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標題: 煉鋼的基礎知識 [打印本頁]
作者: LFEI    時間: 2009-3-25 21:14
標題: 煉鋼的基礎知識
煉鋼的基礎知識
! U+ E8 R6 Y5 Z( s7 e; [) c9 y) e" S( C1 e
第一節    鋼及鋼的分類
$ x4 O# p) w$ A" f- Z8 S0 w0 k
6 C3 Q3 p9 G# D/ ^4 K$ H: z一、鋼和生鐵* Z9 L; ~) a7 K5 r% N
鋼和生鐵都是鐵碳合金。理論上一般將含碳量<2.11%的鐵碳合金稱為鋼，經常冶煉的鋼鐵的碳含量均低于1.4%，碳含量大于2.11%的鐵碳合金叫做生鐵，但碳含量超過5%以上的鐵碳合金，因脆性太大而無使用價值。
: g& S, d& J) _5 h8 e7 U" a2 Y二、工業純鐵和熟鐵
- y1 v: I- p+ [; `, ], O. _+ J碳含量低于0.02%的鐵碳合金叫做工業純鐵。在目前的生產條件下，即使采用極純的爐料和最先進的措施，通過冶金方法獲得純鐵的純度只能達到99.9%（如極軟鋼、阿姆克鐵、瑞典鐵等）。通過實驗或采取化學方法提純，純鐵中鐵的含量最高也只能達到99.99%。通常，民間所謂的熟鐵實際上是碳含量將近0.1%并含有大量夾雜的鐵碳合金。* y( t! t5 i' j& `
    三、合金元素
' l2 J/ a5 O! {6 l5 h- H鋼并不是簡單的鐵碳二元合金，而是以鐵碳為主要元素的多元合金。合金元素的存在對某些鋼有時起到有益的作用，但有時也會產生不利的影響。以合金化為目的而使用的合金元素在鋼中的作用，歸納于表1—1。
' O8 o. q/ T1 F    四、鋼的分類$ R4 M$ H4 H4 i! p/ c: U2 `
        1、按化學成分分類
/ U. K* ?2 y0 J! d, `3 p按是否有目的地加入合金元素可分為碳素鋼和合金鋼兩類。( V8 ~$ @7 F! q- x" F& z  V
按含碳量不同又把鋼分為低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼三類，一般將碳含量小于0.25%的稱為低碳鋼，大于0.60%稱為高碳鋼，而碳含量位于0.25%~0.60%之間的稱為中碳鋼。* q7 \4 M$ s& I9 ^' S: u
按鋼中合金元素總含量的多少分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼。一般合金元素總含量小于3%的為普遍低合金鋼，合金元素總量為3%~5%之間的為低合金鋼，大于10%的叫做高合金鋼，而合金元素總含量位于3%~10%之間的叫做中合金鋼。9 w. }$ a& I- K; `- b6 c
按鋼中所含的主要合金元素不同可分為錳鋼、硅鋼、硼鋼、鉻鎳鋼、鉻錳硅鋼等。
3 {. \/ ]) K  B8 A2、按冶煉方法和質量水平分類
0 s3 {2 q3 z' D5 N4 ~按煉鋼爐設備不同分為平爐鋼、轉爐鋼、電爐鋼。其中電爐鋼包括電弧爐鋼、感應爐鋼、電渣爐鋼、電子速熔煉鋼及有關的真空熔煉鋼等。
  x6 U# j* L" f3 {! j$ Y3 V) |5 \按選用爐襯的材質不同，平爐鋼、轉爐鋼、電爐鋼均可分為酸性和堿性兩類。$ C% ?, B1 C5 `, \' t9 @6 V
按脫氧程度不同分為沸騰鋼（不經脫氧或只經微弱脫氧）、鎮靜鋼（脫氧充分）、半鎮靜鋼（脫氧不完全，介于鎮靜鋼和沸騰鋼之間，由于脫氧不完全，在澆注中仍有微弱的沸騰，故稱為半鎮靜鋼）。此外，還有經真空等處理的氧含量極低的特殊鎮靜鋼。2 R. r# M$ v$ ^2 H
