钢铁冶金学(炼钢学)PPT参考课件.ppt

炼钢学炼钢学朱苗勇朱苗勇 教授教授东北大学钢铁冶金研究所东北大学钢铁冶金研究所1内内 容容 提提 要要炼钢学概述炼钢学概述炼钢的基础理论炼钢的基础理论炼钢原料炼钢原料顶吹氧气转炉炼钢法顶吹氧气转炉炼钢法底吹氧气转炉炼钢法底吹氧气转炉炼钢法顶底复吹转炉炼钢法顶底复吹转炉炼钢法钢的连续浇铸钢的连续浇铸2第一章第一章 绪绪 论论 炼钢的发展历程炼钢的发展历程 我国钢铁工业的状况我国钢铁工业的状况 炼钢的基本任务炼钢的基本任务 钢的分类钢的分类31.1 1.1 炼钢的发展历程炼钢的发展历程 钢与生铁钢与生铁的区别的区别：首先是首先是碳的含量碳的含量，理论上一般把碳含量小于，理论上一般把碳含量小于2.11%称之称之钢钢，它的熔点在，它的熔点在1450-1500，而，而生铁生铁的熔点在的熔点在1100-1200。在钢中碳元素和铁元素形成在钢中碳元素和铁元素形成FeFe3 3C C固熔体固熔体，随，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低冲击韧性降低。4钢的应用前景钢的应用前景 钢具有很好的物理化学性能与力学性钢具有很好的物理化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛；其用途十分广泛；用途不同对钢的性能要求也不同，从用途不同对钢的性能要求也不同，从而对钢的生产也提出了不同的要求。而对钢的生产也提出了不同的要求。5 石油、化工、航天航空、交通运输、石油、化工、航天航空、交通运输、农业、国防等许多重要的领域均需要各农业、国防等许多重要的领域均需要各种类型的大量钢材，我们的日常生活更种类型的大量钢材，我们的日常生活更离不开钢。离不开钢。总之，钢材仍将是总之，钢材仍将是2121世纪用途最世纪用途最广的结构材料和最主要功能材料。广的结构材料和最主要功能材料。6炼炼 钢钢 方方 法（法（1）最早出现的炼钢方法是最早出现的炼钢方法是17401740年年出现的出现的坩坩埚法埚法，它是将生铁和废铁装入由石墨和，它是将生铁和废铁装入由石墨和粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。此法此法几乎无杂质元素的氧化反应几乎无杂质元素的氧化反应。7炼炼 钢钢 方方 法（法（2）18561856年年英国人英国人亨利亨利贝塞麦贝塞麦发明了酸性空发明了酸性空气底吹转炉炼钢法，也称为气底吹转炉炼钢法，也称为贝塞麦法贝塞麦法，第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难题，从而使炼钢的质量得到提高，但此题，从而使炼钢的质量得到提高，但此法法要求铁水的硅含量大于要求铁水的硅含量大于0.8%0.8%，而且不而且不能脱硫能脱硫。目前已淘汰。目前已淘汰。8炼炼 钢钢 方方 法（法（3）18651865年年德国人马丁利用蓄热室原理发明德国人马丁利用蓄热室原理发明了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢法，即法，即马丁炉法马丁炉法。18801880年年出现了第一座出现了第一座碱性平炉碱性平炉。由于其成本低、炉容大，钢。由于其成本低、炉容大，钢水质量优于转炉，同时原料的适应性强，水质量优于转炉，同时原料的适应性强，平炉炼钢法仍一时成为的主要的炼钢法。平炉炼钢法仍一时成为的主要的炼钢法。9炼炼 钢钢 方方 法（法（4）18781878年年英国人英国人托马斯托马斯发明了碱性炉衬的发明了碱性炉衬的底吹转炉炼钢法，即底吹转炉炼钢法，即托马斯法托马斯法。他是在。他是在吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而解决解决了高磷铁水的脱磷问题了高磷铁水的脱磷问题。当时，对西欧。当时，对西欧的一些国家特别适用，因为西欧的矿石的一些国家特别适用，因为西欧的矿石普遍磷含量高。但普遍磷含量高。但托马斯法的缺点是炉托马斯法的缺点是炉子寿命底，钢水中氮的含量高子寿命底，钢水中氮的含量高。10炼炼 钢钢 方方 法（法（5）18991899年年出出现现了了完完全全依依靠靠废废钢钢为为原原料料的的电电弧弧炉炉炼炼钢钢法法(EAF)(EAF)，解解决决了了充充分分利利用用废废钢钢炼炼钢钢的的问问题题，此此炼炼钢钢法法自自问问世世以以来来，一一直直在在不不断断发发展展，是是当当前前主主要要的的炼炼钢钢法法之之一一，由由电电炉炉冶冶炼炼的的钢钢目目前前占占世世界界总总的的钢钢的产量的的产量的30-40%30-40%。11炼炼 钢钢 方方 法（法（6）瑞典人罗伯特瑞典人罗伯特杜勒首先进行了氧气顶吹杜勒首先进行了氧气顶吹转炉炼钢的试验，并获得了成功。