单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,炼钢学,炼钢学,内 容 提 要,炼钢学概述,炼钢的基础理论,炼钢原料,顶吹氧气转炉炼钢法,底吹氧气转炉炼钢法,顶底复吹转炉炼钢法,钢的连续浇铸,内 容 提 要炼钢学概述,第一章 绪 论,炼钢的发展历程,我国钢铁工业的状况,炼钢的基本任务,钢的分类,第一章 绪 论 炼钢的发展历程,1.1,炼钢的发展历程,钢与生铁,的区别,：,首先是,碳的含量,，理论上一般把碳含量小于,2.11%,称之,钢,，它的熔点在,1450-1500,，而,生铁,的熔点在,1100-1200,。,在钢中碳元素和铁元素形成,Fe,3,C,固熔体,，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低,。,1.1 炼钢的发展历程 钢与生铁的区别：,钢的应用前景,钢具有很好的物理化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛；,用途不同对钢的性能要求也不同，从而对钢的生产也提出了不同的要求。,钢的应用前景 钢具有很好的物理化学性能与力学性能，,石油、化工、航天航空、交通运输、农业、国防等许多重要的领域均需要各种类型的大量钢材，我们的日常生活更离不开钢。,总之，钢材仍将是,21,世纪用途最广的结构材料和最主要功能材料。,石油、化工、航天航空、交通运输、农业、国防等许多,炼 钢 方 法（,1,）,最早出现的炼钢方法是,1740,年,出现的,坩埚法,，它是将生铁和废铁装入由石墨和粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。,此法几乎无杂质元素的氧化反应,。,炼 钢 方 法（1）最早出现的炼钢方法是1740年出现的坩埚,炼 钢 方 法（,2,）,1856,年,英国人,亨利,贝塞麦,发明了酸性空气底吹转炉炼钢法，也称为,贝塞麦法,，第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难题，从而使炼钢的质量得到提高，但此法,要求铁水的硅含量大于,0.8%,，,而且不能脱硫,。目前已淘汰。,炼 钢 方 法（2）1856年英国人亨利贝塞麦发明了酸性空,炼 钢 方 法（,3,）,1865,年,德国人马丁利用蓄热室原理发明了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢法，即,马丁炉法,。,1880,年,出现了第一座,碱性平炉,。由于其成本低、炉容大，钢水质量优于转炉，同时原料的适应性强，平炉炼钢法仍一时成为的主要的炼钢法。,炼 钢 方 法（3）1865年德国人马丁利用蓄热室原理发明了,炼 钢 方 法（,4,）,1878,年,英国人,托马斯,发明了碱性炉衬的底吹转炉炼钢法，即,托马斯法,。他是在吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而,解决了高磷铁水的脱磷问题,。当时，对西欧的一些国家特别适用，因为西欧的矿石普遍磷含量高。但,托马斯法的缺点是炉子寿命底，钢水中氮的含量高,。,炼 钢 方 法（4）1878年英国人托马斯发明了碱性炉衬的底,炼 钢 方 法（,5,）,1899,年,出现了完全依靠废钢为原料的,电弧炉炼钢法,(EAF),，解决了充分利用废钢炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一直在不断发展，是当前主要的炼钢法之一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的钢的产量的,30-40%,。,炼 钢 方 法（5）1899年出现了完全依靠废钢为原料的电弧,炼 钢 方 法（,6,）,瑞典人罗伯特,杜勒首先进行了氧气顶吹转炉炼钢的试验，并获得了成功。,1952,年,奥地利的林茨城,(Linz),和多纳维兹城,(Donawitz),先后建成了,30,吨的氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以此法也称为,LD,法,。美国称为,BOF,法,（,Basic Oxygen Furnace,）或,BOP,法,。,炼 钢 方 法（6）瑞典人罗伯特杜勒首先进行了氧气顶吹转炉,LD/ BOF/ BOP,LD/ BOF/ BOP,炼 钢 方 法（,7,）,1965,年加拿大液化气公司研制成,双层管氧气喷嘴,，,1967,年西德马克西米利安钢铁公司引进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法，即,OBM,法,(,Oxygen Bottom Maxhuette,),。,1971,年美国钢铁公司引进,OBM,法，,1972,年建设了,3,座,200,吨底吹转炉，命名为,Q-BOP,(Quiet BOP),。,炼 钢 方 法（7）1965年加拿大液化气公司研制成双层管氧,OBM/ Q-BOP,OBM/ Q-BOP,炼 钢 方 法（,8,）,在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，,1978-1979,年,成功开发了,转炉顶底复合吹炼工艺,，即从转炉上方供给氧气（顶吹氧），从转炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅提高钢的质量，降低了消耗和吨钢成本，更适合供给连铸优质钢水。