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[交流] 練鋼學綜述

圖片上傳不了,還是看我后面的免費連接的PPt吧!
希望對大家有幫助!
第一節(jié)       概述
一、鋼與生鐵的區(qū)別及發(fā)展歷程：
首先是碳的含量，理論上一般把碳含量小于2.11%稱之鋼，它的熔點在1450-1500℃，而生鐵的熔點在1100-1200℃。
在鋼中碳元素和鐵元素形成Fe3C固熔體，隨著碳含量的增加，其強度、硬度增加，而塑性和沖擊韌性降低。
鋼的應用前景：鋼具有很好的物理、化學性能與力學性能，可進行拉、壓、軋、沖、拔等深加工，其用途十分廣泛。
用途不同對鋼的性能要求也不同，從而對鋼的生產(chǎn)也提出了不同的要求。石油、化工、航天航空、交通運輸、農(nóng)業(yè)、國防等許多重要的領域均需要各種類型的大量鋼材，我們的日常生活更離不開鋼。總之，鋼材仍將是21世紀用途最廣的結構材料和最主要功能材料。
煉鋼方法（1）
最早出現(xiàn)的煉鋼方法是1740年出現(xiàn)的坩堝法，它是將生鐵和廢鐵裝入由石墨和粘土制成的坩堝內(nèi)，用火焰加熱熔化爐料，之后將熔化的爐料澆成鋼錠。此法幾乎無雜質元素的氧化反應。
煉鋼方法（2）
1856年英國人亨利·貝塞麥發(fā)明了酸性空氣底吹轉爐煉鋼法，也稱為貝塞麥法，第一次解決了用鐵水直接冶煉鋼水的難題，從而使煉鋼的質量得到提高，但此法要求鐵水的硅含量大于0.8%，而且不能脫硫。目前已淘汰。
煉鋼方法（3）
1865年德國人馬丁利用蓄熱室原理發(fā)明了以鐵水、廢鋼為原料的酸性平爐煉鋼法，即馬丁爐法。1880年出現(xiàn)了第一座堿性平爐。由于其成本低、爐容大，鋼水質量優(yōu)于轉爐，同時原料的適應性強，平爐煉鋼法一時成為主要的煉鋼法。
煉鋼方法（4）
1878年英國人托馬斯發(fā)明了堿性爐襯的底吹轉爐煉鋼法，即托馬斯法。他是在吹煉過程中加石灰造堿性渣，從而解決了高磷鐵水的脫磷問題。當時，對西歐的一些國家特別適用，因為西歐的礦石普遍磷含量高。但托馬斯法的缺點是爐子壽命底，鋼水中氮的含量高。
煉鋼方法（5）
1899年出現(xiàn)了完全依靠廢鋼為原料的電弧爐煉鋼法(EAF)，解決了充分利用廢鋼煉鋼的問題，此煉鋼法自問世以來，一直在不斷發(fā)展，是當前主要的煉鋼法之一，由電爐冶煉的鋼目前占世界總的鋼的產(chǎn)量的30-40%。
煉鋼方法（6）
瑞典人羅伯特·杜勒首先進行了氧氣頂吹轉爐煉鋼的試驗，并獲得了成功。1952年奧地利的林茨城(Linz)和多納維茲城(Donawitz)先后建成了30噸的氧氣頂吹轉爐車間并投入生產(chǎn)，所以此法也稱為LD法。美國稱為BOF法（Basic Oxygen Furnace）或BOP法，如圖1所示。

圖1  BOF法
煉鋼方法（7）
1965年加拿大液化氣公司研制成雙層管氧氣噴嘴，1967年西德馬克西米利安鋼鐵公司引進此技術并成功開發(fā)了底吹氧轉爐煉鋼法，即OBM法(Oxygen Bottom Maxhuette) 。1971年美國鋼鐵公司引進OBM法，1972年建設了3座200噸底吹轉爐，命名為Q-BOP (Quiet BOP) ，如圖2所示。
圖2  Q-BOP法
煉鋼方法（8）
在頂吹氧氣轉爐煉鋼發(fā)展的同時，1978-1979年成功開發(fā)了轉爐頂?shù)讖秃洗禑捁に�，即從轉爐上方供給氧氣（頂吹氧），從轉爐底部供給惰性氣體或氧氣，它不僅提高鋼的質量，而且降低了煉鋼消耗和噸鋼成本，更適合供給連鑄優(yōu)質鋼水，如圖3所示。
圖3  轉爐頂?shù)讖秃洗禑挿?/b>
煉鋼方法（9）
我國首先在1972-1973年在沈陽第一煉鋼廠成功開發(fā)了全氧側吹轉爐煉鋼工藝。并在唐鋼等企業(yè)推廣應用，如圖4所示。
圖4  全氧側吹轉爐煉鋼法
