炼钢基础知识

绪 论

第1篇 钢铁材料知识

1 钢的分类及性能

1.1 钢的分类和牌号

1.1.1 碳素钢的分类、牌号及用途

1.1.2 合金钢的分类、牌号及用途

1.2 钢的性能

1.2.1 钢的力学性能

1.2.2 钢的物理性能

1.2.3 钢的化学性能

1.2.4 钢的工艺性能

思考题

2 金属结构与结晶

2.1 晶体的结构

2.1.1 晶体结构的概念

2.1.2 金属晶格的类型

2.1.3 晶体结构的缺陷

2.2 金属的结晶

2.2.1 纯金属的冷却

2.2.2 纯金属的结晶

2.2.3 晶粒大小的控制

2.2.4 纯铁的同素异构转变

思考题

3 铁碳合金

3.1 合金组织

3.1.1 固溶体

3.1.2 金属化合物

3.1.3 多相混合物

3.2 元合金相图

3.2.1 二元合金相图的建立

3.2.2 水平截线法则和杠杆定律

3.2.3 匀晶相图

3.2.4 共晶相图

3.3 铁碳合金相图

3.3.1 铁碳合金中的基本相

3.3.2 铁碳合金相图分析

3.3.3 典型的铁碳合金结晶过程及其组织

3.3.4 碳含量对铁碳合金组织与性能的影响

3.3.5 铁碳相图的应用

思考题

4 钢的热处理

4.1 钢在加热和冷却时的转变

4.1.1 钢在加热时的转变

4.1.2 钢在冷却时的转变

4.2 钢的退火和正火

4.2.1 退火

4.2.2 正火

4.2.3 退火与正火的选择

4.3 钢的淬火与回火

4.3.1 淬火

4.3.2 钢的回火

4.4 钢的表面处理

4.4.1 表面淬火

4.4.2 钢的化学热处理

思考题

5 钢中元素作用

5.1 钢中常存元素

5.1.1 碳的影响

5.1.2 锰的影响2100433B

本书为冶金行业职业技能培训教材，是参照冶金行业职业技能标准和职业技能鉴定规范，根据冶金企业的生产实际和岗位群的技能要求编写的，并经劳动和社会保障部职业培训教材工作委员会办公室组织专家评审通过。

全书内容分为4篇共16章：第1篇为钢铁材料知识，介绍钢的分类、组织与性能、选用原则、结构与结晶、铁碳合金相图、热处理和元素在钢中的作用；第2篇为物理化学知识，介绍冶炼过程中所发生的各种物理化学现象；第3篇为炼钢基本知识，介绍金属熔体、熔渣的结构及其主要的物理化学性质；4篇为传热知识，介绍传热学基础知识，并在此基础上对氧气顶吹转炉和电弧炉的炉内传热进行简单的分析。为便于读者自学，各章均附有复习思考题。

本书也可作为职业技术院校相关专业的教材，或工程技术人员的参考用书。

造渣：调整钢、铁生产中熔渣成分、碱度和粘度及其反应能力的操作。目的是通过渣——金属反应炼出具有所要求成分和温度的金属。例如氧气顶吹转炉造渣和吹氧操作是为了天生有足够活动性和碱度的熔渣，以便把硫、磷降到计划钢种的上限以下，并使吹氧时喷溅和溢渣的量减至最小。

出渣：电弧炉炼钢时根据不同冶炼条件和目的在冶炼过程中所采取的放渣或扒渣操作。如用单渣法冶炼时，氧化末期须扒氧化渣；用双渣法造还原渣时，原来的氧化渣必须彻底放出，以防回磷等。

熔池搅拌：向金属熔池供给能量，使金属液和熔渣产生运动，以改善冶金反应的动力学条件。熔池搅拌可藉助于气体、机械、电磁感应等方法来实现。

电炉底吹：通过置于炉底的喷嘴将N2、Ar、CO2、CO、CH4、O2等气体根据工艺要求吹进炉内熔池以达到加速熔化，促进冶金反应过程的目的。采用底吹工艺可缩短冶炼时间，降低电耗，改善脱磷、脱硫操作，提高钢中残锰量，提高金属和合金收得率。并能使钢水成分、温度更均匀，从而改善钢质量，降低成本，提高生产率。