,炼 钢 方 法（8）在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，1978-,LD- Q- BOP,LD- Q- BOP,炼 钢 方 法（,9,）,我国首先在,1972-1973,年在沈阳第一炼钢厂成功开发了全氧侧吹转炉炼钢工艺。并在唐钢等企业推广应用。,炼 钢 方 法（9）我国首先在1972-1973年在沈阳第一,总之，炼钢技术经过,200,多年的发展，技术水平、自动化程度得到了很大的提高，,21,世纪炼钢技术会面临更大的挑战，相信会有不断的新技术涌现。,总之，炼钢技术经过200多年的发展，,1.2,我国钢铁工业的状况,我国很早就掌握了炼铁的冶炼技术，,东汉,时就出现了冶炼和锻造技术，,南北朝,时期就掌握了灌钢法，曾在世界范围内处于领先地位。,但旧中国钢铁工业非常落后，产量很低，从,1890,年建设的汉阳钢铁厂至,1948,年的,半个世纪中，钢产量累计到,200,万吨,，,1949,年只有,15.8,万吨,。,1.2 我国钢铁工业的状况 我国很早就掌握了炼铁的,新中国成立后，特别是改革开放以来，我国的钢铁事业得到迅速发展，,1980,年钢产量达到,3712,万吨，,1990,年达到,6500,万吨，,1996,年首次突破,1,亿吨大关，成为世界第一产钢大国，,2005,年产量达到,3.4,亿,吨，占世界产量的,1/3,。,可以这样讲，我国的钢铁工业对世界产生了重要影响，我国不仅是产钢大国，而且已经开始迈入钢铁强国的行列。,新中国成立后，特别是改革开放以来，我国的钢铁事业,我国粗钢产量的变化情况,我国粗钢产量的变化情况,1.3,炼钢的基本任务,炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成分。,归纳为：,“四脱”,（碳、氧、磷和硫），,“二去”,（去气和去夹杂），,“二调整”,（成分和温度）。采用的,主要技术手段,为：,供氧,，,造渣,，,升温,，,加脱氧剂,和,合金化操作,。,1.3炼钢的基本任务 炼钢的基本任务是脱,1.3.1,钢中的磷,对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷的含量高会引起钢的,“冷脆”,，即从高温降到,0,以下，,钢的塑性和冲击韧性降低,，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差。,磷是降低钢的表面张力的元素，随着,磷含量的增加，钢液的表面张力降低显著,，从而,降低了钢的抗裂性能,。,1.3.1 钢中的磷 对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中,磷是仅次于硫在钢的连铸坯中,偏析度高的元素,，而且在铁固熔体中扩散速率很小，因而磷的偏析很难消除，从而严重影响钢的性能，,所以脱磷是炼钢过程的重要任务之一,。,磷是仅次于硫在钢的连铸坯中偏析度高的元素，而且在铁固熔体中扩,磷在钢中是以,Fe,3,P,或,Fe,2,P,形式存在，但通常是以,P,来表达。炼钢过程的脱磷反应是在金属液与熔渣界面进行的。,不同用途的钢对磷的含量有严格要求：,非合金钢中普通质量级钢,P0.045%,；,优质级钢,P0.035%,；,特殊质量级钢,P0.025%,；,有的甚至要求,P0.010%,。,有些钢种,:,炮弹钢，耐腐蚀钢需加,P,元素。,磷在钢中是以Fe3P或Fe2P形式存在，,1.3.2,钢中的硫,硫,对钢的性能会造成不良影响，钢中硫含量高，会使钢的热加工性能变坏，即造成钢的,“热脆”性,。,硫在钢中以,FeS,的形式存在，,FeS,的熔点为,1193,，,Fe,与,FeS,组成的共晶体的熔点只有,985,。液态,Fe,与,FeS,虽可以无限互溶，但在固熔体中的溶解度很小，仅为,0.015%-0.020%,。,1.3.2 钢中的硫 硫对钢的性能会造成不良影响，钢中,当钢中的,S,0.020%,时，由于凝固偏析，,Fe-FeS,共晶体分布于晶界,处，在,1150-1200,的,热加工,过程中，晶界处的,共晶体熔化,，钢受压时造成晶界破裂，即,发生“热脆”现象,。,如果钢中的氧含量较高，,FeS,与,FeO,形成的共晶体熔点更低（,940,），更加剧了钢的“热脆”现象的发生。,当钢中的S0.020%时，由于凝固偏析，Fe-FeS共,锰可在钢凝固范围内生成,MnS,和少量的,FeS,，纯,MnS,的熔点为,1610,，,共晶体,FeS-MnS,（占,93.5%,）的熔点为,1164,，它们能有效的防止钢热加工过程的“热脆”。,锰可在钢凝固范围内生成MnS和少量的FeS，纯MnS的熔点为,冶炼一般钢种时要求将,Mn,控制在,0.4%-0.8%,。在实际生产中还将,Mn/S,比作为一个指标进行控制，,Mn/S,对钢的热塑性影响很大。,从低碳钢高温下的拉伸实验发现提高,Mn/S,比可以提高钢的热延展性。一般,Mn/S7,时不产生热脆,。,冶炼一般钢种时要求将Mn控制在0.4%-0,图,1-2 Mn/S,比对低碳钢热延展性的影响,图1-2 Mn/S比对低碳钢热延展性的影响,硫还会明显,降低钢的焊接性能,，引起高温龟裂，并在焊缝中产生气孔和疏松，从而降低焊缝的强度。