炼钢基础知识问答

1 钢铁在工业材料中处于什么地位?常见的工业用材料有金属、陶瓷、塑料、木材、纤维等，用量最多的是金属材料，而在金属材料中约有95％是钢铁材料，钢铁材料的主要优点是：(1)铁元素资源丰富，约占地壳总质量的5％，在所有元素中居第4位，且矿床品位也较高。

(2)钢铁冶炼方便，价格便宜。

(3)钢铁材料的强度、硬度、韧性等性能都较好，经过热处理以及不同的加工方法还可以得到进一步的提高。

普通钢铁材料的缺点是密度较大、容易生锈等，但这些缺点可以通过开发高强度钢、不锈钢，或用对钢材表面进行涂层和表面处理等方法加以避免或克服。

2 常见工业化炼钢方法有哪几类，各有什么特点?工业化炼钢方法有转炉炼钢法、电弧炉炼钢法、平炉炼钢法，平炉炼钢法已被淘汰。

各炼钢法的特点见下表。

表炼钢方法及特点5 什么是合金，什么是纯金属?两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的，并具有金属性质的材料叫合金。

如黄铜是铜锌合金，青铜是铜锡合金，钢和生铁是铁碳合金。

由一种金属元素组成的物质或材料为纯金属。

实际上没有绝对纯的金属，这只是相对合金而言的一种金属元素的物质。

根据其纯度分为工业纯金属和化学纯金属，二者之间没有严格界限。

工业上生产与使用的大多为工业纯金属，化学纯金属的应用范围极有限，提炼也很困难。

6 什么是工业纯铁、钢和生铁?工业纯铁、钢、生铁都是铁碳合金，只是其碳含量不同。

金属学认为w[c]≤0.0218％的铁碳合金为工业纯铁；0.0218％<w[c]<2.11％为钢；w[C]≥2.11％是生铁。

但在实际应用中，钢是以铁为主要元素，碳含量一般在2％以下，并含有其他元素材料的统称。

7 什么叫铁素体，什么叫奥氏体，什么叫渗碳体?碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体称铁素体。

它可溶解碳量在0．008％～0．0218％之间，铁素体用“F”表示，是钢的主要成分；碳溶解于γ-Fe中的间隙固溶体称奥氏体，用A表示，奥氏体是钢进行轧制以及热处理的晶体组织，部分高合金钢在室温下也以奥氏体形式存在。

渗碳体是质量分数为93．31％的铁和6．69％的碳化合而成的碳化铁，即Fe3C，渗碳体的硬度高、脆性大，是钢的强化相。

8 什么是珠光体，什么叫马氏体?Fe-Fe3C在相图中的共析转变发生在727℃的PSK 线，碳含量在0.77％的S 点，同时析出铁素体与渗碳体的机械混合物，此种机械混合物是在铁索体基体上分布着片层状的渗碳体组织，由于它在显微镜下呈现珍珠光泽，因此称其为珠光体。

珠光体中铁素体与渗碳体相对量之比约为7：1。

碳含量为0.77％的铁碳合金称共析钢。

碳含量在0.77％～2.11％之间的铁碳合金为过共析钢；奥氏体沿ES线析出渗碳体，碳含量逐渐降低直到等于0.77％时，发生共析转变。

所以在这个碳含量范围的钢平衡组织是渗碳体+珠光体。

碳含量小于0.77％的铁碳合金称亚共析钢，奥氏体沿GS 线析出铁素体，碳含量逐渐增高，直到碳含量等于0.77％，发生共析转变。

所以亚共析钢平衡组织是铁素体+珠光体。

以上是在冷却速度非常缓慢的情况下，铁、碳原子有条件充分扩散得到的平衡组织。

当奥氏体迅速冷却到较低温度(200℃以下)，铁、碳原子来不及扩散，碳被迫过量溶解在α-Fe中。

碳在α-Fe中形成的过饱和固溶体叫做马氏体。

马氏体是一种针状组织，其硬度比珠光体高，塑性、韧性差，脆性高，是非平衡组织、不稳定组织。

9 什么叫热处理?热处理是将固态金属或合金工件采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构和性能的工艺。

