金属冶炼与成型课后习题答案.doc

第一章1. 为什么说“要炼好钢先要造好渣”？造渣是炼钢工艺过程的重要组成部分。在非真空冶炼中，炉渣是炼钢过程的必然产物也是炼钢过程中不可缺少的媒介物；如果没有炉渣，必要的炼钢物理化学反应难以完成，而合格的钢液就难以保证。一、炼纲炉渣的主要来源：炼钢过程中各种元素被氧化而形成的氧化物；各种造渣材料(石灰、萤石、白云石，耐火砖块等)；氧化剂或冷却剂(矿石、石灰石等)所带入的脉石；金属原材料带入的泥砂和铁锈；被腐蚀的炉衬耐火材料；铁合金的脱氧产物、脱硫产物等。可见炉渣来源于金属原材料、辅助材料和炉衬三个方面，在炼钢过程中成为高温熔体。 二、炉渣对炼钢过程具有重要作用：一般说来，炼钢过程中熔渣和钢液直接接触，参与其间的物理化学反应和传质传热过程，通过对炉渣成分及其性能、数量的调整，可以控制金属熔池中各元素的氧化相还原过程。其作用可以大致归纳为：(1) 熔渣直接参与脱硫、脱磷等钢液与熔渣界面间的反应。(2) 熔渣是氧的传递媒介，控制金属熔池中各元素的氧化还原过程。(3) 熔渣是钢液中各种元素氧化产物的汇集体。熔渣密度要比钢浓密度小得多，这样，钢渣自然分开，而元索氧化产物的密度也远低于钢液的密度，可以上浮到纲液表面，进入熔渣。(4) 熔渣对钢液有保护作用。熔渣可以减缀合金元素在氧化气氛中的氧化烧损，可以减缓钢液吸收气体和减少钢液的热损失。(5) 炉渣的其它作用：电渣沪熔渣作为电阻发热体，可以起到重熔和精炼金属的作用，平炉熔渣是传热介质，通过它把热量传给金属熔池；电弧炉熔渣可起稳定电弧的作用，对稳定工艺操作过程十分有利2. 炼钢造渣时，要考虑哪些炉渣性质，这些性质对炼钢质量有哪些影响？(一) 炉渣的碱度 所谓碱度，就是炉渣中碱性氧化物和酸性氧化物浓度的比值。碱度对脱磷、脱硫和防止钢液吸收气体等炼钢过程有重要影响，而且它还影响着炉渣中许多组元的活度，因此碱度是影响渣和钢之间反应的重要因素。(二) 炉渣的氧化性和还原性 炉渣有氧化渣和还原渣之分。炼钢氧化精炼时依靠炉渣高氧化性来保证脱磷、脱碳的进行，而在还原精炼时，炉渣必须有高的还原性才能有效地进行脱氧、脱硫等冶金反应。(三) 炉渣的粘度 粘度是炉渣的主要物理性质之一，它代表着熔渣内部相对运动时各层之间的内摩擦力。炉渣粘度对渣/钢间反应的动力学过程影响极大。一般说，炉渣粘度大，流动性不好，传质传热能力差，使反应物和反应产物扩散速度降低，影响炼钢反应进行的速度，而过稀的熔渣容易喷溅，热反射能力强，热损失增加，并加速炉衬浸蚀。所以在炼钢实践中，必须控制合宜的炉渣粘度。(四) 炉渣的表面张力和界面张力 炼钢反应是多相反应，很多反应在相界面上进行，因此炉渣表面张力和渣钢界面张力对炼钢过程有重要意义。扩散过程、熔渣吸收非金属夹杂物以及钢液与熔渣的分离等，都和炉渣的表面张力有关（五）炉渣的导电性 电弧炉冶炼和电渣重熔时，炉渣的电导率对于供电制度和热分配影响很大3. 按在熔铁中的溶解度，可将各种元素分哪几类？各种元素在熔铁中溶解度的大小与原子半径大小、晶格类型以及与铁原子的相互作用力有关。元素的原子半径与铁原于半径(1.2210-8 cm)越相近，晶格类型与铁相同，其性质与铁原子越相似，则它们与铁原子之间的相互作用力与铁原子本身间的相互作用力就越相近，也就越容易溶解。根据在1600C时熔铁中元素溶解的数量可将元素分为四类：(1) 完全溶解的元素(2) 部分溶解的元素 (3) 溶解很少的元素 (4) 成气态的金属元素可以根据元素溶解数量的多少和倾向，认识冶炼和凝固过程中元素含量变化的原因，从而合理地控制冶炼工艺条件，达到控制钢和合金的化学成分和提高钢质量的目的。第二章1. 氧在钢液中有哪几中存在形式？炼钢过程中是如何向熔池中传氧的？（1）氧在钢液中以两种形式存在。一种是溶解于钢液中的氧，以单原子形式或FeO形式存在。氧在钢液中的溶解度是随温度的升高而增大的，如图2-1所示。在冶炼过程中，如果溶解在钢液中氧量过高，超过平衡值，或者即使达到平衡值，在钢液冷却过程中也会发生过饱和现象，这些过饱相的氧，以FeO形式析出。钢液中以单原子形式或FeO形式存在的氧，通常都以O表示。在钢掖中还会有另一种以夹杂物形态存在的氧。当钢浓中含有脱氧元素时，溶解于钢液中的氧就会与之结合而成为氧化物夹杂。（2）熔炼过程中向金属熔池传氧可以分为直接传氧和间接传氧两种类型。一、直接传氧 向熔池吹氧或无渣时氧气与金属液面直接接触就属于这种情况。直接传氧机理是：在氧气与金属液接触的表面上，气体氧分子分解为两个氧原子并被吸附于铁液表面上，随后吸附的氧溶解于金属液中或被金属直接吸收二、间接传氧 炉渣是氧的传递媒介，氧的传递是通过FeO的氧化来完成的。当含氧炉气与熔渣接触时，(FeO)被氧化成(Fe2O3)，后者从熔渣表面迁移到钢渣界面，在那里被金属Fe还原成(FeO)，此(FeO)按分配定律进入金属液为游离的O。2. 元素的氧化度在炼钢中有何意义？各种元素被氧化的难易程度称为元素的氧化度，氧化度大的元素，容易被氧化。在炼钢过程中，可以用元素的氧化度来表示元素的被氧化趋势。合金元素的氧化度可以用一定温度下，与溶于金属液内一定含量的合金元素相平衡的氧的浓度来表示，与较低氧浓度相平衡的元素，具有较大的氧化度；反之，与较高氧浓度相平衡的元素，其氧化度较小。