,硫含量超过,0.06%,时，会显著,恶化钢的耐蚀性,。硫还是连铸坯中,偏析最为严重的元素,。,硫还会明显降低钢的焊接性能，引起高温龟裂，并在焊,不同钢种对硫含量有严格的规定：,非合金钢中,普通质量级钢,S0.045%,优质级钢,S0.035%,，,特殊质量级钢,S0.025%,有的钢种要求如,管线钢,S0.005%,甚至更低。,有些钢种，如,易切削钢,硫则作为合金元素加入，要求,S=0.08%-0.20%,。,不同钢种对硫含量有严格的规定：,1.3.3,钢中的氧,在吹炼过程中，向熔池供入了大量的氧气，到,吹炼终点,时，钢水中,含有过量的氧,，即钢中实际氧含量高于平均值。,如,不脱氧,，在出钢、浇铸中，温度降低，氧溶解度降低，,促使碳氧反应，钢液剧烈沸腾,，使,浇铸困难,，,得不到正确凝固组织结构的连铸坯,。,1.3.3 钢中的氧在吹炼过程中，向熔池供入了大量的氧气，到,钢中,氧含量高,，还会产生,皮下气泡，疏松,等缺陷，并,加剧硫的热脆,作用。在钢的凝固过程中，氧将会以氧化物的形式大量析出，会,降低钢的塑性，冲击韧性,等加工性能。,一般测定的是,钢中的全氧,，即,氧化物中的氧和溶解的氧之和,，在使用浓差法定氧时才是测定钢液中溶解的氧，在铸坯或钢材中取样时是全氧样。,钢中氧含量高，还会产生皮下气泡，疏松等缺陷，并加剧硫的热脆作,脱氧的任务,根据具体的钢种，,将钢中的氧含量降低到所需的水平,，以保证钢水在凝固时得到合理的凝固组织结构；,使成品,钢中非金属夹杂物含量最少,，分布合适，形态适宜，以保证钢的各项性能指标；,得到,细晶结构组织,。,常用的脱氧剂有,Fe-Mn,，,Fe-Si,，,Mn-Si,，,Ca-Si,等合金。,脱氧的任务根据具体的钢种，将钢中的氧含量降低到所需的水平，以,1.3.4,钢中的气体,钢液中的气体会显著降低钢的性能，而且容易造成钢的许多缺陷。钢中气体主要是指,氢与氮,，它们可以溶解于液态和固态纯铁和钢中。,氢,在固态钢中溶解度很小，在钢水凝固和冷却过程中，氢会和,CO,、,N,2,等气体一起析出，,形成皮下气泡中心缩孔、疏松、造成白点和发纹,。,1.3.4 钢中的气体 钢液中的气体会显著降低钢的性能,钢热加工过程中，钢中含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形成发裂，进而引起钢材的强度、塑性、冲击韧性的降低，即发生,“氢脆”,现象。,在钢材的纵向断面上，呈现出圆形或椭圆形的,银白色斑点,称之为,“白点”,，实为,交错的细小裂纹,。主要原因是钢中的氢在小孔隙中,析出的压力,和钢相变时产生的,组织应力,的综合力超过了钢的强度，产生了“白点”。一般,白点产生的温度低于,200,0,C,。,钢热加工过程中，钢中含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形成发裂,钢中的氮是以,氮化物,的形式存在，它对钢质量的影响体现出双重性。氮含量高的钢种长时间放置，将会,变脆,，这一现象称为,“老化”或“时效”,。原因是钢中氮化物的析出速度很慢，逐渐改变着钢的性能。低碳钢产生的脆性比磷还严重。,钢中,氮含量高,时，在,250-450,0,C,温度范围，其,表面发蓝,，钢的强度升高，冲击韧性降低，称之为,“蓝脆”,。,氮含量增加，钢的焊接性能变坏,。,钢中的氮是以氮化物的形式存在，它对钢质量的影响体现出双重性。,钢中加入适量的铝，可生成稳定的,AlN,，能够,压抑,Fe,4,N,生成和析出,，不仅,改善钢的时效性,，还可以,阻止奥氏体晶粒的长大,。氮可以作为合金元素起到,细化晶粒,的作用,.,在冶炼铬钢，镍铬系钢或铬锰系等,高合金钢,时，加入适量的氮，能够,改善塑性和高温加工性能,。,钢中加入适量的铝，可生成稳定的AlN，能够压抑Fe4N生成和,1.3.5,钢中的夹杂,钢中非金属夹杂按来源分可以分成,外来夹杂和内生夹杂,。,外来夹杂,是指冶炼和浇铸过程中，带入钢液中的炉渣和耐火材料以及钢液被大气氧化所形成的氧化物。,1.3.5 钢中的夹杂 钢中非金属夹杂按来源分可以分成外,内生夹杂,包括：,脱氧时的,脱氧产物,；,钢液温度下降,时，硫、氧、氮等杂质元素溶解度下降而以非金属夹杂形式出现的,生成物,；,凝固过程,中因溶解度降低、偏析而发生反应的产物；,固态钢相变,溶解度变化生成的产物。,钢中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固过程中产生的。,内生夹杂包括：脱氧时的脱氧产物；,根据成分不同，夹杂物可分为,氧化物夹杂,，即,FeO,、,MnO,、,SiO,2,、,Al,2,O,3,、,Cr,2,O,3,等简单的氧化物；,FeO-Fe,2,O,3,、,FeO-Al,2,O,3,、,MgO-Al,2,O,3,等,尖晶石类,和各种,钙铝的复杂氧化物,；,2FeO-SiO,2,，,、,2MnO-SiO,2,、,3MnO-Al,2,O,3,-2SiO,2,等,硅酸盐,；,硫化物夹杂,，如,FeS,、,MnS,、,CaS,等；,氮化物夹杂,，如,AlN,、,TiN,、,ZrN,、,VN,、,BN,等。,根据成分不同，夹杂物可分为氧化物夹杂，即 FeO、MnO、S,按加工性能，夹杂物可分为：,塑性夹杂,，它是在热加工时，沿加工方向延伸成条带状；,脆性夹杂,，它是完全不具有塑性的夹杂物，如尖晶石类型夹杂物，熔点高的氮化物；,点状不变性夹杂,，如,SiO,2,超过,70%,的硅酸盐，,CaS,、钙的铝硅酸盐等。