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1、钢铁冶金学炼钢部分 刘增勋 第二章 炼钢任务 26第二章 炼钢的任务生铁和废钢是炼钢的主要原料，而生铁中除了含有较多的碳外，还含有一定量的硅、锰、磷、硫等元素（它们统称为钢铁中五大元素）；同时废钢中元素含量也很复杂，有些对钢的要求性能有害。除五大元素外，钢中还含有氮、氢、氧和非金属杂质物。它们在冶炼过程中随原材料、炉气、或反应产物的形式残留在钢液。这些物质对钢的性能有重大影响，必须调整或尽量降低有害物含量。炼钢定义：用氧化的方法去除生铁中的这些杂质，再根据钢种的要求加入适量的合金元素，使之成为具有高的强度、韧性或其他特殊性能的钢，这一工艺过程称为“炼钢”。元 素（）CMnSPSiL08生铁（G
2、B）40.300.50（二组）0.020.03（一类）0.15（一级）0.450.85SS3300.040.060.200.400.0070.0150.08综上所述，可将炼钢基本任务归纳如下：1 脱碳：含碳量是决定“铁与钢”定义的因素，同时也是控制材料性能的最主要元素。一般采用向钢中供氧，利用碳氧反应去除。2 脱硫、脱磷：对绝大多数钢种来说，磷、硫为有害元素。硫则引起钢的热脆，而磷将引起钢的冷脆。因此要求在炼钢过程中尽量除之。3 脱氧：在炼钢中，用氧去除钢中杂质后，必然残留大量氧，给钢的生产和性能带来危害，必须脱除。减少钢中含氧量的操作叫做脱氧。一般有合金脱氧和真空脱氧两种方法。4 去除气体和
3、非金属夹杂物：钢中气体主要指溶解在钢中的氢和氮。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物以及其它复杂化合物。一般采用CO气泡沸腾和真空处理手段。5 升温：炼钢过程必须在一定高温液态下才能完成，同时为保证钢水能浇成合格钢锭，也要求钢水有一定的温度。铁水温度很低1300左右，Q215钢熔点1515。6 合金化：为使钢具有必要的性能，必须根据钢中要求加入适量合金元素。7 浇成良锭：液态钢水必须浇注成一定形状的固体铸坯，采用作为轧材的原料。同时要求其质量符合良好。一般有模注和连铸两种方式。l 许多书中按上述方法来讨论“炼钢的基本任务”，但本教材中进行了另一种总结，以下按教材中的方式和顺序来讲解。也就是包括三大方
4、面：去除杂质、调整成份、和浇注成良坯。第一节 去除杂质钢中的杂质，一般是指去除钢中S、P、O、H、N和夹杂物。因此，本节中涉及到的炼钢任务包括：脱S和脱P、脱氧、脱除气体等三部分一 钢中硫：硫是钢中主要杂质之一。1 来源：主要来自铁水、石灰和合金料。（1） 铁水：来自焦炭，含量0.0200.050%S；不正常时可高达0.10%S（炉况和焦炭不佳）。（2） 铁水顶渣：高炉内炉渣脱硫，导致铁水包的顶渣中含S较高。如不扒渣或扒渣不彻底将增加系统S总量。（即使铁水预处理后，也必须扒出顶渣）（3） 石灰：一般要求0.150.20%S（实际要求0.10%）。M 石灰中S含量太高，会提高炉渣中的S含量，严重
5、时导致冶炼过程中钢水增S。在铁水中S含量较低时影响较大，有时会产生冶炼过程中“不降反升”的现象。（4） 合金料：合金料中含S。例如，MnSi合金要求7即可消除热脆，但在连铸过程中，Mn/S20才能有效的控制铸坯裂纹。因此，冶炼中应控制Mn/S20。在合金钢时，采用其它元素也可以控制S的危害，如P10所示。Ca、Ti等形成硫化物的能力更强，但Ca、Ti等原料昂贵、溶解度低、添加困难、CaS还导致水口堵塞，而标准内也没有要求其含量。因此实际上，生产中最常采用Mn来控制S的危害。（2） 降低S含量：尽管Mn可以控制S的热脆危害，但过高的S会产生较多的MnS夹杂，影响钢的性能。因此，实际钢中应尽量降低
6、S含量。M 炼钢中常用的脱硫方法：铁水预脱硫、炉内脱硫、炉外脱硫三种。M 实际证明，降低硫含量的作用，大于提高Mn/S的影响。4 含量：国家标准按硫含量规定了钢种的级别，可见其重要性。如P9，表2-1。钢种普通钢优质钢高级优质钢薄板等S%0.0500.0400.0300.005二 钢中磷：磷是钢中有害元素之一。1 钢水中P的来源（1） 铁水：铁水中P含量一般在0.0502%范围内，我省大部分为低磷铁水（0.0500.120%P）。铁 水低磷铁水中磷铁水高磷铁水P，1%P铁水中的P主要来自矿石，矿石中的P在高炉内全部被还原进入铁水。（2） 合金料：有些合金中P含量较高，例如：FeMn（0.40%
