煉鋼基礎(chǔ)知識(shí)

緒 論

第1篇 鋼鐵材料知識(shí)

1 鋼的分類(lèi)及性能

1.1 鋼的分類(lèi)和牌號(hào)

1.1.1 碳素鋼的分類(lèi)、牌號(hào)及用途

1.1.2 合金鋼的分類(lèi)、牌號(hào)及用途

1.2 鋼的性能

1.2.1 鋼的力學(xué)性能

1.2.2 鋼的物理性能

1.2.3 鋼的化學(xué)性能

1.2.4 鋼的工藝性能

思考題

2 金屬結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

2.1 晶體的結(jié)構(gòu)

2.1.1 晶體結(jié)構(gòu)的概念

2.1.2 金屬晶格的類(lèi)型

2.1.3 晶體結(jié)構(gòu)的缺陷

2.2 金屬的結(jié)晶

2.2.1 純金屬的冷卻

2.2.2 純金屬的結(jié)晶

2.2.3 晶粒大小的控制

2.2.4 純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

思考題

3 鐵碳合金

3.1 合金組織

3.1.1 固溶體

3.1.2 金屬化合物

3.1.3 多相混合物

3.2 元合金相圖

3.2.1 二元合金相圖的建立

3.2.2 水平截線(xiàn)法則和杠桿定律

3.2.3 勻晶相圖

3.2.4 共晶相圖

3.3 鐵碳合金相圖

3.3.1 鐵碳合金中的基本相

3.3.2 鐵碳合金相圖分析

3.3.3 典型的鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程及其組織

3.3.4 碳含量對(duì)鐵碳合金組織與性能的影響

3.3.5 鐵碳相圖的應(yīng)用

思考題

4 鋼的熱處理

4.1 鋼在加熱和冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變

4.1.1 鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變

4.1.2 鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變

4.2 鋼的退火和正火

4.2.1 退火

4.2.2 正火

4.2.3 退火與正火的選擇

4.3 鋼的淬火與回火

4.3.1 淬火

4.3.2 鋼的回火

4.4 鋼的表面處理

4.4.1 表面淬火

4.4.2 鋼的化學(xué)熱處理

思考題

5 鋼中元素作用

5.1 鋼中常存元素

5.1.1 碳的影響

5.1.2 錳的影響2100433B

本書(shū)為冶金行業(yè)職業(yè)技能培訓(xùn)教材，是參照冶金行業(yè)職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)和職業(yè)技能鑒定規(guī)范，根據(jù)冶金企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際和崗位群的技能要求編寫(xiě)的，并經(jīng)勞動(dòng)和社會(huì)保障部職業(yè)培訓(xùn)教材工作委員會(huì)辦公室組織專(zhuān)家評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)。

全書(shū)內(nèi)容分為4篇共16章：第1篇為鋼鐵材料知識(shí)，介紹鋼的分類(lèi)、組織與性能、選用原則、結(jié)構(gòu)與結(jié)晶、鐵碳合金相圖、熱處理和元素在鋼中的作用；第2篇為物理化學(xué)知識(shí)，介紹冶煉過(guò)程中所發(fā)生的各種物理化學(xué)現(xiàn)象；第3篇為煉鋼基本知識(shí)，介紹金屬熔體、熔渣的結(jié)構(gòu)及其主要的物理化學(xué)性質(zhì)；4篇為傳熱知識(shí)，介紹傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐和電弧爐的爐內(nèi)傳熱進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。為便于讀者自學(xué)，各章均附有復(fù)習(xí)思考題。

本書(shū)也可作為職業(yè)技術(shù)院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教材，或工程技術(shù)人員的參考用書(shū)。

造渣：調(diào)整鋼、鐵生產(chǎn)中熔渣成分、堿度和粘度及其反應(yīng)能力的操作。目的是通過(guò)渣——金屬反應(yīng)煉出具有所要求成分和溫度的金屬。例如氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐造渣和吹氧操作是為了天生有足夠活動(dòng)性和堿度的熔渣，以便把硫、磷降到計(jì)劃鋼種的上限以下，并使吹氧時(shí)噴濺和溢渣的量減至最小。

出渣：電弧爐煉鋼時(shí)根據(jù)不同冶煉條件和目的在冶煉過(guò)程中所采取的放渣或扒渣操作。如用單渣法冶煉時(shí)，氧化末期須扒氧化渣；用雙渣法造還原渣時(shí)，原來(lái)的氧化渣必須徹底放出，以防回磷等。