,由于非金属夹杂对钢的性能产生严重的影响，因此在炼钢、精炼和连铸过程应最大限度地降低钢液中夹杂物的含量，控制其形状、尺寸,。,按加工性能，夹杂物可分为：塑性夹杂，它是在热加工时，沿加工方,1.3.6,钢中的成分,(,碳,),炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化脱除至所炼钢钟的要求。从钢的性质可看出碳也是重要的合金元素，它可以,增加钢的强度和硬度,，但,对韧性产生不利影响,。,钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度。,1.3.6 钢中的成分(碳)炼钢的重要任务之一就是要把熔池,碳能,显著改变钢的液态和凝固性质,，在,1600,0,C,，,C0.8%,时，,每增,0.1%,的碳,钢的,熔点降低,6.5,0,C,密度减少,4kg/m,3,黏度降低,0.7%,N,的溶解度降低,0.001%,H,的溶解度降低,0.4 cm,3,/100g,增大,凝固区间,17.79,0,C,。,碳能显著改变钢的液态和凝固性质，在16000C，C0.,锰,(Mn),锰的作用是,消除钢中硫的热脆倾向,，改变硫化物的形态和分布以提高钢质；,锰是,一种非常弱的脱氧剂,，在碳含量非常低、氧含量很高时，可以显示出脱氧作用，协助脱氧，提高他们的脱氧能力；,锰还可以,略微提高钢的强度,，并可提高钢的淬透性能，稳定并扩大奥氏体区，常作为合金元素生成奥氏体不锈钢、耐热钢等。,锰(Mn) 锰的作用是消除钢中硫的热脆倾向，改变硫,硅,(Si),硅是钢中,最基本的脱氧剂,。普通钢中含硅在,0.17%-0.37%,，,1450,0,C,钢凝固时，能保证钢中与其平衡的氧小于与碳平衡的量，抑制凝固过程中,CO,气泡的产生。,生产沸腾钢时，,Si,为,0.03%-0.07%,，,Mn,为,0.25%-0.70%,，它只能微弱控制,C-O,反应。,硅能,提高钢的机械性能，增加了钢的电阻和导磁性,。,硅 (Si) 硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中含硅在,硅,对钢液的性质影响较大,，,1600,0,C,纯铁中每增加,1%,的硅：,碳的饱和,溶解度,降低了,0.294%,铁的,熔点,降低,8,0,C,密度,降低,80kg/m,3,N,的饱和溶解度降低,0.003%,H,降低,1.4cm,3,/100g,钢的,凝固区间,增加,10,0,C,，钢液的收缩率提,高,2.05%,。,硅对钢液的性质影响较大，16000C纯铁中每增加1%的硅,铝,(Al),铝是终脱氧剂,，生产,镇静钢,时，,Al,多在,0.005%-0.05%,，通常为,0.01%-0.03%,。钢中铝的加入量因氧量而异，对高碳钢应少加些，而低碳钢则应多加，加入量一般为,:,0.3-1.0kg/t,钢,。,铝加到钢中将与氧发生反应生成,Al,2,O,3,，在出钢、镇静和浇铸时生成的,Al,2,O,3,大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小分散的,Al,2,O,3,还,能促进形成细晶粒钢,。铝是,调整钢的晶粒度的有效元素,，它能使钢的晶粒开始长大并保持到较高的温度。,铝(Al) 铝是终脱氧剂，生产镇静钢时，Al多,1.4,钢的分类,按化学成分分类,按是否加入合金元素可钢分为把,碳素钢,和,合金钢,两大类。,碳素钢,是指钢中除含有一定量为了脱氧而加入硅（一般,0.40%,）和锰（一般,0.80%,）等合金元素外，不含其他合金元素的钢。根据碳含量的高低又可分成,低碳钢,（,C0.25%,），,中碳钢,(0.25%C0.60%),和,高碳钢,(C0.60%),。,1.4 钢的分类 按化学成分分类,合金钢,是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素如铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮等的钢。,根据钢中合金元素含量的多少，又可分为,低合金钢,，,中合金钢和高合金钢,。一般合金元素总含量,小于,3%,的为,普通低合金钢,，总含量为,3%,5%,的为,低合金钢,，,大于,10%,的叫,高合金钢,，总含量介于,5%,10%,之间为,中合金钢,。,按钢中所含有的,主要合金元素不同,可分为,锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢,等。,合金钢是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素,按冶炼方法和质量水平分类,按炼钢炉,设备不同,可分为,转炉钢、电炉钢、平炉钢,。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及有关的真空熔炼钢等。,按,脱氧程度不同,可分为,沸腾钢,（不经脱氧或微弱脱氧）、,镇静钢,（脱氧充分）和,半镇静钢,（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间）。,按,质量水平,不同可分为,普通钢、优质钢和高级优质钢。,按冶炼方法和质量水平分类按炼钢炉设备不同可分为转炉钢、电炉钢,按用途分类,分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。