炼钢基础知识问答.doc

1 钢铁在工业材料中处于什么地位? 常见的工业用材料有金属、陶瓷、塑料、木材、纤维等，用量最多的是金属材料，而在金属材料中约有95是钢铁材料，钢铁材料的主要优点是： (1)铁元素资源丰富，约占地壳总质量的5，在所有元素中居第4位，且矿床品位也较高。 (2)钢铁冶炼方便，价格便宜。 (3)钢铁材料的强度、硬度、韧性等性能都较好，经过热处理以及不同的加工方法还可以得到进一步的提高。 普通钢铁材料的缺点是密度较大、容易生锈等，但这些缺点可以通过开发高强度钢、不锈钢，或用对钢材表面进行涂层和表面处理等方法加以避免或克服。 2 常见工业化炼钢方法有哪几类，各有什么特点? 工业化炼钢方法有转炉炼钢法、电弧炉炼钢法、平炉炼钢法，平炉炼钢法已被淘汰。各炼钢法的特点见下表。 表 炼钢方法及特点 炼钢法 转炉炼钢法 电弧炉炼钢法 原料 主要是铁水，少量废钢 主要是废钢，少量生铁或铁水 热源 铁水的物理热和元素的氧化热5 什么是合金，什么是纯金属? 两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的，并具有金属性质的材料叫合金。如黄铜是铜锌合金，青铜是铜锡合金，钢和生铁是铁碳合金。 由一种金属元素组成的物质或材料为纯金属。实际上没有绝对纯的金属，这只是相对合金而言的一种金属元素的物质。根据其纯度分为工业纯金属和化学纯金属，二者之间没有严格界限。工业上生产与使用的大多为工业纯金属，化学纯金属的应用范围极有限，提炼也很困难。6 什么是工业纯铁、钢和生铁? 工业纯铁、钢、生铁都是铁碳合金，只是其碳含量不同。 金属学认为wc0.0218的铁碳合金为工业纯铁；0.0218wc2.11为钢；wC2.11是生铁。 但在实际应用中，钢是以铁为主要元素，碳含量一般在2以下，并含有其他元素材料的统称。7 什么叫铁素体，什么叫奥氏体，什么叫渗碳体? 碳溶解在-Fe中的间隙固溶体称铁素体。它可溶解碳量在000800218之间，铁素体用“F”表示，是钢的主要成分；碳溶解于-Fe中的间隙固溶体称奥氏体，用A表示，奥氏体是钢进行轧制以及热处理的晶体组织，部分高合金钢在室温下也以奥氏体形式存在。 渗碳体是质量分数为9331的铁和669的碳化合而成的碳化铁，即Fe3C，渗碳体的硬度高、脆性大，是钢的强化相。8 什么是珠光体，什么叫马氏体? Fe-Fe3C在相图中的共析转变发生在727的PSK 线，碳含量在0.77的S 点，同时析出铁素体与渗碳体的机械混合物，此种机械混合物是在铁索体基体上分布着片层状的渗碳体组织，由于它在显微镜下呈现珍珠光泽，因此称其为珠光体。珠光体中铁素体与渗碳体相对量之比约为7：1。碳含量为0.77的铁碳合金称共析钢。 碳含量在0.772.11之间的铁碳合金为过共析钢；奥氏体沿ES 线析出渗碳体，碳含量逐渐降低直到等于0.77时，发生共析转变。所以在这个碳含量范围的钢平衡组织是渗碳体+珠光体。 碳含量小于0.77的铁碳合金称亚共析钢，奥氏体沿GS 线析出铁素体，碳含量逐渐增高，直到碳含量等于0.77，发生共析转变。所以亚共析钢平衡组织是铁素体+珠光体。 以上是在冷却速度非常缓慢的情况下，铁、碳原子有条件充分扩散得到的平衡组织。当奥氏体迅速冷却到较低温度(200以下)，铁、碳原子来不及扩散，碳被迫过量溶解在-Fe中。碳在-Fe中形成的过饱和固溶体叫做马氏体。马氏体是一种针状组织，其硬度比珠光体高，塑性、韧性差，脆性高，是非平衡组织、不稳定组织。9 什么叫热处理? 