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24钢铁的冶炼钢铁材料是由铁、碳以及硅、锰、磷、硫等元素所组成的金属材料。钢铁的冶炼过程，对其中杂质的来源以及钢铁材料的性能有重要影响。所以，我们应对钢铁的冶炼进行概要的了解。241炼铁铁在地壳中储量很大，约占其总质量的4.7%。铁元素的化学性质很活泼，自然界中的铁都以它的化合物形式存在，其中多数是氧化物。含铁量较多且具有冶炼价值的矿物称为铁矿石。炼铁就是从铁矿石中提取铁及其他有用元素形成铁产品的过程。（1）炼铁的原料及其作用炼铁的原料主要有铁矿石、燃料和熔剂等。a.铁矿石铁矿石是提供铁元素的主要物质。铁矿石中除含铁的氧化物外，还含有脉石（、）和杂质（S.P等）。常见的铁矿石有两种：磁铁矿和赤铁矿。磁铁矿它的主要化学成分是，有磁性，多为黑色。纯磁铁矿含铁72.4%。由于有脉石及杂质的存在，通常磁铁矿实际含铁量约为4070%。这种矿石质地坚硬而细密，较难还原。赤铁矿它的主要成分是，呈赤红色，一般没有磁性。纯赤铁矿含铁70%。通常矿石实际含铁量约为4065%。这种矿石质地较松，较易还原。b.燃料炼铁的主要燃料是焦碳。焦碳在熔炼过程中起着双重作用：燃烧产生热量，提供熔炼过程所需的高温；碳以及产生的一氧化碳，是冶炼必须的还原剂。c.熔剂矿石中的脉石及燃料中的灰分熔点都很高，为了使还原出的铁与它们分离，必须加入熔剂。常用的熔剂主要是石灰石（CaCO3）。溶剂与脉石及灰分相互作用，生成熔点低，比重轻、流动性好的熔渣，易于从铁水中分离出来。（2）高炉冶炼过程炼铁的过程实质上就是还原过程，即将铁矿石中铁的氧化物还原成铁。现代炼铁通常采用高炉进行熔炼。a.高炉炼铁的基本过程图1-12为高炉炼铁示意图。首先，往高炉内加入引火材料和足够的底焦，并进行点火；预燃充分后，将矿石、燃料和溶剂按一定比例交替装入炉内，直到炉喉；由风口送入热风，助燃使炉温迅速升高，产生大量的高温原原性炉气；在上升的炉气作用下，缓慢下降的炉料预热、升温、还原、造渣，经一系列反应后，生成铁水和液态熔渣；当积蓄在炉缸中的铁水达到一定量时，先后从出渣口排渣从出铁口出铁。b.高炉炼铁的基本反应炼铁的基本反应主要有三方面：炉气的生成焦炭在高炉内燃烧放出大量的热，并生成二氧化碳气体。炽热的焦炭与二氧化碳反应生成以一氧化碳为主的还原性炉气。其反应式如下：铁的还原矿石中铁的氧化物被炉气加热并逐步还原。其反应式为：铁在还原出来的同时，在高温下吸收一部分碳和少量的锰、硅以及杂质硫、磷构成铁水成分。溶剂的造渣反应溶剂在高温下分解，并与矿石中的脉石和焦炭的灰分反应，形成熔渣。其反应式为：液态溶渣浮于铁水上面，在出铁前从位于上部的出渣口排出。（3）高炉的产品高炉的主要产品是生铁。生铁主要用作炼钢的原料。另外，高炉生铁经过孕育处理等方法，使生铁中的碳以石墨形态析出，可得到灰口铸铁等各种铸造用铁。高炉的副产品是煤气和炉渣。高炉煤气是良好的燃料；炉渣可制造建筑材料等，用途广泛。242炼钢（1）炼钢的基本原理生铁是炼钢的主要原料，它与钢相比含碳量高（大于2.11%），同时硅、锰、硫、磷的含量也高。炼钢就是将生铁中的碳以及硅、锰、硫、磷的量减少到钢的要求范围内。采用在15001700的高温下，吹入空气、氧气或加入其它物质（如铁矿石）等氧化剂的方法，使碳以及硅、锰、硫、磷氧化，生成气体或炉渣得以排除。所以，炼钢过程实质上是碳和杂质氧化的过程。