在同温度下，不同元素在相同含量时，氧化度不同；而同一元素在不同含量时，其氧化度也不同。应当指出，合金元素的氧化度与通称的元素脱氧能力二者是等价的，属于同一概念。3. 如何判定氧化物的稳定性？(一) 纯氧化物稳定性的判定纯氧化物的稳定性可用氧化物的标准生成自由能或分解压大小来判定。1氧化物标准生成自由能根据热力学第二定律，自由能DG可以用作判断在恒温恒压条件下化学反应能否进行的依据。由于各氧化物的化学成分不同，为相互比较，我们采用由纯元素与1大气压(101.3 kPa)下的1摩尔O2化合生成氧化物的自由能(标准生成自由能)来进行讨论。对于氧化物生成反应： （2-6） （2-7）式中D0G为氧化物标准生成自由能，其值越小，氧化反应越易进行，MxOy越稳定，即氧化物稳定性越好，而该元素被氧化的趋势就越大；K为平衡常数；T为绝对温度；R为常数依据D0G判断化学反应方向性是有局限性的，它只适用于特定的标淮状态的条件，所以用D0G只能对化学反应做一般性的估计。在实际生产中，由于钢液中合金元素含量的差别甚大，温度也不是恒定不变的，所以元素的氧化度或脱氧能力要根据实际情况进行比较。2氧化物的分解压纯氧化物的分解反应： （2-8）当分解达到平衡时，平衡常数K为： （2-9）式中，PO2为氧化物的分解压，由于M系纯物质，MxOy系纯氧化物，其活度均等于1，所以PO2直接决定了平衡常数K的大小，也就决定了氧化物的稳定性。现在设D0G分解代表氧化物的标准分解自由能，D0G生成代表氧化物的标准生成自由能，则：D0G生= -D0G分=RTlnPO2可以看出，氧化物分解压PO2越小，则氧化物分解反应的平衡常数K值越小，则该氧化物越不容易分解，越稳定。而分解压较大的氧化物由于稳定性较差，则较易被还原为元素。(二)熔渣中氧化物稳定性的判定炼钢反应多为渣钢之间的反应，反应物质并非纯态。如电渣重熔过程就存在着渣中不稳定氧化物对钢中活泼元素Al、Ti的氧化过程或Cr2O3、SiO2等不稳定氧化物的还原过程，为了判断这些过程进行的方向，必须了解熔渣中氧化物稳定性的判定方法。对于(2-6)式，当M及MxOy不是纯物质时 （2-11） 其中a(MxOy)与aM分别为平衡时渣中氧化物及钢中冶金元素的活度，PO2为平衡时氧的分压。考虑到，所以（2-12）由(2-12)式可见：(1) 熔渣中氧化物稳定性与其纯状态的稳定性有关，纯氧化物的分解压如PO2(纯MxOy)越大，则PO2越大，氧化物越不稳定。也就是说，与氧化物本身的属性有关；(2) 熔渣中氧化物稳定性与渣中氧化物活度有关，a(MxOy)大，则PO2大，稳定性就差。而a(MxOy)与MxOy本身的浓度及熔渣的成分有关，故熔渣中氧化物稳定性取决于渣成分及含量。(3) 熔渣中氧化物稳定性与金属熔池中相应合金元素的活度有关，aM大，则PO2小，氧化构越稳定。而aM取决于合金元素的浓度及钢成分等因素，故熔渣中氧化物的稳定性与钢的成分有关4. 钢液为什么要脱氧？（1）氧化精练结束时，钢液中存在着一定数量的溶解氧(一般为0.010.08%)，其具体含量主要取决于钢液含碳量。这种钢液在浇注和结晶时，随着温度的下降，氧的溶解度减小，在结晶过程中，氧以氧化铁或其它氧化物形式从液相析出，分布于晶界上，降低钢或合金的机械性能。（2）在钢液冷凝过程中，碳和氧由于偏析而富集于液相，加之其间反应是放热的，将会再次发生碳氧反应，生成CO气泡，一部分CO气泡留存于钢锭之中，形成疏松、皮下气泡等钢锭内部缺陷。此外，氧的存在使钢中硫的危害加重，FeO与FeS形成熔点为940C的低熔点共晶体，存在于晶界，在钢锭热加工时，导致“热脆”。所以在出钢前要采取措施，进行脱氧操作。5. 对钢液脱氧剂有什么要求？(1) 脱氧元素应具有足够的脱氧能力，即脱氧元素的氧化度要高。由于溶解在钢液中的氧原子与铁原子结合成氧化铁，脱氧元素的氧化度应当比铁的氧化度大，或者说，脱氧元素的氧化物的分解压力要较氧化铁的分解压力为小，才能作为对脱氧剂。(2) 脱氧剂的熔点应低于钢液温度。由于钢液中存在着细小的非金属夹杂物，可以成为脱氧产物析出的核心，因此脱氧产物的析出不是脱氧反应的限制性环节，脱氧所必须的时间主要决定于钢液中脱氧剂的熔解速度和脱氧元素的扩散速度。由于脱氧剂的溶解速度主要取决于熔点，故大多数脱氧剂均采用具有低熔点的合金形式。(3) 脱氧产物应不溶于钢液并能上浮去除。脱氧产物一般不溶于钢夜，且其密度较钢液小，故有可能从钢液中上浮进入熔渣。这就要求脱氧产物熔点低些，密度小些，颗粒大些，易于聚集去除。(4) 残留在钢中的脱氧元素不应当对钢质量产生不利的影响，否则相当于增加了金属杂质。例如有的钢种对碳的含量要求严格，碳越低越好，这时就不宜用碳粉或电石脱氧，以免增碳。6. 具体脱氧方法有哪些？各有什么优缺点？(一) 沉淀脱氧 将脱氧剂加入钢液，脱氧元素与溶解在钢液中的氧作用，生成不溶解氧化物或复合氧化物，这些脱氧产物上浮到熔渣中达到脱氧的目的。由于从钢液中析出氧化物的过程属于沉淀反应，故名沉淀脱氧。沉淀脱氧的优点是脱氧反应在钢液内部进行，速度快，但其缺点是脱氧产物可能留存于钢液之中成为非金属夹杂物，污染钢液。