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1、第1章 钢的冶炼、浇注、成型工艺及 钢材的质量控制,2,4,1.1 钢的冶炼,1.2 钢的浇注,1.3 钢的成型,1.4 钢材的质量检验,返回,第1章 钢的冶炼、浇注、成型工艺及 钢材的质量控制,钢铁材料是由铁、碳及硅、锰、硫、磷等杂质元素组成的金属材料，是铁和碳的合金。按碳的质量分数WC可分为工业纯铁(WC2.11%)三类。 钢铁材料的生产过程由炼铁、炼钢和轧钢等三个主要环节组成。首先，由铁矿石等原料经高炉冶炼获得生铁，高炉生铁除了获得铸铁件外，大部分用来炼钢。钢是由生铁经高温熔炼降低其含碳量和清除杂质后而得到的。钢液除少数浇成铸钢件以外，绝大多数都浇铸成钢锭或连铸坯，经过轧制或锻压制成各种
2、钢材(板材、型材、管材、线材等)或锻件，供加工使用。图 1-1为钢铁材料的生产过程示意图。,返回,1.1 钢的冶炼,地壳中铁的储藏量比较丰富，大约占 4.2%(元素总量计)，仅次于氧、硅及铝，居第四位，但是由于自然界中铁总是以化合物(氧化物、硫化物或碳酸盐等)存在，不同的岩石中含铁品位差别较大，因此凡是可以利用目前的加工技术条件，从中经济地提取出金属铁的矿石，我们就称为铁矿石，如表1-1所示，矿石的品位决定其价格，即冶炼的经济性，一般将矿石中铁的质量分数高于 65%，且含硫、磷等杂质少的矿石，供直接还原法和熔融还原法适用，而矿石中铁的质量分数低于65%50%,则供高炉使用，我国目前富矿储量已较
3、少，绝大部分都是铁的质量分数为30左右的贫矿，需要经过选矿处理才能使用。 1.1.1炼铁 铁的化学性质活泼，自然界中的铁绝大多数是以铁化合物形式存在。,下一页,返回,1.1 钢的冶炼,炼铁用的原料多数是铁的氧化物，含铁比较多并且具有冶炼价值的矿物，如赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿、褐铁矿等称为铁矿石。铁矿石中除了含有铁的氧化物以外，还含有硅、锰、硫、磷等元素的氧化物杂质，这些杂质称为脉石。炼铁的实质就是从铁矿石中提取铁及其有用元素形成生铁的过程。现代钢铁工业生产铁的主要方法是高炉炼铁。高炉炼铁的炉料主要是铁矿石(Fe3O4)、燃料(焦炭)和熔剂(石灰石)。焦炭作为炼铁的燃料，一方面为炼铁提供热量，另一
4、方面焦炭在不完全燃烧时所产生的一氧化碳(CO)，又作为使氧化铁和其他金属元素还原的还原剂。熔剂的作用是使铁矿石中的脉石和焦炭燃烧后的灰分转变成密度小、熔点低和流动性好的炉渣，并使之与铁水分离，常用的熔剂是石灰石(CaCO3)。,上一页,下一页,返回,1.1 钢的冶炼,在炼铁时，将炼铁原料分批装入高炉中，在高温和压力作用下，经过一系列化学反应，将铁矿石还原成铁。经高炉冶炼出的铁不是纯铁，其中含有碳、硅、锰、硫、磷等杂质元素，这种铁称为生铁，生铁是高炉冶炼的主要产品。根据用户的不同需要，生铁可分为两类： (1)铸造生铁。这类生铁的断口呈暗灰色。硅的质量分数较高，用于机械制造厂生产成型铸件。 (2)
5、炼钢生铁。这类生铁的断口呈亮白色。硅的质量分数较低(Wsi1.5)，用来在炼钢炉中炼钢。 高炉炼铁产生的副产品是煤气和炉渣，高炉排除的炉气中含有大量的 CO、CH4和 H2等可燃气体，具有很高的经济价值，可以回收利用。高炉炉渣的主要成分是 CaO和 SiO2。,上一页,下一页,返回,1.1 钢的冶炼,可以回收利用，生产水泥、渣棉和渣砖等建筑材料。 1.1.2 炼钢 炼钢是以生铁 (铁水和生铁锭)和废钢为主要原料，此外，还有熔剂 (石灰石、萤石)、氧化剂 (O2和铁矿石)和脱氧剂 (铝、硅铁和锰铁)等。炼钢的主要任务是利用氧化作用将铁液中的碳及其他杂质元素减少到规定的化学成分范围内，从而得到了所