按質量水平不同可分為普通鋼、優質鋼和高級優質鋼。普通鋼的S、P以及其它雜質的含量較高，如一般S≤0.050%、P≤0.045%。優質鋼對 S、P及其它雜質含量均有較嚴格的限制，一般 S≤0.040%、P≤0.035%，對于優質合金鋼則要求更嚴些。高級優質鋼除對S、P等雜質含量有非常嚴格的限制外，還對力學性能、低倍和高倍組織更有相應的嚴格要求。  e1 `& ?3 v: \- `/ O$ _* q0 f
表1—1  合金元素在鋼中的作用2 e& j: X3 R& O) }; G, B1 {
元素
% l* Z/ f1 e  p5 K. v$ b7 E作          用% H6 C- ~) i. G# y+ U
Mn % Y  U8 T( A7 E' j
1、在低含量范圍內，對鋼具有很大的強化作用，提高強度、硬度和耐磨性; E, t1 [' i. V
2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性5 I! ~' i3 }. }3 I, Z: M5 R* Y
3、稍稍改善鋼的低溫韌性# Q2 ^  c% t8 A' I6 Q
4、在高含量范圍內，作為主要的奧氏體化元素! C+ G1 @: X4 f6 a
Si + I+ g$ Z) V6 M& ~/ o
1、強化鐵素體，提高鋼的強度和硬度
& n8 s! _) Q1 i. o" F2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性
5 ]! ^# Q# Y3 D7 @' V2 c/ w3、提高鋼的氧化性腐蝕介質中的耐蝕性，提高鋼的耐熱性
) t- C( W) Y3 E0 L- O4、磁鋼中的主要合金元素（含量在0.40%范圍內時，改善熱裂傾向，含量高時，易形成柱狀晶，增加熱裂傾向。）
; v4 y* U, h/ P% \8 `# S6 @Cr , Q/ I& c7 z" e# ^' u0 R
1、在低合金范圍內，對鋼具有很大的強化作用，提高強度、硬度和耐磨性: R  b  |% m- Q8 g) ~, P2 i: y; m
2、降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性0 G$ Y; s" O- I2 S! z. c! Z
3、提高鋼的耐熱性
& _2 o5 H% I, X/ L. ~3 m$ Z9 s0 r4、在高合金范圍內，使鋼具有對強氧化性酸類等腐蝕介質的耐腐蝕能力
( `1 J- Q6 C( f! i$ ]! ZMo
5 y0 z$ d3 f' _1、  強化鐵素體，提高鋼的強度和硬度) `: T( {: u$ S# Y
2、  降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性
. v* r6 o0 X: |% _8 _3、  提高鋼的耐熱性和高溫強度' M# Q; C* y7 R
Ni
5 W+ g1 a7 E6 y  T* C, O; z1、  提高鋼的強度，而不降低其塑性，改善鋼的低溫韌性
" b; B1 C- B, w& x3 y2、  降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性, C# |: R/ B8 [7 n7 \7 A) h, \
3、  擴大奧氏體區，是奧氏體化的有效元素+ q7 x# X1 I; C9 P0 ^3 N, E/ R
4、  本身具有一定耐蝕性，對一些還原性酸類有良好的耐蝕能力
& K3 y2 q* |5 X  R. M% uAl
7 F3 a  b& ^0 d+ S6 o( m6 v1、  煉鋼中起良好的脫氧作用0 ~! p7 X  X9 z2 \7 W+ [
2、  細化鋼的晶粒，提高鋼的強度
9 e. ?9 n8 H. x3、提高鋼的抗氧化性能，提高不銹鋼對強氧化性酸類的耐蝕能力