钢是采用热处理工艺最广泛的金属材料。

钢的热处理包括退火、正火、淬火、回火和表面热处理等。

10 什么叫淬火处理，常用淬火介质有哪几种?将钢工件加热到临界点以上温度，保温一段时间，而后急剧冷却的工艺过程叫淬火。

所谓临界点是使钢中铁素体转变为奥氏体的温度，从Fe-Fe3C相图上看，亚共析钢应加热到GSK 线以上30～50℃，共析钢及过共析钢应加热到727+(30～50)℃。

经淬火处理后，亚共析钢和共析钢获得的组织是马氏体和少量残余奥氏体；过共析钢是马氏体、少量残余奥氏体和少量渗碳体。

经过淬火处理，可以提高钢的硬度，但可能引起工件变形和裂纹。

淬火介质必须满足两个要求：(1)在550～650℃区间，具有较强冷却能力，避免奥氏体向珠光体转变。

(2)在200～300℃区间，具有较弱冷却能力，以避免引起过大的内应力，造成工件变形或开裂。

常用的介质有水、盐水、碱水、机械油等，可单独使用或组合使用。

11 什么叫回火处理?淬火处理后的钢件，内应力很大，容易变形开裂，几乎都要经过回火处理才能使用。

回火处理钢的硬度降低很少，但可以提高塑性和韧性，保证工件的使用性能。

回火处理是将淬火后的钢件加热到727℃以下的某一温度，保温一定时间，然后以一定的方式冷却，得到较稳定组织的工艺过程。

钢经过回火处理后，钢的组织是溶解过量碳的铁素体和部分细小颗粒的渗碳体。

12 什么叫退火处理，什么是不完全退火，什么是完全退火?钢件加热到临界温度(Fe-Fe3C相图中的GSK 线)附近，保温一段时间后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺称为退火。

当退火处理时，在加热过程钢的组织转变成奥氏体，缓冷后得到接近Fe-Fe3C相图中的室温组织，退火目的是：(1)降低钢的硬度，提高塑性，便于切削和冷变形加工。

(2)细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能，以及为以后的热处理作准备。

(3)消除钢中的残余内应力，防止工件变形与开裂。

亚共析钢退火处理钢的加热温度在A3以上20～40℃，保温后缓慢冷却叫完全退火。

完全退火有细化晶粒、降低硬度、消除内应力的作用。

共析钢或过共析钢退火处理钢的加热温度在727+(20～40)℃，保温后缓慢冷却叫不完全退火。

其目的是渗碳体由片状转变为球状，此工艺也称球化退火13 炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段完成?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，调整钢液成分。

供氧、造渣、搅拌、加合金是完成炼钢任务的手段。

由于炼钢采用精料、铁水预处理、炉外精炼技术等，转炉炼钢任务将趋向于脱碳和升温。

14 炼钢为什么要造渣，熔渣的来源有哪些，其主要成分是什么?炼好钢首先要炼好渣，所有炼钢任务的完成几乎都与熔渣有关。

炼钢造渣的目的是：(1)去除钢中的有害元素P、S。

(2)炼钢熔渣覆盖在钢液表面，保护钢液不过度氧化、不吸收有害气体、保温、减少有益元素烧损。

(3)吸收上浮的夹杂物及反应产物。

(4)保证碳氧反应顺利进行。

(5)可以减少炉衬蚀损。

如果熔渣过于黏稠，渣—钢难以分离，会降低金属收得率，增加钢中夹杂物。

严重的泡沫化熔渣会引起喷溅。

顶吹转炉炼钢熔渣的来源是：(1)钢铁料中的Si、Mn、P、Fe等元素的氧化产物。

(2)冶炼过程中加入的造渣材料。

(3)冶炼过程中被侵蚀的炉衬耐火材料。

(4)固体料带入的泥沙。

根据熔渣的来源，其化学成分见下表。

熔渣成分在吹炼过程中是不断变化的。

表转炉炼钢熔渣主要化学成分及来源15 在炼钢过程中碳氧反应的作用是什么?炼钢过程中碳氧反应不仅完成脱碳任务，还有以下作用：(1)加大钢—渣界面，加速物理化学反应的进行。

