转炉炼钢工艺

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3%～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。

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。 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”。
在 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，因为研究发现钢中的 [Mn]/[S] 比对钢的热塑性影响很大，从低碳 钢高温下的拉伸实验结果可以发现提高 [Mn]/[S] 比 可 以 提 高 钢 的 热 延 展 性 。 一 般 [Mn]/[S]≥7时不产生热脆。

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。
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。
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Al2O3，在出钢、镇静 和浇铸时生成的Al2O3大部分上浮排除，在凝固过程中大量 细小分散的Al2O3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。
1.2 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（[C]≤0.25% ），中碳钢 (0.25%≤[C]≤0.60%) 和 高碳钢([C]>0.60%)。
硅 (Si)
硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中含硅在0.17%0.37%，14500C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。硅对钢液的性质影响较大， 16000C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80C，密度降低80kg/m3，[N]的饱 和溶解度降低0.003%.[H]降低1.4cm3/100g，钢的凝固 区间增加100C，钢液的收缩率提高2.05%。

钢中加入适量的铝，可生成稳定的 AlN ，能够 压抑Fe4N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。
1.1.5 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。

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臵， 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。但是低碳钢产生的脆性比磷还严重。 钢中氮含量高时，在250-4500C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。
1.1.6 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。 碳能显著改变钢的液态和凝固性质，在16000C， [C]≤0.8%时，每增0.1%的碳，钢的熔点降低6.50C，密 度减少4kg/m3，粘度降低0.7%，[N]的溶解度降低 0.001%，[H]的溶解度降低0.4 cm3/100g，增大凝固区 间17.790C 。

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。
脱氧的任务

磷在钢中是以[Fe3P]或[Fe2P]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。 鉴于磷对钢的不良影响，不同用途的钢对磷的含 量有着严格的要求。如非合金钢中普通质量级钢 w[P]≤0.045%；优质级钢w[P]≤0.035%；特殊质量级 钢w[P]≤0.025%，有的钢种甚至要求w[P]≤0.010%。 但有些钢种如:炮弹钢，耐腐蚀钢则需要加入磷元素。
1.1.1 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。 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。
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。


1.1.4 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，N2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。


在钢的热加工过程中，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。它产生的主要原因 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2000C。
1.1.2 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 然可以无限互溶，但在固熔体中的溶解度很小，仅为 0.015%-0.020%。 当钢中的硫含量超过0.020%时，钢水在凝固过程中由 于偏析，低熔点Fe-FeS共晶体分布于晶界处，在11501200℃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。
钢中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固 过程中产生的。
根据成分不同，夹杂物可分为

氧化物夹杂，即 FeO、MnO、SiO2、Al2O3 、Cr2O3等简 单的氧化物；
FeO-Fe2O3 、FeO-Al2O3、MgO-Al2O3等尖晶石类和各种 钙铝的复杂氧化物； 2FeO-SiO2，、2MnO-SiO2、 3MnO-Al2O3-2SiO2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。

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；钢中的锰是一种非常 弱的脱氧剂，在钢中的碳含量非常低、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，并可以提 高钢的淬透性能，它可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。
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
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。
1.1.3 钢中的氧

在吹炼过程中，由于向熔池供入了大量的氧气，这 样当达到吹炼终点时，钢水中含有过量的氧，也就 是说钢中实际氧含量高于平均值。如果不进行脱氧， 这样在其后的出钢，浇铸过程中，随着温度的降低， 钢液中的氧溶解度降低，促使碳氧反应继续进行， 钢液剧烈沸腾，不仅使浇铸困难，而且也得不到正 确凝固组织结构的连铸坯。
炼钢工艺
范树璐
2#转炉
内容提要


概述 炼钢的基础理论 顶吹氧气转炉炼钢法
第一章 概 述
炼钢的基本任务
钢的分类
1.1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。可以归纳为：“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。



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SiO2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。
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。 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w[S]≤0.045%，优质级钢w[S]≤0.035%，特殊质 量级钢w[S]≤0.025%，有的钢种要求如管线钢 w[S]≤0.005%,甚至更低。但对有些钢种，如易切削钢 硫则作为合金元素加入，要求w[S]=0.08%-0.20%。
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[S]≤0.055%， [P]≤0.045%，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。