制度。碳能顯著改變鋼的液態(tài)和凝固性質(zhì)，在16000C，C0.8%時(shí)，每增0.1%的碳 鋼的熔點(diǎn)降低0C 密度減少4kg/m3 黏度降低0.7% N的溶解度降低0.001% H的溶解度降低0.4 cm3/100g 增大凝固區(qū)間0C 。錳(Mn) 錳的作用是消除鋼中硫的熱脆傾向，改變硫化物的形態(tài)和分布以提高鋼質(zhì)； 錳是一種非常弱的脫氧劑，在碳含量非常

17、低、氧含量很高時(shí)，可以顯示出脫氧作用，協(xié)助脫氧，提高他們的脫氧能力； 錳還可以略微提高鋼的強(qiáng)度，并可提高鋼的淬透性能，穩(wěn)定并擴(kuò)大奧氏體區(qū)，常作為合金元素生成奧氏體不銹鋼、耐熱鋼等。硅 (Si) 硅是鋼中最基本的脫氧劑。普通鋼中含硅在0.17%-0.37%，14500C鋼凝固時(shí)，能保證鋼中與其平衡的氧小于與碳平衡的量，抑制凝固過程中CO氣泡的產(chǎn)生。 生產(chǎn)沸騰鋼時(shí)，Si為0.03%-0.07%，Mn為0.25%-0.70%，它只能微弱控制C-O反應(yīng)。 硅能提高鋼的機(jī)械性能，增加了鋼的電阻和導(dǎo)磁性。 硅對鋼液的性質(zhì)影響較大，16000C純鐵中每增加1%的硅： 碳的飽和溶解度降低了0.294% 鐵的熔

18、點(diǎn)降低80C 密度降低80kg/m3 N的飽和溶解度降低0.003% H降低3/100g 鋼的凝固區(qū)間增加100C，鋼液的收縮率提 高2.05%。鋁(Al) 鋁是終脫氧劑，生產(chǎn)鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，Al多在0.005%-0.05%，通常為0.01%-0.03%。鋼中鋁的加入量因氧量而異，對高碳鋼應(yīng)少加些，而低碳鋼則應(yīng)多加，加入量一般為:鋼。 鋁加到鋼中將與氧發(fā)生反應(yīng)生成Al2O3，在出鋼、鎮(zhèn)靜和澆鑄時(shí)生成的Al2O3大部分上浮排除，在凝固過程中大量細(xì)小分散的Al2O3還能促進(jìn)形成細(xì)晶粒鋼。鋁是調(diào)整鋼的晶粒度的有效元素，它能使鋼的晶粒開始長大并保持到較高的溫度。 七、鋼的分類 按化學(xué)成分分類 按是否加入合金

19、元素可鋼分為把碳素鋼和合金鋼兩大類。 碳素鋼是指鋼中除含有一定量為了脫氧而加入硅（一般0.40%）和錳（一般0.80%）等合金元素外，不含其他合金元素的鋼。根據(jù)碳含量的高低又可分成低碳鋼（C0.25%），中碳鋼(0.25%C0.60%)和高碳鋼(C0.60%)。 合金鋼是指鋼中除含有硅和錳作為合金元素或脫氧元素外，還含有其他合金元素如鉻、鎳、鉬、鈦、釩、銅、鎢、鋁、鈷、鈮、鋯和稀土元素等，有的還含有某些非金屬元素如硼、氮等的鋼。 根據(jù)鋼中合金元素含量的多少，又可分為低合金鋼，中合金鋼和高合金鋼。一般合金元素總含量小于3%的為普通低合金鋼，總含量為3%5%的為低合金鋼，大于10%的叫高合金鋼，總

20、含量介于5%10%之間為中合金鋼。 按鋼中所含有的主要合金元素不同可分為錳鋼、硅鋼、硼鋼、鉻鎳鎢鋼、鉻錳硅鋼等。 按冶煉方法和質(zhì)量水平分類按煉鋼爐設(shè)備不同可分為轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼、平爐鋼。其中電爐鋼包括電弧爐鋼、感應(yīng)爐鋼、電渣鋼、電子束熔煉及有關(guān)的真空熔煉鋼等。 按脫氧程度不同可分為沸騰鋼（不經(jīng)脫氧或微弱脫氧）、鎮(zhèn)靜鋼（脫氧充分）和半鎮(zhèn)靜鋼（脫氧不完全，介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間）。 按質(zhì)量水平不同可分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼。 按用途分類 分為三大類：結(jié)構(gòu)鋼，工具鋼，特殊性能鋼。 結(jié)構(gòu)鋼是目前生產(chǎn)最多、使用最廣的鋼種，它包括碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造機(jī)器和結(jié)構(gòu)的零件及建筑工程用的金屬結(jié)

21、構(gòu)等。碳素結(jié)構(gòu)鋼是指用來制造工程結(jié)構(gòu)件和機(jī)械零件用的鋼，其硫、磷等雜質(zhì)含量比優(yōu)質(zhì)鋼高些，一般S0.055%，P0.045%，優(yōu)質(zhì)碳素鋼S和P均0.040%。碳素結(jié)構(gòu)鋼的價(jià)格最低，工藝性能良好，產(chǎn)量最大，用途最廣。 合金結(jié)構(gòu)鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)丶尤胍环N或數(shù)種合金元素，用來提高鋼的強(qiáng)度、韌性和淬透性。合金結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)化學(xué)成分（主要指含碳量）熱處理工藝和用途的不同，又可分為滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼和氮化鋼。 滲碳鋼指用低碳結(jié)構(gòu)鋼制成零部件，經(jīng)表面化學(xué)處理，淬火并低溫回火后，使零件表面硬度高而心部韌性好，既耐磨又能承受高的交變負(fù)荷或沖擊負(fù)荷。 調(diào)質(zhì)鋼的含碳量大于0.25%，所制成的零件經(jīng)淬火和高溫回火調(diào)質(zhì)處理后，可得到適當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度與良好的韌性。 氮化鋼一般是指以中碳合金結(jié)構(gòu)鋼制成零件，先經(jīng)過調(diào)質(zhì)或表面火焰淬火、高頻淬火處理，獲得所需要的力學(xué)性能，最后再進(jìn)行氮化處理，以進(jìn)一步改善鋼的表面耐磨性能。 工具鋼包括碳素工具鋼和合金工具鋼及高速鋼。碳素工具鋼的硬度主要以含碳量的高低來調(diào)整