熔池?cái)嚢瑁合蚪饘偃鄢毓┙o能量，使金屬液和熔渣產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，以改善冶金反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件。熔池?cái)嚢杩山逯跉怏w、機(jī)械、電磁感應(yīng)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電爐底吹：通過(guò)置于爐底的噴嘴將N2、Ar、CO2、CO、CH4、O2等氣體根據(jù)工藝要求吹進(jìn)爐內(nèi)熔池以達(dá)到加速熔化，促進(jìn)冶金反應(yīng)過(guò)程的目的。采用底吹工藝可縮短冶煉時(shí)間，降低電耗，改善脫磷、脫硫操作，提高鋼中殘錳量，提高金屬和合金收得率。并能使鋼水成分、溫度更均勻，從而改善鋼質(zhì)量，降低成本，提高生產(chǎn)率。

熔化期：煉鋼的熔化期主要是對(duì)平爐和電爐煉鋼而言。電弧爐煉鋼從通電開(kāi)始到爐料全部熔清為止、平爐煉鋼從兌完鐵水到爐料全部化完為止都稱(chēng)熔化期。熔化期的任務(wù)是盡快將爐料熔化及升溫，并造好熔化期的爐渣。

氧化期和脫炭期：普通功率電弧爐煉鋼的氧化期，通常指爐料溶清、取樣分析到扒完氧化渣這一工藝階段。也有認(rèn)為是從吹氧或加礦脫碳開(kāi)始的。氧化期的主要任務(wù)是氧化鋼液中的碳、磷；去除氣體及夾雜物；使鋼液均勻加熱升溫。脫碳是氧化期的一項(xiàng)重要操作工藝。為了保證鋼的純凈度，要求脫碳量大于0.2%左右。隨著爐外精煉技術(shù)的發(fā)展，電弧爐的氧化精煉大多移到鋼包或精煉爐中進(jìn)行。

精煉期：煉鋼過(guò)程通過(guò)造渣和其他方法把對(duì)鋼的質(zhì)量有害的一些元素和化合物，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)選進(jìn)氣相或排、浮進(jìn)渣中，使之從鋼液中排除的工藝操作期。

還原期：普通功率電弧爐煉鋼操作中，通常把氧化末期扒渣完畢到出鋼這段時(shí)間稱(chēng)為還原期。其主要任務(wù)是造還原渣進(jìn)行擴(kuò)散、脫氧、脫硫、控制化學(xué)成分和調(diào)整溫度。目前高功率和超功率電弧爐煉鋼操作已取消還原期。

爐外精煉：將煉鋼爐（轉(zhuǎn)爐、電爐等）中初煉過(guò)的鋼液移到另一個(gè)容器中進(jìn)行精煉的煉鋼過(guò)程，也叫二次冶金。煉鋼過(guò)程因此分為初煉和精煉兩步進(jìn)行。初煉：爐料在氧化性氣氛的爐內(nèi)進(jìn)行熔化、脫磷、脫碳和主合金化。精煉：將初煉的鋼液在真空、惰性氣體或還原性氣氛的容器中進(jìn)行脫氣、脫氧、脫硫，去除夾雜物和進(jìn)行成分微調(diào)等。將煉鋼分兩步進(jìn)行的好處是：可提高鋼的質(zhì)量，縮短冶煉時(shí)間，簡(jiǎn)化工藝過(guò)程并降低生產(chǎn)成本。爐外精煉的種類(lèi)很多，大致可分為常壓下?tīng)t外精煉和真空下?tīng)t外精煉兩類(lèi)。按處理方式的不同，又可分為鋼包處理型爐外精煉及鋼包精煉型爐外精煉等。

鋼液攪拌：爐外精煉過(guò)程中對(duì)鋼液進(jìn)行的攪拌。它使鋼液成分和溫度均勻化，并能促進(jìn)冶金反應(yīng)。多數(shù)冶金反應(yīng)過(guò)程是相界面反應(yīng)，反應(yīng)物和天生物的擴(kuò)散速度是這些反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)。鋼液在靜止?fàn)顟B(tài)下，其冶金反應(yīng)速度很慢，如電爐中靜止的鋼液脫硫需30～60分鐘；而在爐外精煉中采取攪拌鋼液的辦法脫硫只需3～5分鐘。鋼液在靜止?fàn)顟B(tài)下，夾雜物上浮除去，排除速度較慢；攪拌鋼液時(shí)，夾雜物的除去速度按指數(shù)規(guī)律遞增，并與攪拌強(qiáng)度、類(lèi)型和夾雜物的特性、濃度有關(guān)。

