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1、 第六章 炼钢基本原理 6.1炼钢的基本任务 所谓炼钢，是指通过冶炼脱除生铁中的碳及有害杂质，再根据 对钢性能的要求加入适量的合金元素，使其成为具有高的强度 、韧性或其他特殊性能的钢。 炼钢任务可概括为“四脱、二去、二调整 ” 主要手段： 供氧、造渣、升温、脱氧和合金化。 6.1.1四脱 p 脱硫 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。当钢中的硫含量超过 0.020时，在11501200的热加工过程中，钢受压时造 成开裂，即发生“热脆”现象。如果钢中的氧含最较高，则 产生更低熔点的共晶化合物FeO-FeS(熔点为940)，更加剧 了钢
2、的“热脆”现象的发生。 普通钢%S0.045；优质钢%S0.035；高级优质钢%S0.025 超低硫钢%S0.001，易削切钢中需加入S p 脱磷 通常，P在钢中以Fe2P和Fe3P形式存在，常以p表示，一 般P是钢中有害元素之一。磷使钢的韧性降低，可略微增加 钢的强度。P的突出危害是产生“冷脆”，在低温下， %P越高，冲击性能(冲击功AK)降低就越大。 普通钢%P 0.045； 优质钢%P 0.035； 高级优质钢%P0.025； 普通低磷钢%P 0.010； 超低磷钢，%P0.005； 极低磷钢%P 0.002。 但有些钢种如炮弹钢、耐腐蚀钢等，则需要加入磷元素。 p 脱氧 来源：炼钢是氧
3、化还原过程。在吹炼过程中，向熔池吹入 了大量的氧气，到吹炼终点，钢水中含有过量的氧。 危害：如果不进行脱氧，将影响其后的浇注操作。而且在 钢的凝固过程中，氧以氧化物的形式大量析出，钢中也将 产生氧化物非金属夹杂，降低钢的塑性和冲击韧性，使钢 变脆。为此，要将钢水按不同钢种要求脱氧。 p 脱C C是钢中重要的合金元素，C含量的增加可以提高钢的强度和 硬度，但会降低钢的塑性及韧性。钢中的C决定了冶炼、 轧制及热处理的温度制度。能够显著改变钢的液态和凝固 性质。铁水中的C一般呈饱和状态，大约在3-4%，钢的 含碳量在2.11%以下，因此炼钢的重要任务之一就是将熔 池中的C脱除至，达到所炼钢种的要求。
4、 6.1.2去气(氮、氮) 钢中氢 来源：炼钢炉料带有水分或由于空气潮湿，都会使钢中的含氢量增加 。 危害：在钢的热加工过程中，钢中含有氢气的气孔会沿着加工方向被 拉长而形成发裂，从而引起钢材的强度、塑性以及冲击韧性降低。 这种现象称为氢脆。在钢的各类标准中，对氢一般不作数量上规定 ，但氢会使钢产生白点(发裂)、疏松和气泡缺陷。 钢中氮 来源：氮由炉气进入钢中。当钢材由高温较快冷却时，将会发生氮化 物的析出，使钢的强度、硬度上升，塑性大大降低。这种现象称之 为蓝脆。钢中的氮以氮化物的形式存在，氮化物的析出速度很慢， 逐渐改变着钢的性能。氮含量高的钢种，若长时间放置，将会变脆 。这一现象称为“老
5、化”或“时效”。 6.1.3 去夹杂 1）夹杂物来源 脱氧脱硫等反应产物、炉渣及耐火材料、杂质元素析出非金属夹杂物等。 2）夹杂物分类（根据化学成分分类） (1)氧化物夹杂 简单氧化物：FeO、MnO、SiO2、A12O3、Cr2O3等。 复杂氧化物：FeO-Fe2O3、FeO-A12O3、MgO-A12O3、2FeO-SiO2、2MnO-SiO2 、3MnO-A12O3-2SiO2等。 (2)硫化物夹杂： 如FeS、MnS、CaS等。 (3)氮化物夹杂：如AlN、TiN、ZrN、VN、BN等。 3）夹杂物的危害： 钢中夹杂物能破坏钢的连续性、降低钢的塑性，韧性和疲劳寿命，使钢的加工性 能变坏