7、）和MnSi合金（0.25%），锰含量较高时增P现象比较突出。（77B的9炉废品问题）（3） 炉渣回磷：出钢下渣，钢包内钢渣被还原，脱磷反应向相反方向进行。2 对性能的影响（1） 产生冷脆 对低温冲击韧性的影响：冷脆意义。如P12图2-6、P13图2-7和图2-8所示。 C的影响：在高C含量时冷脆更加严重。因此，国内外标准要求高碳钢P更低。例如：轴承钢（1.0%）要求P0.027%；77MnA要求P0.025%；建筑盘条要求P0.045%。（2） 提高裂纹敏感性：P在凝固过程中偏析严重，在晶界处的富集导致晶界熔化，降低高温强度值，如P13,图2-9。M 在结晶器坯壳行为的研究中有所应用（Wol
8、f）。M P对热裂的影响比S的危害小，在常见的范围内一般不予考虑。（3） 影响强度和塑性：磷降低韧性，但可略微增加钢的强度，如图P12图2-6。M 在常见的范围内对塑性影响不大。（4） 改善钢的特殊性能：在特殊钢种中也是合金元素，并非杂质（即P的用途）。 炮弹钢：增加P含量提高钢的冷脆性，爆炸时碎片增多。 耐候钢：改变电极电位，提高钢耐大气腐蚀能力，如火车箱、高压线支架等（09CuP和12MnCuPTi）。 薄板：P高时轧制中不易粘连（在成份允许的条件下）。 离心钢管：利用P来增加钢的流动性。3 改善措施P与其它元素的结合能力差，无法采用控制其它元素来减轻P的危害。降低磷含量，是降低P危害的唯
9、一措施。（以后章节中在祥述）4 含量：钢中P的允许范围（具体成份要求由国家标准来确定），如P14表2-5所示。三 钢中氧：钢中O是影响钢质量的主要元素之一。1 来源（1） 液态钢水溶解氧：采用何种脱氧方式都无法完全去除。（2） 脱氧产物：利用脱氧剂脱氧后，脱氧产物以夹杂物形式滞留在钢中。（3） 炉渣：炉渣卷入钢液，而炉渣是大部分是氧化物。（4） 耐火材料：耐火材料大多也是氧化物。M 途径：浇注过程中耐火材料受到侵蚀进入钢液；耐火材料中氧化物对钢产生氧化，如SiO2对Al和Mn的氧化。（5） 空气：脱氧后的钢水在浇注中与空气接触，受到氧化即从空气中吸氧。二次氧化：在浇注过程中钢水受到空气或耐火材
10、料的氧化。2 对钢的影响（1） 氧化剂：是炼钢中不可缺少的物质，如脱C、脱P、造渣等工艺。M 以下（2）（5）说明了为什么必须脱氧？。（2） 影响浇注过程 沸腾：凝固导致C和O富集，生成CO产生沸腾，使浇注无法进行。 侵蚀：氧高时钢水对耐火材料产生强烈侵蚀作用，如水口变大、塞棒熔断等。 水口堵塞：有时也容易产生二次夹杂堵塞水口。如浇注Q215时SiO2导致水口堵塞。（3） 铸坯中产生气泡：C和O的凝固富集产生CO气体，气量小时在铸坯中产生气泡。（4） 影响热脆性：在凝固过程中在晶界富集形成FeO，与FeS形成共晶体（940）。（5） 形成夹杂物：凝固过程中O偏析使脱氧反应重新进行，形成凝固夹杂
11、。M 兔死狗烹3 存在形式：溶解氧、夹杂物氧和气体氧（1） 钢液：溶解氧和夹杂物。在钢水中溶解度较大（1600时0.23%）。 炉内：钢水的O基本上以溶解态存在。 钢包内：脱氧的产物部分滞留在以夹杂物的形式存在；未反应的O仍溶解在钢水中，以溶解态存在。（2） 固态钢：O在固态钢中溶解度很小，钢水中的溶解氧在凝固过程中富集重新与钢水中脱氧元素反应形成氧化物夹杂。因此，固态钢中的氧基本上以夹杂物的形式存在。M 如果铸坯中产生气泡，则氧元素以CO气体形式存在。4 分类：一般分为两类。（1） 溶解氧：液态钢水中以溶解状态存在的氧元素称为“溶解氧”，以O表示。（2） 全 氧：钢中（包括液态和固态）所有的
12、氧元素称为“全氧”，以表示。包括溶解氧和夹杂物中的所有氧元素。5 氧的测定（1） 溶解氧：钢水中溶解氧O可以用定氧仪，在冶炼现场直接测定。M 注意：只有在冶炼现场才能得到溶解氧的数据；定氧仪无法测定夹杂物中的氧。M 测定成本较高，贺利氏定氧仪14万元/台，定氧头120元/只，每次一只。（2） 全氧：利用氮氧仪在实验室内测定试样中的总氧含量。用钢样测定的氧均为全氧。M 一般情况下，钢中的氧含量是指“全氧”。M 因为夹杂物中以氧化物夹杂居多，而可以表示氧化物夹杂含量，因此常采用来描述钢水中的夹杂物含量（或洁净度）。6 控制措施 （简述）（1） 脱氧：冶炼后采用多种脱氧方式降低钢中的氧化量。如合金、真空及炉渣脱氧。（2） 钢水保护：在浇注和运输过程中，使钢水与空气隔绝。（如长水口、浸入式水口、结晶器和钢包保护渣等）（3） 钢包吹氩：促使夹杂物上浮。（4） 中间包冶金：中间包挡墙、中包碱性覆盖剂、气雾墙。（5） 改善耐火材料：采用镁质材料代替硅质材
