煉鋼的基礎知識

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煉鋼的基礎知識
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9 |# Z* q+ X4 u& Z- i第一節    鋼及鋼的分類
" g0 C) x9 ^( E2 F; d) {
一、鋼和生鐵
6 Z0 \2 \  e6 W1 P# K4 G鋼和生鐵都是鐵碳合金。理論上一般將含碳量<2.11%的鐵碳合金稱為鋼，經常冶煉的鋼鐵的碳含量均低于1.4%，碳含量大于2.11%的鐵碳合金叫做生鐵，但碳含量超過5%以上的鐵碳合金，因脆性太大而無使用價值。
二、工業純鐵和熟鐵
碳含量低于0.02%的鐵碳合金叫做工業純鐵。在目前的生產條件下，即使采用極純的爐料和最先進的措施，通過冶金方法獲得純鐵的純度只能達到99.9%（如極軟鋼、阿姆克鐵、瑞典鐵等）。通過實驗或采取化學方法提純，純鐵中鐵的含量最高也只能達到99.99%。通常，民間所謂的熟鐵實際上是碳含量將近0.1%并含有大量夾雜的鐵碳合金。
    三、合金元素
1 }5 m! h7 l6 l2 f鋼并不是簡單的鐵碳二元合金，而是以鐵碳為主要元素的多元合金。合金元素的存在對某些鋼有時起到有益的作用，但有時也會產生不利的影響。以合金化為目的而使用的合金元素在鋼中的作用，歸納于表1—1。
/ S: w' \- V9 F. D( N3 |0 r    四、鋼的分類
, B; R" [/ C/ F2 [. K( z" m1 p        1、按化學成分分類
按是否有目的地加入合金元素可分為碳素鋼和合金鋼兩類。
1 l- p( [% {, M& z按含碳量不同又把鋼分為低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼三類，一般將碳含量小于0.25%的稱為低碳鋼，大于0.60%稱為高碳鋼，而碳含量位于0.25%~0.60%之間的稱為中碳鋼。
. z5 Z. Y% P/ L! a按鋼中合金元素總含量的多少分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼。一般合金元素總含量小于3%的為普遍低合金鋼，合金元素總量為3%~5%之間的為低合金鋼，大于10%的叫做高合金鋼，而合金元素總含量位于3%~10%之間的叫做中合金鋼。
按鋼中所含的主要合金元素不同可分為錳鋼、硅鋼、硼鋼、鉻鎳鋼、鉻錳硅鋼等。
2、按冶煉方法和質量水平分類
按煉鋼爐設備不同分為平爐鋼、轉爐鋼、電爐鋼。其中電爐鋼包括電弧爐鋼、感應爐鋼、電渣爐鋼、電子速熔煉鋼及有關的真空熔煉鋼等。
, }1 E$ ~- u. X4 v' C按選用爐襯的材質不同，平爐鋼、轉爐鋼、電爐鋼均可分為酸性和堿性兩類。
按脫氧程度不同分為沸騰鋼（不經脫氧或只經微弱脫氧）、鎮靜鋼（脫氧充分）、半鎮靜鋼（脫氧不完全，介于鎮靜鋼和沸騰鋼之間，由于脫氧不完全，在澆注中仍有微弱的沸騰，故稱為半鎮靜鋼）。此外，還有經真空等處理的氧含量極低的特殊鎮靜鋼。
