钢铁冶金学(炼钢学)ppt课件

炼钢，朱妙用教授东北大学钢铁冶金研究所，1，内容摘要，炼钢概述炼钢基础理论炼钢的原料顶吹氧气转炉炼钢方法顶底吹转炉炼钢方法钢的连铸，2，第一章介绍了炼钢开发过程我国钢铁情况的炼钢基本任务钢的分类，3，1.1炼钢开发过程，钢和生铁的区别，4，钢铁应用前景，钢铁良好的物理化学性能和机械性能，拉伸、压力、轧制、冲孔、胶水等深加工，用途很广；用途不同的钢对性能的要求也不同，对钢的生产也提出了不同的要求。5、石油、化学、航空、运输、农业、国防等许多重要领域需要多种类型的钢。我们的日常生活离不开钢铁。总之，钢将成为21世纪使用最广泛的结构材料和主要功能材料。6，炼钢方法(1)，最早出现的炼钢方法是1740年出现的坩埚法，将生铁和废铁放在石墨和粘土制成的熔炉上，用火焰加热熔化的炉料，然后将熔化的炉料倒入钢炉中。这种方法几乎没有杂质元素的氧化。7，炼钢方法(2)，1856年，英国人亨利贝塞米尔发明了酸性空气底吹转炉的炼钢方法，也称为贝塞密法，首次解决了用钢直接冶炼钢水的问题，提高了炼钢质量，但该方法要求钢水的硅含量大于0.8%，不能脱硫。现在已经淘汰了。8，炼钢法(3)，1865年，德军廷恩利用再生器原理，发明了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢法(马丁炉)。1880年出现了第一条碱性平炉。由于成本低，高炉容量大，钢质量高于转炉，同时原料适应性强，平炉炼钢法仍然是主要的炼钢方法。9，炼钢法(4)，1878年英国人托马斯发明了碱性炉底吹转炉炼钢法，即托马斯法。他在吹炼过程中加入石灰，制造碱性渣，解决了高磷铁水的脱磷问题。当时西欧的一些国家特别适用，因为西欧的矿石一般磷含量高。但是托马斯法的缺点是炉龄地板和钢水的氮含量高。10、炼钢法(5)，1899年出现了完全依靠废钢为原料的电弧炉(EAF)，解决了充分利用废钢铁炼钢的问题，这种炼钢自出现以来不断发展，目前作为主要炼钢法之一，在电炉上冶炼的钢铁目前占世界钢铁生产量的30-40%。11，炼钢方法(6)，瑞典人罗伯特绕路先进行氧气顶吹转炉的炼钢，取得了成功。1952年，奥地利的林茨和顿涅茨克这个城市被称为Linz法，因为30吨氧气顶吹转炉车间完工并投入使用。美国称为BOF法(BasicOxygenFurnace)或BOP法。12，LD/BOF/BOP，13，炼钢方法(7)，1965年加拿大液化气公司用双层管氧喷嘴开发的1967年西德马克西米利安钢铁公司引进了此技术，basblow氧气转炉炼钢法，OBM法1971年，美国钢铁公司引入了OBM法，于1972年建造了三个名为Q-BOP(QuietBOP)的200吨底吹转炉。14，OBM/Q-BOP，15，炼钢法(8)，1978-1979年转炉顶端供氧(顶吹氧气)，转炉底端提供惰性气体或氧气的转炉顶底复合吹炼工艺的成功开发，16，LD-Q-BOP，17，炼钢法(9)，我国首先在1972-1973年沈阳第一钢厂成功开发了氧气侧吹转炉炼钢工艺。唐钢等企业的大众化和应用。，18，简单地说，在炼钢技术发展了200多年后，技术水平、自动化水平将大大提高，21世纪的炼钢技术将面临更大的挑战，相信新技术将不断出现。19，1.2以我国钢铁工业为例，我国曾经掌握了炼铁技术，东汉时期出现了冶炼和锻造技术，北部和南部时期掌握了灌溉钢法，处于全球领先地位。但是旧中国钢铁产业非常落后，产量少，从1890年建设的汉阳钢铁厂到1948年半世纪钢铁产量累计为200万吨，到1949年只有15.8万吨。20、新中国成立后，特别是改革开放以来，中国钢铁事业快速发展，1980年钢铁产量3712万吨，1990年6500万吨，1996年首次突破1亿吨，相当于世界第一生产钢铁大国，2005年全年产量的三分之一，年产量3.4亿吨。可以说，我国的钢铁产业对世界产生了重要影响，我国不仅是钢铁强国，已经开始进入钢铁强国的行列。21、我国粗钢产量变化情况22，1.3炼钢的基本任务，炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱酸、有害气体和非金属夹杂物的去除、温度增加和成分调整。