煉鋼的基礎(chǔ)知識

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煉鋼的基礎(chǔ)知識

第一節(jié)    鋼及鋼的分類
! E2 Y: B8 @8 \) F: L) z$ Z, ^
一、鋼和生鐵
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(jīng)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(yè)純鐵和熟鐵
碳含量低于0.02%的鐵碳合金叫做工業(yè)純鐵。在目前的生產(chǎn)條件下，即使采用極純的爐料和最先進(jìn)的措施，通過冶金方法獲得純鐵的純度只能達(dá)到99.9%（如極軟鋼、阿姆克鐵、瑞典鐵等）。通過實驗或采取化學(xué)方法提純，純鐵中鐵的含量最高也只能達(dá)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
+ ~- N# G- K, {* X, e. p4 x7 C; W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(chǎn)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。
) p) w" O; ?, ?* t    四、鋼的分類
# F% w9 s. i9 M/ L2 v+ j  E        1、按化學(xué)成分分類
' I3 Q/ _3 T  E; i% R7 z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。
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。
8 R) Q4 ?4 m2 `3 @( q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(zhì)量水平分類
& }! \* _' \$ j/ F+ u! h& x按煉鋼爐設(shè)備不同分為平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼。其中電爐鋼包括電弧爐鋼、感應(yīng)爐鋼、電渣爐鋼、電子速熔煉鋼及有關(guān)的真空熔煉鋼等。
按選用爐襯的材質(zhì)不同，平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼均可分為酸性和堿性兩類。
9 Y4 J+ n) z: E2 u按脫氧程度不同分為沸騰鋼（不經(jīng)脫氧或只經(jīng)微弱脫氧）、鎮(zhèn)靜鋼（脫氧充分）、半鎮(zhèn)靜鋼（脫氧不完全，介于鎮(zhèn)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(zhèn)靜鋼）。此外，還有經(jīng)真空等處理的氧含量極低的特殊鎮(zhèn)靜鋼。
* M0 G8 f9 @4 A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。普通鋼的S、P以及其它雜質(zhì)的含量較高，如一般S≤0.050%、P≤0.045%。優(yōu)質(zhì)鋼對 S、P及其它雜質(zhì)含量均有較嚴(yán)格的限制，一般 S≤0.040%、P≤0.035%，對于優(yōu)質(zhì)合金鋼則要求更嚴(yán)些。高級優(yōu)質(zhì)鋼除對S、P等雜質(zhì)含量有非常嚴(yán)格的限制外，還對力學(xué)性能、低倍和高倍組織更有相應(yīng)的嚴(yán)格要求。
2 n3 M, h. z; b% b5 @0 g表1—1  合金元素在鋼中的作用
元素
作          用
Mn
& _  l6 R* p# w. w0 g1、在低含量范圍內(nèi)，對鋼具有很大的強(qiáng)化作用，提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性
) z4 B# ]# q: p8 F% V+ k- }( t2、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
4、在高含量范圍內(nèi)，作為主要的奧氏體化元素
Si
1、強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度和硬度
- H2 r- Q) ~; O1 M4 R( F6 t( u2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性
3、提高鋼的氧化性腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性，提高鋼的耐熱性
4、磁鋼中的主要合金元素（含量在0.40%范圍內(nèi)時，改善熱裂傾向，含量高時，易形成柱狀晶，增加熱裂傾向。）
Cr
1、在低合金范圍內(nèi)，對鋼具有很大的強(qiáng)化作用，提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性
# [5 B: R, p$ I5 a/ [* L2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性
3、提高鋼的耐熱性
( g0 t: Q' c% x- \4 L' G  ~4、在高合金范圍內(nèi)，使鋼具有對強(qiáng)氧化性酸類等腐蝕介質(zhì)的耐腐蝕能力
Mo
6 j& t, t7 k, Z) K" T5 u5 t1、  強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度和硬度
