第2章 炼钢任务.

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”。

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。

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：①脱S和脱P、②脱氧、③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0.020~0.050%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<0.15~0.20%S（实际要求≤0.10%）。

石灰中S含量太高，会提高炉渣中的S含量，严重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<0.04%S（P25）。

合金料加入量高时应注意其影响，例如“低硫增碳剂”。

2．对性能的影响（1）产生热脆：S的最大危害。

FeS熔点1193℃，FeS+FeO熔点940℃。

轧制温度一般在1150~1200℃，连铸时铸坯矫直前整个断面内的温度在900～1400℃。

因此在连铸和轧制中显示出脆性。

（2）形成夹杂：S的钢水中溶解度高，但S在固体钢中溶解度低。

因此，S在固体钢中基本上是以硫化物夹杂的形式存在。

①降低塑性：降低了钢的断面收缩率，影响深加工。

如图P10图2-1、表2-2所示。

②危害各向同性：一般采用Mn抑制S热脆，因此硫化物主要是MnS。

MnS属于韧性夹杂，热加工时变形拉长，使钢材横向性能下降，如P10图2-1、2-2和表2－2所示。

③影响深冲性能和疲劳性能：夹杂物破坏了基体的连续性，形成应力集中。

④夹杂物的评级：硫化物使钢夹杂物增加，影响夹杂评级。

如P11图2-3。

⑤强度：S对钢的强度影响不大。

如P10表2-2。

（3）改善切削性能：易切削钢利用硫化物夹杂来改善切削性能（MnS等夹杂物使车屑容易断裂，避免了车屑卷刀现象）。

易切削钢的S含量高（0.08~0.10%），如P12，表2-3。

这是S的唯一有益的用途。

唐钢电炉厂炼钢工第一次知道S有下限要求。

3．控制措施：包括两种常用的方法。

（1）提高Mn含量：一般钢种要求〔Mn〕0.25～0.80%，来控制S的热脆危害。

①原理：钢水中的Mn和S在凝固过程中同样产生选分结晶，在晶界处与S反应生产MnS。

MnS的熔点高（1610℃），在轧制和连铸过程中仍处于固态，因此消除了低熔点FeS（1193℃）引起的热脆现象。

②M n/S：Mn对S的控制能力一般用Mn和S的质量百分数的比值来表示，简称“锰硫比”，一般用Mn/S表示。

一般来说，Mn/S高则晶界处形成的MnS量多、FeS量生成量少，提高了钢的热塑性，减少了钢裂纹倾向。

高温下的延伸率与Mn/S的关系如P11图2-4所示。

在轧制过程中，一般认为Mn/S>7即可消除热脆，但在连铸过程中，Mn/S>20才能有效的控制铸坯裂纹。

因此，冶炼中应控制Mn/S>20。

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〔S〕含量。

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。

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。

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0.050~2%范围内，我省大部分为低磷铁水（0.050~0.120%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%）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①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。

②C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P≤0.027%；77MnA要求P≤0.025%；建筑盘条要求P≤0.045%。

（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。

在结晶器坯壳行为的研究中有所应用（Wolf）。

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。

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）。

①炮弹钢：增加P含量提高钢的冷脆性，爆炸时碎片增多。

②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）。

③薄板：P高时轧制中不易粘连（在成份允许的条件下）。

④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。

途径：①浇注过程中耐火材料受到侵蚀进入钢液；②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。

以下（2）~（5）说明了为什么必须脱氧？。

（2）影响浇注过程①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。

②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。

③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。

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%）。

①炉内：钢水的O基本上以溶解态存在。

②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。

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。

T〔〕表示。

包括溶（2）全氧：钢中（包括液态和固态）所有的氧元素称为“全氧”，以O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。

注意：①只有在冶炼现场才能得到溶解氧的数据；②定氧仪无法测定夹杂物中的氧。

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OT〔〕。

用钢样测定的氧均为全氧。

一般情况下，钢中的氧含量是指“全氧”。

因为夹杂物中以氧化物夹杂居多，而OT〔〕T〔〕可以表示氧化物夹杂含量，因此常采用O 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料，减少Mn、Al等元素被氧化。