【正文】 裂紋。氫在固態(tài)鋼中溶解度很小，在鋼水凝固和冷卻過程中，氫會和CO、N2等氣體一起析出，形成皮下氣泡中心縮孔、疏松、造成白點和發(fā)紋。 （四）鋼中的氣體 鋼液中的氣體會顯著降低鋼的性能，而且容易造成鋼的許多缺陷。 脫氧的任務(wù)：根據(jù)具體的鋼種，將鋼中的氧含量降低到所需的水平，以保證鋼水在凝固時得到合理的凝固組織結(jié)構(gòu)；使成品鋼中非金屬夾雜物含量最少，分布合適，形態(tài)適宜，以保證鋼的各項性能指標(biāo)，得到細(xì)晶結(jié)構(gòu)組織。在鋼的凝固過程中，氧將會以氧化物的形式大量析出，會降低鋼的塑性，沖擊韌性等加工性能。若不脫氧，在出鋼、澆鑄中，溫度降低，氧溶解度降低，促使碳氧反應(yīng)，鋼液劇烈沸騰，使?jié)茶T困難，得不到正確凝固組織結(jié)構(gòu)的連鑄坯。對于某些鋼種，如易切削鋼，硫則作為合金元素加入，要求[S]=%%。 [S]≤%有的鋼種要求如管線鋼 不同鋼種對硫含量有嚴(yán)格的規(guī)定：非合金鋼中普通質(zhì)量級鋼%時，會顯著惡化鋼的耐蝕性。圖6從低碳鋼高溫下的拉伸實驗發(fā)現(xiàn)提高[Mn]/[S]比可以提高鋼的熱延展性。 冶煉一般鋼種時要求將[Mn]%%。如果鋼中的氧含量較高，F(xiàn)eS與FeO形成的共晶體熔點更低（940℃），更加劇了鋼的“熱脆”現(xiàn)象的發(fā)生。液態(tài)Fe與FeS雖可以無限互溶，但在固熔體中的溶解度很小，%%。 （二）鋼中的硫硫?qū)︿摰男阅軙斐刹涣加绊懀撝辛蚝扛?，會使鋼的熱加工性能變壞，即造成鋼的“熱脆”性?[P]≤%。 [P]≤%；有的甚至要求 [P]≤%；特殊質(zhì)量級鋼 優(yōu)質(zhì)級鋼煉鋼過程的脫磷反應(yīng)是在金屬液與熔渣界面進(jìn)行的。磷是僅次于硫在鋼的連鑄坯中偏析度高的元素，而且在鐵固熔體中擴(kuò)散速率很小，因而磷的偏析很難消除，從而嚴(yán)重影響鋼的性能，所以脫磷是煉鋼過程的重要任務(wù)之一。鋼中磷的含量高會引起鋼的 “冷脆”，即從高溫降到0℃以下，鋼的塑性和沖擊韌性降低，并使鋼的焊接性能與冷彎性能變差。采用的主要技術(shù)手段為：供氧，造渣，升溫，加脫氧劑和合金化操作。 我國粗鋼產(chǎn)量的變化情況第二節(jié) 煉鋼的任務(wù)及鋼的分類一、煉鋼的任務(wù)煉鋼的基本任務(wù)是脫碳、脫磷、脫硫、脫氧，去除有害氣體和非金屬夾雜物，提高溫度和調(diào)整成分?？梢赃@樣講，我國的鋼鐵工業(yè)對世界產(chǎn)生了重要影響，我國不僅是產(chǎn)鋼大國，而且已經(jīng)開始邁入鋼鐵強(qiáng)國的行列，如圖5所示。但舊中國鋼鐵工業(yè)非常落后，產(chǎn)量很低，從1890年建設(shè)的漢陽鋼鐵廠至1948年的半個世紀(jì)中，鋼產(chǎn)量累計到200萬噸。 全氧側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法總之，煉鋼技術(shù)經(jīng)過200多年的發(fā)展，技術(shù)水平、自動化程度得到了很大的提高，21世紀(jì)煉鋼技術(shù)會面臨更大的挑戰(zhàn)，相信會有不斷的新技術(shù)涌現(xiàn)。并在唐鋼等企業(yè)推廣應(yīng)用，如圖4所示。 圖3圖2 BOF法煉鋼方法（7）1965年加拿大液化氣公司研制成雙層管氧氣噴嘴，1967年西德馬克西米利安鋼鐵公司引進(jìn)此技術(shù)并成功開發(fā)了底吹氧轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即OBM法(Oxygen Bottom Maxhuette) 。