,结构钢,是目前生产最多、使用最广的钢种，它包括,碳素结构钢,和,合金结构钢,，主要用于制造机器和结构的零件及建筑工程用的金属结构等。,碳素结构钢,是指用来制造工程结构件和机械零件用的钢，其硫、磷等杂质含量比优质钢高些，一般,S0.055%,，,P0.045%,，优质碳素钢,S,和,P,均,0.040%,。碳素结构钢的价格最低，工艺性能良好，产量最大，用途最广。,按用途分类 分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。,合金结构钢,是在优质碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或数种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性。合金结构钢根据化学成分（主要指含碳量）热处理工艺和用途的不同，又可分为,渗碳钢、调质钢和氮化钢,。,合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上，适当地加入,合金结构钢,渗碳钢,指用,低碳结构钢制成零部件,，经表面化学处理，淬火并低温回火后，使零件,表面硬度高而心部韧性好,，既耐磨又能承受高的交变负荷或冲击负荷。,调质钢,的,含碳量大于,0.25%,，所制成的零件经淬火和高温回火调质处理后，可得到适当的高强度与良好的韧性。,氮化钢,一般是指以,中碳合金结构钢制成零件,，先经过调质或表面火焰淬火、高频淬火处理，获得所需要的力学性能，最后再进行氮化处理，以进一步改善钢的表面耐磨性能。,合金结构钢 渗碳钢指用低碳结构钢制成零部件，经表,工具钢,包括,碳素工具钢,和,合金工具钢,及,高速钢,。,碳素工具钢,的硬度主要以含碳量的高低来调整（,0.65%C1.30%,），为了提高钢的综合性能，有的钢中加入,0.35%,0.60%,的锰。,合金工具钢,不仅含有,很高碳,，有的高达,2.30%,，而且含有,较高的铬,，铬的含量可达到,13%,、钨（达,9%,）、钼、钒等合金元素，这类钢主要用于各式模具。,高速工具钢,除含有,较高的碳（,1%,左右）,外，还含有,很高的钨,（有的高达,19%,）和铬、钒、钼等合金元素，具有较好的赤热硬性。,工具钢 包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。,特殊性能钢,指的是具有特殊化学性能或力学性能的钢，如,轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢,等。,轴承钢,是指用于制造各种环境中工作的各类轴承圈和滚动体的钢，这类钢,含碳,1%,左右,，,含铬最高不超过,1.65%,，要求具有高而均匀的硬度和耐磨性，内部组织和化学成分均匀，夹杂物和炭化物的数量及分布要求高。,特殊性能钢 指的是具有特殊化学性能或力学性能的钢，如轴承钢,不锈钢,是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具有一定化学稳定性的钢的总称。耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的称为不锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐蚀的钢称为耐腐蚀钢。,不锈钢具有不锈性，但不一定耐腐蚀，而耐腐蚀钢则一般都具有较好的不锈性,。,根据化学成分不同，可分为,马氏体不锈钢,(,13%Cr,钢为代表,),，,铁素体不锈钢,(,18%Cr,钢为代表,),，,奥氏体不锈钢,(,18%Cr-8%Ni,钢代表,),和双相不锈钢。,钢铁冶金学-炼钢学全套ppt课件,弹簧钢,主要含有硅、锰、铬合金元素，具有高的弹性极限、高的疲劳强度以及高的冲击韧性和塑性，专门用于制造螺旋簧及其他形状弹簧，对钢的表面性能及脱碳性能的要求比一般钢较为严格。,高温合金,指的是在应力及高温同时作用下，具有,长时间抗蠕变能力与高的持久强度和高的抗蚀性的金属材料,，常用的有铁基合金、镍基合金、钴基合金，还有铬基合金、钼基合金及其他合金等。高温合金主要用于制造燃汽轮机、喷气式发动机等高温下工作零部件。,弹簧钢主要含有硅、锰、铬合金元素，具有高的弹性极限、高的疲劳,思考题,1,、炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段实现？,2,、磷和硫对钢产生哪些危害？,3,、实际生产中为什么要将,Mn/S,比作为一个指,标进行控制？,4,、氢和氮对钢产生哪些危害？,5,、外来夹杂和内生夹杂的含义是什么？,思考题1、炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段实现？,第二章 炼钢的基础理论,钢液的物理性质,熔渣的物理化学性质,硅、锰的氧化和还原反应,碳氧化反应,钢液的脱磷,钢液的脱硫,钢液的脱氧,铬、钒、铌的氧化,氢、氮的反应,第二章 炼钢的基础理论钢液的物理性质,2.1,钢液的物理性质,钢的密度,单位体积钢液所具有的质量，常用符号,表示，单位通常用,kg/m,3,。影响钢液密度的因素主要有温度和钢液的化学成分。,总的来讲，温度升高，钢液密度降低，原因在于原子间距增大。