熔化期：炼钢的熔化期主要是对平炉和电炉炼钢而言。电弧炉炼钢从通电开始到炉料全部熔清为止、平炉炼钢从兑完铁水到炉料全部化完为止都称熔化期。熔化期的任务是尽快将炉料熔化及升温，并造好熔化期的炉渣。

氧化期和脱炭期：普通功率电弧炉炼钢的氧化期，通常指炉料溶清、取样分析到扒完氧化渣这一工艺阶段。也有认为是从吹氧或加矿脱碳开始的。氧化期的主要任务是氧化钢液中的碳、磷；去除气体及夹杂物；使钢液均匀加热升温。脱碳是氧化期的一项重要操作工艺。为了保证钢的纯净度，要求脱碳量大于0.2%左右。随着炉外精炼技术的发展，电弧炉的氧化精炼大多移到钢包或精炼炉中进行。

精炼期：炼钢过程通过造渣和其他方法把对钢的质量有害的一些元素和化合物，经化学反应选进气相或排、浮进渣中，使之从钢液中排除的工艺操作期。

还原期：普通功率电弧炉炼钢操作中，通常把氧化末期扒渣完毕到出钢这段时间称为还原期。其主要任务是造还原渣进行扩散、脱氧、脱硫、控制化学成分和调整温度。目前高功率和超功率电弧炉炼钢操作已取消还原期。

炉外精炼：将炼钢炉（转炉、电炉等）中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程，也叫二次冶金。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行。初炼：炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。精炼：将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。将炼钢分两步进行的好处是：可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本。炉外精炼的种类很多，大致可分为常压下炉外精炼和真空下炉外精炼两类。按处理方式的不同，又可分为钢包处理型炉外精炼及钢包精炼型炉外精炼等。

钢液搅拌：炉外精炼过程中对钢液进行的搅拌。它使钢液成分和温度均匀化，并能促进冶金反应。多数冶金反应过程是相界面反应，反应物和天生物的扩散速度是这些反应的限制性环节。钢液在静止状态下，其冶金反应速度很慢，如电炉中静止的钢液脱硫需30～60分钟；而在炉外精炼中采取搅拌钢液的办法脱硫只需3～5分钟。钢液在静止状态下，夹杂物上浮除去，排除速度较慢；搅拌钢液时，夹杂物的除去速度按指数规律递增，并与搅拌强度、类型和夹杂物的特性、浓度有关。

钢包喂丝：通过喂丝机向钢包内喂进用铁皮包裹的脱氧、脱硫及微调成分的粉剂，如Ca-Si粉、或直接喂进铝线、碳线等对钢水进行深脱硫、钙处理以及微调钢中碳和铝等成分的方法。它还具有清洁钢水、改善非金属夹杂物形态的功能。

钢包处理：钢包处理型炉外精炼的简称。其特点是精炼时间短（约10～30分钟），精炼任务单一，没有补偿钢水温度降低的加热装置，工艺操作简单，设备投资少。它有钢水脱气、脱硫、成分控制和改变夹杂物形态等装置。如真空循环脱气法（RH、DH），钢包真空吹氩法（Gazid），钢包喷粉处理法（IJ、TN、SL）等均属此类。

钢包精炼：钢包精炼型炉外精炼的简称。其特点是比钢包处理的精炼时间长（约60～180分钟），具有多种性能，有补偿钢水温度降低的加热装置，适于各类高合金钢和特殊性能钢种（如超纯钢种）的精炼。真空吹氧脱碳法（VOD）、真空电弧加热脱气法（VAD）、钢包精炼法（ASEA-SKF）、封闭式吹氩成分微调法（CAS）等，均属此类；与此类似的还有氩氧脱碳法（AOD）。

惰性气体处理：向钢液中吹进惰性气体，这种气体本身不参与冶金反应，但从钢水中上升的每个小气泡都相当于一个“小真空室”（气泡中H2、N2、CO的分压接近于零），具有“气洗”作用。炉外精炼法生产不锈钢的原理，就是应用不同的CO分压下碳铬和温度之间的平衡关系。用惰性气体加氧进行精炼脱碳，可以降低碳氧反应中CO分压，在较低温度的条件下，碳含量降低而铬不被氧化。