a.碳、硅、锰的氧化进入铁液中的氧首先与铁反应生成氧化亚铁（），然后再与其他元素反应。其反应式如下：其中硅、锰在氧化时放出大量的热，可作为炼钢的热源补充。生成的、经过造渣（熔剂）被去除。b.去磷、去硫磷、硫在钢中是有害的，它们分别使钢材产生冷、热脆性，炼钢时必须尽可能的去除。生铁中的磷先与作用生成，再与加入的熔剂作用，形成磷配钙进入炉渣，其反应式如下：c.钢的脱氧炼钢过程中加入的氧，使碳、硅、锰等成分氧化的同时，也使钢液中的铁过多的氧化，必须进行脱氧，才能获得合格的钢。脱氧时加入硅铁（合金），锰铁（合金和铝等脱氧剂，脱氧剂与的反应式如下：脱气形成的、在熔剂作用下，形成熔渣得以去除。当钢液的成分与温度均达到规定要求时，便可出钢。（2）炼钢方法现代炼钢方法主要有转炉炼钢、平炉炼钢和电炉炼钢等三种。根据炉衬耐火材料的性质，各种炼钢炉又可分为酸性能炉（炉衬的主要成分为二氧化硅）和碱性炉（炉衬的主要成分为氧化镁、氧化钙）两种。目前，世界各国多采用碱性炉衬。a.转炉炼钢法转炉炼钢法是利用纯氧或空气吹入的方法，使碳、硅、锰、磷、硫等元素去除，并靠硅、锰等元素氧化时放出的热量，升高铁水温度，从而得成分、温度合格的钢水。图1-13a为氧气顶吹转炉示意图。转炉炼钢法不消耗外部燃料，冶炼时间短（几十分钟一炉），生产率高，钢的品种多、质量好、成本低、投资少，所以被广泛采用。b.平炉炼钢法平炉炼钢法是利用煤、天然气或重油等燃烧提供热能，使炉料熔化，靠炉气中的氧和加入的铁矿石使铁水中的碳、硅、锰、磷、硫氧化去除，获得合格钢水。图1-13b为平炉示意图。来炉炼钢法原料条件可以放宽，冶炼过程容易控制，钢的品种、质量和转炉相近，但冶炼时间长（几小时一炉），生产率低。c.电炉炼钢法电炉炼钢法是利用电能作热源的炼钢方法。常用的电炉有电弧炉和感应炉两种。电弧炉炉盖上开有三个圆孔，插入石墨电极。通电时，电极与炉料之间产生电弧，依靠民弧发出的热量将炉料熔化。加入铁矿石氧化碳、硅、锰、磷、硫等元素，再用石灰石造渣清除，得到合格钢水。图1-13c为电弧炉示意图。电弧炉炼钢法依靠电弧加热，炉内温度高，可以冶炼难熔的合金钢。炉内气氛及炉渣成分容易控制，除硫、磷很彻底，钢的质量优良。但因耗电量大，生产成本高。三种炼钢方法的特点比较见表2-3。表2-3三种炼钢方法的特点炼钢方法热源主要原料生产特点主要产品氧气转炉氧化反应的化学热液态炼钢生铁、废钢冶炼速度快、生产率高、钢的品种、质量与平炉大致相当碳素钢和低合金钢平 炉煤矿气、天然气、重油燃烧炼钢生铁、废铜容量大，冶炼时间长，工艺过程容易控制电 弧 炉电弧放电废钢、炼钢生铁炉料通用性大，炉内气氛容易控制，能冶炼难熔的合金钢，钢的质量优良合金钢（3）钢的浇注方法钢炼成后，除少量直接铸成铸件外，绝大部分都要浇注成钢锭、轧制成型材。钢的浇注方法主要有模铸法和连铸法两类。a.模铸法图2-14a、b是模铸法的示意图。钢水浇入一定形状的钢锭模中，凝固后打开钢锭模，得到钢锭。根据钢水的脱氧程度不同，可将钢锭分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢三类。镇静钢钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行充分脱氧，钢水在钢锭模内平静地凝固，得到镇静钢锭。镇静钢化学成分均匀，组织比较致密，但钢锭上部有集中缩孔（见图2-15），钢锭使用时必须切除，故钢锭的可使用率低。