美國稱為BOF法（Basic Oxygen Furnace）或BOP法，如圖1所示。杜勒首先進(jìn)行了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的試驗，并獲得了成功。煉鋼方法（5）1899年出現(xiàn)了完全依靠廢鋼為原料的電弧爐煉鋼法(EAF)，解決了充分利用廢鋼煉鋼的問題，此煉鋼法自問世以來，一直在不斷發(fā)展，是當(dāng)前主要的煉鋼法之一，由電爐冶煉的鋼目前占世界總的鋼的產(chǎn)量的3040%。當(dāng)時，對西歐的一些國家特別適用，因為西歐的礦石普遍磷含量高。 煉鋼方法（4）1878年英國人托馬斯發(fā)明了堿性爐襯的底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即托馬斯法。1880年出現(xiàn)了第一座堿性平爐。目前已淘汰。 煉鋼方法（2）1856年英國人亨利煉鋼方法（1）最早出現(xiàn)的煉鋼方法是1740年出現(xiàn)的坩堝法，它是將生鐵和廢鐵裝入由石墨和粘土制成的坩堝內(nèi)，用火焰加熱熔化爐料，之后將熔化的爐料澆成鋼錠。石油、化工、航天航空、交通運輸、農(nóng)業(yè)、國防等許多重要的領(lǐng)域均需要各種類型的大量鋼材，我們的日常生活更離不開鋼。 鋼的應(yīng)用前景：鋼具有很好的物理、化學(xué)性能與力學(xué)性能，可進(jìn)行拉、壓、軋、沖、拔等深加工，其用途十分廣泛。 概 述一、鋼與生鐵的區(qū)別及發(fā)展歷程：首先是碳的含量，%稱之鋼，它的熔點在14501500℃，而生鐵的熔點在11001200℃。 重點與難點：煉鋼的任務(wù)；原材料主要質(zhì)量指標(biāo)；煉鋼用耐火材料?！舢?dāng)鋼水流出總量的四分之一時，向鋼包中的脫氧合金化劑，進(jìn)行脫氧，合金化，由此一爐鋼冶煉完畢?！糸_吹時氧槍槍位采用高槍位，目前是為了早化渣，多去磷，保護(hù)爐襯；◆在吹煉過程中適當(dāng)降低槍位的保證爐渣不“返干”，不噴濺，快速脫碳與脫硫，熔池均勻升溫為原則；◆在吹煉末期要降槍，主要目的是熔池鋼水成分和溫度均勻，加強(qiáng)熔池攪拌，穩(wěn)定火焰，便于判斷終點，同時使降低渣中Fe含量，減少鐵損，達(dá)到濺渣的要求。min)；(t如果爐內(nèi)化渣不好，則許加入第三批螢石渣料。上爐鋼出完鋼后，倒凈爐渣，堵出鋼口，兌鐵水和加廢鋼，降槍供氧，開始吹煉。轉(zhuǎn)爐一爐鋼的基本冶煉過程。 隨著制氧技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已普遍使用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐 （也有側(cè)吹轉(zhuǎn)爐）。整個過程只需15分鐘左右。當(dāng)磷與硫逐漸減少，火焰退落，爐口出現(xiàn)四氧化三鐵的褐色蒸汽時，表明鋼已煉成。最后，磷也發(fā)生氧化并進(jìn)一步生成磷酸亞鐵。幾分鐘后，當(dāng)鋼液中只剩下少量的硅與錳時，碳開始氧化，生成一氧化碳（放熱）使鋼液劇烈沸騰。開始時，轉(zhuǎn)爐處于水平，向內(nèi)注入1300攝氏度的液態(tài)生鐵，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空氣并轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)爐使它直立起來。 