- x$ k- ^1 T3 o, }8 o& RRE
) C$ Y( p' v$ @/ v1、煉鋼中起脫硫、去氣、凈化鋼液作用; ]0 Z1 _9 j% ^4 ?" \& \4 i
2、細化鋼的晶粒，改善鑄態組織3 G' _; o6 c# L; ?0 |4 Z
0 v, c& V1 [6 f3 u) H
3、按金相組織分類8 o- r: o6 h6 _; \
按鋼的奧氏體分解轉變方式不同可分為亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼。5 R4 E- w; s. @% W
按正火后的組織不同可分貝氏體鋼、珠光體鋼、馬氏體鋼及奧氏體鋼。
# c" X: e0 k- F! b; {- j# H4、按加工和熱處理工藝分類
6 d3 p) P- u8 e( C4 I- ?按加工成形的方式不同可分為壓力加工用鋼和切削加工用鋼等。' b4 S% p$ |, ^8 n" A+ b* t$ H- F
按熱處理工藝的不同可分為調質鋼、低溫回火鋼、滲碳鋼、氰化鋼等。
; |& e% n6 ~: |; D& c5、按用途分類/ g9 ^0 y3 f2 t
（1）結構鋼。目前生產最多，使用最廣的是結構鋼。它包括碳素結構鋼和合金結構鋼，主要用于制造機器和結構零件及建筑工程用的金屬結構等。
: J3 Z! |0 ^) h（2）工具鋼。它包括碳素工具鋼和合金工具鋼及高速鋼。/ O* S5 _! \4 @5 ^; h
（3）特殊性能鋼。就是具有特殊物理性能或力學性能的鋼，稱為特殊性能鋼。如軸承鋼、不銹鋼、彈簧鋼及其他磁性鋼或高溫合金鋼等。
9 h' C3 _. o8 \: ~/ a! w6 z- S& @
第二節   煉鋼的任務和方法9 P" `& d8 E$ y: V/ f5 @+ n
' b2 x5 K3 C; u" V
一、煉鋼的任務
  a% f* X/ A& b4 v' E& |4 T熔煉的主要原料是廢鋼和一部分生鐵。外購進來的廢鋼銹多，夾有泥砂及其他臟物，鋼中硫磷的含量也較高。煉鋼的任務就是要把上述條件的原料冶煉成氣體和夾雜含量低、成分合格、溫度符合要求的優質鋼液。具體說來，煉鋼的基本任務是：
* M( b* n( b2 t$ ~( d0 u（1）熔化固體爐料（生鐵、廢鋼等）；
+ r! m1 X! k2 ^（2）使鋼水中的硅、錳、碳等元素達到規格成分；
8 r) l3 W1 s9 v# Z7 Y" U/ A8 H（3）去除有害元素硫和磷，將它們的含量降到規定的限量以下；
7 r" D1 y3 {" X; Z（4）清除鋼水中的氣體和非金屬夾雜，使鋼水純凈；# c5 o7 b9 N- U6 \6 W
（5）加入合金元素（熔煉合金鋼），使其符合要求；
* D. l+ c+ E% a6 ~2 j  _! r( r4 j（6）將鋼水過熱至一定溫度，保證澆注的需要；
) _+ \% M( m# z% U/ i, v0 [; k( W（7）為了提高產量和降低成本，必須快速煉鋼；
% D# T3 s% @  f. h4 I（8）澆注成良好的鑄件。. h1 p; g' s. H$ E% d8 E- J5 J# e& R' x
二、煉鋼的方法
# A) n" f* T7 q煉鋼的方法有很多，主要有轉爐煉鋼、平爐煉鋼、電弧爐煉鋼和感應爐煉鋼等。
: g) y% @: `4 M, ]# V. F在鑄鋼車間上普遍應用的電弧爐。電弧爐煉鋼對原材料要求較松，煉出的鋼水質量較高，而且煉鋼周期適合于鑄鋼生產的特點，開爐、停爐都比較方便，容易與造型、合箱等工序的進度相協調，便于組織生產。另外，電爐煉鋼的設備比較簡單，投資少，基建速度以及資金回收快。0 `# N# h9 B$ A) x! b8 k/ E6 q