转炉炼钢的试验，并获得了成功。19521952年年奥地利的林茨城奥地利的林茨城(Linz)(Linz)和多纳维兹城和多纳维兹城(Donawitz)(Donawitz)先后建成了先后建成了3030吨的氧气顶吹吨的氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以此法也称为转炉车间并投入生产，所以此法也称为LDLD法法。美国称为。美国称为BOFBOF法法（Basic Oxygen Basic Oxygen FurnaceFurnace）或）或BOPBOP法法。12LD/BOF/BOP13炼炼 钢钢 方方 法（法（7）19651965年加拿大液化气公司研制成年加拿大液化气公司研制成双层管氧气双层管氧气喷嘴喷嘴，19671967年西德马克西米利安钢铁公司引年西德马克西米利安钢铁公司引进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法，进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法，即即OBMOBM法法(Oxygen Bottom MaxhuetteOxygen Bottom Maxhuette)。19711971年美国钢铁公司引进年美国钢铁公司引进OBMOBM法，法，19721972年建设了年建设了3 3座座200200吨底吹转炉，命名为吨底吹转炉，命名为Q-BOPQ-BOP(Quiet (Quiet BOP)BOP)。14OBM/Q-BOP15炼炼 钢钢 方方 法（法（8）在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，1978-1978-19791979年年成功开发了成功开发了转炉顶底复合吹炼工艺转炉顶底复合吹炼工艺，即从转炉上方供给氧气（顶吹氧），从转即从转炉上方供给氧气（顶吹氧），从转炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅提高炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅提高钢的质量，降低了消耗和吨钢成本，更适钢的质量，降低了消耗和吨钢成本，更适合供给连铸优质钢水。合供给连铸优质钢水。16LD-Q-BOP17炼炼 钢钢 方方 法（法（9）我我 国国 首首 先先 在在1972-19731972-1973年年 在在沈沈阳阳第第一一炼炼钢钢厂厂成成功功开开发发了了全全氧氧侧侧吹吹转转炉炉炼炼钢钢工工艺艺。并并在在唐唐钢钢等等企业推广应用。企业推广应用。18 总之，炼钢技术经过总之，炼钢技术经过200200多多年的发展，技术水平、自动化程年的发展，技术水平、自动化程度得到了很大的提高，度得到了很大的提高，2121世纪炼世纪炼钢技术会面临更大的挑战，相信钢技术会面临更大的挑战，相信会有不断的新技术涌现。会有不断的新技术涌现。191.2 1.2 我国钢铁工业的状况我国钢铁工业的状况 我国很早就掌握了炼铁的冶炼技术，我国很早就掌握了炼铁的冶炼技术，东汉东汉时就出现了冶炼和锻造技术，时就出现了冶炼和锻造技术，南北朝南北朝时期就掌握了灌钢法，曾在世界范围内处时期就掌握了灌钢法，曾在世界范围内处于领先地位。于领先地位。但旧中国钢铁工业非常落后，产量很但旧中国钢铁工业非常落后，产量很低，从低，从18901890年建设的汉阳钢铁厂至年建设的汉阳钢铁厂至19481948年年的的半个世纪中，钢产量累计到半个世纪中，钢产量累计到200200万吨万吨，19491949年只有年只有15.815.8万吨万吨。20 新中国成立后，特别是改革开放以来，我国的新中国成立后，特别是改革开放以来，我国的钢铁事业得到迅速发展，钢铁事业得到迅速发展，19801980年钢产量达到年钢产量达到37123712万万吨，吨，19901990年达到年达到65006500万吨，万吨，19961996年首次突破年首次突破1 1亿吨大亿吨大关，成为世界第一产钢大国，关，成为世界第一产钢大国，20052005年产量达到年产量达到3.43.4亿亿吨，占世界产量的吨，占世界产量的1/31/3。可以这样讲，我国的钢铁工业对世界产可以这样讲，我国的钢铁工业对世界产生了重要影响，我国不仅是产钢大国，而且生了重要影响，我国不仅是产钢大国，而且已经开始迈入钢铁强国的行列。已经开始迈入钢铁强国的行列。21 我国粗钢产量的变化情况我国粗钢产量的变化情况221.31.3炼钢的基本任务炼钢的基本任务炼炼钢钢的的基基本本任任务务是是脱脱碳碳、脱脱磷磷、脱脱硫硫、脱脱氧氧，去去除除有有害害气气体体和和非非金金属属夹夹杂杂物物，提提高高温温度度和和调调整整成成分。