沸腾钢钢液在熔炼末期仅用锰铁进行脱氧，钢液中残留的氧在钢锭模内继续与碳反应形成，使钢液呈沸腾状态，直至冷却凝固。这种钢不产生集中缩孔，切头损失少，但钢的成分不均匀，组织不致密，内部有气孔、钢材质量较差。半镇钢介于镇静钢和沸腾钢之间的钢种。模铸法设备复杂、工序多、劳动强度大、钢水损失多，现多被连铸法取代。b.连铸法图1-14c是连铸法示意图。钢水通过中间罐连续地注入水冷结晶器中，钢液的热量被冷却水迅速带走，形成一定厚度的坯壳，通过拉坯机拉出结晶器，坏壳内的钢液在二次冷却区的喷水冷却时完全凝固，经矫直后切成一定长度的钢坯。通常连铸机与轧制机相连，钢坯直接进入轧制机中进行轧制，生产出各种型材，如圆钢、方钢、钢板、无缝钢管、槽钢、角钢、钢轨或其它特型材料等等。连铸法的成材率高，可实现自动化生产，劳动强度低、生产效率高、是先进的铸锭方法。25钢的分类、牌号与火花鉴别实验251钢的分类钢的分类方法很多，常用有以下几种：（1）按钢的含碳量分类根据钢的含碳量高低可将钢分为：a.低碳钢含碳量0.25%的钢。b.中碳钢含碳量为0.25%0.60%的钢。c.高碳钢铁含碳量0.60%的钢。（2）按钢的质量分类 根据钢中有害杂质元素S.P含量的多少可将钢分为三类。a.普通钢钢中S0.055%，P0.045%的钢。b.优质钢钢中S0.045%，P0.04%的钢。c.高级优质钢 钢中S0.03%，P0.035%的钢。通常高级优质钢在钢号后用英文字母A标示。（3）按钢的化学成分分类 根据钢中的化学成分钢可以分为：a.碳素钢以碳为主要合金元素的钢，常含有Si、Mn、S、P等杂质元素。b.合金钢除了碳，还有意加入一种或几种其它合金元素的钢。这些元素的加入使钢的某些性能得到改善或具有特殊性能。（4）按钢的用途分类根据钢的用途不同可将钢分为：a.结构钢主要用于制造各种工程构件的钢，如桥梁、船舶、建筑和机械的结构性零件。所谓结构性零件就是在产品中构成结构主体，主要起支承、连接、传递动力和运动的作用，以受力为主要任务的零件。此类零件占工程制造零件总量80%以上，因此，结构钢是所有钢材用量最大的种类。通常结构钢多为中、低碳钢，经过适当热处理其性能要求突出综合性力学性能，即强度、硬度、塑性、韧性结合均衡，重点考量强度和韧性、结构性零件中，弹簧和轴承对强度、硬度的要求较高，有些也采用高碳钢。b.工具钢主要用于制造各种工具的功能工作部件的钢。在机械制造中，工具主要包含刀具、量具、夹具、模具等，它们主要具备切削、测量、夹持和成形等功能。工具钢一般为高碳钢，在经过锻造和热处理之后，其性能突出强度和硬度。c.特殊性能钢用于制造特殊性能要求零件的钢。如不锈钢、耐热钢、磁钢等。特殊性能钢是通过加入适当的合金元素。使钢材具有特殊性能的。在实际生产中，钢的分为是以用途分类为主体，其它分类综合应用。如45钢属于优质碳素结构钢，表明它为优质级的主要用于生产结构件的碳素钢。合金钢因为加入了不同的合金元素，使钢的某些性能得到改善，派生出一些专门用于特定的零件和加工方法等专业用途的钢种，如弹簧钢、滚动轴承钢、刃具钢、量具钢、热模钢、渗碳钢、调质钢等。2.5.2 钢的牌号及其含义世界各国都有各自的钢号编制系统，我国也根据自己钢材生产和使用的需要，制定了钢材的编号标准。这里通过一些钢号实例，对钢的牌号及其含义进行简略的认识。