如果不能有效地排除脱氧产物，则钢液中含氧量实质上并未降低，只是存在的形式不同，对于成品钢的性能仍然有害。(二) 扩散脱氧 在炼钢过程中，根据分配定律使钢液中的氧向熔渣中扩散，称为扩散脱氧。 由于扩散脱氧反应在钢渣界面或渣的下层进行，脱氧产物很容易进入熔渣内部而不玷污钢液。但其缺点是反应速度较馒，需要时间较长，脱氧剂消耗也多。(三) 真空下的碳脱氧 真空冶炼中，氧可以通过原材料、炉体漏气、坩埚表面氧化、耐火材料与金属熔池作用等多种途径进入金属熔池，所以也必须有脱氧过程。在常压下冶炼时，碳的脱氧能力较低，必须使用强脱氧剂(一般是铝)进行终脱氧。在真空冶炼条件下，由于气相中CO分压PCO很低，使碳的脱氧能力大大提高(计算表明，可高于铝的脱氧能力)，加上其脱氧产物是气体，易于自金属液排出，不致玷污金属，所以碳是真空冶炼过程中良好的脱氧剂。真空下碳脱氧乃是主要的脱氧反应。(四) 挥发脱氧 真空冶炼条件下，元素可能挥发，元素氧化物也可能挥发，当元素氧化物蒸气压高于元素蒸气压时，氧化物就较元素要优先挥发。在真空冶炼中，由于生成挥发性氧化物而达到脱氧目的的脱氧方法称为挥发脱氧7. 依据哪些因素来考虑合金元素的加入时期？1合金元素的物理化学性质 (1) 元素的活泼程度，即氧比度的大小。氧化度小的先加，氧化度大的后加。(2) 合金元素熔点高低。熔点高，为保证彻底熔化，要在装料时直接装入，而低熔点物质，要在炼钢后期加入。(3) 合金元素密度大小。合金中有密度很大的元素(如钨19.3g/cm3)或密度很小的元素(如铝2.7g/cm3)时要注意防止偏析。钨铁不要直接装在炉底上，防止“沉底”；铝加入熔池要通过电磁搅拌或机械搅拌，使之均匀。(4) 合金元素蒸气压高低。这一点在真空冶炼中尤为突出。以锰为例，非真空冶炼中可在还原初期加入，而由于锰蒸气压很高，1600C时达431Pa，因此真空冶炼合锰合金时，为保证成分，锰应在出钢前不久在氢气保护下加入。2合金元素的加入数量 在低合金钢中，铬通常不会超过12%，但作为主要合金元素，应当在熔化以后甚至还原期加入。而在不锈钢或高温合金中，铬可高达13%以上，如加入过晚，势必拖长熔炼时间，并使工艺操作复杂化，由于不锈钢和高温合金均采用不氧化法冶炼，所以均在装料时直接装入。3合金元素所起作用 要求精确控制成分的合金元素，要考虑回收率的稳定性，以保证达到所炼合金技术条件所规定的成分要求。而有些合金元素，按计算量加入，成品合金不作该元素化学成分分析，炼钢时可提前加入。例如非真空感应炉熔炼GH37合金，铈主要起净化作用，精炼开始即插入熔池，并不等到出钢时加入。4原材料的物理化学形态 钨铁、钼铁由于熔点很高，应在装料时直接装入炉内，而金属钨条和金属钼条在熔池形成前，在非真空冶炼条件下，会生成挥发性氧化物，所以尽管其熔点很高，也只宜于形成金属熔池后，才能插装钨、钼条。第3章 炼钢过程的脱碳反应1. 炼钢过程中为什么要脱碳？(1) 控制碳含量保证钢的化学成分。碳是钢的基本化学成分。为了达到不同钢种的含碳量，一要降碳，二要按规格控制好钢中碳的含量。(2) 碳氧反应造成钢液沸腾有助于炼钢过程的传热、传质、去气、去夹杂。炼钢过程中碳氧反应生成CO从钢液中以气泡形式排出，此时熔池被搅动。由于钢水对流有利于传热，因而热效率提高，而且使钢水成分、温度均匀。由于碳沸腾，造成钢液-渣-气三相乳化，形成泡沫，增大了钢与渣的接触面，有利于以界面进行的脱磷及脱硫反应。由于CO的生成，气泡上升过程中，吸附金属液中的非金属夹杂物以及H、N等气体，对钢液起到纯净化的作用。在电弧炉冶炼过程中，在熔化期，受电弧光高温作用气体电离，熔体吸气，此时H可达47 ml/100g钢，N达到0.0090.010%，经过氧化期碳沸腾，H、N明显降低。(3) 利用气相压力对碳氧反应的影响，实现真空熔炼的碳脱氧。它不仅可以进一步降低钢及合金中的C，O含量，而且进步起到搅拌及清洗作用。(4) 利用碳的选择性氧化，去碳保铬冶炼不绣钢，被称为“不绣钢冶炼史上的新纪元”。(5) 碳氧反应在氧气转炉炼钢中是热量的一个重要来源。在以高炉铁水为主要原料的氧气转炉炼钢中，碳氧反应放出的热量占总化学热的五分之一以上。同时还可以利用碳氦反应特点判断转炉炼钢终点以及跟踪碳氧反应对转炉炼钢实行全过程自动控制。2. 炼钢过程中有哪些形式的碳氧反应？哪些因素对碳氧反应有影响？(1) 熔池中碳与炉渣中氧化铁或与铁矿石反应：C+(FeO)=CO+Fe(2) 熔池中碳与反应区中氧气直接接触：C+1/2O2+CO (3) 熔池中碳与熔池中氧反应：C+O=CO 影响因素：（参考4）3. 从动力学角度来看，碳氧反应有哪些环节？1) 矿石溶解，然后按分配定律向熔池供氧，反应为(FeO)=Fe+O； 2) 反应物C和O向反应区扩散；3) C和O进行化学反应；4) 反应产物CO气泡生成及逸出到气相4. 哪些因素影响脱碳速度？(一) 供氧的方式及强度 底吹氧气转炉脱碳速度最大，这主要因为氧气从底部吹入，到了脱碳后期仍保持技强的搅动能。氧气顶吹转炉要强化脱碳，必须强化吹氧，而这样必将造成大量铁氧化，造成(FeO)及O显著升高，并造成炉衬严重侵蚀及喷溅。故顶吹氧气转炉冶炼O0.02%的钢很困难。