分。归归纳纳为为：“四四脱脱”（碳碳、氧氧、磷磷和和硫硫），“二二去去”（去去气气和和去去夹夹杂杂），“二二调调整整”（成成分分和和温温度度）。采采用用的的主主要要技技术术手手段段为为：供供氧氧，造造渣渣，升升温温，加脱氧剂加脱氧剂和和合金化操作合金化操作。231.3.1 1.3.1 钢中的磷钢中的磷对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷的对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷的含量高会引起钢的含量高会引起钢的 “冷脆冷脆”，即从高温降到，即从高温降到00以下，以下，钢的塑性和冲击韧性降低钢的塑性和冲击韧性降低，并使钢的焊接，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差。性能与冷弯性能变差。磷是降低钢的表面张力的元素，随着磷是降低钢的表面张力的元素，随着磷含量的增磷含量的增加，钢液的表面张力降低显著加，钢液的表面张力降低显著，从而，从而降低了钢的降低了钢的抗裂性能抗裂性能。24磷磷是是仅仅次次于于硫硫在在钢钢的的连连铸铸坯坯中中偏偏析析度度高高的的元元素素，而而且且在在铁铁固固熔熔体体中中扩扩散散速速率率很很小小，因因而而磷磷的的偏偏析析很很难难消消除除，从从而而严严重重影影响响钢钢的的性性能能，所所以以脱脱磷磷是是炼炼钢钢过过程程的的重重要要任任务务之一之一。25 磷在钢中是以磷在钢中是以FeFe3 3PP或或FeFe2 2PP形式存在，但形式存在，但通常是以通常是以PP来表达。炼钢过程的脱磷反应是在金来表达。炼钢过程的脱磷反应是在金属液与熔渣界面进行的。属液与熔渣界面进行的。不同用途的钢对磷的含量有严格要求：不同用途的钢对磷的含量有严格要求：非合金钢中普通质量级钢非合金钢中普通质量级钢P0.045%P0.045%；优质级钢优质级钢 P0.035%P0.035%；特殊质量级钢特殊质量级钢 P0.025%P0.025%；有的甚至要求有的甚至要求 P0.010%P0.010%。有些钢种有些钢种:炮弹钢，耐腐蚀钢需加炮弹钢，耐腐蚀钢需加P P元素。元素。261.3.2 1.3.2 钢中的硫钢中的硫 硫硫对对钢钢的的性性能能会会造造成成不不良良影影响响，钢钢中中硫硫含含量量高高，会使钢的热加工性能变坏，即造成钢的会使钢的热加工性能变坏，即造成钢的“热脆热脆”性性。硫硫在在钢钢中中以以FeSFeS的的形形式式存存在在，FeSFeS的的熔熔点点为为11931193，FeFe与与FeSFeS组组成成的的共共晶晶体体的的熔熔点点只只有有985985。液液态态FeFe与与FeSFeS虽虽可可以以无无限限互互溶溶，但但在在固固熔熔体体中中的的溶溶解解度度很很小小，仅为仅为0.015%-0.020%0.015%-0.020%。27当当钢钢中中的的SS0.020%0.020%时时，由由于于凝凝固固偏偏析析，Fe-FeSFe-FeS共共晶晶体体分分布布于于晶晶界界处处，在在1150-12001150-1200的的热热加加工工过过程程中中，晶晶界界处处的的共共晶晶体体熔熔化化，钢钢受受压压时时造造成成晶晶界界破裂，即破裂，即发生发生“热脆热脆”现象现象。如如果果钢钢中中的的氧氧含含量量较较高高，FeSFeS与与FeOFeO形形成成的的共共晶晶体体熔熔点点更更低低（940940），更更加加剧剧了了钢钢的的“热热脆脆”现现象象的发生。的发生。28锰锰可可在在钢钢凝凝固固范范围围内内生生成成MnSMnS和和少少量量的的FeSFeS，纯纯MnSMnS的的熔熔点点为为16101610，共共晶晶体体FeS-FeS-MnSMnS（占占93.5%93.5%）的的熔熔点点为为11641164，它它们们能能有效的防止钢热加工过程的有效的防止钢热加工过程的“热脆热脆”。29 冶冶炼炼一一般般钢钢种种时时要要求求将将MnMn控控制制在在0.4%-0.4%-0.8%0.8%。在在实实际际生生产产中中还还将将Mn/SMn/S比比作作为为一一个个指指标进行控制，标进行控制，Mn/SMn/S对钢的热塑性影响很大。对钢的热塑性影响很大。从从 低低 碳碳 钢钢 高高 温温 下下 的的 拉拉 伸伸 实实 验验 发发 现现 提提 高高Mn/SMn/S比比 可可 以以 提提 高高 钢钢 的的 热热 延延 展展 性性。一一 般般Mn/S7Mn/S7时不产生热脆时不产生热脆。30图图1-2 Mn/S1-2 Mn/S比对低碳钢热延展性的影响比对低碳钢热延展性的影响 31 硫硫还还会会明明显显降降低低钢钢的的焊焊接接性性能能，引引起起高高温温龟龟裂裂，并并在在焊焊缝缝中中产产生生气气孔孔和和疏疏松松，从从而而降降低低焊焊缝缝的的强强度度。