（1） 碳钢的牌号及其意义（见表2-4）表2-4 碳钢的编号方法说明牌号类别名称编号含义Q235F普通碳素结构钢“Q”为“屈”字汉语拼音首字母，表示力学性能强度指标屈服极限，也可直接读作“屈”。“235”表示钢的屈服极限不低于235MPa。后缀字母F、b分别表示沸腾钢、半镇静钢。45优质碳素结构钢“45”为钢的含碳量的百分数，表示钢的含碳量约为0.45%。大多数结构钢用含碳量的百分数计入钢号首端。65Mn优质碳素结构钢钢的含碳量约为0.65%，后缀“Mn”表明含锰约1%.T10A高级优质碳素工具钢“T”为“碳”字汉语拼音首字母，表示碳素工具钢。10为钢的含碳量的千分数，表示钢的含碳量约为1%。工具钢用含碳量的千分数计入钢号。后缀字母“A”表示质量等级为高级优质级。（工具钢：合金钢均为优质以上质量等级）。ZG200-400碳素铸钢“ZG”为“铸钢”汉语拼音首字母。200表示强度指标屈服极限不低于200MPa。400表示抗拉极限不低于400MPa。（2）合金钢的牌号及其含义（见表2-5）表2-5 合金钢的编号方法牌号类别名称编号含义60Si2Mn合金结构钢（弹簧钢）钢的含碳量约为0.6%。合金元素硅的含量约为2%，锰的含量约为1%。合金钢的牌号中合金元素符号后的数字表示该合金元素含量的百分数。40Cr合金结构钢（调质钢）钢的含碳量约为0.4%。合金元素铬的含量约为1%。此为低合金结构钢（合金元素总含量5%）。20CrMnTi合金结构钢（渗碳钢）钢的含碳量约为0.2%。合金元素铬、锰、钛的含量各约为1%。GCr15合金结构钢（滚动轴承钢）“G”为“滚”字汉语拼音首字母，表示滚动轴承钢。含碳量不标出，为1%左右。合金元素铬的含量用千分数表示（仅在滚动轴承钢采用），约为1.5%。9SiCr合金工具钢（刃具钢）钢的含碳量约为0.9%。合金元素硅、铬的含量各约为1%。W18Cr4V合金工具钢（高速钢）钢的含碳量不标出（高速钢均如此），约为0.8%。合金元素钨的含量约为18%，铬的含量约为4%，钒的含量约为1%。此为高合金钢（合金元素总含量10%）。Cr12合金工具钢（模具钢）钢的含碳量约为2%（合金工具钢）的含碳量1%时，含碳量不标出）。合金元素铬的含量约为12%。5CrMnMo合金工具钢（热锻模具钢）钢的含碳量约为0.5%（中碳钢）。合金元素铬、锰、钼的含量各约为15。0Cr13特殊性能钢（不锈钢）特殊性能钢的含碳量以千分数标示，钢号前“00”和“0”分别表示含碳量0.03%和0.08%。合金元素铬的含量约为13%。此钢为铁素体不锈钢，有磁性。1Cr18Ni9Ti特殊性能钢（不锈钢）钢的含碳量约为0.1%。合金元素铬的含量约为18%，镍的含量约为9%，并含有少量的钛（1%）。此钢为奥氏体不锈钢，无磁性。钛的加入可改善高温耐蚀性。（3）铸铁的牌号及其含义（见表2-6）表2-6 铸铁的编号方法说明牌号类别名称编号含义HT200灰口铸铁“HT”为“灰铁”汉语拼音首字母。200表示强度指标抗拉极限不低于200MPa。KTZ450-06可锻铸铁“KT”为“可铁”汉语拼音首字母。“Z”代表珠光体，“H”代表黑心，分别表示不同类型的可锻铸铁。450表示抗拉极限不低于450MPa，06表示塑性指标伸长率不低于6%。QT400-18球墨铸铁“QT”为“球铁”汉语拼音首字母。400表示抗拉极限不低于400MPa，18表示伸长率不低于18%。（4）其它常见金属材料代表“T”为纯铜（紫铜），“H”为黄铜（铜锌合金），“B”为白铜（铜镍合金）。