而电弧炉、平炉虽然也可以来用吹氧办法，但受种种条件限制，它比氧气转炉脱碳速度要慢得多(二) 温度制度及渣制度 为了强化脱碳，要保证高温，薄渣或无渣操作；同时渣子流动性要好，碱度要合适，以提高反应物的扩散速度。(三) 炉型的大小 一般来讲，炉子越大，钢水越多，脱碳任务重，而且熔池深，气泡生成困难，并且反应物向反应区扩散时间长，供氧及搅拌也比较困难，故大炉型脱碳速度较慢。(四) 气相压力 利用气相中压力对碳氧反应的影响，采用真空熔炼设备或用吹入氩气条件下脱碳，既可脱碳又可脱氧，是冶炼超低碳钢最为有效的工艺方法。第四章1. 钢铁中磷和硫的来源及其危害？（1）钢中的磷主要来源于生铁，而生铁中的磷则源于矿石。铁矿石含有磷酸钙一类的脉石，受热后分解为CaO及P2O5，在高炉冶炼的良好还原条件下，P2O5极易被还原为磷而进入生铁。在室温条件下，磷在a-Fe中可溶解1.2%左右，它是提高a-Fe强度最为明显的元素，固溶的磷原子在晶界富集，使铁素体在晶粒间界产生固溶强化而具有高的强度，同时导致钢的脆化，特别在低温下，磷使钢的韧性更为恶性，这种现象即通常所谓的“冷脆”。当钢中的硅、碳含量越高时，磷的这种影响越严重。磷还有提钢的偏析度、促进晶粒粗化等作用，从而恶化其性能。（2）钢中的硫除来源于生铁、废钢和铁合金外，也可由造渣材料和燃料带入。硫在铁液中可以无限溶解，在固态铁中则溶解度很小，由图4-4可见，1365C时，硫在g-Fe中的溶解度为0.05%，在共晶温度(988C)时，则降为0.013%，所以在钢液冷却、凝固过程中，势必有部分硫富集在液相中，一旦温度到达共晶点，这种富硫的共晶体就会形成网状的膜，而分布于g-Fe晶粒之间，当金属在1000C左右进行热加工时，它将熔成液体而且在外力作用下发生沿金属晶界的滑动，进而造成金属的破裂，这种现象即通常所谓的“热脆”。硫化物夹杂对钢的危害程度除了决定于它的含量及物理化学性质外，还和其颗粒大小、形状以及分布有直接关系。钢中常见的硫化物夹杂有FeS、CaS、MnS和稀土硫化物等。它们可能单独存在，也可能互相复合在一起，或彼此形成化合物。硫化物夹杂按其形状和分布的不同可分为四类，它们对钢的危害程度也不相同：第I类硫化物夹杂呈球状，通常附着在氧化物夹杂的表皮上，形成复合夹杂；第II类硫化物夹杂呈链状，在晶界析出；第类夹杂为分散的颗粒状，第IV类是片状夹杂。其中以II、IV类的危害更大。硫化物对钢的性能有以下的影响：(1) 热加工塑性：除了前述的“热脆”现象外，硫化物在固溶体内析出时所形成的内应力，也有助于晶界裂纹的形成与发展，因而，含硫高的钢，在热加工时极易开裂。(2) 机械性能：硫化物能降低钢的机械性能特别是对各向异性的影响，它能显著降低钢材的横向机械性能，尤其是II、IV类及大颗粒夹杂的危害性更大。(3) 疲劳性能：钢材的疲劳裂纹经常在使用过程中由非金属夹杂周围的显微裂纹扩张而生成和发展，因此，脆性夹杂的危害性较大，而硫化物具有良好的塑性，所以危害较小。有实验证明，滚轴钢中含硫量自0.008%增至0.18%后，试样的接触疲劳寿命反而增加了一倍，其原因是钢中的脆性氧化物(如刚玉)的表面包裹了一层塑性较好的硫化物，从而使基本和脆性夹杂物之间形成了一个“缓冲层”，削弱了应力集中现象，特别是残余的热应力。(4) 其它性能：钢中的硫还会使钢产生坑蚀现象。焊接过程中MnS夹杂会造成钢的热撕裂。硫化物还能降低材料的导磁率及增大磁性材料的铁损。2. 影响氧化脱磷的因素有哪些？(1) 温度。KP对脱磷效率的影响实质上反映温度的影响，脱磷反应是放热过程，所以当温度升高时，KP值下降，对脱磷不利。生产实践中常用降低熔池温度的办法来提高脱磷效率，但温度不宜过低，否则会影响炉渣的流动性，将恶化脱磷的动力学条件而不利于脱磷。(2) 炉渣的碱度。渣中加入碱性氧化物如CaO、MgO、MnO，能和渣中的P2O5结合成稳定化合物，从而降低(P2O5)的活度，达致脱磷的目的，称这样的氧化物为脱磷剂，其中以CaO的效果最好。保持一定的碱度是炉渣脱磷的必要条件，但碱度过高时会急剧降低渣的流动性反而对脱磷不利。碱度自1.7提高到2.3时，渣的脱磷能力取决于渣中FeO含量的多少。(3) 渣中FeO含量。(FeO)含量对脱磷的影响是个较为复杂的因素，当N(FeO)或a(FeO)一定时，只有在碱度适当的条件下，才能获得它们的理想值。由于渣中FeO含量的增加，一方面能提高aO值，另方面又将促进g(P2O5)值增高，这是两个对脱磷影响相互矛盾的因素，因此，最后的脱磷效果取决于其中能起主导作用的因素。当渣中N(FeO)0.2时，则提高N(FeO)反而使脱磷效率下降，因为此时g(P2O5)的增长已成为主导因素。 (4) 渣量。渣量加大则无疑将提高磷在渣和钢中的平衡分配比，降低钢中磷的绝对值而达到脱磷的目的，电炉炼钢时要扒除部分熔化期的渣，并扒尽氧化渣重新造渣的目的之就在于此。生产实践中，把高的渣碱度、高(FeO)含量和高渣量、低冶炼温度即所谓“三高一低”作为提高脱磷效率的措施3. 炼钢过程中有哪些具体的脱磷和脱硫方法？（1）脱磷一.氧化脱磷 在通常的含量下，磷在铁液中与铁生成的化合物可能有Fe2P及Fe3P两种形态，在碱性炼钢方法中，多采用氧化法脱磷，先把钢中的磷氧化为P2O5，然后使其进入渣中与碱性氧化物结合成稳定的磷酸盐予以去除。