煉鋼的任務(wù)及鋼的分類

1、煉鋼的任務(wù)及鋼的分類一、煉鋼的任務(wù)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。鋼中磷的含量高會引起鋼的“冷脆”， 即從高溫降到0C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散

2、速率很 小，因而磷的偏析很難消除，從而嚴(yán)重影響鋼的性能，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P0.045%；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%。但對于某些鋼種，如炮彈鋼，耐腐蝕鋼則需添加一定的P元素。（二）鋼中的硫硫?qū)︿摰男阅軙斐刹涣加绊?，鋼中硫含量高，會使鋼的熱加工性能變壞，即?成鋼的“熱脆”性。硫在鋼中以FeS的形式存在，F(xiàn)eS的熔點為1193C，F(xiàn)e與FeS組成的共晶體的 熔點只

3、有985C。液態(tài)Fe與FeS雖可以無限互溶，但在固熔體中的溶解度很小， 僅為 0.015%-0.020%。當(dāng)鋼中的S 0.020%時，由于凝固偏析，F(xiàn)e-FeS共晶體分布于晶界處，在 1150-1200C的熱加工過程中，品界處的共晶體熔化，鋼受壓時造成晶界破裂， 即發(fā)生“熱脆”現(xiàn)象。如果鋼中的氧含量較高，F(xiàn)eS與FeO形成的共晶體熔點更低（940C），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的熔點為1610C，共晶體 FeS-MnS （占93.5%）的熔點為1164C，它們能有效地防止鋼熱加工過程的“熱 脆”。冶煉一般鋼種時要求將Mn控制在0.4%

4、-0.8%。在實際生產(chǎn)中還將Mn/S比作 為一個指標(biāo)進行控制，Mn/S對鋼的熱塑性影響很大。從低碳鋼高溫下的拉伸 實驗發(fā)現(xiàn)提高Mn/S比可以提高鋼的熱延展性。一般Mn/SN7時不產(chǎn)生熱 脆，如圖6所示。圖6 Mn/S比對低碳鋼熱延展性的影響硫還會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 而降低焊縫的強度。硫含量超過0.06%時，會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。對于某些鋼種，如易切削鋼，

5、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，向熔池供入了大量的氧氣，到吹煉終點時，鋼水中含有過量的氧， 即鋼中實際氧含量高于平均值。若不脫氧，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，氧將會以氧化物的形式大量析出，會降低鋼的塑性，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 時才是測定鋼液中溶解的氧，在鑄坯或鋼材中取樣時是全氧樣。脫氧的任務(wù)：根據(jù)具體的鋼種

6、，將鋼中的氧含量降低到所需的水平，以保證鋼水在凝固時得到 合理的凝固組織結(jié)構(gòu)；使成品鋼中非金屬夾雜物含量最少，分布合適，形態(tài)適宜，以保證鋼的各項性能 指標(biāo)，得到細(xì)品結(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、造成白點和發(fā)紋。鋼熱加工過程中，鋼中含有氫氣的氣孔會沿加工方向被拉長形成微裂紋，進而引 起鋼材的強度、塑性、沖擊

7、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稱之為“白點”，實為 交錯的細(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產(chǎn)生的 組織應(yīng)力的綜合力超過了鋼的強度，產(chǎn)生了 “白點”。一般白點產(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 鋼種長時間放置，將會變脆，這一現(xiàn)象稱為“老化”或“時效”。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，在250-45OOC溫度范圍，其表面發(fā)藍(lán)，鋼的強度升高，沖擊 韌性降低，稱之為“藍(lán)脆”。氮含量增加，鋼的焊接性

8、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 鋼的時效性，還可以阻止奧氏體品粒的長大。氮可以作為合金元素起到細(xì)化品粒 的作用。在冶煉銘鋼，竦銘系鋼或銘錳系等高合金鋼時，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：脫氧時的脫氧產(chǎn)物；鋼液溫度下降時，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。

9、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、A12O3、Cr2O3等簡單的氧化物；FeO-Fe2O3、FeO-A12O3、MgO-A12O3等尖品石類和各種鈣鋁的復(fù)雜氧化物；2FeO-SiO2、2MnO-SiO2、3MnO-A12O3-2SiO2 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，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，如尖品石類型夾雜物，熔點高 的氮化物；點狀不變性夾雜，如SiO

10、2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 大限度地降低鋼液中夾雜物的含量，控制其形狀、尺寸。（六）鋼中的合金成分碳（C） 煉鋼的重要任務(wù)之一就是要把熔池中的碳氧化脫除全所煉鋼鐘的要求。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1600C,C0.8%時，每增0.1%的碳鋼的熔點降低6.50C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

11、區(qū)間17.79C。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，在碳含量非常低、氧含量很高時，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度，并可提高鋼的淬透性能，穩(wěn)定并擴大奧氏體區(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%，1450C鋼凝固時，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，Si為0.03%-0.07%，Mn為0.25%-0.70%，它只能微弱控制C-O 反應(yīng)。硅能提高鋼的機械性能，

12、增加了鋼的電阻和導(dǎo)磁性。硅對鋼液的性質(zhì)影響較大，1600C純鐵中每增加1%的硅：碳的飽和溶解度降低0.294% 鐵的熔點降低8C密度降低80kg/m3N的飽和溶解度降低0.003%H 降低 1.4cm3/100g鋼的凝固區(qū)間增加10C，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，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:0.3-1.0kg/t 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Al2

13、O3還能促進形成細(xì)品粒鋼。鋁 是調(diào)整鋼的品粒度的有效元素，它能使鋼的晶粒開始長大并保持到較高的溫度。二、鋼的分類按化學(xué)成分分類：按是否加入合金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%忍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 如銘、竦、鉬、鈦、釩、銅、鎢、鋁、鉆、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

14、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、銘竦鎢鋼、銘錳硅 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：

15、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 要用于制造機器和結(jié)構(gòu)的零件及建筑工程用的金屬結(jié)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0均0.040%。碳素結(jié)構(gòu)鋼的價 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

16、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)母邚姸扰c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，最后再進行氮化處理，以進一步改善鋼的表 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（0.65%忍C1.30%），為了提 高鋼的綜合性能，有的鋼中加入0.35%0.60%的錳。合金工具鋼不僅含有很高碳，有的高達(dá)2.30%，而且含有較高的銘（達(dá)13%）、 鎢（達(dá)9%）、鉬、釩等合金元素，這類鋼主要用于各式模具。高速工具鋼除含有較高的碳（1%左右）外，還含有很高的鎢（有的高達(dá)19% ）和 銘、釩、鉬等合金元素，具有較好的赤熱硬性。特殊性能鋼，指的是具有特殊化學(xué)性能或力學(xué)性能的鋼，如軸承鋼、不銹鋼、彈 簧鋼、高溫合金鋼等。軸承鋼是指用于制造各種環(huán)境中工作的各類軸承圈和滾動體的鋼，這類鋼含碳1%左右，含銘最高不超過1.65%，要求具有高而均勻的硬度和耐磨性，內(nèi)部組織 和化學(xué)成分均勻，夾雜物和碳化物的數(shù)量及分布要求高。不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽等溶液，或