硫硫含含量量超超过过0.06%0.06%时时，会会显显著著恶恶化化钢钢的的耐耐蚀蚀性性。硫硫还是连铸坯中还是连铸坯中偏析最为严重的元素偏析最为严重的元素。32不同钢种对硫含量有严格的规定：不同钢种对硫含量有严格的规定：非合金钢中非合金钢中普通质量级钢普通质量级钢S0.045%S0.045%优质级钢优质级钢 S0.035%S0.035%，特殊质量级钢特殊质量级钢 S0.025%S0.025%有的钢种要求如有的钢种要求如管线钢管线钢 S0.005%,S0.005%,甚至更低。甚至更低。有些钢种，如有些钢种，如易切削钢易切削钢硫则作为合金元素加入，要求硫则作为合金元素加入，要求S=0.08%-0.20%S=0.08%-0.20%。331.3.3 1.3.3 钢中的氧钢中的氧在在吹吹炼炼过过程程中中，向向熔熔池池供供入入了了大大量量的的氧氧气气，到到吹吹炼炼终终点点时时，钢钢水水中中含含有有过过量量的的氧氧，即即钢钢中中实实际际氧氧含含量量高于平均值。高于平均值。如如不不脱脱氧氧，在在出出钢钢、浇浇铸铸中中，温温度度降降低低，氧氧溶溶解解度度降降低低，促促使使碳碳氧氧反反应应，钢钢液液剧剧烈烈沸沸腾腾，使使浇浇铸铸困困难难，得不到正确凝固组织结构的连铸坯得不到正确凝固组织结构的连铸坯。34钢钢中中氧氧含含量量高高，还还会会产产生生皮皮下下气气泡泡，疏疏松松等等缺缺陷陷，并并加加剧剧硫硫的的热热脆脆作作用用。在在钢钢的的凝凝固固过过程程中中，氧氧将将会会以以氧氧化化物物的的形形式式大大量量析析出出，会会降降低低钢钢的的塑塑性性，冲击韧性冲击韧性等加工性能。等加工性能。一一般般测测定定的的是是钢钢中中的的全全氧氧，即即氧氧化化物物中中的的氧氧和和溶溶解解的的氧氧之之和和，在在使使用用浓浓差差法法定定氧氧时时才才是是测测定定钢钢液液中溶解的氧，在铸坯或钢材中取样时是全氧样。中溶解的氧，在铸坯或钢材中取样时是全氧样。35脱氧的任务脱氧的任务根据具体的钢种，根据具体的钢种，将钢中的氧含量降低到所需的将钢中的氧含量降低到所需的水平水平，以保证钢水在凝固时得到合理的凝固组织，以保证钢水在凝固时得到合理的凝固组织结构；结构；使成品使成品钢中非金属夹杂物含量最少钢中非金属夹杂物含量最少，分布合适，分布合适，形态适宜，以保证钢的各项性能指标；形态适宜，以保证钢的各项性能指标；得到得到细晶结构组织细晶结构组织。常用的脱氧剂有常用的脱氧剂有Fe-MnFe-Mn，Fe-SiFe-Si，Mn-SiMn-Si，Ca-SiCa-Si等等合金。合金。361.3.4 1.3.4 钢中的气体钢中的气体钢钢液液中中的的气气体体会会显显著著降降低低钢钢的的性性能能，而而且且容容易易造造成成钢钢的的许许多多缺缺陷陷。钢钢中中气气体体主主要要是是指指氢氢与与氮氮，它们可以溶解于液态和固态纯铁和钢中。它们可以溶解于液态和固态纯铁和钢中。氢氢在在固固态态钢钢中中溶溶解解度度很很小小，在在钢钢水水凝凝固固和和冷冷却却过过程程中中，氢氢会会和和COCO、N N2 2等等气气体体一一起起析析出出，形形成成皮下气泡中心缩孔、疏松、造成白点和发纹皮下气泡中心缩孔、疏松、造成白点和发纹。37钢钢热热加加工工过过程程中中，钢钢中中含含有有氢氢气气的的气气孔孔会会沿沿加加工工方方向向被被拉拉长长形形成成发发裂裂，进进而而引引起起钢钢材材的的强强度度、塑性、冲击韧性的降低，即发生塑性、冲击韧性的降低，即发生“氢脆氢脆”现象。现象。在在钢钢材材的的纵纵向向断断面面上上，呈呈现现出出圆圆形形或或椭椭圆圆形形的的银银白白色色斑斑点点称称之之为为“白白点点”，实实为为交交错错的的细细小小裂裂纹纹。主主要要原原因因是是钢钢中中的的氢氢在在小小孔孔隙隙中中析析出出的的压压力力和和钢钢相相变变时时产产生生的的组组织织应应力力的的综综合合力力超超过过了了钢钢的的强强度度，产产生生了了“白白点点”。一一般般白白点点产产生生的温度低于的温度低于2002000 0C C。38钢钢中中的的氮氮是是以以氮氮化化物物的的形形式式存存在在，它它对对钢钢质质量量的的影影响响体体现现出出双双重重性性。氮氮含含量量高高的的钢钢种种长长时时间间放放置置，将将会会变变脆脆，这这一一现现象象称称为为“老老化化”或或“时时效效”。原原因因是是钢钢中中氮氮化化物物的的析析出出速速度度很很慢慢，逐逐渐渐改改变变着着钢钢的的性性能能。低低碳碳钢产生的脆性比磷还严重。钢产生的脆性比磷还严重。钢钢中中氮氮含含量量高高时时，在在250-450250-4500 0C C温温度度范范围围，其其表表面面发发蓝蓝，钢钢的的强强度度升升高高，冲冲击击韧韧性性降降低低，称称之之为为“蓝蓝脆脆”。氮氮含量增加，钢的焊接性能变坏含量增加，钢的焊接性能变坏。