钢铁冶金学(炼钢学)

1、炼钢、铸造用教授、内容制、炼钢概述炼钢基础理论炼钢原料顶吹氧气转炉炼钢方法顶底吹转炉炼钢方法连铸、第一章技术论、炼钢开发过程我国钢铁工业状态炼钢的基本任务钢分类、1.1炼钢开发过程、钢和生铁的区别：首先是碳的含量，理论上一般是2钢中的碳和铁元素形成了fe3c固体熔体，随着碳含量的增加，强度、硬度和塑性以及冲击韧性会降低。钢铁应用前景，钢铁良好的理化性能和机械性能，拉伸、压力、轧制、冲切、拉等深加工，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。石油、化学、航空航天、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。总之，钢将成为21世纪使用最广泛

2、的结构材料和主要功能材料。冶炼钢方法(1)，最早的炼钢方法是1740年出现的坩埚法，将生铁和废铁装入石墨和粘土制成的熔炉中，用火焰加热熔化的炉料，然后将熔化的炉料倒入钢片中。这种方法几乎没有杂质元素的氧化。精炼钢铁四角法(2)，1856年英国刘宪华贝西小麦，发明了酸性空气底吹转炉炼钢法，也称为贝西法，首次解决了用钢直接冶炼钢水的问题，提高了炼钢质量，但这种方法要求钢中硅含量超过0.8%，不能脱硫。现在已经淘汰了。1865年，利用德军大长征原理，发明了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢法，即马丁罗法。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

3、法仍然是主要的炼钢方法。炼钢方法(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。炼钢正法(5)，1899年出现了完全依靠废钢为原料的eaf (eaf)，解决了充分利用废钢铁的问题，该炼钢法自成立以来持续发展的当前主要炼钢法之一，在电炉冶炼的钢现在占世界总钢铁产量的30-40%。冶炼钢方法(6)，瑞典人罗伯特绕路先经过氧气顶吹转炉的炼钢试验，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，

4、因为30吨氧气顶吹转炉车间完工并投入使用。美国称为bof法或bop法。ld/bof/bop，精炼钢方法(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该技术，成功开发了地板氧转换器炼钢法，oxygen bottom maxhuette1971年，美国钢铁公司引入了obm法，于1972年建造了三个名为q-bop (quiet bop)的200吨底吹转炉。obm/q-bop，冶炼方法(8)，1978-1979年转炉顶上氧气(顶吹氧气)供应，转炉底下提供惰性气体或氧气的转炉顶底复合吹工艺开发成功，提高钢铁质量，同时消耗和吨钢成本，ld- q- bop，冶

5、炼钢铁方法(9)，我国于1972-1973年在沈阳第一钢厂首先成功开发了全氧侧吹转炉炼钢工艺。在唐钢等企业推广应用。结论炼钢技术经过200多年的发展，技术水平、自动化水平大大提高，相信21世纪炼钢技术将面临更大的挑战，新技术将不断出现。1.2我国钢铁工业的状态，我国曾经掌握了炼铁的冶炼技术，东汉时期出现了冶炼和锻造技术，北部和南部时期掌握了贯彻法，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年建设的李淳阳钢铁厂到1948年半世纪，钢铁产量累计为200万吨，到1949年只有15.8万吨。新中国成立后，特别是改革开放以来，中国钢铁事业的快速发展，1980年钢铁产量为3712万吨

6、，1990年为6500万吨，1996年首次突破1亿吨大关，相当于世界第一生产钢铁大国，2005年全年产量的三分之一，年产量为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。中国粗钢产量的变化，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、温度增加和赵寅成调整。“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。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，如果在高温下下降到0以下，钢的塑性和冲

7、击韧性就会下降，钢的焊接性能和冷弯性能就会下降。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。磷是继硫后连续铸造坯中的高分离元素，在铁-固体熔体中扩散速度很小，磷的分离不易消除，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。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：郑智薰合金钢普通质量等级钢p 0.045%；优质钢p 0.035%；特殊质量等级钢p 0.025%；有些人要求p0.010%。某些钢：炮弹钢，防腐钢需要p元素。1.3.2钢的硫，硫会对钢的性能产生不良影

8、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。硫磺以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%。由于s0.020%的钢凝固分离，fe-fes共结晶分布在晶界，在1150-1200的热处理过程中，晶界中的共晶体熔化，钢压缩时晶界破裂，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。锰可在钢的凝固范围内产生mns和少量fes，纯mns的熔点为1610，总结晶fes-mns (93.5%)

9、的熔点为1164，有效防止了钢的热加工过程的“热脆性”。冶炼普通钢时，mn必须控制在0.4%-0.8%。在实际生产中，将mn/s比控制为对钢的热塑性影响很大的一个指标。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。一般mn/s7不会产生热脆性。与图1-2 mn/s对低碳钢热延展性的影响相比，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。，根据对硫含量有严格规定的钢，郑智薰合金钢的一般质量等级s0.045%质量等级s0.035%，特殊质量等级s0.025%部分钢材需要管线

10、s0.005%或更低。某些钢(例如容易切削的硫)作为合金元素添加，需要s=0.08%-0.20%。1.3.3钢的氧气为熔池提供大量氧气，到吹截止点为止，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。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。脱酸作业，根据具体铁种将

11、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。1.3.4钢的气体，钢的气体会显着降低钢的性能，并导致钢的很多缺陷。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。在钢热加工过程中，含有氢的气孔向加工方向拉伸，形成裂纹，产生钢的强度、塑性、冲击韧性减少的“氢脆”现象。在钢的纵向横截面上，圆形或椭圆形的

12、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。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。在钢中添加适量铝可以产生稳定的aln，抑制fe4n的生成和析出，不仅可以防止钢的时效性，还可以防止奥氏体晶

13、粒长大。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。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。内生夹杂物包括：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。，根据组成，夹杂可以分为氧化物夹杂，即feo，mno，sio2，al2o3，cr2o3等简单的氧化物

14、；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。根据处理性能，夹杂物可分为：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。1.3.6钢的赵寅成(碳

15、)，炼钢的重要任务之一是将熔池的碳氧化消除到炼钢钟的要求。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。碳大大改变了钢的液体和凝固特性，随着16000c、c0.8%的增加，碳钢的熔点降低6.50c密度降低4kg/m3粘度降低0.7% n溶解度减少0.001% h溶解度增加0.4 cm3/100g还原凝固区间17.790c。锰(mn)，锰有消除钢中硫的热脆性倾向，改变硫化物的形态和分布，提高钢的性能；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

16、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。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。在制造沸腾钢时，si可以控制0.03%-0.07%，mn可以控制0.25%-0.70%的c-o反应。硅提高钢的机械性能，提高钢的电阻和导电性。硅对钢水的性质有很大影响，使16000c纯铁增加了1%的硅：碳的饱和溶解度减少了0.294%，铁的熔点减少了80c密度减少了80k/m3 n的饱和溶解度减少了0.003%，1.4cm3/100g钢的凝固区间减少了100c，钢水的收缩率增加了2.05%，铝(al)，铝是生产镇静钢时al为0.005%-0.05%，一般为0.01%-0.03%的最终脱氧剂。钢中铝的添加量取决于氧气，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。1.4钢分类，按化学成分分类，根据是否添加合金元素，可分为钢和