热处理是将固态金属或合金工件采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构和性能的工艺。钢是采用热处理工艺最广泛的金属材料。钢的热处理包括退火、正火、淬火、回火和表面热处理等。10 什么叫淬火处理，常用淬火介质有哪几种? 将钢工件加热到临界点以上温度，保温一段时间，而后急剧冷却的工艺过程叫淬火。所谓临界点是使钢中铁素体转变为奥氏体的温度，从Fe-Fe3C相图上看，亚共析钢应加热到GSK 线以上3050，共析钢及过共析钢应加热到727+(3050)。 经淬火处理后，亚共析钢和共析钢获得的组织是马氏体和少量残余奥氏体；过共析钢是马氏体、少量残余奥氏体和少量渗碳体。经过淬火处理，可以提高钢的硬度，但可能引起工件变形和裂纹。 淬火介质必须满足两个要求： (1)在550650区间，具有较强冷却能力，避免奥氏体向珠光体转变。 (2)在200300区间，具有较弱冷却能力，以避免引起过大的内应力，造成工件变形或开裂。常用的介质有水、盐水、碱水、机械油等，可单独使用或组合使用。11 什么叫回火处理? 淬火处理后的钢件，内应力很大，容易变形开裂，几乎都要经过回火处理才能使用。回火处理钢的硬度降低很少，但可以提高塑性和韧性，保证工件的使用性能。 回火处理是将淬火后的钢件加热到727以下的某一温度，保温一定时间，然后以一定的方式冷却，得到较稳定组织的工艺过程。钢经过回火处理后，钢的组织是溶解过量碳的铁素体和部分细小颗粒的渗碳体。12 什么叫退火处理，什么是不完全退火，什么是完全退火? 钢件加热到临界温度(Fe-Fe3C相图中的GSK 线)附近，保温一段时间后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺称为退火。 当退火处理时，在加热过程钢的组织转变成奥氏体，缓冷后得到接近Fe-Fe3C相图中的室温组织，退火目的是： (1)降低钢的硬度，提高塑性，便于切削和冷变形加工。 (2)细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能，以及为以后的热处理作准备。 (3)消除钢中的残余内应力，防止工件变形与开裂。 亚共析钢退火处理钢的加热温度在A3以上2040，保温后缓慢冷却叫完全退火。完全退火有细化晶粒、降低硬度、消除内应力的作用。 共析钢或过共析钢退火处理钢的加热温度在727+(2040)，保温后缓慢冷却叫不完全退火。其目的是渗碳体由片状转变为球状，此工艺也称球化退火13 炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段完成? 炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度，调整钢液成分。 供氧、造渣、搅拌、加合金是完成炼钢任务的手段。 由于炼钢采用精料、铁水预处理、炉外精炼技术等，转炉炼钢任务将趋向于脱碳和升温。14 炼钢为什么要造渣，熔渣的来源有哪些，其主要成分是什么? 炼好钢首先要炼好渣，所有炼钢任务的完成几乎都与熔渣有关。炼钢造渣的目的是： (1)去除钢中的有害元素P、S。 (2)炼钢熔渣覆盖在钢液表面，保护钢液不过度氧化、不吸收有害气体、保温、减少有益元素烧损。 (3)吸收上浮的夹杂物及反应产物。 (4)保证碳氧反应顺利进行。 (5)可以减少炉衬蚀损。 如果熔渣过于黏稠，渣钢难以分离，会降低金属收得率，增加钢中夹杂物。严重的泡沫化熔渣会引起喷溅。 