39钢钢中中加加入入适适量量的的铝铝，可可生生成成稳稳定定的的AlNAlN，能能够够压压抑抑FeFe4 4N N生生成成和和析析出出，不不仅仅改改善善钢钢的的时时效效性性，还还可可以以阻阻止止奥奥氏氏体体晶晶粒粒的的长长大大。氮氮可可以以作作为为合合金金元元素素起起到到细细化化晶晶粒粒的的作作用用.在在冶冶炼炼铬铬钢钢，镍镍铬铬系系钢钢或或铬铬锰锰系系等等高高合合金金钢钢时时，加加入入适适量量的的氮氮，能够能够改善塑性和高温加工性能改善塑性和高温加工性能。401.3.5 1.3.5 钢中的夹杂钢中的夹杂钢钢中中非非金金属属夹夹杂杂按按来来源源分分可可以以分分成成外外来来夹夹杂和内生夹杂杂和内生夹杂。外外来来夹夹杂杂是是指指冶冶炼炼和和浇浇铸铸过过程程中中，带带入入钢钢液液中中的的炉炉渣渣和和耐耐火火材材料料以以及及钢钢液液被被大大气气氧氧化所形成的氧化物。化所形成的氧化物。41内生夹杂内生夹杂包括：包括：脱氧时的脱氧时的脱氧产物脱氧产物；钢液温度下降钢液温度下降时，硫、氧、氮等杂质元素溶解度下降时，硫、氧、氮等杂质元素溶解度下降而以非金属夹杂形式出现的而以非金属夹杂形式出现的生成物生成物；凝固过程凝固过程中因溶解度降低、偏析而发生反应的产物；中因溶解度降低、偏析而发生反应的产物；固态钢相变固态钢相变溶解度变化生成的产物。溶解度变化生成的产物。钢中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固过程中产钢中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固过程中产生的。生的。42根据成分不同，夹杂物可分为根据成分不同，夹杂物可分为氧化物夹杂氧化物夹杂，即，即 FeOFeO、MnOMnO、SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3、CrCr2 2O O3 3等简单的等简单的氧化物；氧化物；FeO-FeFeO-Fe2 2O O3 3 、FeO-AlFeO-Al2 2O O3 3、MgO-AlMgO-Al2 2O O3 3等等尖晶石类尖晶石类和各种和各种钙铝钙铝的复杂氧化物的复杂氧化物；2FeO-SiO2FeO-SiO2 2，、2MnO-SiO2MnO-SiO2 2、3MnO-Al3MnO-Al2 2O O3 3-2SiO-2SiO2 2等等硅酸盐硅酸盐；硫化物夹杂硫化物夹杂，如，如FeSFeS、MnSMnS、CaSCaS等；等；氮化物夹杂氮化物夹杂，如，如AlNAlN、TiNTiN、ZrNZrN、VNVN、BNBN等。等。43按按加加工工性性能能，夹夹杂杂物物可可分分为为：塑塑性性夹夹杂杂，它它是是在在热热加加工工时时，沿沿加加工工方方向向延延伸伸成成条条带带状状；脆脆性性夹夹杂杂，它它是是完完全全不不具具有有塑塑性性的的夹夹杂杂物物，如如尖尖晶晶石石类类型型夹夹杂杂物物，熔熔点点高高的的氮氮化化物物；点点状状不不变变性性夹夹杂杂，如如SiOSiO2 2超超过过70%70%的的硅硅酸酸盐盐，CaSCaS、钙钙的的铝铝硅硅酸盐等。酸盐等。由由于于非非金金属属夹夹杂杂对对钢钢的的性性能能产产生生严严重重的的影影响响，因因此此在在炼炼钢钢、精精炼炼和和连连铸铸过过程程应应最最大大限限度度地地降降低低钢钢液中夹杂物的含量，控制其形状、尺寸液中夹杂物的含量，控制其形状、尺寸。441.3.6 1.3.6 钢中的成分钢中的成分(碳碳)炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化脱炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化脱除至所炼钢钟的要求。从钢的性质可看出碳也是除至所炼钢钟的要求。从钢的性质可看出碳也是重要的合金元素，它可以重要的合金元素，它可以增加钢的强度和硬度增加钢的强度和硬度，但但对韧性产生不利影响对韧性产生不利影响。钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度。钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度。45碳能碳能显著改变钢的液态和凝固性质显著改变钢的液态和凝固性质，在，在160016000 0C C，C0.8%C0.8%时，时，每增每增0.1%0.1%的碳的碳 钢的钢的熔点降低熔点降低6.56.50 0C C 密度减少密度减少4kg/m4kg/m3 3 黏度降低黏度降低0.7%0.7%NN的溶解度降低的溶解度降低0.001%0.001%HH的溶解度降低的溶解度降低0.4 cm0.4 cm3 3/100g/100g 增大增大凝固区间凝固区间17.7917.790 0C C 。