鋼包喂絲：通過(guò)喂絲機(jī)向鋼包內(nèi)喂進(jìn)用鐵皮包裹的脫氧、脫硫及微調(diào)成分的粉劑，如Ca-Si粉、或直接喂進(jìn)鋁線(xiàn)、碳線(xiàn)等對(duì)鋼水進(jìn)行深脫硫、鈣處理以及微調(diào)鋼中碳和鋁等成分的方法。它還具有清潔鋼水、改善非金屬夾雜物形態(tài)的功能。

鋼包處理：鋼包處理型爐外精煉的簡(jiǎn)稱(chēng)。其特點(diǎn)是精煉時(shí)間短（約10～30分鐘），精煉任務(wù)單一，沒(méi)有補(bǔ)償鋼水溫度降低的加熱裝置，工藝操作簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少。它有鋼水脫氣、脫硫、成分控制和改變夾雜物形態(tài)等裝置。如真空循環(huán)脫氣法（RH、DH），鋼包真空吹氬法（Gazid），鋼包噴粉處理法（IJ、TN、SL）等均屬此類(lèi)。

鋼包精煉：鋼包精煉型爐外精煉的簡(jiǎn)稱(chēng)。其特點(diǎn)是比鋼包處理的精煉時(shí)間長(zhǎng)（約60～180分鐘），具有多種性能，有補(bǔ)償鋼水溫度降低的加熱裝置，適于各類(lèi)高合金鋼和特殊性能鋼種（如超純鋼種）的精煉。真空吹氧脫碳法（VOD）、真空電弧加熱脫氣法（VAD）、鋼包精煉法（ASEA-SKF）、封閉式吹氬成分微調(diào)法（CAS）等，均屬此類(lèi)；與此類(lèi)似的還有氬氧脫碳法（AOD）。

惰性氣體處理：向鋼液中吹進(jìn)惰性氣體，這種氣體本身不參與冶金反應(yīng)，但從鋼水中上升的每個(gè)小氣泡都相當(dāng)于一個(gè)“小真空室”（氣泡中H2、N2、CO的分壓接近于零），具有“氣洗”作用。爐外精煉法生產(chǎn)不銹鋼的原理，就是應(yīng)用不同的CO分壓下碳鉻和溫度之間的平衡關(guān)系。用惰性氣體加氧進(jìn)行精煉脫碳，可以降低碳氧反應(yīng)中CO分壓，在較低溫度的條件下，碳含量降低而鉻不被氧化。

預(yù)合金化：向鋼液加進(jìn)一種或幾種合金元素，使其達(dá)到成品鋼成分規(guī)格要求的操作過(guò)程稱(chēng)為合金化。多數(shù)情況下脫氧和合金化是同時(shí)進(jìn)行的，加進(jìn)鋼中的脫氧劑一部分消耗于鋼的脫氧，轉(zhuǎn)化為脫氧產(chǎn)物排出；另一部分則為鋼水所吸收，起合金化作用。在脫氧操作未全部完成前，與脫氧劑同時(shí)加進(jìn)的合金被鋼水吸收所起到的合金化作用稱(chēng)為預(yù)合金化。

成分控制：保證成品鋼成分全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求的操作。成分控制貫穿于從配料到出鋼的各個(gè)環(huán)節(jié)，但重點(diǎn)是合金化時(shí)對(duì)合金元素成分的控制。對(duì)優(yōu)質(zhì)鋼往往要求把成分精確地控制在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)；一般在不影響鋼性能的條件下，按中、下限控制。

增硅：吹煉終點(diǎn)時(shí)，鋼液中含硅量極低。為達(dá)到各鋼號(hào)對(duì)硅含量的要求，必須以合金料形式加進(jìn)一定量的硅。它除了用作脫氧劑消耗部分外，還使鋼液中的硅增加。增硅量要經(jīng)過(guò)正確計(jì)算，不可超過(guò)吹煉鋼種所要求的范圍。

終點(diǎn)控制：氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼吹煉終點(diǎn)（吹氧結(jié)束）時(shí)使金屬的化學(xué)成分和溫度同時(shí)達(dá)到計(jì)劃鋼種出鋼要求而進(jìn)行的控制。終點(diǎn)控制有增碳法和拉碳法兩種方法。

