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炼钢基础知识

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【概要描述】一、钢和生铁  钢和生铁都是铁碳合金。理论上一般将含碳量<2.11%的铁碳合金称为钢,经常冶炼的钢铁的碳含量均低于1.4%,碳含量大于2.11%的铁碳合金叫做生铁,但碳含量超过5%以上的铁碳合金,因脆性太大而无使用价值。  二、工业纯铁和熟铁  碳含量低于0.02%的铁碳合金叫做工业纯铁。在目前的生产条件下,即使采用极纯的炉料和最先进的措施,通过冶金方法获得纯铁的纯度只能达到99.9%(如极软钢、

炼钢基础知识

【概要描述】一、钢和生铁  钢和生铁都是铁碳合金。理论上一般将含碳量<2.11%的铁碳合金称为钢,经常冶炼的钢铁的碳含量均低于1.4%,碳含量大于2.11%的铁碳合金叫做生铁,但碳含量超过5%以上的铁碳合金,因脆性太大而无使用价值。  二、工业纯铁和熟铁  碳含量低于0.02%的铁碳合金叫做工业纯铁。在目前的生产条件下,即使采用极纯的炉料和最先进的措施,通过冶金方法获得纯铁的纯度只能达到99.9%(如极软钢、

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  一、钢和生铁
  钢和生铁都是铁碳合金。理论上一般将含碳量<2.11%的铁碳合金称为钢,经常冶炼的钢铁的碳含量均低于1.4%,碳含量大于2.11%的铁碳合金叫做生铁,但碳含量超过5%以上的铁碳合金,因脆性太大而无使用价值。
  二、工业纯铁和熟铁
  碳含量低于0.02%的铁碳合金叫做工业纯铁。在目前的生产条件下,即使采用极纯的炉料和最先进的措施,通过冶金方法获得纯铁的纯度只能达到99.9%(如极软钢、阿姆克铁、瑞典铁等)。通过实验或采取化学方法提纯,纯铁中铁的含量最高也只能达到99.99%。通常,民间所谓的熟铁实际上是碳含量将近0.1%并含有大量夹杂的铁碳合金。
  三、合金元素
  钢并不是简单的铁碳二元合金,而是以铁碳为主要元素的多元合金。合金元素的存在对某些钢有时起到有益的作用,但有时也会产生不利的影响。以合金化为目的而使用的合金元素在钢中的作用,归纳于表1­­­­­―1
  四、钢的分类
  1、按化学成分分类
  按是否有目的地加入合金元素可分为碳素钢和合金钢两类。
  按含碳量不同又把钢分为低碳钢、中碳钢、高碳钢三类,一般将碳含量小于0.25%的称为低碳钢,大于0.60%称为高碳钢,而碳含量位于0.25%~0.60%之间的称为中碳钢。
  按钢中合金元素总含量的多少分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。一般合金元素总含量小于3%的为普遍低合金钢,合金元素总量为3%~5%之间的为低合金钢,大于10%的叫做高合金钢,而合金元素总含量位于3%~10%之间的叫做中合金钢。
  按钢中所含的主要合金元素不同可分为锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钢、铬锰硅钢等。
  2、按冶炼方法和质量水平分类
  按炼钢炉设备不同分为平炉钢、转炉钢、电炉钢。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣炉钢、电子速熔炼钢及有关的真空熔炼钢等。
  按选用炉衬的材质不同,平炉钢、转炉钢、电炉钢均可分为酸性和碱性两类。
  按脱氧程度不同分为沸腾钢(不经脱氧或只经微弱脱氧)、镇静钢(脱氧充分)、半镇静钢(脱氧不完全,介于镇静钢和沸腾钢之间,由于脱氧不完全,在浇注中仍有微弱的沸腾,故称为半镇静钢)。此外,还有经真空等处理的氧含量极低的特殊镇静钢。
  按质量水平不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。普通钢的SP以及其它杂质的含量较高,如一般S0.050%P0.045%。优质钢对 SP及其它杂质含量均有较严格的限制,一般 S0.040%P0.035%,对于优质合金钢则要求更严些。高级优质钢除对SP等杂质含量有非常严格的限制外,还对力学性能、低倍和高倍组织更有相应的严格要求。