“脱”(碳、氧、磷、硫)、“脱”(脱机和脱机)、“调整”(成分和温度)。主要技术包括供氧、炉渣、温升、脱氧剂和合金操作。23，1.3.1钢的磷是大多数钢的有害元素。钢的磷含量高会导致钢的“冷脆”。也就是说，如果高温降至0以下，钢的塑性和冲击韧性会下降，钢的焊接性能和冷弯曲性能会下降。磷是降低钢表面张力的因素，随着磷含量的增加，钢的表面张力明显减小，钢的抗裂性降低。24，磷是继硫后连续铸造坯中的高分离元素，在铁熔体中扩散速度很低，难以消除磷的分离，严重影响钢的性能，因此脱磷是炼钢过程中的重要工作之一。25，磷在钢中以Fe3P或Fe2P形式存在，但通常用P表示。炼钢过程的脱磷反应在金属液和渣界面上进行。用途不同的钢对磷含量有严格的要求。非合金钢的一般质量等级钢p8804；0.045%；优质钢p8804；0.035%；特殊质量等级钢p8804；0.025%；有些甚至p8804；要求0.010%。某些钢：炮弹钢，防腐钢需要p元素。26，1.3.2钢的硫，硫会对钢的性能产生不良影响，钢的硫含量高会降低钢的热处理性能。也就是说，钢的“热脆性”发生了。硫以FeS形式存在于钢中，FeS的熔点为1193 ，由Fe和FeS组成的共晶的熔点仅为985 。液体Fe和FeS可以无限相互溶解，但在固体熔体中，其溶解度仅为0.015%-0.020%。27，在钢的s 0.020%处，凝固分离导致Fe-FeS共结晶分布在晶界，在1150-1200 的热加工过程中，在晶界中，共晶体熔化，钢压缩时，发生晶界破裂，即“热脆性”现象。钢的氧含量高时，FeS和FeO形成的微晶熔点更低(940)，钢的“脆性”现象更严重。28，锰可在钢的凝固范围内产生MnS和少量FeS，纯MnS的熔点为1610，共晶FeS-MnS (93.5%)的熔点为1164 ，它们有效地防止了钢的热加工过程的“热塑性”。29、冶炼普通铁种时Mn应控制在0.4%-0.8%。在实际生产中，Mn/S比率被控制为一个指标，Mn/S对钢的热塑性有很大影响。在低碳钢高温下拉伸实验表明，提高Mn/S比可以提高钢的热延展性。在一般的Mn/s 88see7中，不会发生热破断。30，与图1-2Mn/S对低碳钢热延展性的影响相比，31，硫还显着降低了钢的焊接性能，引起高温裂纹，在焊接中产生气孔和松动孔，降低了焊接强度。硫含量超过0.06%，钢的耐腐蚀性会大大恶化。硫是连铸坯最严重的元素。，32，对硫含量有严格规定的钢各不相同。非合金钢的一般质量等级钢s8804；0.045%质量等级钢s8804；0.035%，特殊质量等级钢s8804；0.025%管线钢s8804；也有0.005%或更低的钢。某些钢(例如易于切削的硫)作为合金元素添加，需要S=0.08%-0.20%。33，1.3.3钢的氧气在吹炼过程中为熔池提供大量氧气，到吹炼截止点为止，钢水含有过多的氧气。也就是说，钢的实际含氧量高于平均水平。在没有脱氧的情况下，钢和铸件温度降低，氧气溶解度降低，促进碳和氧的反应，钢液戏剧性沸腾，难以铸造，不能得到能正确凝固组织结构的连铸坯。34、钢的氧含量高，产生皮下气泡、疏松等缺陷，硫的热脆性恶化。在钢的凝固过程中，氧以氧化物的形式大量析出，会降低钢的塑性、冲击韧性等可加工性。一般来说，钢的总氧，即氧化物的氧和溶解氧的和，是对钢的溶解氧和平板或钢的取样时钢的溶解氧的测量。35、脱酸作业，根据具体铁种将钢的氧含量降低到所需水平，确保凝固时钢的合理凝固组织结构；适合形态，确保成品钢中非金属夹杂物含量最低，分配适当，钢的各种性能指标；得到微粒结构组织。常用脱氧剂是Fe-Mn、Fe-Si、Mn-Si、Ca-Si等合金。36，1.3.4钢的气体，钢的气体会显着降低钢的性能，并引起钢的很多缺陷。钢中的气体主要指氢和氮，可溶于液体及固体纯铁和钢。氢在固体钢中的溶解度很小，在钢水的凝固和冷却过程中，氢与CO、N2等气体一起析出，形成了皮下气泡中心收缩、松散点、白点和头发图案。37，钢热处理中含有氢的气孔向加工方向扩大，产生裂纹，产生钢的强度、塑性、冲击韧性下降的“氢脆”现象。