0 L3 p; e; C) s) l, B! Q3 G2、  降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性
3、  提高鋼的耐熱性和高溫強(qiáng)度
$ w) P" V9 \1 kNi
1、  提高鋼的強(qiáng)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(kuò)大奧氏體區(qū)，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
Al
* F3 t5 V/ B. _1、  煉鋼中起良好的脫氧作用
- K$ b* O! ?3 q) p5 w2、  細(xì)化鋼的晶粒，提高鋼的強(qiáng)度
3、提高鋼的抗氧化性能，提高不銹鋼對強(qiáng)氧化性酸類的耐蝕能力
RE
: B' E' s; m3 u5 O8 _2 ?. _, }1、煉鋼中起脫硫、去氣、凈化鋼液作用
2、細(xì)化鋼的晶粒，改善鑄態(tài)組織
1 T, k: w- e% }( N2 v) ^
$ _+ p0 e4 M% t8 n0 O3、按金相組織分類
按鋼的奧氏體分解轉(zhuǎn)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。
( J2 W9 |! z. ?7 D6 l- Q4、按加工和熱處理工藝分類
8 V  E: M$ l; v! P/ \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。
/ {8 n0 Q- a. g; h按熱處理工藝的不同可分為調(diào)質(zhì)鋼、低溫回火鋼、滲碳鋼、氰化鋼等。
1 c$ Q! X/ ^! E+ S5、按用途分類
! K7 d4 P) n  G' |: K  ]（1）結(jié)構(gòu)鋼。目前生產(chǎn)最多，使用最廣的是結(jié)構(gòu)鋼。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)零件及建筑工程用的金屬結(jié)構(gòu)等。
8 K8 b$ Z* d' Q: E（2）工具鋼。它包括碳素工具鋼和合金工具鋼及高速鋼。
0 {% H" k; r; ^2 E# W& V# [. @（3）特殊性能鋼。就是具有特殊物理性能或力學(xué)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。
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  F" ]) J9 E2 Q; h! o第二節(jié)   煉鋼的任務(wù)和方法

一、煉鋼的任務(wù)
熔煉的主要原料是廢鋼和一部分生鐵。外購進(jìn)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(wù)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(yōu)質(zhì)鋼液。具體說來，煉鋼的基本任務(wù)是：
/ h/ o% f/ M% s（1）熔化固體爐料（生鐵、廢鋼等）；
- O# a+ J+ C' M6 ~/ G（2）使鋼水中的硅、錳、碳等元素達(dá)到規(guī)格成分；
（3）去除有害元素硫和磷，將它們的含量降到規(guī)定的限量以下；
+ A! _0 h2 R% c* e（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；
$ G+ n: h% s8 P! p（6）將鋼水過熱至一定溫度，保證澆注的需要；
（7）為了提高產(chǎn)量和降低成本，必須快速煉鋼；
0 b3 W( ~9 e0 V/ A# |0 ?7 a（8）澆注成良好的鑄件。
3 T6 G: O8 m6 d) ^( h二、煉鋼的方法
煉鋼的方法有很多，主要有轉(zhuǎn)爐煉鋼、平爐煉鋼、電弧爐煉鋼和感應(yīng)爐煉鋼等。
9 S9 M, g3 U% _) C& K# E& t: L6 W  w8 |在鑄鋼車間上普遍應(yīng)用的電弧爐。電弧爐煉鋼對原材料要求較松，煉出的鋼水質(zhì)量較高，而且煉鋼周期適合于鑄鋼生產(chǎn)的特點(diǎn)，開爐、停爐都比較方便，容易與造型、合箱等工序的進(jìn)度相協(xié)調(diào)，便于組織生產(chǎn)。另外，電爐煉鋼的設(shè)備比較簡單，投資少，基建速度以及資金回收快。
9 V/ v% z% c4 K+ Y( q0 |近年來，感應(yīng)爐煉鋼逐漸發(fā)展。感應(yīng)爐煉鋼工藝比較簡單，鋼水質(zhì)量也能得到保證。不少的工廠用感應(yīng)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(yīng)電爐來熔煉鋼水。
0 i& z# C4 m' {, [在重型機(jī)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(fù)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(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜，產(chǎn)量低，鋼水質(zhì)量不如電爐，因此它的發(fā)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(yè)中廣泛應(yīng)用純氧頂吹轉(zhuǎn)爐來煉鋼，這種煉鋼方法速度快，生產(chǎn)率高，鋼水質(zhì)量也得到保證，這種爐子較適用于鋼錠生產(chǎn)。
隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，直流電弧爐、真空感應(yīng)電爐以及爐外精煉設(shè)備的新的煉鋼方法不斷出現(xiàn)，熔煉出來的鋼水質(zhì)量大大提高，鑄件質(zhì)量大為改善。
5 I& k9 p! b/ o- o2 N
, E" v) p; e: j$ W第三節(jié)   影響鑄鋼性能的一些因素
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一、鋼中常見雜質(zhì)元素的影響
鋼中常見的雜質(zhì)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(zhì)元素的來源及其在鋼中的作用見表1—2。
1 i3 h2 x/ C' q' g表1—2   鋼中常見雜質(zhì)元素及其作用
  f* p" j# S$ u: r6 U- ]元素
來    源
& {4 t8 _( `  w作            用
" `8 z% C! Z2 F; l8 ]% \" RP
- j; l1 C8 g2 g, j" \3 W' @煉鋼過程中
從爐料引入
! }/ ~( P7 v: j6 X7 R0 `+ y, i磷微溶于鋼中，當(dāng)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。
7 U$ h, s$ P3 G, K+ [S
3 ~) ~# y' q4 j
' S' I# @- i/ f/ }' r煉鋼過程中
從爐料引入
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(xué)性能，優(yōu)制鋼含硫量一般應(yīng)限制在0.04%以下。
2、 在機(jī)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(xù)性的作用。
3、 硫含量的提高，增加鑄件熱裂傾向。
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煉鋼過程中鋼液從爐氣中吸收氫
8 q; |5 k" v; L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(tài)析出。快速凝固時，析出氫在鐵的晶格內(nèi)造成高應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致脆性。
N
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(xì)化鋼的晶粒。氮休物多時，會使鋼的塑性和韌性降低。
: N  o, t# \/ g/ \6 s# ?+ T* Y2、 氮屬于擴(kuò)大奧氏體區(qū)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(qiáng)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(yīng)，生成一氧化碳?xì)馀荩阼T件中造成氣孔。
2、 鋼液凝固過程中，F(xiàn)eO因溶解度下降而析出在鋼的晶粒周界處，降低鋼的性能。

二、鋼中非金屬夾雜物的影響
' |+ S& L) {+ W- m& W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(jīng)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(fā)生其它化學(xué)反應(yīng)而生成的。夾雜物對鋼的力學(xué)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
& c, ?+ i6 u/ O* O# W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(zhèn)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?qū)撘哼^濾，都能有效地清除鋼液中的夾雜物。
5 |$ s5 a; o4 G# k1 \1 \! ]: M（2）改善夾雜物形態(tài)
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(yīng)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(wǎng)狀或斷續(xù)網(wǎng)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。
- d. K7 B; [) V1 t" U! M" e如采用稀土合金對鋼液進(jìn)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(chǎn)過程中的變化
1、爐料全熔化，夾雜物的含量較高。
; G4 N" D3 ~2 H" a. H4 D7 w2、氧化期，夾雜物的含量總趨勢下降。
3、還原期，加入預(yù)脫氧劑和合金，雜質(zhì)含量升高，后慢慢降低。
$ W6 ]+ B/ a% m$ N4、鎮(zhèn)靜：夾雜物上浮。
5、吹氬：氧化物、硫化物雜質(zhì)含量降低，但氮化物幾乎不變。
9 M4 _, A/ \3 [6 B6、澆注：由于二次氧化，鋼水對澆注系統(tǒng)的沖刷，氧的析出并與其它元素發(fā)生反應(yīng)，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(zhì)元素易發(fā)生一系列反應(yīng)，形成氧化物、硫化物。
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