46锰锰(Mn)(Mn)锰锰的的作作用用是是消消除除钢钢中中硫硫的的热热脆脆倾倾向向，改改变变硫硫化化物的形态和分布以提高钢质；物的形态和分布以提高钢质；锰锰是是一一种种非非常常弱弱的的脱脱氧氧剂剂，在在碳碳含含量量非非常常低低、氧氧含含量量很很高高时时，可可以以显显示示出出脱脱氧氧作作用用，协协助助脱脱氧氧，提高他们的脱氧能力；提高他们的脱氧能力；锰锰还还可可以以略略微微提提高高钢钢的的强强度度，并并可可提提高高钢钢的的淬淬透透性性能能，稳稳定定并并扩扩大大奥奥氏氏体体区区，常常作作为为合合金金元元素素生生成奥氏体不锈钢、耐热钢等。成奥氏体不锈钢、耐热钢等。47硅硅 (Si)(Si)硅硅是是钢钢中中最最基基本本的的脱脱氧氧剂剂。普普通通钢钢中中含含硅硅在在0.17%-0.37%0.17%-0.37%，145014500 0C C钢钢凝凝固固时时，能能保保证证钢钢中中与与其其平平衡衡的的氧氧小小于于与与碳碳平平衡衡的的量量，抑抑制制凝凝固固过过程程中中COCO气气泡泡的产生。的产生。生生产产沸沸腾腾钢钢时时，SiSi为为0.03%-0.07%0.03%-0.07%，MnMn为为0.25%-0.70%0.25%-0.70%，它只能微弱控制，它只能微弱控制C-OC-O反应。反应。硅硅能能提提高高钢钢的的机机械械性性能能，增增加加了了钢钢的的电电阻阻和和导导磁磁性性。48 硅硅对钢液的性质影响较大对钢液的性质影响较大，160016000 0C C纯铁中每增加纯铁中每增加1%1%的硅：的硅：碳的饱和碳的饱和溶解度溶解度降低了降低了0.294%0.294%铁的铁的熔点熔点降低降低8 80 0C C 密度密度降低降低80kg/m80kg/m3 3 NN的饱和溶解度降低的饱和溶解度降低0.003%0.003%HH降低降低1.4cm1.4cm3 3/100g/100g 钢的钢的凝固区间凝固区间增加增加10100 0C C，钢液的收缩率提，钢液的收缩率提 高高2.05%2.05%。49铝铝(Al)(Al)铝是终脱氧剂铝是终脱氧剂，生产，生产镇静钢镇静钢时，时，AlAl多在多在0.005%-0.05%0.005%-0.05%，通常为通常为0.01%-0.03%0.01%-0.03%。钢中铝的加入量因氧量而异，对高碳钢应。钢中铝的加入量因氧量而异，对高碳钢应少加些，而低碳钢则应多加，加入量一般为少加些，而低碳钢则应多加，加入量一般为:0.3-1.0kg/t0.3-1.0kg/t钢钢。铝加到钢中将与氧发生反应生成铝加到钢中将与氧发生反应生成AlAl2 2O O3 3，在出钢、镇静和浇，在出钢、镇静和浇铸时生成的铸时生成的AlAl2 2O O3 3大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小分散大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小分散的的AlAl2 2O O3 3还还能促进形成细晶粒钢能促进形成细晶粒钢。铝是。铝是调整钢的晶粒度的有效元调整钢的晶粒度的有效元素素，它能使钢的晶粒开始长大并保持到较高的温度。，它能使钢的晶粒开始长大并保持到较高的温度。501.4 1.4 钢的分类钢的分类按化学成分分类按化学成分分类 按是否加入合金元素可钢分为把按是否加入合金元素可钢分为把碳素钢碳素钢和和合金钢合金钢两大类。两大类。碳碳素素钢钢是是指指钢钢中中除除含含有有一一定定量量为为了了脱脱氧氧而而加加入入硅硅（一一般般0.40%0.40%）和和锰锰（一一般般0.80%0.80%）等等合合金金元元素素外外，不不含含其其他他合合金金元元素素的的钢钢。根根据据碳碳含含量量的的高高低低又又可可分分成成低低碳碳钢钢（C0.25%C0.25%），中中碳碳钢钢(0.25%C0.60%)(0.25%C0.60%)和和高高碳碳钢钢(C0.60%)(C0.60%)。51 合金钢合金钢是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素如铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、外，还含有其他合金元素如铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮等的钢。如硼、氮等的钢。根据钢中合金元素含量的多少，又可分为根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢低合金钢，中中合金钢和高合金钢合金钢和高合金钢。一般合金元素总含量。