二.还原脱磷 磷原子具有五个价电子，因此在化学反应中它可以完全失去这些外层电子而成为五价正离子，却也可以得到三个电子而成三价负离子，所以金属的脱磷反应除多数情况下为氧化法外，也有部分情况下采用还原法，即磷原子在反应中取得三个电子。三.铁水预脱磷 碳比磷更容易氧化，因此，氧化脱磷在铁水中应该难以进行，但含碳24%铁水的去磷是能够实现的，其原因之一是铁水的温度低，有利于脱磷反应进行，更为重要的是反应动力学因素。根据一系列科学研究的结果指出，铁/渣界面不易发生脱碳反应，而容易产生脱磷反应。并且温度越低时对脱磷反应的进行越有利。四.铁水的炉外脱磷 将按定比例配合混匀的渣料放入盛钢桶的底部，利用出钢时钢水流的自重冲力进行搅拌脱磷。对于某些钢种，可以用干燥空气或氧气为载体，将混合好的粉渣料，高压喷入钢水中（2）脱硫一.熔渣脱硫(扩散脱硫) 熔渣脱硫是炼钢生产中的主要脱硫方法，其实质是通过金属熔体与炉渣间的相互作用，使溶于金属中的硫生成难熔或不溶于金属的硫化物而转入渣中被去除。二. 精炼剂脱硫(沉淀脱硫) 这种脱硫的实质是选取一些与硫具有较大亲合力，且熊生成熔点高、密度小、与金属液的界面张力大、易于上浮的产物或其产物为高度弥散硫化物的元素作为精炼剂，亦即脱硫剂。三. 炉外脱磷 一次熔炼设备很难生产出含硫量小于0.005%的金属材料。并且为了充分发挥冶炼设备的生产能力，炉外脱硫工艺近期内有迅速发展。炉外脱硫分铁水脱硫和钢水脱硫两种根据不同的脱硫剂种类，可采用的方法有，1)铺撤法，利用金属池流自身的冲击进行搅执；2)摇动法，利用容器的转动或摇动进行混合；3)机械搅拌法，运用专门的搅拌装置；4)喷吹法，利用输送脱硫剂的气体，导入金属液内部喷吹搅动；或用氮、氩等非氧化性气体通过铁水罐或钢水包的底部透气砖，吹入金属液内部产生气泡而进行搅拌等。四.气化脱硫 在炼钢过程中，根据对炉气的分析，证明气化脱硫是存在的，其脱硫机制主要是炉渣中硫的气化(S2-)+3/2O2= SO2 +(O2-) 六、铁水同时脱硫、脱磷的预处理第5章 炼钢过程的去气1.钢中通常有哪些气体，各种气体对钢的性能影响如何？氧、氢、氮是金属材料中的主要气体杂质。气体可以显著降低钢和合金的性能，而且容易造成钢的多种缺陷。溶解在钢液中的气体在凝固过程中产生偏析现象，自凝固开始逐渐析集到钢锭的中心部位，促进中心疏松或显微疏松的形成，对钢材质量有很大影响。钢中的气泡和显微疏松在轧制和锻造过程中有的被焊合，有的则不能。气泡中CO气体和N2越多，气泡越大，越不易焊合。在加工方向上拉长的小气泡呈发纹状，称为发纹。这种缺陷在塔形试样上经酸浸后，能明显地显示出来，它降低了钢的机械性能，特别是对横向性能影响更大。氢在钢或合金中可能使钢材产生白点(又称发裂)。白点可以降低钢的塑性和抗拉强度，使金属过早地断裂，即产生所谓氢脆现象。氮扩大g相区，是一种很强的形成和稳定奥氏体的元素，在定条件下，可作为合金元素使用，如氮可用作代镍元素应用于Cr-Mn-N系不锈钢，或与其它元素配合，作为表面硬化元素。而一般地说，氮对钢，特别是对高温合金来说，是极为有害的元素。钢中的氮可以导致“时效脆性”。另一方面，氮可与钢中的钛、铬、铌、锆、铝等生成稳定的带有棱角的脆性氮化物和碳氮化物夹杂物。由于它们集中分布在晶界上，而使合金可锻性、高温强度和高温塑性变坏。2哪些因素影响钢中去气效果？(一) 渣-钢-气平衡反应的影响：不论金属的去气还是吸气，都与熔渣有着密切的关系。因此，渣-钢-气的平衡反应是常压法冶炼中影响去气的重要因素之一。提高熔渣的碱度，必然加大熔渣中氧离子的活度，从而增加了氢在钢液中的溶解度。另一方面，提高气相中水蒸气或氢气的分压力，同样会使钢中氢含量增加。(二) 原材料以及金属中含氧量的影响：冶炼过程中，向金属熔池内直接加入潮湿有锈的金属材料和潮湿的造渣材料及采用潮湿的浇注用耐火材料，等于直接向金属提供氢气。炉气中水蒸气分压越大，钢液中含氢量越高，这充分说明使用干燥炉料的必要性。钢液中含氧量越低，则含氢量越高，这说明在钢液脱氧以后，即在炼钢还原期和出钢浇注过程中要特别注意采取措施，防止吸气。(三) 合金元素的影响：钢中的各种合金元索对气体的去除有着一定的影响，这实质上是钢中不同合金元素通过对气体活度系数的影响来影响气体溶解度。(四) 气相中气体分压力PG的影响：在一定温度下，钢液中气体的溶解度与其分压力的平方根PG1/2成直线关系。即降低气相中的分压力PG可以促使气体G从钢液中排出。(五) 熔炼温度的影响：热力学观点：钢中含气量的多少与熔炼温度高低有关系。由于气体溶解于钢液是吸热反应，故熔炼温度升高，平衡常数K增大，气体溶解度增加；反之则降低。动力学观点：在金属熔池沸腾的情况下(例如C-O沸腾)或者是受到搅拌的情况下(例如感应炉中的钢液电磁搅拌)，A/V、D都变大，这将加快金属的去气速度。3炼钢过程中通常采用哪些措施去除钢中气体？一、在炼钢原材料质量、大气湿度和冶炼工艺上应注意的问题。(一) 提高炼钢用氧气纯度(二) 减少炼钢炉料带入的水分(三) 控制适宜的冶炼温度和出钢温度(四) 高温烘烤，彻底干燥炼钢所用耐火材料。二、氧化期脱碳去气。氧化期脱碳反应是去除气体的重要手段，要求氧化期做到高温氧化，激烈沸腾。