炼钢工基础知识

钢中元素
氢 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。 钢热加工过程中，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。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2000℃。
炉渣
造渣材料 炼钢用造渣材料，主要有石灰、萤石及其代用品、合成渣 料和白云石等。
炉渣
石灰 石灰主要成分为CaO，是由主要成分为CaCO3的石灰 石煅烧而成。对炼钢石灰的基本要求是：CaO含量尽量高、 SiO2及S等杂质尽量少、活性要好、新鲜干燥、块度合适。
（1）石灰的有效熔剂性。所谓石灰的有效熔剂性，是指根据炉渣碱度要求，除去 自身酸性氧化物（SiO2）造渣消耗的CaO，剩余CaO的含量，即: ω（ CaO）有效= ω（ CaO）石灰－R×ω（SiO2）石灰
杂质元素脱除
按脱氧原理分：脱氧方法有三种，即沉淀脱氧法，扩 散脱氧法和真空脱氧法。 沉淀脱氧法 沉淀脱氧法是指将脱氧剂加到钢液中，它直接与钢液 中的氧反应生成稳定的氧化物，即直接脱氧。沉淀脱氧效 率高，操作简单，成本低，对冶炼时间无影响，但沉淀脱 氧的脱氧程度取决于脱氧剂能力和脱氧产物的排出条件。
炉渣
合成渣料
合成渣料是转炉炼钢中新型造渣材料。它是将石灰和熔剂按一定比 例混合制成的低熔点、高碱度的复合造渣材料，即把炉内的造渣过程 部分地，甚至全部移到炉外进行。显然，这是一个提高成渣速度、改 善冶炼效果的有效措施。 目前国内使用较多的合成渣料是冷固结球团。它是用主要成分为 FeO（67%左右）和Fe2O3（16%左右）的转炉炉尘配加一定的石灰粉、 生白云石粉和氧化铁皮，在造球盘上造球，尔后在200～250℃下烘干 固结而成。该合成渣成分均匀、碱度高（5 ～ 13）、熔点低（1180 ～ 1360℃），且遇高温自动暴裂，因而加入后极易熔化，能很快形成高 碱度、强氧化性和良好流动性的熔渣。国外有种黑皮石灰（煅烧石灰 时配加氧化铁皮），成渣快，去磷效果好。
炼钢基础知识
钢中元素
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。
钢中元素
硅 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。
炉渣
白云石
白云石是CaCO3和MgCO3的复合矿物，高温下分解后的主要成分 是氧化钙CaO和MgO氧化镁，还有一些SiO2、 Al2O3和Fe2O3。采用白云石造渣工艺主要是延长炉衬寿命，其基本原 理是根据氧化镁在渣中有一定溶解度的特点，向炉内加入一定量的白 云石，使渣中（MgO）将近饱和，从而减弱熔渣对镁质炉衬的侵蚀； 另一方面，冶炼中随着炉渣碱度的提高，渣中（MgO）达到过饱和而 有少量固态MgO析出，使后期炉渣黏度升高，出钢后利用溅渣护炉技 术将炉渣挂在炉衬表面，形成保护层，可减轻冶炼前期低碱度渣对炉 衬的侵蚀。对转炉炼钢用白云石，一般要求其MgO含量在20%以上， CaO含量不低于30%，硫、磷杂质元素含量要低，块度以5 ～ 40㎜为 宜。白云石入炉会分解吸热，因此采用轻烧白云石较好。
钢中元素
氮 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置，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。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。
杂质元素脱除
杂质元素脱除
脱氧 不管是哪种炼钢方法，都需要在熔池中供氧去除C、 Si、Mn、P等杂质元素，氧化精炼结束后，钢液达到了一 定成分和温度，其含量一般超过C-O平衡线。如果钢水不 进行脱氧，连铸坯就得不到正确的凝固组织结构。钢中氧 含量高，还会产生皮下气泡、疏松等缺陷，并加剧硫的危 害作用。而且还会生成过多的氧化物夹杂，降低钢的塑性、 冲击韧性等力学性能。因此，必须除去钢中的过剩氧。 在出钢或浇铸过程中，加脱氧剂适当减少钢液含氧量 的操作称之为脱氧。
炉渣
萤石及其代用品 萤石在炼钢中是作为熔剂加入的，目的是化渣和稀渣。 其主要成分是CaF2 ，熔点仅1400℃左右，并能与CaO 及 2 CaO · SiO2结合成低熔点化合物，因而可以加速石灰熔化 和消除炉渣“返干”，且作用迅速。此外，萤石能与硫反 应生成挥发性的化合物，因而还具有一定的脱硫作用。对 炼钢萤石要求CaF2不低于85%， SiO2不超过4%， CaO不 超过5%，S小于0.2%，块度10～80㎜，且保持清洁、干燥、 不混杂。
钢中元素
铝
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。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。 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。