按質量水平不同可分為普通鋼、優質鋼和高級優質鋼。普通鋼的S、P以及其它雜質的含量較高，如一般S≤0.050%、P≤0.045%。優質鋼對 S、P及其它雜質含量均有較嚴格的限制，一般 S≤0.040%、P≤0.035%，對于優質合金鋼則要求更嚴些。高級優質鋼除對S、P等雜質含量有非常嚴格的限制外，還對力學性能、低倍和高倍組織更有相應的嚴格要求。
表1—1  合金元素在鋼中的作用
# w' k. Y8 q+ e# D: y& C9 O元素
作          用
Mn
. Y, H( b; p1 t1、在低含量范圍內，對鋼具有很大的強化作用，提高強度、硬度和耐磨性
2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性
3、稍稍改善鋼的低溫韌性
! V  Z; q. t( C  W: b4、在高含量范圍內，作為主要的奧氏體化元素
Si
1、強化鐵素體，提高鋼的強度和硬度
2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性
( s) {" v2 ]4 J% z$ z" }) w7 w; A3、提高鋼的氧化性腐蝕介質中的耐蝕性，提高鋼的耐熱性
3 P+ B0 C' j3 H  e4、磁鋼中的主要合金元素（含量在0.40%范圍內時，改善熱裂傾向，含量高時，易形成柱狀晶，增加熱裂傾向。）
: ?, |0 {; n: x$ f- T' t& sCr
: F7 q, a+ S# T; i5 P0 K' H8 i1、在低合金范圍內，對鋼具有很大的強化作用，提高強度、硬度和耐磨性
+ E2 i* g, M( F: X" N9 S* L2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性
$ i! V  r: o( }' j% z3、提高鋼的耐熱性
4 O$ t# M" |5 f  X2 {' N4、在高合金范圍內，使鋼具有對強氧化性酸類等腐蝕介質的耐腐蝕能力
" A8 ^6 f, D* ~! ]- `' b7 y. eMo
1、  強化鐵素體，提高鋼的強度和硬度
6 p( ]! E' Y, k2 L4 w2、  降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性
7 r2 X, A  \2 x5 h/ |3、  提高鋼的耐熱性和高溫強度
Ni
1、  提高鋼的強度，而不降低其塑性，改善鋼的低溫韌性
2、  降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性
3、  擴大奧氏體區，是奧氏體化的有效元素
4、  本身具有一定耐蝕性，對一些還原性酸類有良好的耐蝕能力
0 d3 R8 }2 e& B* L5 TAl
1、  煉鋼中起良好的脫氧作用
2、  細化鋼的晶粒，提高鋼的強度
3、提高鋼的抗氧化性能，提高不銹鋼對強氧化性酸類的耐蝕能力
RE
$ m" ]! {4 G# V. r- l3 }5 i- H( t1、煉鋼中起脫硫、去氣、凈化鋼液作用
2、細化鋼的晶粒，改善鑄態組織