近年來，感應爐煉鋼逐漸發展。感應爐煉鋼工藝比較簡單，鋼水質量也能得到保證。不少的工廠用感應爐煉鋼來澆注小鑄件，特別是熔模精密鑄造車間，廣泛采用感應電爐來熔煉鋼水。
3 N! _# O. |( V/ E5 L* h! l5 L! q在重型機器廠中，至今還使用平爐煉鋼，平爐的容量一般比電爐大，用平爐煉鋼能一次煉出大量的鋼水，適用于澆龐大而復雜的重型鑄件。但是，平爐煉鋼的周期長，煉出一爐鋼的時間一般需要六小時以上。平爐結構龐大而復雜，產量低，鋼水質量不如電爐，因此它的發展受到很大的限制。在有些國家，已不再建新的平爐了。
3 a2 |& A% ]' d% e+ O( X4 s近幾十年來，煉鋼工業中廣泛應用純氧頂吹轉爐來煉鋼，這種煉鋼方法速度快，生產率高，鋼水質量也得到保證，這種爐子較適用于鋼錠生產。1 [: E: W- C$ p
隨著生產和科學技術的發展，直流電弧爐、真空感應電爐以及爐外精煉設備的新的煉鋼方法不斷出現，熔煉出來的鋼水質量大大提高，鑄件質量大為改善。/ E% K3 B6 ~9 E; b7 l, m. E9 U

' @, o% H+ D( h0 B- I7 [第三節   影響鑄鋼性能的一些因素
9 x* `6 T1 }: e6 Y6 E+ J. d3 U
5 X  L" r8 a" G6 e% g一、鋼中常見雜質元素的影響
" x- q2 x3 A# E5 y( H鋼中常見的雜質元素有P、S、H、N、O等。這些元素在一般情況下對鋼的性能起有害作用，但其中有的元素在特定的條件下，也能起有益的作用，成為特意加入的合金元素。這幾種雜質元素的來源及其在鋼中的作用見表1—2。
$ w/ Z. K4 O% i% L8 H$ D2 W表1—2   鋼中常見雜質元素及其作用
5 [7 ^. u; `: g' `* ?. }元素
# t% Y* S( N3 W  Y' d來    源 $ ^# t/ B3 t4 @0 e* D3 V
作            用
# J6 h8 D% b  h# ?P
. H. `, o" K: F煉鋼過程中
( t) M: I8 [+ q: {# I1 H從爐料引入
! p4 z/ g+ a, D磷微溶于鋼中，當鋼中含磷量，形成Fe 2P在晶粒周界析出，降低鋼的塑性和韌性，增加冷、熱裂傾向。( P# W8 U8 w- w( ?( ~5 T7 x$ L
S 3 v0 k( T+ T4 G3 C: ]7 W. E
: r2 }! M0 ^$ g* Z' G" Z# P
煉鋼過程中: p* s$ Y  F2 |5 J
從爐料引入
9 ]9 T6 I1 h/ \) p/ A! K4 W1、 硫在鋼中以FeS-Fe共晶體存在于鋼的晶粒周界，降低鋼的力學性能，優制鋼含硫量一般應限制在0.04%以下。
! H* i+ o7 e2 c" N2、 在機械制造中，有時為了改善某些鋼的切削加工性能，人為將含硫量提高，以形成硫化物，起中斷基體連續性的作用。# m2 _* J  B" E4 c" Z
3、 硫含量的提高，增加鑄件熱裂傾向。
8 U4 s8 e' @. s) E0 g7 ?H
: j5 v9 g4 P- U1 c5 P5 P7 B- h, l煉鋼過程中鋼液從爐氣中吸收氫
/ M& W& ]- S6 x* j" E2 H鋼液中氫的溶解度隨溫度升高而提高，在緩慢凝固條件下，氫以針孔形態析出。快速凝固時，析出氫在鐵的晶格內造成高應力狀態，導致脆性。7 g) ^( m  P0 j: \+ u* }
N
9 {' g( h: S' w9 q煉鋼過程中鋼液從爐氣中吸收氮
; o* Q% c* E8 w, W1、 鋼液中溶解的氮在凝固過程中因溶解度降低而析出，并與鋼中的Si、Al、Zr等元素化合，生成SiN、AlN 、ZrN等氮化物。少量氮化物能細化鋼的晶粒。氮休物多時，會使鋼的塑性和韌性降低。6 g; t8 R7 L+ O1 S* b! f8 ?