11 合金元素在钢中的作用

元素

Mn

1、在低含量范围内,对钢具有很大的强化作用,提高强度、硬度和耐磨性

2、降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性

3、稍稍改善钢的低温韧性

4、在高含量范围内,作为主要的奥氏体化元素

Si

1、强化铁素体,提高钢的强度和硬度

2、降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性

3、提高钢的氧化性腐蚀介质中的耐蚀性,提高钢的耐热性

4、磁钢中的主要合金元素(含量在0.40%范围内时,改善热裂倾向,含量高时,易形成柱状晶,增加热裂倾向。)

Cr

1、在低合金范围内,对钢具有很大的强化作用,提高强度、硬度和耐磨性

2、降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性

3、提高钢的耐热性

4、在高合金范围内,使钢具有对强氧化性酸类等腐蚀介质的耐腐蚀能力

Mo

1 强化铁素体,提高钢的强度和硬度

2 降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性

3 提高钢的耐热性和高温强度

Ni

1 提高钢的强度,而不降低其塑性,改善钢的低温韧性

2 降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性

3 扩大奥氏体区,是奥氏体化的有效元素

4 本身具有一定耐蚀性,对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力

Al

1 炼钢中起良好的脱氧作用

2 细化钢的晶粒,提高钢的强度

3、提高钢的抗氧化性能,提高不锈钢对强氧化性酸类的耐蚀能力

RE

1、炼钢中起脱硫、去气、净化钢液作用

2、细化钢的晶粒,改善铸态组织

  3、按金相组织分类
  按钢的奥氏体分解转变方式不同可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。
  按正火后的组织不同可分贝氏体钢、珠光体钢、马氏体钢及奥氏体钢。
  4、按加工和热处理工艺分类
  按加工成形的方式不同可分为压力加工用钢和切削加工用钢等。
  按热处理工艺的不同可分为调质钢、低温回火钢、渗碳钢、氰化钢等。
  5、按用途分类
  (1)结构钢。目前生产最多,使用最广的是结构钢。它包括碳素结构钢和合金结构钢,主要用于制造机器和结构零件及建筑工程用的金属结构等。
  (2)工具钢。它包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。
  (3)特殊性能钢。就是具有特殊物理性能或力学性能的钢,称为特殊性能钢。如轴承钢、不锈钢、弹簧钢及其他磁性钢或高温合金钢等。

  第二节 炼钢的任务和方法

  一、炼钢的任务

  熔炼的主要原料是废钢和一部分生铁。外购进来的废钢锈多,夹有泥砂及其他脏物,钢中硫磷的含量也较高。炼钢的任务就是要把上述条件的原料冶炼成气体和夹杂含量低、成分合格、温度符合要求的优质钢液。具体说来,炼钢的基本任务是:
  (1)熔化固体炉料(生铁、废钢等);
  (2)使钢水中的硅、锰、碳等元素达到规格成分;
  (3)去除有害元素硫和磷,将它们的含量降到规定的限量以下;
  (4)清除钢水中的气体和非金属夹杂,使钢水纯净;
  (5)加入合金元素(熔炼合金钢),使其符合要求;
  (6)将钢水过热至一定温度,保证浇注的需要;
  (7)为了提高产量和降低成本,必须快速炼钢;
  (8)浇注成良好的铸件。
  二、炼钢的方法
  炼钢的方法有很多,主要有转炉炼钢、平炉炼钢、电弧炉炼钢和感应炉炼钢等。
  在铸钢车间上普遍应用的电弧炉。电弧炉炼钢对原材料要求较松,炼出的钢水质量较高,而且炼钢周期适合于铸钢生产的特点,开炉、停炉都比较方便,容易与造型、合箱等工序的进度相协调,便于组织生产。另外,电炉炼钢的设备比较简单,投资少,基建速度以及资金回收快。
  近年来,感应炉炼钢逐渐发展。感应炉炼钢工艺比较简单,钢水质量也能得到保证。不少的工厂用感应炉炼钢来浇注小铸件,特别是熔模精密铸造车间,广泛采用感应电炉来熔炼钢水。
  在重型机器厂中,至今还使用平炉炼钢,平炉的容量一般比电炉大,用平炉炼钢能一次炼出大量的钢水,适用于浇庞大而复杂的重型铸件。但是,平炉炼钢的周期长,炼出一炉钢的时间一般需要六小时以上。平炉结构庞大而复杂,产量低,钢水质量不如电炉,因此它的发展受到很大的限制。在有些国家,已不再建新的平炉了。
  近几十年来,炼钢工业中广泛应用纯氧顶吹转炉来炼钢,这种炼钢方法速度快,生产率高,钢水质量也得到保证,这种炉子较适用于钢锭生产。
  随着生产和科学技术的发展,直流电弧炉、真空感应电炉以及炉外精炼设备的新的炼钢方法不断出现,熔炼出来的钢水质量大大提高,铸件质量大为改善。