3、按金相組織分類
按鋼的奧氏體分解轉變方式不同可分為亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼。
按正火后的組織不同可分貝氏體鋼、珠光體鋼、馬氏體鋼及奧氏體鋼。
4、按加工和熱處理工藝分類
按加工成形的方式不同可分為壓力加工用鋼和切削加工用鋼等。
按熱處理工藝的不同可分為調質鋼、低溫回火鋼、滲碳鋼、氰化鋼等。
! u9 j" t6 T& }% C7 \# l4 t5、按用途分類
（1）結構鋼。目前生產最多，使用最廣的是結構鋼。它包括碳素結構鋼和合金結構鋼，主要用于制造機器和結構零件及建筑工程用的金屬結構等。
, x; ]0 r! y. ?# P* w（2）工具鋼。它包括碳素工具鋼和合金工具鋼及高速鋼。
（3）特殊性能鋼。就是具有特殊物理性能或力學性能的鋼，稱為特殊性能鋼。如軸承鋼、不銹鋼、彈簧鋼及其他磁性鋼或高溫合金鋼等。

第二節   煉鋼的任務和方法

一、煉鋼的任務
5 K- \2 ~" a+ Y$ m% A" Z; ?( \6 L熔煉的主要原料是廢鋼和一部分生鐵。外購進來的廢鋼銹多，夾有泥砂及其他臟物，鋼中硫磷的含量也較高。煉鋼的任務就是要把上述條件的原料冶煉成氣體和夾雜含量低、成分合格、溫度符合要求的優質鋼液。具體說來，煉鋼的基本任務是：
（1）熔化固體爐料（生鐵、廢鋼等）；
+ C9 a' U$ l. q5 }2 X& K（2）使鋼水中的硅、錳、碳等元素達到規格成分；
（3）去除有害元素硫和磷，將它們的含量降到規定的限量以下；
（4）清除鋼水中的氣體和非金屬夾雜，使鋼水純凈；
（5）加入合金元素（熔煉合金鋼），使其符合要求；
, ^6 j( i6 \( t& o7 k（6）將鋼水過熱至一定溫度，保證澆注的需要；
（7）為了提高產量和降低成本，必須快速煉鋼；
（8）澆注成良好的鑄件。
0 y! u1 Y; T; N; g二、煉鋼的方法
煉鋼的方法有很多，主要有轉爐煉鋼、平爐煉鋼、電弧爐煉鋼和感應爐煉鋼等。
- _2 S2 F& N) q4 q- J/ t/ @* D在鑄鋼車間上普遍應用的電弧爐。電弧爐煉鋼對原材料要求較松，煉出的鋼水質量較高，而且煉鋼周期適合于鑄鋼生產的特點，開爐、停爐都比較方便，容易與造型、合箱等工序的進度相協調，便于組織生產。另外，電爐煉鋼的設備比較簡單，投資少，基建速度以及資金回收快。
' I- W  j4 m+ Z' y0 o  L9 M$ k% N近年來，感應爐煉鋼逐漸發展。感應爐煉鋼工藝比較簡單，鋼水質量也能得到保證。不少的工廠用感應爐煉鋼來澆注小鑄件，特別是熔模精密鑄造車間，廣泛采用感應電爐來熔煉鋼水。
) c1 r7 J3 b  J0 ^2 L' B0 f( t: T在重型機器廠中，至今還使用平爐煉鋼，平爐的容量一般比電爐大，用平爐煉鋼能一次煉出大量的鋼水，適用于澆龐大而復雜的重型鑄件。但是，平爐煉鋼的周期長，煉出一爐鋼的時間一般需要六小時以上。平爐結構龐大而復雜，產量低，鋼水質量不如電爐，因此它的發展受到很大的限制。在有些國家，已不再建新的平爐了。
近幾十年來，煉鋼工業中廣泛應用純氧頂吹轉爐來煉鋼，這種煉鋼方法速度快，生產率高，鋼水質量也得到保證，這種爐子較適用于鋼錠生產。
隨著生產和科學技術的發展，直流電弧爐、真空感應電爐以及爐外精煉設備的新的煉鋼方法不斷出現，熔煉出來的鋼水質量大大提高，鑄件質量大為改善。