總之，煉鋼技術經(jīng)過200多年的發(fā)展，技術水平、自動化程度得到了很大的提高，21世紀煉鋼技術會面臨更大的挑戰(zhàn)，相信會有不斷的新技術涌現(xiàn)。
二、我國鋼鐵工業(yè)的狀況
我國很早就掌握了煉鐵的冶煉技術，東漢時就出現(xiàn)了冶煉和鍛造技術，南北朝時期就掌握了灌鋼法，曾在世界范圍內(nèi)處于領先地位。但舊中國鋼鐵工業(yè)非常落后，產(chǎn)量很低，從1890年建設的漢陽鋼鐵廠至1948年的半個世紀中，鋼產(chǎn)量累計到200萬噸，1949年只有15.8萬噸。
新中國成立后，特別是改革開放以來，我國的鋼鐵事業(yè)得到迅速發(fā)展，1980年鋼產(chǎn)量達到3712萬噸，1990年達到6500萬噸，1996年首次突破1億噸大關，成為世界第一產(chǎn)鋼大國，2005年產(chǎn)量達到3.4億噸，占世界產(chǎn)量的1/3。
可以這樣講，我國的鋼鐵工業(yè)對世界產(chǎn)生了重要影響，我國不僅是產(chǎn)鋼大國，而且已經(jīng)開始邁入鋼鐵強國的行列，如圖5所示。
圖5  我國粗鋼產(chǎn)量的變化情況
第二節(jié) 煉鋼的任務及鋼的分類
一、煉鋼的任務
煉鋼的基本任務是脫碳、脫磷、脫硫、脫氧，去除有害氣體和非金屬夾雜物，提高溫度和調整成分。歸納為：“四脫”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去氣和去夾雜），“二調整”（成分和溫度）。采用的主要技術手段為：供氧，造渣，升溫，加脫氧劑和合金化操作。
（一）鋼中的磷
對于絕大多數(shù)鋼種來說磷是有害元素。鋼中磷的含量高會引起鋼的 “冷脆”，即從高溫降到0℃以下，鋼的塑性和沖擊韌性降低，并使鋼的焊接性能與冷彎性能變差。
磷是降低鋼的表面張力的元素，隨著磷含量的增加，鋼液的表面張力降低顯著，從而降低了鋼的抗裂性能。
磷是僅次于硫在鋼的連鑄坯中偏析度高的元素，而且在鐵固熔體中擴散速率很小，因而磷的偏析很難消除，從而嚴重影響鋼的性能，所以脫磷是煉鋼過程的重要任務之一。磷在鋼中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，但通常是以[P]來表達。煉鋼過程的脫磷反應是在金屬液與熔渣界面進行的。
不同用途的鋼對磷的含量有嚴格要求：
非合金鋼中普通質量級鋼 [P]≤0.045%；
優(yōu)質級鋼                               [P]≤0.035%；
特殊質量級鋼                      [P]≤0.025%；
有的甚至要求                      [P]≤0.010%。
但對于某些鋼種，如炮彈鋼，耐腐蝕鋼則需添加一定的P元素。
（二）鋼中的硫
硫對鋼的性能會造成不良影響，鋼中硫含量高，會使鋼的熱加工性能變壞，即造成鋼的“熱脆”性。
硫在鋼中以FeS的形式存在，FeS的熔點為1193℃，Fe與FeS組成的共晶體的熔點只有985℃。液態(tài)Fe與FeS雖可以無限互溶，但在固熔體中的溶解度很小，僅為0.015%-0.020%。
當鋼中的[S]＞0.020%時，由于凝固偏析，Fe-FeS共晶體分布于晶界處，在1150-1200℃的熱加工過程中，晶界處的共晶體熔化，鋼受壓時造成晶界破裂，即發(fā)生“熱脆”現(xiàn)象。
如果鋼中的氧含量較高，FeS與FeO形成的共晶體熔點更低（940℃），更加劇了鋼的“熱脆”現(xiàn)象的發(fā)生。
錳可在鋼凝固范圍內(nèi)生成MnS和少量的FeS，純MnS的熔點為1610℃，共晶體FeS-MnS（占93.5%）的熔點為1164℃，它們能有效地防止鋼熱加工過程的“熱脆”。