在钢的纵向横截面上，圆形或椭圆形的银白色斑点称为“白点”，实际上是交错的小裂纹。主要原因是钢中的氢在小孔电极上析出的压力和钢相变产生的组织应力的合成力超过了钢的强度，产生了“白点”。一般白点会产生低于2000C的温度。38，钢中的氮以氮化物形式存在，对钢质量的影响反映了双重性。含氮量高的钢长期放置就会变脆，这种现象称为“老化”或“老化”。原因是钢中氮化物的沉淀速度慢，钢的性能逐渐改变。低碳钢的脆性比磷更大。钢的氮含量高，在250-4500C温度范围内，表面蓝色，钢的强度高，冲击韧性低，被称为“脆”。氮含量增加会降低钢的焊接性能。39，在钢中添加适量铝，产生稳定的AlN，抑制Fe4N生成和析出，不仅防止钢的时效性，还防止奥氏体晶粒的生长。氮是合金元素，可以起到晶粒细化的作用。在冶炼铬钢、镍铬钢或铬锰等合金钢时，添加适量的氮，可以提高塑性和高温可加工性。40，1.3.5钢中的夹杂物，钢中的非金属夹杂物可按来源分为外部夹杂物和内生夹杂物。外来的夹杂物是在冶炼及铸造过程中流入钢水的矿渣及耐火材料和钢水的大气氧化所产生的氧化物。41，包括内生：脱氧产物；当钢水温度下降时，硫、氧、氮等杂质元素溶解，显示为非金属夹杂物。凝固过程中溶解度减少，分离引起反应的产物；固体钢的相变溶解度变化产生的产品。钢的内生夹杂物大部分发生在脱氧和凝固过程中。，42，根据成分，夹杂可分为氧化物夹杂，即FeO，MnO，SiO2，Al2O3，Cr2O3等简单氧化物；FeO-Fe2O3、FeO-Al2O3、MgO-Al2O3等尖晶石和各种钙铝的复合氧化物；硅酸盐，例如2FeO-SiO2、2MnO-SiO2、3MnO-Al2O3-2SiO2等；硫化物夹杂物，如FeS、MnS、CaS等；包括AlN、TiN、ZrN、VN、BN等氮化物。43，根据处理性能，夹杂物可以分为：塑料夹杂物在热加工时沿加工方向延伸到带钢。尖晶石型夹杂物，熔点高的氮化物等完全没有塑料的夹杂物脆性夹杂物；SiO2占70%以上的硅酸盐、CaS、铝酸钙等粘性不变的夹杂物。非金属夹杂物严重影响钢的性能，因此，在炼钢、精炼和连铸过程中，应尽量减少钢中夹杂物的含量，控制其形状和大小。44，1.3.6钢的成分(碳)，炼钢的重要任务之一是在熔池中氧化碳，将其从炼钢中的时钟上去除。从钢的特性可以看出碳也是重要的合金元素，这增加了钢的强度和硬度，但对韧性有不利影响。钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度。45，碳为16000C，c8804；每碳增量从0.8%减少到0.1%，密度减少6.50C的4kg/m3粘度也减少0.7%N溶解度减少0.001%h溶解度0.4cm 3/100g凝固区间17，46，锰(Mn)，锰对提高钢的作用，消除钢中硫的脆性倾向，改变硫化物的形态和分布；锰是一种很弱的脱氧剂，在碳含量很低、含氧量很高的情况下，能显示脱酸作用，提高脱酸能力。锰可以略微提高钢的强度，提高钢的淬透性，稳定和扩展奥氏体区域，经常用合金元素生成奥氏体不锈钢、耐热钢等。47，硅(Si)，硅是钢最基本的脱氧剂。普通钢中硅含量为0.17%-0.37%，14500C钢凝固后，钢的平衡氧气保持在与碳平衡的量以下，凝固过程中抑制CO气泡。制造沸腾钢时，Si为0.03%-0.07%，Mn为0.25%-0.70%，可以对C-O反应进行微弱控制。硅提高钢的机械性能，提高钢的电阻和导电性。48，硅对钢水性能的影响较大，16000C纯铁的饱和溶解度增加1%，硅：碳的饱和溶解度减少0.294%，铁的熔点减少80C密度减少80k g/m3N饱和溶解度减少0.003%。49，铝(Al)，铝是基尔德钢生产时Al为0.005%-0.05%，通常为0.01%-0.03%的最终脱氧剂。钢中铝的添加量取决于氧，高碳钢少，低碳钢多，添加量一般为：0.3-1.0千克/t钢。将铝添加到钢中后，与氧反应生成Al2O3，钢、镇静、铸造时生成的Al2O3大部分是漂浮的，在凝固过程中微分散的Al2O3促进了微晶粒钢的形成。铝是调整钢的晶粒大小的有效因素，钢的晶粒开始生长，可以维持在高温度。50，1.4