在某种意义上可以说，氧化期碳沸腾的主要目的不是去碳，而是去气、去夹杂。为达此目的，一般炼钢氧化期均要求有定的脱碳量和脱碳进度。三、真空冶炼和钢液真空处理。由西华待定律，即气相中氢和氮的分压越低，则钢液中氢和氮的含量就越少。因此，真空冶炼可以显著地降低钢中的气体含量。从去氢的观点出发，真空熔炼可以很容易地将钢中氢脱到很低的程度。四、钢包吹氩搅拌。惰性气化吹入钢液后不参与反应，氩气中氢氮含量均很低，氩气进入钢液的瞬间，氩气泡对钢液中溶解的气体象一个小真空室，钢液中的氢和氮不断向氩气泡中扩散。氢或氮在氩气泡中的压力随着数量的增加而增高，但钢液中的氩气炮上升过程中受热膨胀，因而氢与氮的分压随着气泡上升仍保持在较低的水平，故氢、氮能继续向氩气泡中扩散，最后随氩气泡带出钢液。第7章 元素的挥发1. 炼钢过程中元素挥发过程包括哪几个步骤？真空感应熔炼过程中元素挥发是在合金液与气相接口上进行的，挥发过程包括如下六个步骤：1) 合金熔体内部挥发元素的原子向合金液表面迁移；2) 挥发元素的原子通过液相边界层扩散到合金液-气相界面；3) 在合金与气相界面，发生反应：lgpio=A/T+B；4) 气态挥发元素分子通过气相边界层扩散到气相；5) 气态挥发元素分子通过气相向冷凝壁迁移；6) 冷凝。2. 炼钢过程中元素挥发对炼钢过程和钢的质量有何影响？元素的挥发是影响合金钢及合金成分控制及纯洁度的重要冶金过程。炼钢过程中元素挥发包括：一、金属杂质元素的挥发。二、硫磷的挥发。三、合金元素的挥发。四、微量元素镁、硼、碲、镧的挥发。五、挥发脱氧。影响：真空熔炼可通过挥发去除一些有害杂质，例如铅、铋、银、碲等，这些元案能显著降低合金质量，而在非真空熔炼过程中又难于去除。采用真空熔炼是减少合金中有害杂质的有效方法，但伴随着有害杂质的去除，合金中有益组元也要挥发，造成合金元素的损失，并给准确控制合金成分在最佳成分范围之内，从而获得最佳的综合性能带来困难。第8章 钢和合金的结晶与凝固1纯金属与合金的结晶过程有哪些异同点？（not sure）纯金属结晶是在某个温度下进行。而合金的结晶是在某个温度范围进行。液态金属的凝固并非瞬时完成的，它分为形核、长大两个步骤。对于生产条件下的钢与合金，其晶体都以树枝状形态生长，称为枝晶。对于某些合金来说，溶质浓度在结晶前沿的液相中将会增高，而且由于得不到充分扩散的条件，以致阻碍了枝晶主干的继续牛长，于是在主干侧面的有利部位将派生出分枝，称为二次枝晶。同样，还会萌生出三次、四次等等的枝晶，一直到完全凝固为止。2铸锭组织中各区域的性能有何差异，哪些因素对个区域的大小有影响？整个锭子从里到外可以明显地分成三个晶区，等轴晶区、柱状晶区以及激冷细晶区。(一) 激冷细晶区。激冷细晶区是钢液在锭模中最先形成的钢锭最外层。当过热的钢液注入低温的锭模时，与模壁接触的钢液急剧冷却，过冷度很大，再加模壁粗糙，钢液有优越的形核条件。生产中影响激冷层厚度的因素有：(1) 结晶的形核率。钢液的过冷度越大，形核率越高，越有利于激冷层的形成。形核剂的催化效能。(2)在一定的过冷条件下，形核剂的催化效能越强越有利于激冷层增厚。(3) 金属的体积和激冷面积之比值越高则散热条件越差，激冷层厚度相对减小。(4) 金属的导热率高，有利于激冷层厚度加大。(5) 钢液对流强度越大，激冷层越薄。(二) 柱状晶。有明显方向性。由于结晶过程和夹杂和低熔点杂质在晶接口富集，而柱状晶有明显的方向性，所以柱晶区比较脆。特别是由柱晶构成的钢锭对角线是最薄弱的区域，在热加工时容易沿柱晶接口裂开而形成“角裂”，采用圆形锭模可以减少这种危害。影响柱状晶发展的因素：金属的过冷度增大，有利于柱状晶发展；模壁的冷却强度加大也能促进柱状晶发展；在相同的浇铸温度下，钢锭越大则柱状晶越长，浇铸温度高则柱状晶发达，合金元素凡能扩大固-液相线温度的则不利于柱晶的发展，增加外来质点或在浇铸时以外力振动，都会阻碍柱晶的发展。(三) 中心等轴晶区。在柱状晶向中心区发展的同时，钢液中已有大量断枝残片可作为晶胚，而且随着住状晶区厚度大，由于传热条件越来越差而使钢液内部的温度梯度变小，此时结晶前沿液体中的组成过冷区也在逐渐扩大、增宽，所以有利于新核的产生和长大。此外，这时钢液中的外来杂质集聚得较多，非均质形核的条件也较前优越，所有这些都是有利于生核长大的因素。等轴晶的晶粒大小直接影响金属的强度、韧性、硬度等一系列力学性质。3两种偏析的形成原因是什么？各对钢的性能有什么影响？钢和合金在凝固以后，各部位的化学成分、杂质成分以及结晶组织的分布都是不均一的，金属内部的这种不均匀性称为偏析。宏观偏析是指发生在较大区城内的、在试样经侵蚀后可用肉眼观察到的偏析。显微偏析，顾名思义是要在显微镜下才能观察到的，多属于元素、夹杂物或凝固析出相在晶粒间、枝晶间或晶界的分布不均匀。偏析产生的主要原因是由于固溶体在整个结晶过程中，溶质元素在液相和固相间要进行重新分配。钢液在浇铸过程中由于本身的动能，钢液凝固时的体积收缩，钢液各部位的密度或温度的差异以及凝固过程的气体析出等原因都会产生对流现象，留存在固-液两相区内而富集了各元素的钢液，在对流中被送至钢锭不同部位，从而形成凝固后的宏观偏析。如前所述，当这种成分不均匀现象出现在枝晶干和枝晶间时就形成所谓的显微偏析。