煉鋼的基礎知識

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發表于 2009-3-25 21:14:46 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

煉鋼的基礎知識

第一節鋼及鋼的分類

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
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。
四、鋼的分類
      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。
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。
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。
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
元素
作       用
Mn
1、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
4、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
3、提高鋼的氧化性腐蝕介質中的耐蝕性，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，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、提高鋼的耐熱性
4、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
Mo
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
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
Al
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
1、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。
5、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。
（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
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）；
（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）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。
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。
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。
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。
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

一、鋼中常見雜質元素的影響
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。
表1—2 鋼中常見雜質元素及其作用
元素
來源
作          用
P
煉鋼過程中
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。
S

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，降低鋼的力學性能，優制鋼含硫量一般應限制在0.04%以下。
2、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
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。
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。
2、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。

二、鋼中非金屬夾雜物的影響
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
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。
（2）改善夾雜物形態
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。
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。
2、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。
4、鎮靜：夾雜物上浮。
5、吹氬：氧化物、硫化物雜質含量降低，但氮化物幾乎不變。
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。