预合金化：向钢液加进一种或几种合金元素，使其达到成品钢成分规格要求的操作过程称为合金化。多数情况下脱氧和合金化是同时进行的，加进钢中的脱氧剂一部分消耗于钢的脱氧，转化为脱氧产物排出；另一部分则为钢水所吸收，起合金化作用。在脱氧操作未全部完成前，与脱氧剂同时加进的合金被钢水吸收所起到的合金化作用称为预合金化。

成分控制：保证成品钢成分全部符合标准要求的操作。成分控制贯穿于从配料到出钢的各个环节，但重点是合金化时对合金元素成分的控制。对优质钢往往要求把成分精确地控制在一个狭窄的范围内；一般在不影响钢性能的条件下，按中、下限控制。

增硅：吹炼终点时，钢液中含硅量极低。为达到各钢号对硅含量的要求，必须以合金料形式加进一定量的硅。它除了用作脱氧剂消耗部分外，还使钢液中的硅增加。增硅量要经过正确计算，不可超过吹炼钢种所要求的范围。

终点控制：氧气转炉炼钢吹炼终点（吹氧结束）时使金属的化学成分和温度同时达到计划钢种出钢要求而进行的控制。终点控制有增碳法和拉碳法两种方法。

出钢：钢液的温度和成分达到所炼钢种的规定要求时将钢水放出的操作。出钢时要留意防止熔渣流进钢包。用于调整钢水温度、成分和脱氧用的添加剂在出钢过程中加进钢包或出钢流中。2100433B

炼钢的基础知识拉力试验

按标准制备的拉力试样，安装在拉力试验机的夹头内，对试样缓慢施加单轴向拉伸应力，直至试样被拉断为止的试验称作拉力试验。

炼钢的基础知识强度

金属材料在外力作用下，抵抗变形和断裂的能力叫强度。强度指标包括：比例极限、弹性极限、屈服强度、抗拉强度等。 7．1．2比例极限 对金属施加拉力，金属存在着力与变形成直线比例的阶段，而这个阶段的最大极限负荷Pp除以试样的原横截面积即为比例极限，用 σ P表示。

炼钢的基础知识弹性极限

金属受外力作用发生了变形，外力去掉后，能完全恢复原来的外形，这种变形称为弹性变形。金属能保持弹性变形的最大应力称为 弹性极限，用σe表示。

炼钢的基础知识抗拉强度

试样拉伸时，在拉断前所承受的最大负荷除以原横截面积所得的应力，称作抗拉强度，用σb表示。当材料所受的外应力大于其抗拉 强度时，将会发生断裂。因此σb越高，则表示它能承受愈大的外应力而不致于断裂。 国外标准的结构钢常按抗拉强度来分类，如SS400，其中400即表示σb的最小值为400MPa，超高强度钢是指σb≥1373 Mpa的钢。

炼钢的基础知识屈强比

屈强比即屈服强度与抗拉强度之比值（σS/σb）。屈服比值越高，则该材料的强度愈高，屈强比值愈低则塑性愈佳，冲压成形性愈好。如深冲钢板的屈强比值为≤0.65。 弹簧钢一般均在弹性极限范围内服役，受载荷时不应产生塑性变形，因此要求弹簧钢经淬火、回火后具有尽可能高的弹性极限和 屈强比值（σS/σb≥0.90）此外疲惫寿命与抗拉强度及表面质量往往有很大关连。

炼钢的基础知识塑性

金属材料在受力破坏前可以经受永久变形的性能称为塑性。塑性指标通常用伸长率和断面收缩率表示。伸长率与断面收缩率越高，则 塑性越好。

从鱼雷车运来的铁水经过脱硫、挡渣等处理后即可倒进转炉中作为主要炉料，另加10% 以下的废钢。然后，向转炉内吹氧燃烧，铁 水中的过量碳被氧化并放出大量热量，当探头测得达到预定的低碳含量时，即停止吹氧 并出钢。一般在钢包中需进行脱氧及调整成份操作；然后在钢液表面抛上碳化稻壳防止钢水被氧化，即可送往连铸或模铸工区。 对要求高的钢种可增加底吹氩、RH真空处理、喷粉处理（喷Si—Ca粉及变性石灰）可以有效降低钢中的气体与夹杂，并有进一步降 碳及降硫的作用。在这些炉外精炼措施后还可以终极微调成份，满足优质钢材的需求。