(2)搅动熔池，均匀成分和温度。

(3)有利于非金属夹杂的上浮和有害气体的排出。

(4)有利于熔渣的形成。

(5)放热升温。

(6)爆发性的碳氧反应会造成喷溅。

16 为什么要脱除钢中磷，对钢中磷含量有什么要求?对绝大多数钢种来说磷是有害元素。

钢中磷含量高会引起钢的“冷脆”，降低钢的塑性和冲击韧性，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差；磷对钢的这种影响常随着氧、氮含量的增高而加剧。

磷在连铸坯(或钢锭)中的偏析度仅次于硫，同时它在铁固溶体中扩散速度又很小，不容易均匀化，因而磷的偏析很难消除。

所以脱磷是炼钢过程中的重要任务之一。

鉴于磷对钢的不良影响，不同用途的钢，对磷含量都有严格规定。

例如：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]低于0.010％。

但是，有些钢种如炮弹钢、耐腐蚀钢等，是要加入合金元素磷的。

17 炼钢为什么要脱硫，对钢中硫含量有什么要求?硫主要来自原料，对绝大多数钢种来讲硫是有害元素。

所以脱硫是炼钢的基本任务之一。

硫在钢中是以FeS形式存在。

硫会造成钢的“热脆”性。

FeS熔点为1193℃，而Fe与FeS组成的共晶体,其熔点只有985℃。

液态Fe与FeS可以无限互溶，但FeS在固态铁的溶解度很小，仅为0.015％～0.020％。

所以当钢的硫含量超过0.020％时，钢水在冷却凝固过程中由于偏析，Fe-FeS以低熔点的共晶体呈网状分布于晶界处；钢的热加工温度在1150～1200℃，在此温度下晶界处共晶体已熔化，当钢受压后造成晶界的破裂，这就是钢的“热脆”性。

钢中氧含量较高时，FeO与FeS形成的共晶体熔点更低，只有940℃，更加剧了钢的“热脆”现象。

除此之外，硫还会明显地降低钢的焊接性能，引起高温龟裂，并在金属焊缝中产生许多气孔和疏松，从而降低焊缝的强度。

当硫含量超过0.06％时，显著恶化了钢的耐腐蚀性。

对于工业纯铁和硅钢来说，随着钢中S含量的提高磁滞损失增加，影响钢的电磁性能。

同时连铸坯(或钢锭)凝固结构中硫的偏析也最为严重。

基于硫对钢的上述危害，不同钢种对硫含量有着严格规定，例如：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]≤O.025％。

为了提高钢的质量和满足连铸工艺的要求，钢水中的硫含量要比规格规定低得多，有的要求w[S]<0.005％，甚至更低。

但是，对于有些钢种，硫是作为合金元素加入的。

例如含硫易切削钢，要求w[S]=O.08％～O.20％，甚至高达0.30％。

18 顶吹转炉吹炼过程中脱磷与脱硫有什么特点?(1)吹炼前期。

通过控制氧枪的枪位，可以在温度不高的情况下，快速形成一定碱度、一定TFe含量、具有良好流动性的熔渣。

这种碱性铁质活性渣能满足脱磷的要求，因此在碳激烈氧化之前，部分磷已被去除。

(2)吹炼中期。

随着炉温的升高，石灰进一步的渣化，熔渣碱度有提高。

随着炉温的升高，进入碳的激烈氧化期，如果控制得当，保持(TFe)合适含量，熔渣不“返干”。

由于激烈的脱碳反应，熔池得到充分的搅动、乳化，更促进脱磷反应进行，对稳定磷是非常有利的。

同时，吹炼中期也具备脱硫的条件，是开始脱硫的好时机。

吹炼中期关键是控制好炉温和调整好熔渣性质。

(3)吹炼后期。

只要炉温不过高，熔渣碱度相当、流动性良好，这样既可稳定脱磷的成果，又可最大限度地脱硫。

吹炼终点钢中碳含量低时，渣中(TFe)含量升高，此时石灰才能化透，磷可得到进一步的脱除，有利于冶炼低磷钢种。