6、，对钢材表面光洁度和焊接性能有直接影响。因此在炼钢、精炼及连铸过 程中应最大限度地降低钢液中夹杂物的含量、控制其形状及尺寸。 6.1.4调整成分 为保证钢的各种物理、化学性能，应将钢的成分调整到规 定的范围之内。 碳 炼钢过程中要氧化脱除多余的碳，达到规定的要求。 锰 锰的冶金作用主要是消除MnS的热脆倾向，改变硫化物的 形态和分布以提高钢质。 硅 硅是钢中最基本的脱氧元素。普通钢中含硅0.17% 0.37%，是冶炼镇静钢的合适成分。 铝 炼钢生产中，铝是强脱氧元素，大部分钢均采用铝或含 铝的复合脱氧剂脱氧。 合金元素：冶炼合金钢时还需加入相应的合金元素。 6.1.5调整钢液温度 铁水温度，一
7、般只有1300左右，而钢水温度，必须高于 1500，才不至于凝固。钢水脱碳、脱磷、脱硫、脱氧、去 气、去非金属夹杂等过程，都需在液态条件下进行。此外， 为了将钢水浇注为铸坯(或钢锭)，也要求出钢温度在1600 以上，才能顺利进行。为此，在炼钢过程中，需对金属料和 其他原料加热升温，使钢液温度达到出钢要求。 出钢温度： Tf：钢水凝固点。 T1：出钢、精炼、输运过程温降。 T2：钢水过热度。 6.1.6 控制残余有害元素 Cu、Sn、As、Sb等残余有害元素对钢的质量和性能所造成 的危害主要有：恶化钢坯及钢材的表面质量，增加热脆倾 向；使低合金钢发生回火脆性；降低连铸坯的热塑性，在 含氢气氛中引
8、起应力腐蚀；严重降低耐热钢持久寿命及引 起热应力腐蚀；严重恶化IF钢深冲性能等。 6.2 炼钢炉渣 炼钢炉渣的来源： 废钢带入的泥沙和铁锈等；氧化物或冷却剂（矿石、烧结矿等）带 入的脉石。 加入的各种造渣材料（石灰、萤石、粘土砖等）以及被侵蚀的炉衬 耐火材料。 炼钢过程中化学反应的产物，即金属炉料、脱氧剂及合金中的各元 素被氧化后所生成的氧化物；还有少量硫化物。 炼钢炉渣的组成： 以各种金属氧化物为主，并含有少量硫化物和氟化物。 炼钢渣最常见的成分：CaO、SiO2、FeO、Fe2O3、Al2O3、MgO、 CaF2，其中对炉渣物化性质有决定性影响的是：CaO、SiO2、FeO 为炼钢渣的基本
9、体系。 炼钢炉渣的作用： 1）通过调整炉渣成分及性质等控制钢液中元素的氧化 和还原过程。 2）向钢中传递氧以氧化各种杂质元素。 3）覆盖在钢液表明、防止钢液过度氧化、吸收有害气 体、减少有益元素的烧损。 4）防止热量散失、保证钢的冶炼温度。 5）吸收钢液中上浮的夹杂物及反应产物 l 炼钢炉渣的主要性质 炉渣的碱度：熔渣中碱性氧化物浓度总和与酸性氧化物浓度总和之比 ，常以R表示。 1）当%P0.3时 2）当0.3%P1500，以3CaOP2O5存在。 在冶炼或出钢过程中，如果炉温过高，碱度、(FeO)过低，往往会使已 脱除到渣中的磷又返回到钢液中去，这个现象就叫做“回磷”。 有利于脱磷反应的热力
10、学条件是： 较高的炉渣碱度(34)； 氧化铁较高(1520%)； 较低的熔池温度； 渣量要大，可利用多次放渣和造新渣来去磷。 需要指出：脱P反应是强放热反应，在铁水中P含量较高时，P也可以 成为炼钢中的主要放热元素之一。 u脱硫反应 硫在液态铁中以元素存在，有的认为以FeS形式存在。 转炉脱硫：氧化渣脱硫占总脱硫量的90气化脱硫占10左右。熔渣 脱硫反应方程式： 有利于脱硫的条件: (1) 炉渣碱度适当高(R=3.03.5最好)； (2) 渣中的氧化铁低； (3) 高温。高温有利于提高炉渣流动性，有利于脱硫反应快速进行； (4) 大渣量。 课后思考题 炼钢的主要任务？ 炼钢熔渣的来源及作用？ 何为熔渣碱度？ 何为熔渣氧化性？ 脱S反应式及有利热力学条件？ 脱P反应式及有利热力学条件？ 脱C反应的意义？ 谢谢各位，下次课再探讨 ！