4凝固过程中的收缩对钢的性能有和影响？根据收缩发生的不同阶段可将其划分为三个部分：液态收缩、凝固收缩以及固态收缩。由钢的液态收缩和固态收缩所产生的危害是不相同的。液态收缩(包括凝固过程的收缩)的危害发生在体积收缩后得不到液体金属的补充，其表现形式为缩孔与疏松。集中的孔隙部位称缩孔，细小分散的缺陷称疏松。铸件的缩孔和疏松会严重降低钢的机械性能，一般地说，疏松对铸件机械性能的影响为塑性的降低大于强度的下降。固态下收缩的危害程度对于不同钢种有较大的差别，例如当碳素钢中含碳量不同时，其凝固收缩率即有较大差别。钢锭冷却时由于各部位的冷却条件不同，所以相应部位的固态体积收缩量也不同，造成沿各等温面之间的热应力，这种热应力以及由各种相变引起的组织应力是钢锭产生裂纹的源泉，而低温裂纹的产生多源于相变应力。第9章 一次熔炼3. 氧气顶吹转炉炼钢工艺过程如何？通常把前一炉钢出钢到后一炉出钢的间隔时间称作一炉钢的吹炼时间。在采用单渣法冶炼时，典型的操作顺序是：炼完上一炉的熔渣之后，立即根据炉况进行补炉，然后堵好出钢口，把废钢装入空的炉子；再兑入铁水；将氧枪下至废钢和铁水以上的预定高度，开始吹氧，“点火”之后，立即将石灰、石灰石和适量萤石快速加入炉中，按规定的氧流量和氧枪高度吹一段时间，然后倾炉测试钢水温度并取样分机成分。如果温度过高而碳含量合适，则只采取冷却操作；如果温度低而碳含量高则进行补吹。最后添加合金料。如温度低碳又已接近成分中限，那只好先添加一定量Si再补吹。待温度、成分均合适，则打开出钢口出钢。5. 平炉炼钢工艺过程特点如何？与其它炼钢方法一样，平炉炼钢也必须把握好供氧、供热和造渣三个主要方面。(一) 补炉期(二) 装料和烧料期(三) 熔化期(四) 精炼期(五) 脱氧出钢。平炉炼钢法的主要特征是：第一，必须利用外来热源，第二，平炉熔炼室内始终处于氧化气氛，第三，炉子结构复杂热效率低。7. 与转炉、平炉炼钢相比，电弧炉炼钢有何特点？电弧炉炼钢是利用电极和炉料之间放电产生的电弧热，借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属和炉料冶炼出各种成分的钢及合金的一种炼钢方法。电弧炉炼钢与转炉、平炉炼钢相比有以下几个特点：(1) 靠自由电弧加热金属，炉内没有可燃气体，因此可以造成还原性气氛。(2) 电弧炉在熔化金属时，弧光埋在金属料中，可以大功率送电，迅速熔化金属，热损失少，温度控制也比较容易。(3) 以全部废钢为原料的电弧炉炼钢，基建投资省(仅为高炉-氧气转炉流程的30%)，能耗低(吨钢能耗仅为高炉-氧气转炉流程的40%)。 (4) 操作灵活性大，既可连续作业，也可非连续作业，因此特别适合机械厂生产铸钢件。但是，电弧炉炼钢由于电弧中气体离子的存在，熔炼时极易使钢水中气体含量增加。9. 氧化法冶炼的操作工艺过程如何？其中炉料熔化基本上分为哪几个阶段？氧化法冶炼的操作工艺过程：1补炉2装料3熔化期(1) 点弧 (2) 穿井(3) 主熔化阶段(4) 平熔池阶段4氧化期5还原期6出钢10. 冶炼操作各阶段的主要任务是什么？何时脱硫，何时脱磷？1补炉：首先对炉底和渣线部分进行投补和喷补，保证炉底完好形状。另外，出钢口由于冲蚀严重，也是必须每次要投补的部位。2装料：装金属料之前，一般均在炉底先垫上一层石灰，它可以达到保护炉底和提前造渣的目的。金属料装入时布料要合理，最底部装轻废钢，然后装重废钢，最上层再装轻废钢。3熔化期：熔化期任务就是熔化料，同时利用低温溢渣脱一部分磷，并保证钢液成分达到氧化期要求。4氧化期：氧化期的任务是：吹氧及加入铁矿石进行脱氧沸腾；造好高铁质高碱度流动性良好炉渣以脱磷，提高钢液温度并为进入还原期做好热能储备。5还原期。还原期任务是：在碱性还原渣下进行精炼，脱氧、脱硫，尽可能迅速地调整好钢液成分和温度。6出钢：当钢液成分及温度合适，且炉渣碱度流动性良好时，取钢样看“收缩是否良好”，当确信全部达到要求时，打开出钢口出钢。12. 依据什么样的原理进行感应冶炼？感应炉线圈相当于变压器的主线圈，坩埚里的炉料相当于变压器的副线圈，但这个副线圈只有一圈而且是闭合的。当感应因送上交变电流后，在圈内产生交变磁场，其磁力线切割干过中的金属炉料，在炉料中便产生感应电动势。由于炉料本身是个闭合回路，所以在炉料中产生了感应电流“涡流”，使炉料加热和熔化。“涡流”产生的热量可用焦耳定律表示，Q=I2Rt 感应电动势E可用下式求出：E=4.44fFn10-8 13. 解释一下“集肤效应”。交变电流通过金属零件时，电流密度分布是不均匀的。表面层电流密度大，越向中心电流密度越小。这种现象称为电流的“集肤效应”。14 说明一下感应炉冶炼的操作过程和注意事项。感应炉炼钢过程分为装料、熔化、精练和出钢浇注几个阶段。(一) 装料。装料前，应迅速清理干果内残钢残渣，并检查炉衬，局部侵蚀严重的可用水玻璃调和耐火材料修补。装料时下紧上松，不能一次加入的可分批加入。为了早期成渣，也可在坩埚底部加入少许造渣材料，一般是先加些小块金属料，再加造渣材料。(二) 熔化。炉料熔化期占整个冶炼时间三分之二以上，为加快快冶炼速度，应以高功率送电，随着炉料装入量、块度和种类的不同，以及炉料不断熔化的过程，感应炉的电感是在不断变化的，因此在熔炼过程中应当不断调整电容量，才能维持较高的功率因数。