“L”为纯铝，“LY”为硬铝，“LD”为锻铝，“LF”为防锈铝。铸造铝合金可以用“ZL”为代号，或直接写成“ZAlSi12”表示含硅量为12%的Al-Si系铸造铝合金。2.5.3钢铁材料的火花鉴别试验将钢铁材料在高速旋转的砂轮上磨削，根据产生火花的形状、亮度、颜色等特征，大致判断钢铁材料的种类和化学成分，这种方法称为火花鉴别法。火花鉴别法是生产现场常用的对钢铁材料进行粗略检定的简便衫的手段，主要应用于：鉴别钢号混杂不清或特性可疑的钢材；验证比较碳钢的含碳量；检查钢材表面上脱碳情况；鉴定合金元素类别。如果要对钢铁材料的成分进行准确的鉴定，须送计量部门进行理化试验。（1）火花鉴别的原理 当高速旋转的砂轮磨削金属时，表层一些金属被砂轮的磨粒刮削下来，形成细少的金属粉粒，沿砂轮旋转的切线方向飞出。由于在被磨削时，砂轮的高速摩擦和金属的变形与破裂，飞射出的金属粉粒具有很高的温度，有些甚至已处于半熔融状态。高温的金属粉粒在空气中发生急剧的氧化，燃烧发热发光形成光亮的流线，显现出飞射的轨迹。这种金属粉粒的剧烈燃烧产生的热量，又进一步使金属粉粒内部熔融，或达到燃点，其表层已氧化的金属氧化物为其提供了氧，某些成分如碳燃眉之急烧形成气体，从粉粒内部迸发出来，形成爆裂和火花，或改变粉粒的飞行方向。不同的元素燃烧呈现出各自火焰色，最终汇集形成各自纷繁丽的火花形态。火花鉴别正是通过考察火花的不同形态特征，根据各种元素成分在燃烧过程中呈现的不同特点，经过分析检定和实验对比，来进行材料的鉴别。（2）火花的组成与形态特点材料在砂轮磨削时产生的火花整体称为火束。全部火束可分为根部、中部、尾部三部分。如图1-16所示。a.流线火束中明亮的线条称为流线。不同成分的金属流线形态是不同的，常见的流线如图2-17所示。碳钢火束中，其流线呈平滑形态；铬钢和铬镍钢火束中常夹有波浪流线；钨钢和高速钢火束流线呈断续形态。b.节点和芸线流线中途爆裂的地方叫节点。由节点发射出来的细流线称为芸线，如图2-18所示。c.节花与花粉在流线（或芸线）上由节点，芸线所组成的火花称为节花。由流线上的节点和一次芸线形成的节花叫一次节花；由一次芸线上的节点和二次芸线形成的节花叫二次节花；由二次芸线上的节点和三次芸线形成的节花叫三次节花。三次节花中分布着的点状火花称为花粉。如图2-19所示。钢的含碳量不同，发射出来的芸线次数也不同。只有一次节花的，钢的含碳量小于0.25%；二次节花是中碳钢的特征；含碳量愈多三次节花越多，花粉也多。d.尾花火束尾部的火花称为尾花。如图2-20所示，直羽尾花是硅元素的特征；枪尖尾花呈箭头状，流线尾部膨胀呈三角形，它是钼元素的特征；狐尾花粗亮弯曲，是钨元素的特征。（3）合金元素对火花的影响a.锰（Mn）助长火花爆裂的元素。节花心部有较大的白亮节点，花型较大，芸线细而长，节花为多根分叉的三次花、呈星形。b.铬（Cr） 助长火花爆裂的元素。火花爆裂非常活泼，花型较大，分叉金而细，火束短，附有许多碎花。c.硅（Si）抑制火花爆裂的元素。火速短，流线较粗，呈红色，爆花呈喇叭口形，花间有许多白亮的闪光点，有直羽。d.镍（Ni） 抑制火花爆裂较弱的元素，发光点强烈闪目，尾花呈喇叭状。e.钼（Mo）抑制火花爆裂的元素。尾部先行膨胀呈枪满面春风，含钼越多，枪尖尾花爆裂越明显。f.钒（V）助长火花爆裂的元素。火束呈黄亮色，使流线、芸线变细。g.钨（W）抑制火花爆的元素。火束呈暗红色，尾部为狐尾花，断续