6、需的钢，所以用生铁炼钢实质上是一个氧化过程。 1)炼钢方法。现代炼钢方法主要有转炉炼钢法和电炉炼钢法。 1)转炉炼钢法，采用氧气顶吹转炉，主要原料为生铁和废钢，以化学反应的化学热为热源，主要产品为碳素钢和低合金钢，其主要特点是冶炼速度快，生产效率高，成本低。,上一页,下一页,返回,1.1 钢的冶炼,钢的品种较多，质量较好，适合于大量生产。 2)电炉炼钢法，采用电弧炉，主要原料为废钢，以电能为热源，主要产品为合金钢，其主要特点是炉料通用性大，炉内气氛可以控制，脱氧良好，能冶炼难熔合金钢。钢的质量优良，品种多样。 (2)钢的脱氧。钢液中的过剩氧气与铁生成氧化物，对钢的力学性能会产生不良的影响，因此
7、，必须在浇注前对钢液进行脱氧。按钢液的脱氧程度不同，钢可分为特殊镇静钢(TZ)、镇静钢(Z)、半镇静钢(b)、和沸腾钢(F)四种。 1)镇静钢是脱氧完全的钢，钢液冶炼后期用锰铁、硅铁和铝块进行充分脱氧，钢液在钢锭模内平静地凝固。这类钢锭化学成分均匀，内部组织致密，质量较高。,上一页,下一页,返回,1.1 钢的冶炼,但由于钢锭头部形成较深的缩孔，轧制时被切除，钢材浪费较大。 2)沸腾钢是指脱氧不完全的钢。钢液在冶炼后期仅用锰铁进行不充分的脱氧。钢液浇入钢锭模后，钢液中的Fe0和碳相互作用，脱氧过程仍在进行(Fe0 + C Fe + CO )，生成的CO气体引起了钢液沸腾现象。凝固时大部分气体逸出
8、，少量气体被封闭在钢锭内部，形成许多小气泡。这类钢锭不产生缩孔，一切头浪费小。但是，化学成分不均匀，组织不够致密，质量较差。 3)半镇静钢的脱氧程度和性能状况介于镇静钢和沸腾钢之间。 4)特殊镇静钢的脱氧质量优于镇静钢，其内部材料均匀，非金属夹杂物含量少，可满足特殊需要。,上一页,返回,1. 2 钢的浇注,钢液经脱氧后，除少数用来浇铸成铸钢件外，其余都浇铸成钢锭或连铸坯。钢的浇注方法有模铸法和连铸法两种，连铸法具有生产效率高、钢坯质量好、节约能源及生产成本低等优点，因此，得到广泛应用。钢锭浇注示意图如图1-1所示。 1.2.1模铸法 模铸法是指把钢液经过浇注系统从下部或者直接从上部注入金属锭模
9、内，待其冷凝后脱模，得到金属铸锭。这种方法的适应性较强，但锭模准备工作复杂，劳动条件很差，钢锭的组织不够致密均匀，轧材时切头、切尾多，成材率低，浇注系统的废品弃品损失大。在现代化炼钢车间中已逐渐被连铸法所代替。,下一页,返回,1. 2 钢的浇注,1.2.2连铸法 连铸法是指把钢液连续不断地注入一个铜质水冷结晶器中，强制冷却结晶成一定厚度的结晶外壳后，由引锭装置以适当的速度从结晶器中拉出，再继续喷水冷却至完全凝固，定尺切割成钢坯供轧材使用。 连铸法铸坯结晶过冷度很大，晶粒细小，偏析轻，组织致密，质量好。这种方法浇注和切头损失极小，成材率可提高10%15%。整个浇注过程在一条机械化、自动化和连续化
10、的作业线上进行，劳动条件好。轧制时不需开坯即可直接成材。适合于与氧气转炉炼钢、连续轧机等高生产率的冶金设备配套，使冶金、浇注、成材实现连续化流水作业，从而大大改变钢铁企业的生产面貌。因此，连铸法是新建炼钢车间或原有炼钢车间技术改造的重要方向之一。,上一页,下一页,返回,1. 2 钢的浇注,一般的金属型材，如棒材、板材、管材和线材等大都是通过轧制、挤压和拉拔等工艺制成的。工程上需要承受载荷的重要零部件，例如机器的主轴、重要的齿轮、炮弹的弹头、汽车的前桥等，必须要用锻造工艺制造。,上一页,返回,1. 3 钢加成型,1.3.1钢材的概念 钢材是钢锭或钢坯通过压力加工制成我们所需要的各种形状、尺寸和性
11、能的材料。根据断面形状的不同，一般分为型材、板材、管材、线材和金属制品五大类。 1.3.2钢材的生产 冶炼成的各种钢液，直接用来铸成钢件的较少，大部分钢液浇注成钢锭，再把钢锭制成不同形状、规格和尺寸的型材，才能供直接使用。 钢材主要通过压力加工方法获得。压力加工是使金属坯料在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的毛坯或零件的加工方法。主要包括轧制、挤压、拉拔、锻造、模型锻造和板料冲压等。,下一页,返回,1. 3 钢加成型,其中，轧制、挤压和拉拔方法以生产原材料为主;自由锻造、模型锻造和板料冲压方法以生产毛坯为主。 1.轧制 将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙(各种形状)，靠摩