顶吹转炉炼钢熔渣的来源是： (1)钢铁料中的Si、Mn、P、Fe等元素的氧化产物。 (2)冶炼过程中加入的造渣材料。 (3)冶炼过程中被侵蚀的炉衬耐火材料。 (4)固体料带入的泥沙。 根据熔渣的来源，其化学成分见下表。熔渣成分在吹炼过程中是不断变化的。 表 转炉炼钢熔渣主要化学成分及来源成分类别主要成分来 源含量范围酸性氧化物Si02Si氧化产物，炉衬侵蚀，渣料、铁矿石、调渣剂等带入的泥沙15 在炼钢过程中碳氧反应的作用是什么? 炼钢过程中碳氧反应不仅完成脱碳任务，还有以下作用： (1)加大钢渣界面，加速物理化学反应的进行。 (2)搅动熔池，均匀成分和温度。 (3)有利于非金属夹杂的上浮和有害气体的排出。 (4)有利于熔渣的形成。 (5)放热升温。 (6)爆发性的碳氧反应会造成喷溅。16 为什么要脱除钢中磷，对钢中磷含量有什么要求? 对绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷含量高会引起钢的“冷脆”，降低钢的塑性和冲击韧性，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差；磷对钢的这种影响常随着氧、氮含量的增高而加剧。磷在连铸坯(或钢锭)中的偏析度仅次于硫，同时它在铁固溶体中扩散速度又很小，不容易均匀化，因而磷的偏析很难消除。所以脱磷是炼钢过程中的重要任务之一。 鉴于磷对钢的不良影响，不同用途的钢，对磷含量都有严格规定。例如：非合金钢中普通质量级钢wP0.045；优质级钢wP0035；特殊质量级钢wP0.025，有的钢种甚至要求wP低于0.010。 但是，有些钢种如炮弹钢、耐腐蚀钢等，是要加入合金元素磷的。17 炼钢为什么要脱硫，对钢中硫含量有什么要求? 硫主要来自原料，对绝大多数钢种来讲硫是有害元素。所以脱硫是炼钢的基本任务之一。 硫在钢中是以FeS形式存在。硫会造成钢的“热脆”性。FeS熔点为1193，而Fe与FeS组成的共晶体,其熔点只有985。液态Fe与FeS可以无限互溶，但FeS在固态铁的溶解度很小，仅为0.0150.020。所以当钢的硫含量超过0.020时，钢水在冷却凝固过程中由于偏析，Fe-FeS以低熔点的共晶体呈网状分布于晶界处；钢的热加工温度在11501200，在此温度下晶界处共晶体已熔化，当钢受压后造成晶界的破裂，这就是钢的“热脆”性。钢中氧含量较高时，FeO与FeS形成的共晶体熔点更低，只有940，更加剧了钢的“热脆”现象。 除此之外，硫还会明显地降低钢的焊接性能，引起高温龟裂，并在金属焊缝中产生许多气孔和疏松，从而降低焊缝的强度。当硫含量超过0.06时，显著恶化了钢的耐腐蚀性。对于工业纯铁和硅钢来说，随着钢中S含量的提高磁滞损失增加，影响钢的电磁性能。同时连铸坯(或钢锭)凝固结构中硫的偏析也最为严重。 基于硫对钢的上述危害，不同钢种对硫含量有着严格规定，例如：非合金钢中普通质量级钢ws0.045，优质级钢wS0.035，特殊质量级钢wSO.025。为了提高钢的质量和满足连铸工艺的要求，钢水中的硫含量要比规格规定低得多，有的要求wS0.60时，C扩散速度大于大气中O2到达界面的速度，C被氧化，生成非金属夹杂物的可能性较小。C含量越低，钢水的二次氧化越严重。 研究认为，大部分氧化物与氮化物的宏观夹杂物，是在出钢与浇注过程中与大气接触而形成的。有的研究还认为，在用较弱脱氧剂锰与硅脱氧情况下，钢中二次氧化产物的数量要多于用强脱氧剂铝和钙脱氧的二次氧化夹杂物数量。一般二次氧化夹杂物比脱氧产物颗粒要大得多。 