固体纯,铁密度为,7880kg/m,3,，,1550,时液态的密度为,7040kg/m,3,，钢的变化与纯铁类似。,2.1钢液的物理性质钢的密度,钢液密度随温度的变化,：,=8523-0.8358(T+273),成分对钢液密度的影响,：,1600,=,0,1600,-210%C-164%Al-,60%Si-550%Cr-7.5%Mn,+ 43%W+6%Ni,钢液密度随温度的变化：,C,（,%,）,密度,1500,1550,1600,1650,1700,0.00,0.10,0.20,0.30,0.40,0.60,0.80,1.00,1.20,1.60,7.46,6.98,7.06,7.14,7.14,6.97,6.86,6.78,6.72,6.67,7.04,6.96,7.01,7.06,7.05,6.89,6.78,6.70,6.64,6.57,7.03,6.95,6.97,7.01,7.01,6.84,6.73,6.65,6.61,6.54,7.00,6.89,6.93,6.98,6.97,6.80,6.67,6.59,6.55,6.52,6.93,6.81,6.81,6.82,6.83,6.70,6.57,6.50,6.47,6.43,铁碳熔体的密度（,kg/m,3,）,0.007.467.047.037.006.93铁碳熔体的,钢的熔点,指钢完全转变成均一液体状态时的温度，或是冷凝时开始析出固体的温度。钢的熔点是确定冶炼和浇铸温度的重要参数，,纯铁的熔点约为,1538,，当某元素溶入后，纯铁原子之间的作用力减弱，铁的熔点就降低。降低的程度取决于加入元素的浓度、原子量和凝固时该元素在熔体与析出的固体之间的分配。,钢的熔点指钢完全转变成均一液体状态时的温度，或是冷凝时开始析,各元素使纯铁熔点的降低可表示为：,M,i,为溶质元素,i,的原子量；,%i,液为元素,i,在液态铁中的质量百分数；,K,为分配系数，而,K=%i,固,/%i,液,，（,1-K,）则,称为偏析系数。,各元素使纯铁熔点的降低可表示为：,计算钢的熔点经验式：,T,熔,=1538-90%C-28%P-40%S-17%Ti-,6.2%Si-2.6%Cu-1.7%Mn-2.9%Ni-,5.1%Al-1.3%V-1.5%Mo-1.8%Cr,-1.7%Co-1.0%W-1300%H-90%N-,100%B-65%O-5%Cl-14%As,计算钢的熔点经验式：T熔=1538-90%C-28%P,或,T,熔,=,1536-78%C-7.6%Si-4.9%Mn-,34%P-30%S-5.0%Cu -3.1%Ni-,1.3%Cr-3.6%Al-2.0%Mo-2.0%V,-18%Ti,或,钢液的黏度,黏度是钢液的一个重要性质，它对冶炼温度参数的制定、元素的扩散、非金属夹杂物的上浮和气体的去除以及钢的凝固结晶都有很大影响。,黏度是指各种不同速度运动的液体各层之间所产生的内摩擦力。通常将内摩擦系数或黏度系数称为黏度。,钢液的黏度 黏度是,黏,度表示形式,动力,黏,度,，用符号,表示；单位为,Pa,s (N,s/m,2,，,1,泊,=0.1Pa,s),；,运动,黏,度,，常用符号,表示，即：,m,2,/s,钢液的,黏,度比正常熔渣的要小得多，,1600,时其值在,0.002,0.003Pa,s;,纯铁液,1600,时,黏,度为,0.0005Pa,s,。,黏度表示形式 动力黏度，用,影响钢液,黏,度因素主要是,温度,和,成分,。,温度升高，,黏,度降低,。钢液中的碳对,黏,度的影响非常大，这主要是因为,碳含量使钢的密度和熔点发生变化,，从而引起,黏,度的变化。,生产实践也表明，同一温度下，,高碳钢的流动性比低碳钢钢液的好,。因此，一般在冶炼低碳钢中，温度要控制得略高一些。碳含量对钢液,黏,度的影响见图,2-1,。,影响钢液黏度因素主要是温度和成分。,温度高于液相线,50,时，碳含量对钢液,黏,度的影响,温度高于液相线50时，碳含量对钢液黏度的影响,当,%C0.15,时，黏度随着碳含量的增加而大幅度下降，主要原因是钢的密度随碳含量的增加而降低；,当,0.15%C,0.40,时，黏度随碳含量的增加而增加，原因是此时钢液中同时存在,-Fe,和,-Fe,两种结构，密度是随碳含量的增加而增加，而且钢液中生成的,Fe,3,C,体积较大；,当,%C0.40,时，钢液的结构近似于,-Fe,排列，钢液密度下降，钢的熔点也下降，故钢液的黏度随着碳含量的增加继续下降。,当%C0.15时，黏度随着碳含量的增加而大幅度下降，主,Si,、,Mn,、,Ni,使钢的熔点降低，,Si,、,Mn,、,Ni,含量增加，,钢液黏度降低,，尤其含量很高时，降低更显著。,但,Ti,、,W,、,V,、,Mo,、,Cr,含量增加则,使钢液的黏度增加,，这些元素易生成高熔点、体积大的各种碳化物。,Si、Mn、Ni使钢的熔点降低，Si、Mn、Ni含量增加，钢,钢液,中非金属夹杂物含量,增加，钢液,黏,度增加，,流动性变差,。,初期脱氧产物生成，夹杂物含量高，,黏,度增大，夹杂物不断上浮或形成低熔点夹杂物，黏度又下降。脱氧不良，钢液流动性一般不好。,常用流动性来表示钢液的,黏,稠状况，,黏,度的倒数即为流体的流动性,。,钢液中非金属夹杂物含量增加，钢液黏度增加，流动性变差。,钢液的表面张力,钢液因原子或分子间距非常小，其间的吸引力较强，而且钢液表面层和内部所引起的这种吸引力的变化是不同的。,内部每一质点所受到的吸引力的合力等于零，质点保持平衡状态；,而,表面层质点受内部质点的吸引力大于气体分子对表面层质点的吸引力,，这样表面层质点所受的吸引力不等于零，且方向指向钢液内部。