冶煉一般鋼種時要求將[Mn]控制在0.4%-0.8%。在實際生產(chǎn)中還將[Mn]/[S]比作為一個指標進行控制，[Mn]/[S]對鋼的熱塑性影響很大。從低碳鋼高溫下的拉伸實驗發(fā)現(xiàn)提高[Mn]/[S]比可以提高鋼的熱延展性。一般[Mn]/[S]≥7時不產(chǎn)生熱脆，如圖6所示。
圖6  [Mn]/[S]比對低碳鋼熱延展性的影響
硫還會明顯降低鋼的焊接性能，引起高溫龜裂，并在焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松，從而降低焊縫的強度。硫含量超過0.06%時，會顯著惡化鋼的耐蝕性。硫還是連鑄坯中偏析最為嚴重的元素。
不同鋼種對硫含量有嚴格的規(guī)定：
非合金鋼中普通質量級鋼  [S]≤0.045%
優(yōu)質級鋼                               [S]≤0.035%，
特殊質量級鋼                      [S]≤0.025%
有的鋼種要求如管線鋼    [S]≤0.005%，甚至更低。
對于某些鋼種，如易切削鋼，硫則作為合金元素加入，要求[S]=0.08%-0.20%。
（三）鋼中的氧
在吹煉過程中，向熔池供入了大量的氧氣，到吹煉終點時，鋼水中含有過量的氧，即鋼中實際氧含量高于平均值。
若不脫氧，在出鋼、澆鑄中，溫度降低，氧溶解度降低，促使碳氧反應，鋼液劇烈沸騰，使?jié)茶T困難，得不到正確凝固組織結構的連鑄坯。
鋼中氧含量高，還會產(chǎn)生皮下氣泡，疏松等缺陷，并加劇硫的熱脆作用。在鋼的凝固過程中，氧將會以氧化物的形式大量析出，會降低鋼的塑性，沖擊韌性等加工性能。
一般測定的是鋼中的全氧，即氧化物中的氧和溶解的氧之和，在使用濃差法定氧時才是測定鋼液中溶解的氧，在鑄坯或鋼材中取樣時是全氧樣。
脫氧的任務：
根據(jù)具體的鋼種，將鋼中的氧含量降低到所需的水平，以保證鋼水在凝固時得到合理的凝固組織結構；
使成品鋼中非金屬夾雜物含量最少，分布合適，形態(tài)適宜，以保證鋼的各項性能指標，得到細晶結構組織。
常用的脫氧劑有Fe-Mn，Fe-Si，Mn-Si，Ca-Si等合金。
（四）鋼中的氣體
鋼液中的氣體會顯著降低鋼的性能，而且容易造成鋼的許多缺陷。鋼中氣體主要是指氫與氮，它們可以溶解于液態(tài)和固態(tài)純鐵和鋼中。
氫在固態(tài)鋼中溶解度很小，在鋼水凝固和冷卻過程中，氫會和CO、N2等氣體一起析出，形成皮下氣泡中心縮孔、疏松、造成白點和發(fā)紋。
鋼熱加工過程中，鋼中含有氫氣的氣孔會沿加工方向被拉長形成微裂紋，進而引起鋼材的強度、塑性、沖擊韌性的降低，即發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象。
在鋼材的縱向斷面上，呈現(xiàn)出圓形或橢圓形的銀白色斑點稱之為“白點”，實為交錯的細小裂紋。主要原因是鋼中的氫在小孔隙中析出的壓力和鋼相變時產(chǎn)生的組織應力的綜合力超過了鋼的強度，產(chǎn)生了“白點”。一般白點產(chǎn)生的溫度低于2000℃。
鋼中的氮是以氮化物的形式存在，它對鋼質量的影響體現(xiàn)出雙重性。氮含量高的鋼種長時間放置，將會變脆，這一現(xiàn)象稱為“老化”或“時效”。原因是鋼中氮化物的析出速度很慢，逐漸改變著鋼的性能。低碳鋼產(chǎn)生的脆性比磷還嚴重。
鋼中氮含量高時，在250-4500℃溫度范圍，其表面發(fā)藍，鋼的強度升高，沖擊韌性降低，稱之為“藍脆”。氮含量增加，鋼的焊接性能變壞。
鋼中加入適量的鋁，可生成穩(wěn)定的AlN，能夠壓抑Fe4N生成和析出，不僅改善鋼的時效性，還可以阻止奧氏體晶粒的長大。氮可以作為合金元素起到細化晶粒的作用。在冶煉鉻鋼，鎳鉻系鋼或鉻錳系等高合金鋼時，加入適量的氮，能夠改善塑性和高溫加工性能。

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