出鋼：鋼液的溫度和成分達(dá)到所煉鋼種的規(guī)定要求時(shí)將鋼水放出的操作。出鋼時(shí)要留意防止熔渣流進(jìn)鋼包。用于調(diào)整鋼水溫度、成分和脫氧用的添加劑在出鋼過(guò)程中加進(jìn)鋼包或出鋼流中。2100433B

煉鋼的基礎(chǔ)知識(shí)拉力試驗(yàn)

按標(biāo)準(zhǔn)制備的拉力試樣，安裝在拉力試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)，對(duì)試樣緩慢施加單軸向拉伸應(yīng)力，直至試樣被拉斷為止的試驗(yàn)稱(chēng)作拉力試驗(yàn)。

煉鋼的基礎(chǔ)知識(shí)強(qiáng)度

金屬材料在外力作用下，抵抗變形和斷裂的能力叫強(qiáng)度。強(qiáng)度指標(biāo)包括：比例極限、彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。 7．1．2比例極限 對(duì)金屬施加拉力，金屬存在著力與變形成直線(xiàn)比例的階段，而這個(gè)階段的最大極限負(fù)荷Pp除以試樣的原橫截面積即為比例極限，用 σ P表示。

煉鋼的基礎(chǔ)知識(shí)彈性極限

金屬受外力作用發(fā)生了變形，外力去掉后，能完全恢復(fù)原來(lái)的外形，這種變形稱(chēng)為彈性變形。金屬能保持彈性變形的最大應(yīng)力稱(chēng)為 彈性極限，用σe表示。

煉鋼的基礎(chǔ)知識(shí)抗拉強(qiáng)度

試樣拉伸時(shí)，在拉斷前所承受的最大負(fù)荷除以原橫截面積所得的應(yīng)力，稱(chēng)作抗拉強(qiáng)度，用σb表示。當(dāng)材料所受的外應(yīng)力大于其抗拉 強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)發(fā)生斷裂。因此σb越高，則表示它能承受愈大的外應(yīng)力而不致于斷裂。 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)鋼常按抗拉強(qiáng)度來(lái)分類(lèi)，如SS400，其中400即表示σb的最小值為400MPa，超高強(qiáng)度鋼是指σb≥1373 Mpa的鋼。

煉鋼的基礎(chǔ)知識(shí)屈強(qiáng)比

屈強(qiáng)比即屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比值（σS/σb）。屈服比值越高，則該材料的強(qiáng)度愈高，屈強(qiáng)比值愈低則塑性愈佳，沖壓成形性愈好。如深沖鋼板的屈強(qiáng)比值為≤0.65。 彈簧鋼一般均在彈性極限范圍內(nèi)服役，受載荷時(shí)不應(yīng)產(chǎn)生塑性變形，因此要求彈簧鋼經(jīng)淬火、回火后具有盡可能高的彈性極限和 屈強(qiáng)比值（σS/σb≥0.90）此外疲憊壽命與抗拉強(qiáng)度及表面質(zhì)量往往有很大關(guān)連。

煉鋼的基礎(chǔ)知識(shí)塑性

金屬材料在受力破壞前可以經(jīng)受永久變形的性能稱(chēng)為塑性。塑性指標(biāo)通常用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率表示。伸長(zhǎng)率與斷面收縮率越高，則 塑性越好。

從魚(yú)雷車(chē)運(yùn)來(lái)的鐵水經(jīng)過(guò)脫硫、擋渣等處理后即可倒進(jìn)轉(zhuǎn)爐中作為主要爐料，另加10% 以下的廢鋼。然后，向轉(zhuǎn)爐內(nèi)吹氧燃燒，鐵 水中的過(guò)量碳被氧化并放出大量熱量，當(dāng)探頭測(cè)得達(dá)到預(yù)定的低碳含量時(shí)，即停止吹氧 并出鋼。一般在鋼包中需進(jìn)行脫氧及調(diào)整成份操作；然后在鋼液表面拋上碳化稻殼防止鋼水被氧化，即可送往連鑄或模鑄工區(qū)。 對(duì)要求高的鋼種可增加底吹氬、RH真空處理、噴粉處理（噴Si—Ca粉及變性石灰）可以有效降低鋼中的氣體與夾雜，并有進(jìn)一步降 碳及降硫的作用。在這些爐外精煉措施后還可以終極微調(diào)成份，滿(mǎn)足優(yōu)質(zhì)鋼材的需求。