,钢液的表面张力 钢液因原子或分子间距非常小，,这种使钢液表面产生自发缩小倾向的力称为钢液的表面张力,，用符号,表示，单位为,N/m,。实际上，钢液的表面张力就是指,钢液和它的饱和蒸气或空气界面之间的一种力,。,这种使钢液表面产生自发缩小倾向的力称为钢液的表面张力，用符号,钢液的表面张力,对,新相的生成,如,CO,气泡的产生，,钢液凝固过程,中结晶核心的形成等有影响,;,对,相间反应,，如脱氧产物的、夹杂物和气体从钢液中排除，渣钢分离，钢液对耐火材料的侵蚀等也有影响。,影响钢液表面张力的因素很多，但主要有,温度、钢液成分及钢液的接触物,。,钢液的表面张力,钢液的,表面张力是随着温度的升高而增大,，原因之一是温度升高时表面活性物质如,C,、,O,等热运动增强，使钢液表面过剩浓度减少或浓度均匀化，从而引起表面张力增大。,1550,时，,纯铁液的表面张力,约为,1.7,1.9N/m,。溶质元素对纯铁液表面张力的影响程度取决于它的性质与铁的差别的大小。,钢液的表面张力是随着温度的升高而增大，原因之一是温度升高时表,合金元素对熔铁表面张力的影响,合金元素对熔铁表面张力的影响,硫和氧对铁液表面张力的影响,硫和氧对铁液表面张力的影响,液相线以上,50,，碳对铁碳熔体表面张力的影响,液相线以上50，碳对铁碳熔体表面张力的影响,钢的导热能力,钢的导热能力可用导热系数来表示，即当体系内维持单位温度梯度时，在单位时间内流经单位面积的热量。钢的导热系数用符号,表示，单位为,W/,（,m,）,。,影响钢导热系数的因素主要有,钢液的成分、组织、温度、非金属夹杂物含量以及钢中晶粒的细化程度,等。,钢的导热能力 钢的导热能力可用导热系数来,通常,钢中合金元素越多，钢的导热能力就越低,。各种合金元素对钢的导热能力影响的次序为：,C,、,Ni,、,Cr,最大，,Al,、,Si,、,Mn,、,W,次之，,Zr,最小。,合金钢的导热能力一般比碳钢差,，,高碳钢的导热能力比低碳钢差,。,具有,珠光体、铁素体和马氏体组织的钢，,导热能力加热时都降低,，但,在临界点,AC3,以上加热将增加,。,各种钢的导热系数随温度变化规律不一样，,800,以下碳钢随温度的升高而下降,，,800,以上则略有升高,。,通常钢中合金元素越多，钢的导热能力就越低。各种合金元素对钢的,导热系数与碳含量的关系,导热系数与碳含量的关系,温度对钢导热系数的影响,温度对钢导热系数的影响,2.2,熔渣的物理化学性质,炼好钢首先要炼好渣,，所有炼钢任务的完成几乎都与熔渣有关。熔渣的结构决定着熔渣的物理化学性质，而,熔渣的物理化学性质又影响着炼钢的化学反应平衡及反应速率,。因此，在炼钢过程中必须控制和调整好炉内熔渣的物理化学性质。,2.2 熔渣的物理化学性质 炼好钢首先要炼好渣，所有,2.2.1,熔渣的作用、来源、分类与组成,去除铁水和钢水中的磷、硫等有害元素，同时能将铁和其他有用元素的损失控制最低；,保护钢液不过度氧化、不吸收有害气体、保温、减少有益元素烧损；,防止热量散失，以保证钢的冶炼温度；,吸收钢液中上浮的夹杂物及反应产物。,2.2.1 熔渣的作用、来源、分类与组成 去除铁水和钢水中的,熔渣在炼钢过程也有不利作用,:,侵蚀耐火材料，降低炉衬寿命,，特别是低碱度熔渣对炉衬的侵蚀更为严重；,熔渣中夹带小颗粒金属及未被还原的金属氧化物，,降低了金属的回收率,。,造好渣是炼钢的重要条件，造出,成分合适,、,温度适当,并具有,适宜于某种精炼目的,的炉渣，发挥其积极作用，抑制其不利作用,。,熔渣在炼钢过程也有不利作用: 侵蚀耐火材料，降低炉衬寿命，特,熔渣的来源,炼钢过程有目的,加入的造渣材料,，如石灰、石灰石、萤石、硅石、铁矾土及火砖块。,钢铁材料中,Si,、,Mn,、,P,、,Fe,等元素的,氧化产物,。,冶炼过程,被侵蚀的炉衬耐火材料,。,熔渣的来源 炼钢过程有目的加入的造渣材料，如石灰、石灰,熔渣的分类与组成,不同炼钢方法采用不同的渣系进行冶炼，造不同成分的炉渣，可达到不同的冶炼目的。,转炉炼钢造碱性氧化渣，而电炉炼钢造碱性还原渣,，它们在物理化学性质和冶金反应特点上有明显的差别。,碱性氧化渣,因碱性氧化物,CaO,和,FeO,含量较高，具有脱磷、脱硫能力，,碱性还原渣,因含有,CaC,2,，不仅具有脱硫能力，而且有脱氧能力。,熔渣的分类与组成 不同炼钢方法采用不,转炉,和,电炉,的炉渣成分和性质,转炉和电炉的炉渣成分和性质,2.2.2,熔渣的化学性质,熔渣的碱度,熔渣中,碱性氧化物浓度总和与酸性氧化物浓度总和之比,称之为熔渣碱度，常用符号,R,表示。熔渣碱度的大小直接对渣钢间的物理化学反应如脱磷、脱硫、去气等产生影响。,2.2.2 熔渣的化学性质熔渣的碱度,炉料中,w,P,0.30%,时,0.30%w,P,0.60%,时,炉料中wP0.30%时,熔渣,R1.0,为,碱性渣,，称之,短渣,。,炼钢熔渣,R3.0,。,炼钢熔渣中含有不同数量的碱性、中性和酸性氧化物，它们酸、碱性的强弱可排列如下：,CaO,MnO,FeO,MgO,CaF,2,Fe,2,O,3,Al,2,O,3,TiO,2,SiO,2,P,2,O,5,碱性,中性,酸性,熔渣R0,，渣中氧能向钢液扩散，称,氧化渣,；,%O,1.4,），,a,FeO,随温度的升高而减少,;,从反应动力学看，,当熔渣碱度和,(%FeO),浓度一定时,，,温度越高，则熔渣的流动性越好，熔渣中（,FeO,）反应能力增强，熔渣的氧化性增强,。