12、擦力通过轧辊孔隙而受压变形，材料截面减小，长度增加，形成所需形状和尺寸的压力加工方法，这是钢材生产最常用的方式。轧制生产所用的坯料主要是金属锭，主要用来生产型材。轧制分为冷轧、热轧两种。 2.锻造 利用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使坯料形成所需形状和尺寸的压力加工方法，叫做锻造。它分为自由锻和模锻，自由锻是指金属坯料在上下砧铁间受冲击力或压力而变形的成型方法。,上一页,下一页,返回,1. 3 钢加成型,模锻是指金属坯料在具有一定形状的锻模模膛内受冲击力或压力而变形的成型方法。锻造适宜于间歇生产，适于机器零件或坯料的生产，属体积成型，凡承受重载荷的机器零件，如机器的主轴、重要齿轮、连杆、炮管和
13、枪管等，通常需采用锻造制作毛坯，再经切削加工而成。 3.拉拔 将已经轧制的金属坯料(型、管、制品等)通过模孔拉拔成截面减小、长度增加的加工方法。大多用做冷加工，主要生产各种细丝(拉丝)和薄管(拔管)，如电线、电缆、钢绞线和各种特殊几何形状的型材等。 拉拔模模孔的截面形状和使用性能的好坏对产品有决定性影响。拉拔模模孔在工作中受到强烈摩擦作用，为保持其几何形状的准确性和使用的长久性，应选用耐磨的硬质合金或其他耐磨材料来制造。,上一页,下一页,返回,1. 3 钢加成型,由于拉拔多数情况是在冷态下进行，所得到的产品具有较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度值，所以拉拔通常是轧制或挤压的后步工序，以提高产品质
14、量。 4.挤压 将金属放在密闭的挤压模内，一端施加压力，使金属从规定的模孔中挤出得到不同形状和尺寸的成品加工方法，叫做挤压。 挤压可以获得各种复杂截面的型材或零件，适用于加工低碳钢、非铁金属及其合金。如采取适当的工艺措施，还可以对合金钢和难熔合金进行挤压生产。,上一页,下一页,返回,1. 3 钢加成型,5.冲压 金属板料在冲模之间受压力产生分离或变形的加工方法，叫做冲压。冲压属于板料成型，板料冲压广泛用于汽车制造、电器、仪表及日用品工业等方面。,上一页,返回,1 .4 钢耐的质量检验,材料的化学成分、组织状态、性能及其热处理、加工过程中的变化等，都需要确定是否合乎要求;原材料及加工过程中产生的
15、各种缺陷需要确认，并作为选材和改进加工工艺的依据;产品使用过程中的质量需要跟踪等，上述这些都需要通过检验来分析和控制。所以，在机械制造工业中，材料及毛坯的检验是保证产品质量和提高产品使用寿命的重要措施。 1.4.1化学成分分析 金属材料的成分是其组织和性能的基础。常用成分检验方法有:化学分析、光谱分析和火花鉴别等。 1.化学分析 化学分析是确定材料成分的重要方法，可以进行定性和定量分析。定性分析是确定合金中所含的元素;而定量分析则是确定合金元素的含量。,下一页,返回,1 .4 钢耐的质量检验,化学分析的精度较高，但需要较长的时间，费用也较高。常用的化学分析法有以下几种。 (1)滴定法。将标准溶
16、液(已知浓度的溶液)滴入被测物质的溶液中，使之发生反应，待反应结束后，根据所用标准溶液的体积，计算出被测元素的含量。 (2)比色法。利用光线分别透过有色的标准溶液和被测物质溶液，比较透过光线的强度，以测定被测元素的含量。由于高灵敏度、高精度的光度计和新型的显色剂的出现，这种方法在工业中得以广泛的应用。 (3)现场化学试验。现场化学试验的方法有很多而且简单，可用来识别许多金属材料，其中许多化学试剂可在车间里找到。通过在试件表面涂抹某些化学试剂，并观察其变化情况就可初步判别材料。,上一页,下一页,返回,1 .4 钢耐的质量检验,2.光谱分析 金属是由原子组成的，在外界高能激发下不同原子有确定的辐射能，代表该元素所特有的固定光谱。光谱能表征每一元素，并且它是元素原子量的基本特征。原子在激发状态下是否具有这种光谱是这种元素存在的标志，光谱的强度是该元素含量多少的标志。 光谱分析迅速、成本低、分析精度较高、消耗材料较少，因此，在生产实践中得到了广泛的应用。光谱分析在工厂中也常被称为分光检验。 3.火花鉴别 火花鉴别是基于钢