为了防止架料，应及时捅拨炉料，并且随时补加造渣材料。由于炉渣靠钢液加热，故应选用低熔点炉渣，同时还必须考虑炉衬性质。酸性坩埚多用普通玻璃作保护渣，碱性坩埚常用CaO-CaF2渣系。渣料必须精选,去掉各种有害杂质。渣量一般不超过金属装入量的3%。为了增强渣和钢的作用，要不断进行捣渣。(三) 精炼。为了调整钢液温度，炉料全熔后，功率要降下一些，缓慢升温，到脱氧良好、合金化完成时达到出钢温度的要求。(四) 出钢浇注。当精炼任务完成后，即可进行扒渣及挡渣翻炉出钢操作。为了保护钢液，往往在盛钢桶钢液面上均匀撤上适量的石灰粉。16. 真空感应炉冶炼工艺过程如何？（不重要）(一) 开炉前的准备工作(二)装料(三) 熔化(四) 精炼(五) 出钢浇注第十章1铸造的成型特点及其存在的主要问题是什么?特点:1适用范围广2可用于铸造的合金种类多3铸件的尺寸精度高4成本低廉问题：原料消耗多，动力消耗大，投入产出比相对较小。而且铸造过程会出现缺陷，受流动性影响，会产生浇不到和冷隔，气孔与夹杂；凝固结束后往往在铸件某些部位出现孔洞，即缩孔缩松。缩孔、缩松可使铸件机械性能、气密性和物化性能大大降低，以致成为废品。在铸当铸造应力超过余属的强度极限时，铸件会产生裂纹，裂纹是严重的铸造缺陷造时由于收缩会产生缩孔缩松；对于厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特点的杆类、板类及轮类等铸件，当残留铸造应力超过铸件材料的屈服极限时，往往产生翘曲变形；铸件的固态收缩受到阻碍会引起铸造应力同样是一种缺陷。2何谓合金的铸造性能?它可以用哪些性能来衡量，铸造性能不好，会引起哪些缺陷?合金的铸造性能是表示合金通过铸造成型(即液态成型)获得优质铸件的能力，通常用流动性、收缩性等来衡量。铸造性能是一个极其重要的工艺性能，对铸造成型过程中的铸造工艺、铸件结构及铸件质量有显著的影响。铸造性能不好，会引起浇不到，冷隔，气孔夹杂，缩孔，缩松，热裂，冷裂，铸造应力，变形和裂纹等缺陷。3 常用铸造合金中，哪种合金铸造性能较好?哪种合金铸造性能较差?为什么?纯铁和共晶铸铁铸造性能好，亚共晶铸铁，碳钢和铸钢的铸造性能较差。因为合金的铸造性能常用流动性来衡量，纯铁和共晶铸铁的流动件最好，亚共晶铸铁和碳钢随着结晶温度范围增加，流动件变差。由于铸钢熔点高，钢液过热度(浇注温度和液相线温度之差)比铸铁小，维持液态的流动时间短；此外，由于钢液的浇注温度较高，在铸型中散热快，迅速结晶出一定数量的树枝晶，使钢液更快地失去流动能力，所以铸钢(C0.6%)的流动性比铸铁差。4 可采用哪些措施提高合金的流动性?为提高合金的流动性，应尽量选用共晶成分合金，或结晶温度范围小的合金；应尽量提高金属液质量，金属液愈纯净，含气体、夹杂愈少，流动性愈好。但在许多情况下，合金是确定的，需从其他方面采取措施提高流动性，如提高烧注温度和压头、合理设置浇注系统和改进铸件结构，降低系统结构的复杂度，选择合适的铸型等。5 缩孔和缩松是怎么形成的?可采用什么措施防止?凝固结束后往往在铸件某些部位出现孔洞，大而集中的孔洞称缩空，细小而分散的孔洞称缩松。缩孔形成的条件是：金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件壁呈逐层凝固方式。原因是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿。形成缩松的基本原因也是合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。但主要出现在呈糊状凝固方式的合金(结晶温度范围较宽)中或断面较大的铸件壁中。措施： 按照顺序凝固原则进行凝固 合理确定内浇道位置及浇注工艺 合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施6 按形成原因分，铸造应力有哪几种?什么是热阻碍?什么是机械阻碍?铸件的固态收缩受到阻碍而引起的内应力，称铸造应力。阻碍按形成的原因不同分为热阻碍和机械阻碍。热应力是由于铸件壁厚不均，各部分收缩受到热阻碍而引起的。落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种残留铸造应力。铸件冷却到弹性状态后，因收缩受到铸型、型芯和浇、冒口等的机械阻碍而产生的应力，称机械应力。8 什么是顺序凝固原则和同时凝固原则?各适用于什么合金及铸件结构特点? 顺序凝固原则是指采用各种工艺措施，使铸件上从远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固。适用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩孔的合金。同时凝固的原则是通过浇口开在铸件薄壁处，厚壁处安放冷铁以加速冷却等措施，使铸件各部分温度尽量相等，从而实现同时凝固。适用于收缩较小的普通灰铸铁，也用于结晶范围大，不易实现冒口补缩，对气密性要求不高的锡青铜铸件或各种合金壁厚均匀的薄壁铸件(冷