第三節   影響鑄鋼性能的一些因素

" M) m! _' q( d2 O  N, b一、鋼中常見雜質元素的影響
$ Z' _. b. V3 G  W鋼中常見的雜質元素有P、S、H、N、O等。這些元素在一般情況下對鋼的性能起有害作用，但其中有的元素在特定的條件下，也能起有益的作用，成為特意加入的合金元素。這幾種雜質元素的來源及其在鋼中的作用見表1—2。
& E! n2 y$ ~4 h& d6 W7 S: S7 c* Z表1—2   鋼中常見雜質元素及其作用
元素
來    源
+ j9 G. G$ ?; u+ f' V作            用
/ L1 W: K/ ?- z% O* l1 B8 |5 \P
$ P/ U& c" M! u( S煉鋼過程中
6 \/ I! Y* J/ b. O從爐料引入
磷微溶于鋼中，當鋼中含磷量，形成Fe 2P在晶粒周界析出，降低鋼的塑性和韌性，增加冷、熱裂傾向。
' ~1 ?# e* C; {" h) o6 mS
: B( c& Q; _( r3 S, f
煉鋼過程中
從爐料引入
% a! p; R! u4 M7 H4 V# ~1、 硫在鋼中以FeS-Fe共晶體存在于鋼的晶粒周界，降低鋼的力學性能，優制鋼含硫量一般應限制在0.04%以下。
9 e; S' \. o+ m, ~5 j2 ?  J2、 在機械制造中，有時為了改善某些鋼的切削加工性能，人為將含硫量提高，以形成硫化物，起中斷基體連續性的作用。
3、 硫含量的提高，增加鑄件熱裂傾向。
H
煉鋼過程中鋼液從爐氣中吸收氫
鋼液中氫的溶解度隨溫度升高而提高，在緩慢凝固條件下，氫以針孔形態析出。快速凝固時，析出氫在鐵的晶格內造成高應力狀態，導致脆性。
N
( y/ Z1 P4 C) {( h9 B9 S. W5 z/ `5 G煉鋼過程中鋼液從爐氣中吸收氮
1、 鋼液中溶解的氮在凝固過程中因溶解度降低而析出，并與鋼中的Si、Al、Zr等元素化合，生成SiN、AlN 、ZrN等氮化物。少量氮化物能細化鋼的晶粒。氮休物多時，會使鋼的塑性和韌性降低。
6 I4 J& {  a3 {- u7 R' H$ ]2、 氮屬于擴大奧氏體區元素，在鋼中可部分代替鎳的作用，是鉻錳氮不銹鋼中的合金元素，，在超低碳不銹鋼中，可代替碳的作用，提高鋼的強度。
O
煉鋼過程中
鋼液被氧化
1、 鋼液中溶解的FeO 在凝固前溫度降低過程中與鋼液中的碳起反應，生成一氧化碳氣泡，在鑄件中造成氣孔。
" J  [; K* q# |. D2、 鋼液凝固過程中，FeO因溶解度下降而析出在鋼的晶粒周界處，降低鋼的性能。
) ]' n1 w9 H. a$ e
二、鋼中非金屬夾雜物的影響
8 c! m! y& s$ u. ?) }% ^鋼中的非金屬夾雜物包括氧化物、硫化物、硫氧化合物、硅酸鹽化合物及氮化物等。這些夾雜物的來源有外來的和自生的兩類。外來的夾雜物包括在煉鋼過程中從爐料夾帶的不潔物，爐襯因經常受侵蝕而脫落的耐火材料等。自生的夾雜物是在煉鋼過程中及鋼液澆注過程中，由于鋼液中元素氧化或發生其它化學反應而生成的。夾雜物對鋼的力學性能有害，特別是對韌性的削弱作用較大。為減輕夾雜物的有害作用，可采取兩種途徑：
（1）清除夾雜物
. {( @1 Z% K+ n& ], L: G如在煉鋼氧化期中，使鋼液良好地沸騰，藉以有效地清除夾雜物，并在出鋼后澆注前使用鋼液在鋼包中鎮靜一段時間（5~10min），使夾雜物自鋼液中上浮。采用爐外吹氬精煉，或將鋼液過濾，都能有效地清除鋼液中的夾雜物。
! B2 T" }, J& V/ J; C9 m（2）改善夾雜物形態
+ k; s( P' I( g3 f3 Q5 [" v9 H. w夾雜物對鋼削弱作用的程度依其形狀及分布狀況而定：帶尖角的多角形夾雜物在鋼中造成大的應力集中，在外力作用下易形成裂紋源，而顆粒狀和球狀夾雜則危害較小；條狀夾雜物沿晶粒周界以網狀或斷續網狀分布時，對鋼的割裂作用較大，而呈島狀弧立分布的夾雜物的割裂作用較小。
% A- o2 J$ ]. f  `, l. Q$ B8 D如采用稀土合金對鋼液進行處理，以使多角形氧化物和條狀硫化物為球狀的稀土硫氧化合物，就能降低夾雜物對鋼的削弱作用。
三、夾雜物含量在電爐鋼生產過程中的變化
1、爐料全熔化，夾雜物的含量較高。
+ w+ w0 t4 k* C" G4 E2、氧化期，夾雜物的含量總趨勢下降。
3、還原期，加入預脫氧劑和合金，雜質含量升高，后慢慢降低。
* ]6 c: q6 O& `7 D! b8 n' E8 a/ F: u4 U4、鎮靜：夾雜物上浮。
6 r6 F/ x  z/ w5、吹氬：氧化物、硫化物雜質含量降低，但氮化物幾乎不變。
0 {2 c  D( N$ {$ \6、澆注：由于二次氧化，鋼水對澆注系統的沖刷，氧的析出并與其它元素發生反應，夾雜物含量上升。
       7、凝固：溫度下降，顯微偏析，枝晶的液體富集的溶質元素易發生一系列反應，形成氧化物、硫化物。

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