2、 氮屬于擴大奧氏體區元素，在鋼中可部分代替鎳的作用，是鉻錳氮不銹鋼中的合金元素，，在超低碳不銹鋼中，可代替碳的作用，提高鋼的強度。) B4 s" c) n. g
O
2 q6 w2 i( w" T) N$ x煉鋼過程中) n) e9 t; ]. Q4 d, Y" i
鋼液被氧化 $ i6 N4 q: |( C
1、 鋼液中溶解的FeO 在凝固前溫度降低過程中與鋼液中的碳起反應，生成一氧化碳氣泡，在鑄件中造成氣孔。- q8 u: S' v* Z( T
2、 鋼液凝固過程中，FeO因溶解度下降而析出在鋼的晶粒周界處，降低鋼的性能。' u7 D9 D8 o0 r

+ Q! g+ a$ n# b3 T二、鋼中非金屬夾雜物的影響
/ f% W' R) w" ]4 {8 h% p$ e6 D0 F6 x  o鋼中的非金屬夾雜物包括氧化物、硫化物、硫氧化合物、硅酸鹽化合物及氮化物等。這些夾雜物的來源有外來的和自生的兩類。外來的夾雜物包括在煉鋼過程中從爐料夾帶的不潔物，爐襯因經常受侵蝕而脫落的耐火材料等。自生的夾雜物是在煉鋼過程中及鋼液澆注過程中，由于鋼液中元素氧化或發生其它化學反應而生成的。夾雜物對鋼的力學性能有害，特別是對韌性的削弱作用較大。為減輕夾雜物的有害作用，可采取兩種途徑：
* ?  c8 L4 K. O$ ~* j) c- ]& G（1）清除夾雜物
4 r2 {# I+ `: l如在煉鋼氧化期中，使鋼液良好地沸騰，藉以有效地清除夾雜物，并在出鋼后澆注前使用鋼液在鋼包中鎮靜一段時間（5~10min），使夾雜物自鋼液中上浮。采用爐外吹氬精煉，或將鋼液過濾，都能有效地清除鋼液中的夾雜物。
9 [) D& n$ M& t2 ^" K% y（2）改善夾雜物形態- ^) W6 P# J8 f, B" m: Y
夾雜物對鋼削弱作用的程度依其形狀及分布狀況而定：帶尖角的多角形夾雜物在鋼中造成大的應力集中，在外力作用下易形成裂紋源，而顆粒狀和球狀夾雜則危害較小；條狀夾雜物沿晶粒周界以網狀或斷續網狀分布時，對鋼的割裂作用較大，而呈島狀弧立分布的夾雜物的割裂作用較小。
+ Q. j9 P5 Y' t. O如采用稀土合金對鋼液進行處理，以使多角形氧化物和條狀硫化物為球狀的稀土硫氧化合物，就能降低夾雜物對鋼的削弱作用。
% N$ \9 y9 g; f三、夾雜物含量在電爐鋼生產過程中的變化& H4 o1 X) @0 N$ D. u+ y. i7 h: y
1、爐料全熔化，夾雜物的含量較高。
5 W' l# g) A5 J8 M  g$ n. Y3 `0 `2、氧化期，夾雜物的含量總趨勢下降。6 J% O; r9 R6 U# E! V+ I4 s
3、還原期，加入預脫氧劑和合金，雜質含量升高，后慢慢降低。
/ G/ ?' }% m2 I; L% o- b) Q4、鎮靜：夾雜物上浮。* U$ }6 i' N( r. @  @, }! c* G
5、吹氬：氧化物、硫化物雜質含量降低，但氮化物幾乎不變。- U- ?8 l! _# b5 d/ R0 b+ p7 T
6、澆注：由于二次氧化，鋼水對澆注系統的沖刷，氧的析出并與其它元素發生反應，夾雜物含量上升。: z3 Q9 X+ \8 c/ p8 u0 D
       7、凝固：溫度下降，顯微偏析，枝晶的液體富集的溶質元素易發生一系列反應，形成氧化物、硫化物。
& A% t' Z" f0 y, v' R3 y: B
作者: zhongtianbin    時間: 2009-4-23 20:13
講得很詳細！
作者: wangyi2003cn    時間: 2009-4-23 22:09
講得很詳細
作者: 路園山    時間: 2013-2-3 20:53
支持一下，。。。。。。。。。
作者: haidongyi    時間: 2013-2-18 13:03
支持一下，。。。。。。。。。
作者: haidongyi    時間: 2013-2-18 13:14
有個人在醫院輸液，輸著輸著就開始狂笑。別人問他笑什么。他說：“我笑點滴……
作者: 濫調絕世    時間: 2013-4-8 11:40
了解一下
作者: xisuiji    時間: 2013-4-8 11:46
俺是細碎機廠家，學習了！



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