一般合金元素总含量小于小于3%3%的为的为普通低普通低合金钢合金钢，总含量为，总含量为3%3%5%5%的为的为低合金钢低合金钢，大于大于10%10%的叫的叫高合高合金钢金钢，总含量介于，总含量介于5%5%10%10%之间为之间为中合金钢中合金钢。按钢中所含有的按钢中所含有的主要合金元素不同主要合金元素不同可分为可分为锰钢、硅钢、锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢等。等。52按冶炼方法和质量水平分类按冶炼方法和质量水平分类按按炼炼钢钢炉炉设设备备不不同同可可分分为为转转炉炉钢钢、电电炉炉钢钢、平平炉炉钢钢。其其中中电电炉炉钢钢包包括括电电弧弧炉炉钢钢、感感应应炉炉钢钢、电电渣渣钢钢、电电子子束熔炼及有关的真空熔炼钢等。束熔炼及有关的真空熔炼钢等。按按脱脱氧氧程程度度不不同同可可分分为为沸沸腾腾钢钢（不不经经脱脱氧氧或或微微弱弱脱脱氧氧）、镇镇静静钢钢（脱脱氧氧充充分分）和和半半镇镇静静钢钢（脱脱氧氧不不完完全全，介介于镇静钢和沸腾钢之间）。于镇静钢和沸腾钢之间）。按按质量水平质量水平不同可分为不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。普通钢、优质钢和高级优质钢。53按用途分类按用途分类 分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。结结构构钢钢是是目目前前生生产产最最多多、使使用用最最广广的的钢钢种种，它它包包括括碳碳素素结结构构钢钢和和合合金金结结构构钢钢，主主要要用用于于制制造造机机器器和和结结构构的的零零件件及及建建筑筑工工程程用用的的金金属属结结构构等等。碳碳素素结结构构钢钢是是指指用用来来制制造造工工程程结结构构件件和和机机械械零零件件用用的的钢钢，其其硫硫、磷磷等等杂杂质质含含量量比比优优质质钢钢高高些些，一一般般S0.055%S0.055%，P0.045%P0.045%，优优质质碳碳素素钢钢SS和和PP均均0.040%0.040%。碳碳素素结结构构钢钢的的价价格格最最低低，工工艺艺性性能能良良好好，产量最大，用途最广。产量最大，用途最广。54 合合金金结结构构钢钢是是在在优优质质碳碳素素结结构构钢钢的的基基础础上上，适适当当地地加加入入一一种种或或数数种种合合金金元元素素，用用来来提提高高钢钢的的强强度度、韧韧性性和和淬淬透透性性。合合金金结结构构钢钢根根据据化化学学成成分分（主主要要指指含含碳碳量量）热热处处理理工工艺艺和和用用途途的的不不同同，又又可可分分为为渗渗碳碳钢、调质钢和氮化钢钢、调质钢和氮化钢。55合金结构钢合金结构钢 渗渗碳碳钢钢指指用用低低碳碳结结构构钢钢制制成成零零部部件件，经经表表面面化化学学处处理理，淬淬火火并并低低温温回回火火后后，使使零零件件表表面面硬硬度度高高而而心心部部韧韧性性好好，既既耐耐磨又能承受高的交变负荷或冲击负荷。磨又能承受高的交变负荷或冲击负荷。调调质质钢钢的的含含碳碳量量大大于于0.25%0.25%，所所制制成成的的零零件件经经淬淬火火和和高高温温回火调质处理后，可得到适当的高强度与良好的韧性。回火调质处理后，可得到适当的高强度与良好的韧性。氮氮化化钢钢一一般般是是指指以以中中碳碳合合金金结结构构钢钢制制成成零零件件，先先经经过过调调质质或或表表面面火火焰焰淬淬火火、高高频频淬淬火火处处理理，获获得得所所需需要要的的力力学学性性能能，最后再进行氮化处理，以进一步改善钢的表面耐磨性能。最后再进行氮化处理，以进一步改善钢的表面耐磨性能。56工具钢工具钢 包括包括碳素工具钢碳素工具钢和和合金工具钢合金工具钢及及高速钢高速钢。碳碳 素素 工工 具具 钢钢 的的 硬硬 度度 主主 要要 以以 含含 碳碳 量量 的的 高高 低低 来来 调调 整整（0.65%C1.30%0.65%C1.30%），为为了了提提高高钢钢的的综综合合性性能能，有有的的钢钢中中加入加入0.35%0.35%0.60%0.60%的锰。的锰。合合金金工工具具钢钢不不仅仅含含有有很很高高碳碳，有有的的高高达达2.30%2.30%，而而且且含含有有较较高高的的铬铬，铬铬的的含含量量可可达达到到13%13%、钨钨（达达9%9%）、钼钼、钒钒等等合合金金元元素素，这类钢主要用于各式模具。这类钢主要用于各式模具。高高速速工工具具钢钢除除含含有有较较高高的的碳碳（1%1%左左右右）外外，还还含含有有很很高高的的钨钨（有有的的高高达达19%19%）和和铬铬、钒钒、钼钼等等合合金金元元素素，具具有有较较好好的的赤赤热热硬性。硬性。57特殊性能钢特殊性能钢 指指的的是是具具有有特特殊殊化化学学性性能能或或力力学学性性能能的的钢钢，如如轴轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢等。等。