,当渣中(%FeO)一定时，碱度低时， aFeO随温度的升高,熔渣氧化性在炼钢过程中的作用体现,在对熔渣自身、对钢水和对炼钢操作工艺影响,三个方面,。,影响化渣速度,，渣中,FeO,能促进石灰溶解，加速化渣，改善炼钢反应动力学条件，加速传质过程；,影响熔渣粘度,，渣中,Fe,2,O,3,和碱性氧化物反应生成铁酸盐，降低熔渣熔点和粘度，避免炼钢渣“返干”；,影响熔渣向熔池传氧,。,熔渣氧化性在炼钢过程中的作用体现在对熔渣,影响钢水含氧量,O,，低碳钢水含氧量明显受熔渣氧化性的影响，当钢水含碳量相同时，,熔渣氧化性强，则钢水含氧量高,；影响钢水脱磷，,熔渣氧化性强，有利于脱磷,。,影响铁合金收得率,，,氧化性强，降低铁合金收得率,；,影响炉衬寿命,，熔渣氧化性强，炉衬寿命降低；,影响金属收得率,，熔渣氧化性越强，金属收得率越低。,影响钢水含氧量O，低碳钢水含氧量明显受熔渣氧化性的影响，,2.2.3,熔渣的物理性质,炼钢过程要求,熔渣的熔点,低于所,炼钢的熔点,50-200,。除,FeO,和,CaF,2,外，其他简单氧化物的熔点都很高，它们在炼钢温度下难以单独形成熔渣，实际上它们是形成多种低熔点的复杂化合物。,熔渣的熔化温度,是固态渣完全转化为均匀液态时的温度,；同理，,液态熔渣开始析出固体成分时的温度为,熔渣的凝固温度,。熔渣的熔化温度与熔渣的成分有关，一般说来，,熔渣中高熔点组元越多，熔化温度越高,。,2.2.3熔渣的物理性质 炼钢过程要求熔渣的熔点低于所炼钢的,熔渣中常见的氧化物的熔点,熔渣中常见的氧化物的熔点,2.,熔渣的黏度,黏度是熔渣重要的物理性质，对元素的扩散、渣钢间反应、气体逸出、热量传递，铁损及炉衬寿命等均有很大的影响。,影响熔渣黏度的因素,主要有：,熔渣的成分，熔渣中的固体熔点，温度,。,一般来讲，,在一定的温度下，凡是能降低熔渣熔点成分，在一定范围内增加其浓度，可使熔渣黏度降低,；反之,则使熔渣黏度增大。,在酸性渣中提高,SiO,2,含量时，导致熔渣,黏,度升高；相反，在酸性渣中提高,CaO,含量，会使,黏,度降低 。,2. 熔渣的黏度 黏度是熔渣重要的物理性质，对元素的扩散、渣,碱性渣,中，,CaO,超过,40-50%,后，黏度随,CaO,增加。,SiO,2,在一定范围内增加，能,降低碱性渣的黏度,，但,SiO,2,含量超过一定值形成,2CaO,SiO,2,时，则使熔渣变稠，原因是,2CaO,SiO,2,的熔点高达,2130,。,FeO,(,熔点,1370),和,Fe,2,O,3,(1457),有明显降低渣熔点的作用，,增加,FeO,含量，渣黏度显著降低,。,MgO,在碱性渣中对黏度影响很大，当,MgO,浓度超过,9%-10%,时，会破坏渣的均匀性，,使熔渣变黏,。,Al,2,O,3,能降低渣的熔点，从而具有稀释碱性渣的作用。,CaF,2,本身熔点较低，它能降低熔渣的黏度。,碱性渣中，CaO超过40-50%后，黏度随CaO增加。,炼钢过程中，希望造渣材料完全溶解，形成均匀相的熔渣。但实际上炉渣中往往悬浮着,石灰颗粒,，,MgO,质颗粒,，,熔渣自身析出的,2CaO,SiO,2,、,3CaO,P,2,O,5,固体颗粒以及,Cr,2,O,3,等。这些固体颗粒的状态对熔渣的黏度产生不同影响。少量尺寸大的颗粒（直径达几毫米），对熔渣黏度影响不大，,尺寸较小（,10,-3,-10,-2,mm,）数量多的固体颗粒呈乳浊液状态，使熔渣黏度增加,。,炼钢过程中，希望造渣材料完全溶解，形成均匀相的熔渣。但实际上,对,酸性渣,，,温度升高,，聚合的,Si-O,离子键易破坏，,黏度下降,；对,碱性渣,而言，,温度升高,，有利于消除没有熔化的固体颗粒，因而,黏度下降,，总之，,温度升高，熔渣的黏度降低。,1600,炼钢温度,下，熔渣黏度在,0.02-0.1,Pa,s,之间,。,对酸性渣，温度升高，聚合的Si-O离子键易破坏，黏度下降；对,熔渣和钢水的黏度,熔渣和钢水的黏度,3.,熔渣的密度,熔渣的密度决定熔渣所占据的体积大小及钢液液滴在渣中的沉降速度,。,固体炉渣的密度可近似用下式计算,：,i,为各化合物的密度；,w,i,为渣中各化合物的质量百分数，,%,。,3. 熔渣的密度 熔渣的密度决定熔渣所占据的体积大小及钢液液,熔渣中化合物的密度,熔渣中化合物的密度,1400,时熔渣的密度与组成的关系,：,熔渣的,温度高于,1400,时,可表示为,:,一般,液态碱性渣的密度为,3.0 g/cm,3,，,固态碱性渣的密度为,3.5 g/cm,3,，,FeO,40%,的高氧化性的密度为,4.0g/cm,3,，,酸性渣的密度一般为,3.0g/cm,3,。,1400时熔渣的密度与组成的关系：,4.,熔渣的表面张力,熔渣的表面张力主要影响渣钢间的物化反应及熔渣对夹杂物的吸附等。,熔渣的表面张力普遍低于钢液,，,电炉熔渣的表面张力一般高于转炉,。,氧化渣,（,35%,45%CaO,，,10%,20%SiO,2,，,3%,7% Al,2,O,3,，,8%,30%FeO,，,2%,8%P,2,O,5,，,4%,10%MnO,，,7%,15%MgO,）的表面张力为,0.35,0.45N/m,；,还原渣,（,55%,60%CaO,，,20%SiO,2,，,2%,5%Al,2,O,3,，,8%,10%MgO,，,4%,8%CaF,2,）的表面张力为,0.35,0.45 N/m,；,4.熔渣的表面张力熔渣的表面张力主要影响渣钢间