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%。
钢中元素
锰 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； 锰是一种非常弱的脱氧剂，在碳含量非常低、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，并可提高钢的淬透 性能，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
钢中元素
硫 硫能使钢在热加工过程中产生“热脆”，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。
有些钢种，如易切削钢硫则作为合金元素加入，要求[S]=0.08%-0.20%。
炉渣
炉渣组成对石灰溶解的影响 影响石灰在熔渣中的溶解速度的因素主要是石灰的质 量、熔池温度及熔渣的组成。
炉渣
（ CaO）和（SiO2）
渣中（ CaO）的含量小于30%～35%时，石灰的溶解速度随其增 大而增大，这是因为石灰溶解过程的限制性因素是物质的扩散，当 （ CaO）含量小于30%时，渣中存在大量的复合阴离子，增加（ CaO） 的含量会使这些复合阴离子解体，引起炉渣黏度下降，从而改善石灰 溶解的动力学条件，加速石灰的溶解。当渣中（ CaO）含量大于35% 时，随着（ CaO）的进一步增加，会使炉渣的平均熔点不断升高，黏 度不断上升，从而影响石灰的溶解速度。渣中（SiO2） 低时，随着其 含量的增加，石灰的溶解速度增加，这是因为该条件下增加（SiO2） 会使炉渣熔点降低，黏度下降。同时它可与（FeO）一起促进石灰的溶 解，反应产物是熔点只有1205℃的CaO·FeO ·SiO2 。随着（SiO2） 大 于25%时，进一步增加其含量，不仅在石灰表面形成2CaO·SiO2硬壳， 而且会增加渣中复合阴离子的数量，导致炉渣黏度上升。
脱磷 脱磷的条件：高碱度、高氧化铁含量（氧化性）、良好流 动性熔渣、充分的熔池搅动、适当的温度和大渣量。 要实现还原脱磷，必须加入比铝更强的脱氧剂，使钢 液达到深度还原。通常加入Ca，Ba或CaC2等强还原剂。 3[Ca]+2[P]=3（Ca2+）+2（P3-） 3[Ba]+2[P]=3(Ba2+)+2(P3-) 3CaC2(s)+2[P]=3(Ca2+)+2(P3-)+6[C] 还原脱磷加入强还原剂的同时，还需加入CaF2， CaO等熔剂造渣。还原脱磷一般是在金属不宜用氧化脱磷 的情况下才使用，如含铬高的不锈钢，采用氧化脱磷会引 起铬的大量氧化。还原脱磷后的渣应立即去除，否则渣中 的P3-又会重新氧化成PO43-而造成回磷。
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”。
钢中元素
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。
炉渣
（FeO）和（MnO） 随着（FeO）含量增加，石灰溶解速度直线增大。其原 因有三，一是（FeO）可与渣中（FeO）是炉渣的表 面活性物质，可以增强炉渣对石灰的润湿和渗透；三是 （FeO）可与 CaO及2CaO·SiO2作用生成低熔点化合物而 使它们熔化。 （MnO）对石灰熔化速度与（FeO）类似，但不如其作用大。
炉渣
（MgO）
少量的（MgO）含量，可以降低炉渣的黏度；当含量 超过6%时，渣中的（MgO）处于过饱和状态，会析出固 态的氧化镁颗粒，使炉渣黏度增大。
杂质元素脱除
脱硫 脱硫的有利条件：高温，高碱度，低（FeO），好流动性。 提高脱硫速率的措施 反应界面积A越大，脱硫速率就越快。熔池沸腾程度，渣钢 间的乳化状况，喷吹搅拌的程度等均对渣、钢界面的大小产 生影响。 炉渣粘度低、熔池活跃、钢水和炉渣的含硫量差值大时，km、 ks大，脱硫速率快。 炉渣碱度、炉渣氧化性和熔池温度等操作工艺条件均在Ls产 生影响，一切旨在提高Ls的措施均可促进脱硫反应。
炉渣
（2）石灰的活性。所谓“活性”，是指石灰与熔渣的反应能力，它是衡量 石灰在渣中溶解速度的指标。石灰的“活性”与生产石灰时的煅烧温度 有关。石灰石的分解温度为880～910℃，如果煅烧温度控制在1050 ～ 1150℃，烧成的石灰晶粒细小（1μm左右）、气孔率高（可达40%以 上），呈海绵状，活性很好，称为软烧石灰或轻烧石灰。这种石灰加入 熔池成渣快，利于前期脱磷，而且冶炼过程顺利。如果煅烧温度远高于 石灰石的分解温度，烧成的石灰晶粒粗大（10μm左右）、气孔率低（仅 20%左右），甚至表面还包有一层熔融物，称为硬烧石灰或过烧石灰。 这种石灰加入熔池后，化渣慢，不利于冶炼和前期脱磷。如果煅烧 温度低于900℃，由于烧成温度低，石灰烧不透，称为生烧石灰。这种 石灰入炉后，内部残留的石灰石要继续分解而吸热，不仅成渣慢，对熔 池升温也不利。 （3）石灰的块度。转炉炼钢一般要求石灰的块度为5 ～40㎜。块度过大， 熔化慢，成渣晚；块度过小，尤其是含有粉末的，说明吸收了大量水分， 应禁止使用。