轴轴承承钢钢是是指指用用于于制制造造各各种种环环境境中中工工作作的的各各类类轴轴承承圈圈和和滚滚动动体体的的钢钢，这这类类钢钢含含碳碳1%1%左左右右，含含铬铬最最高高不不超超过过1.65%1.65%，要要求求具具有有高高而而均均匀匀的的硬硬度度和和耐耐磨磨性性，内内部部组组织织和和化化学学成成分分均均匀匀，夹夹杂杂物物和和炭炭化化物物的的数数量量及及分布要求高。分布要求高。58不锈钢不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具有一定化学稳定性的钢的总称。耐大气、蒸汽和水等质中具有一定化学稳定性的钢的总称。耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的称为不锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐蚀的钢弱介质腐蚀的称为不锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐蚀的钢称为耐腐蚀钢。称为耐腐蚀钢。不锈钢具有不锈性，但不一定耐腐蚀，而耐不锈钢具有不锈性，但不一定耐腐蚀，而耐腐蚀钢则一般都具有较好的不锈性腐蚀钢则一般都具有较好的不锈性。根根据据化化学学成成分分不不同同，可可分分为为马马氏氏体体不不锈锈钢钢(13%Cr13%Cr钢钢为为代代表表)，铁铁素素体体不不锈锈钢钢(18%Cr18%Cr钢钢为为代代表表)，奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢(18%Cr-8%Ni18%Cr-8%Ni钢代表钢代表)和双相不锈钢。和双相不锈钢。59弹簧钢弹簧钢主要含有硅、锰、铬合金元素，具有高的弹性极限、主要含有硅、锰、铬合金元素，具有高的弹性极限、高的疲劳强度以及高的冲击韧性和塑性，专门用于制造螺旋高的疲劳强度以及高的冲击韧性和塑性，专门用于制造螺旋簧及其他形状弹簧，对钢的表面性能及脱碳性能的要求比一簧及其他形状弹簧，对钢的表面性能及脱碳性能的要求比一般钢较为严格。般钢较为严格。高温合金高温合金指的是在应力及高温同时作用下，具有指的是在应力及高温同时作用下，具有长时间抗蠕长时间抗蠕变能力与高的持久强度和高的抗蚀性的金属材料变能力与高的持久强度和高的抗蚀性的金属材料，常用的有，常用的有铁基合金、镍基合金、钴基合金，还有铬基合金、钼基合金铁基合金、镍基合金、钴基合金，还有铬基合金、钼基合金及其他合金等。高温合金主要用于制造燃汽轮机、喷气式发及其他合金等。高温合金主要用于制造燃汽轮机、喷气式发动机等高温下工作零部件。动机等高温下工作零部件。60思考题思考题1 1、炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段实现？、炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段实现？2 2、磷和硫对钢产生哪些危害？、磷和硫对钢产生哪些危害？3 3、实际生产中为什么要将、实际生产中为什么要将Mn/SMn/S比作为一个指比作为一个指 标进行控制？标进行控制？4 4、氢和氮对钢产生哪些危害？、氢和氮对钢产生哪些危害？5 5、外来夹杂和内生夹杂的含义是什么？、外来夹杂和内生夹杂的含义是什么？61第二章第二章 炼钢的基础理论炼钢的基础理论钢液的物理性质钢液的物理性质熔渣的物理化学性质熔渣的物理化学性质硅、锰的氧化和还原反应硅、锰的氧化和还原反应碳氧化反应碳氧化反应钢液的脱磷钢液的脱磷钢液的脱硫钢液的脱硫钢液的脱氧钢液的脱氧铬、钒、铌的氧化铬、钒、铌的氧化氢、氮的反应氢、氮的反应622.12.1钢液的物理性质钢液的物理性质钢的密度钢的密度 单单位位体体积积钢钢液液所所具具有有的的质质量量，常常用用符符号号表表示示，单单位位通通常常用用kg/mkg/m3 3。影影响响钢钢液液密密度度的的因因素素主主要要有有温温度和钢液的化学成分。度和钢液的化学成分。总总的的来来讲讲，温温度度升升高高，钢钢液液密密度度降降低低，原原因因在在于于原原子子间间距距增增大大。固固体体纯纯铁铁密密度度为为7880kg/m7880kg/m3 3，15501550时时液液态态的的密密度度为为7040kg/m7040kg/m3 3，钢钢的的变变化化与与纯纯铁类似。铁类似。63钢液密度随温度的变化钢液密度随温度的变化：=8523-0.8358(T+273)成分对钢液密度的影响成分对钢液密度的影响：1600=01600-210%C-164%Al-60%Si-550%Cr-7.5%Mn +43%W+6%Ni 64C（%）密度密度150015501600165017000.000.100.200.300