有的研究还表明，在杜绝了大气二次氧化的条件下，浇铸过程中钢水还会被顶面覆盖的渣层所氧化，同时还与耐火材料发生反应，这些都增加了钢中夹杂物的数量，污染了钢水影响钢质量。26 降低钢中氧化物夹杂的途径有哪些? 要降低钢中氧化物夹杂，应最大限度地减少外来夹杂物。提高原材料的纯净度；根据钢种的要求采用合理冶炼工艺、脱氧制度和钢水的精炼工艺；提高转炉及浇注系统所用耐火材料的质量与性能；减少和防止钢水二次氧化，保持正常的浇注温度，实行全程保护浇注，选择性能良好的保护渣；选用合理的钢材热加工和热处理工艺均有利于改善夹杂物的性质，提高钢质量。27 降低钢中硫化物夹杂的途径有哪些? 降低钢中硫化物夹杂的途径有：降低入炉原料中的硫含量，采用炉外铁水预脱硫技术，合理的冶炼工艺及炉外精炼深脱硫技术；或者改变硫化物夹杂的形态和分布，如通过加入RE、Zr、Ti、Ca等元素，使钢中以MnS为主的塑性夹杂物转变为以稀土硫化物为主的球形不变形夹杂物，但必须确定恰当的加入量，使其wREwS、wZrwS的比值达到合理的数值，以此改善钢材的横向性能。28 氢对钢有哪些危害? 氢在固态钢中溶解度很小，所以钢水在凝固和冷却过程中，氢会和CO、N2等气体一起析出，形成皮下气泡、形成中心缩孔、疏松。实际上，钢在冷却过程中氢还会扩散析出，由于在固态钢中扩散速度很慢，只有很少量扩散到连铸坯(或钢锭)表面，多数是扩散到显微孔隙中、或夹杂物的附近、或晶界上的小孔中，形成氢分子。由于氢分子不断地在析出的地方聚集，低温下KH值很小，pH2却很大，引起钢的内应力。这种内应力再加上组织应力、热应力、变形应力等的总和，超过了钢的强度极限，就会破裂形成裂纹。 由于上述原因，氢会引起钢材的如下缺陷： (1)发裂。钢在热加工过程中，钢中的含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形成发裂，进而引起钢材的强度、塑性、冲击韧性降低，这称之为“氢脆”。氢脆对钢材的横向性能影响尤为突出。 (2)白点。在钢材横向断口上，白点表现为放射状或不规则排列的锯齿形小裂缝；在纵向断口上，有圆形或椭圆形的银白色斑点，因此得名为“白点”。实际上白点是极细小的裂纹。 (3)层状断口。由于有些钢中晶体结构的特点，使氢分子容易在树枝晶或变形晶体边界上聚集，由此引起内应力，导致晶间拉力的减弱，从而降低了钢材横向的塑性、冲击韧性，此时在钢材的断口呈针状叠层结构，称做层状断口。钢的树枝晶越发达，越容易形成层状断口缺陷。含有铬镍或铬镍钼的合金钢比碳素钢的层状断口要严重。29 钢中氢的来源有哪些? 因原材料潮湿而带入的水分是钢中氢的重要来源。如废钢和生铁块因潮湿而生的铁锈，合金表面的吸附水，铁矿石、石灰、萤石等辅助材料的吸附水和化学水，都是氢的重要来源。此外，钢包和中间包的内衬与浇注系统耐火材料潮湿也可成为钢中氢的来源。顶吹转炉钢中wH一般在0.00030.0005。 例如，铁矿石若含水量约为5，其加入量为装入量的2时，则溶入钢中的氢量约为0.11，也是相当可观的。30 降低钢中氢含量有哪些途径? 首先，所有入炉的材料必须干燥，必要时可对铁合金进行烘烤，更不能使用潮解的石灰。第二，根据钢种的需要，对钢水进行脱气处理。第三，与钢水直接接触的耐火材料、保护渣必须干燥，有的则要烘烤到必要的温度。第四，有些钢种的连铸坯(或钢锭)，应根据缓冷制度进行缓冷，以使氢能扩散出来，减轻其危害。31 氮对钢的性能有哪些影响? 氮在钢中是以氮化物的形式存在，因而对钢质量的影响不完全有害，也有有益的一面。