  第三节 影响铸钢性能的一些因素

  一、钢中常见杂质元素的影响

  钢中常见的杂质元素有PSHNO等。这些元素在一般情况下对钢的性能起有害作用,但其中有的元素在特定的条件下,也能起有益的作用,成为特意加入的合金元素。这几种杂质元素的来源及其在钢中的作用见表12

12 钢中常见杂质元素及其作用

元素

P

炼钢过程中

从炉料引入

磷微溶于钢中,当钢中含磷量,形成Fe 2P在晶粒周界析出,降低钢的塑性和韧性,增加冷、热裂倾向。

S

炼钢过程中

从炉料引入

1、 硫在钢中以FeS-Fe共晶体存在于钢的晶粒周界,降低钢的力学性能,优制钢含硫量一般应限制在0.04%以下。

2、 在机械制造中,有时为了改善某些钢的切削加工性能,人为将含硫量提高,以形成硫化物,起中断基体连续性的作用。

3、 硫含量的提高,增加铸件热裂倾向。

H

炼钢过程中钢液从炉气中吸收氢

钢液中氢的溶解度随温度升高而提高,在缓慢凝固条件下,氢以针孔形态析出。快速凝固时,析出氢在铁的晶格内造成高应力状态,导致脆性。

N

炼钢过程中钢液从炉气中吸收氮

1、 钢液中溶解的氮在凝固过程中因溶解度降低而析出,并与钢中的SiAlZr等元素化合,生成SiNAlN ZrN等氮化物。少量氮化物能细化钢的晶粒。氮休物多时,会使钢的塑性和韧性降低。

2、 氮属于扩大奥氏体区元素,在钢中可部分代替镍的作用,是铬锰氮不锈钢中的合金元素,,在超低碳不锈钢中,可代替碳的作用,提高钢的强度。

O

炼钢过程中

钢液被氧化

1、 钢液中溶解的FeO 在凝固前温度降低过程中与钢液中的碳起反应,生成一氧化碳气泡,在铸件中造成气孔。

2、 钢液凝固过程中,FeO因溶解度下降而析出在钢的晶粒周界处,降低钢的性能。

  二、钢中非金属夹杂物的影响
  钢中的非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、硫氧化合物、硅酸盐化合物及氮化物等。这些夹杂物的来源有外来的和自生的两类。外来的夹杂物包括在炼钢过程中从炉料夹带的不洁物,炉衬因经常受侵蚀而脱落的耐火材料等。自生的夹杂物是在炼钢过程中及钢液浇注过程中,由于钢液中元素氧化或发生其它化学反应而生成的。夹杂物对钢的力学性能有害,特别是对韧性的削弱作用较大。为减轻夹杂物的有害作用,可采取两种途径:
  (1)清除夹杂物
  如在炼钢氧化期中,使钢液良好地沸腾,藉以有效地清除夹杂物,并在出钢后浇注前使用钢液在钢包中镇静一段时间(5~10min),使夹杂物自钢液中上浮。采用炉外吹氩精炼,或将钢液过滤,都能有效地清除钢液中的夹杂物。
  (2)改善夹杂物形态
  夹杂物对钢削弱作用的程度依其形状及分布状况而定:带尖角的多角形夹杂物在钢中造成大的应力集中,在外力作用下易形成裂纹源,而颗粒状和球状夹杂则危害较小;条状夹杂物沿晶粒周界以网状或断续网状分布时,对钢的割裂作用较大,而呈岛状弧立分布的夹杂物的割裂作用较小。
  如采用稀土合金对钢液进行处理,以使多角形氧化物和条状硫化物为球状的稀土硫氧化合物,就能降低夹杂物对钢的削弱作用。
  三、夹杂物含量在电炉钢生产过程中的变化
  1、炉料全熔化,夹杂物的含量较高。
  2、氧化期,夹杂物的含量总趋势下降。
  3、还原期,加入预脱氧剂和合金,杂质含量升高,后慢慢降低。
  4、镇静:夹杂物上浮。
  5、吹氩:氧化物、硫化物杂质含量降低,但氮化物几乎不变。
  6、浇注:由于二次氧化,钢水对浇注系统的冲刷,氧的析出并与其它元素发生反应,夹杂物含量上升。
  7、凝固:温度下降,显微偏析,枝晶的液体富集的溶质元素易发生一系列反应,形成氧化物、硫化物。

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