钢铁冶金学(炼钢学)

1.3.3 钢中的氧
在吹炼过程中，向熔池供入了大量的氧气，到吹炼
终点时，钢水中含有过量的氧，即钢中实际氧含量
高于平均值。 如不脱氧，在出钢、浇铸中，温度降低，氧溶解度 得不到正确凝固组织结构的连铸坯。
降低，促使碳氧反应，钢液剧烈沸腾，使浇铸困难，
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。
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，
标进行控制，[Mn]/[S]对钢的热塑性影响很大。
从低碳钢高温下的拉伸实验发现提高[Mn]/[S]
比可以提高钢的热延展性。一般[Mn]/[S]≥7时不
产生热脆。
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
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.马斯发明了碱性炉衬的 底吹转炉炼钢法，即托马斯法。他是在 吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而解决 了高磷铁水的脱磷问题。当时，对西欧 的一些国家特别适用，因为西欧的矿石 普遍磷含量高。但托马斯法的缺点是炉 子寿命底，钢水中氮的含量高。
炼 钢 方 法（5）
1899 年出现了完全依靠废钢为原料的电 弧炉炼钢法(EAF)，解决了充分利用废钢 炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一 直在不断发展，是当前主要的炼钢法之 一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的钢 的产量的30-40%。
钢中非金属夹杂按来源分可以分成外来夹 杂和内生夹杂。
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。
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2000C。
OBM/ Q-BOP
炼 钢 方 法（8）
在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，19781979年成功开发了转炉顶底复合吹炼工艺，
即从转炉上方供给氧气（顶吹氧），从转
炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅提高
钢的质量，降低了消耗和吨钢成本，更适
合供给连铸优质钢水。
LD- Q- BOP
炼 钢 方 法（9）
我 国 首 先 在 1972-1973 年 在 沈阳第一炼钢厂 成功开发了全氧 侧吹转炉炼钢工 艺。并在唐钢等 企业推广应用。
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。
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。
不同用途的钢对磷的含量有严格要求： 非合金钢中普通质量级钢[P]≤0.045%； 优质级钢 特殊质量级钢 [P]≤0.035%； [P]≤0.025%；
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；
生铁的熔点在1100-1200℃。
在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随
着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和
冲击韧性降低。
钢的应用前景
钢具有很好的物理化学性能与力学性
能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，
其用途十分广泛；
用途不同对钢的性能要求也不同，从
而对钢的生产也提出了不同的要求。
石油、化工、航天航空、交通运输、 农业、国防等许多重要的领域均需要各 种类型的大量钢材，我们的日常生活更 离不开钢。
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。
1.3.6 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。
总之，炼钢技术经过200多 年的发展，技术水平、自动化程
度得到了很大的提高，21世纪炼
钢技术会面临更大的挑战，相信
会有不断的新技术涌现。
1.2 我国钢铁工业的状况
我国很早就掌握了炼铁的冶炼技术， 东汉时就出现了冶炼和锻造技术，南北朝 时期就掌握了灌钢法，曾在世界范围内处 于领先地位。
但旧中国钢铁工业非常落后，产量 很低，从1890年建设的汉阳钢铁厂至1948 年的半个世纪中，钢产量累计到200万吨， 1949年只有15.8万吨。
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。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
有的甚至要求
[P]≤0.010%。
有些钢种:炮弹钢，耐腐蚀钢需加P元素。
1.3.2 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 虽可以无限互溶，但在固熔体中的溶解度很小， 仅为0.015%-0.020%。
总之，钢材仍将是21世纪用途最 广的结构材料和最主要功能材料。
炼 钢 方 法（1）
最早出现的炼钢方法是1740年出现的坩 埚法，它是将生铁和废铁装入由石墨和 粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉 料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。此法 几乎无杂质元素的氧化反应。
炼 钢 方 法（2）
1856年英国人亨利· 贝塞麦发明了酸性空
LD/ BOF/ BOP
炼 钢 方 法（7）
1965年加拿大液化气公司研制成双层管氧气 喷嘴，1967年西德马克西米利安钢铁公司引 进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法， 即OBM法(Oxygen Bottom Maxhuette) 。1971 年美国钢铁公司引进OBM法，1972年建设了3 座200吨底吹转炉，命名为Q-BOP (Quiet BOP)。
含量增加，钢的焊接性能变坏。
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。
1.3.5 钢中的夹杂
气底吹转炉炼钢法，也称为贝塞麦法，
第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难
题，从而使炼钢的质量得到提高，但此
法要求铁水的硅含量大于0.8%，而且不
能脱硫。目前已淘汰。
炼 钢 方 法（3）
1865年德国人马丁利用蓄热室原理发明 了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢 法，即马丁炉法。1880年出现了第一座 碱性平炉。由于其成本低、炉容大，钢 水质量优于转炉，同时原料的适应性强， 平炉炼钢法仍一时成为的主要的炼钢法。
硫化物夹杂，如FeS、MnS、CaS等； 氮化物夹杂，如AlN、TiN、ZrN、VN、BN等。
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
炼 钢 方 法（6）
瑞典人罗伯特· 杜勒首先进行了氧气顶吹 转炉炼钢的试验，并获得了成功。1952 年奥地利的林茨城(Linz)和多纳维兹城 (Donawitz)先后建成了30吨的氧气顶吹 转炉车间并投入生产，所以此法也称为 LD法。美国称为BOF法（Basic Oxygen Furnace）或BOP法。
我国粗钢产量的变化情况
1.3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。
归纳为：“四脱”（碳、氧、磷和硫），
“二去”（去气和去夹杂），“二调整”（成分