轉(zhuǎn)爐煉鋼是在轉(zhuǎn)爐里進(jìn)行。在氧化的過程中放出大量的熱量 （含1%的硅可使生鐵的溫度升高200攝氏度），可使?fàn)t內(nèi)達(dá)到足夠高的溫度。轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝流程這種煉鋼法使用的氧化劑是氧氣。把空氣鼓入熔融的生鐵里，使雜質(zhì)硅、錳等氧化。因此轉(zhuǎn)爐煉鋼不需要另外使用燃料。轉(zhuǎn)爐的外形就像個梨，內(nèi)壁有耐火磚，爐側(cè)有許多小孔（風(fēng)口），壓縮空氣從這些小孔里吹爐內(nèi)，又叫做側(cè)吹轉(zhuǎn)爐。這時液態(tài)生鐵表面劇烈的反應(yīng)，使鐵、硅、錳氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成爐渣，利用熔化的鋼鐵和爐渣的對流作用，使反應(yīng)遍及整個爐內(nèi)。爐口由于溢出的一氧化炭的燃燒而出現(xiàn)巨大的火焰。磷酸亞鐵再跟生石灰反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鈣和硫化鈣，一起成為爐渣。這時應(yīng)立即停止鼓風(fēng)，并把轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)到水平位置，把鋼水傾至鋼水包里，再加脫氧劑進(jìn)行脫氧。如果空氣是從爐低吹入，那就是低吹轉(zhuǎn)爐。這種轉(zhuǎn)爐吹如的是高壓工業(yè)純氧，反應(yīng)更為劇烈，能進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和鋼的質(zhì)量。頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉一爐鋼的操作過程主要由以下六步組成：（1）上爐出鋼、倒渣，檢查爐襯和傾動設(shè)備等并進(jìn)行必要的修補和修理；（2）傾爐，加廢鋼、兌鐵水，搖正爐體（至垂直位置）；（3）降槍開吹，同時加入第一批渣料（起初爐內(nèi)噪聲較大，從爐口冒出赤色煙霧，隨后噴出暗紅的火焰；3～5min后硅錳氧接近結(jié)束，碳氧反應(yīng)逐漸激烈，爐口的火焰變大，亮度隨之提高；同時渣料熔化，噪聲減弱）；（4）3～5min后加入第二批渣料繼續(xù)吹煉（隨吹煉進(jìn)行鋼中碳逐漸降低，約12min后火焰微弱，停吹）；（5）倒?fàn)t，測溫、取樣，并確定補吹時間或出鋼；（6）出鋼，同時（將計算好的合金加入鋼包中）進(jìn)行脫氧合金化。在送氧開吹的同時，加入第一批渣料，加入量相當(dāng)于全爐總渣量的三分之二，開吹35分鐘后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。 吹煉過程中的供氧強(qiáng)度：(tmin)。◆當(dāng)吹煉到所煉鋼種要求的終點碳范圍時，即停吹，倒?fàn)t取樣，測定鋼水溫度，取樣快速分析[C]、[S]、[P]的含量，當(dāng)溫度和成分符合要求時，就出鋼。煉鋼學(xué)概述基本要求：理解煉鋼的任務(wù)；了解對原材料的要求；了解耐火材料的分類和各自用途。第一節(jié) 在鋼中碳元素和鐵元素形成Fe3C固熔體，隨著碳含量的增加，其強(qiáng)度、硬度增加，而塑性和沖擊韌性降低。用途不同對鋼的性能要求也不同，從而對鋼的生產(chǎn)也提出了不同的要求。總之，鋼材仍將是21世紀(jì)用途最廣的結(jié)構(gòu)材料和最主要功能材料。此法幾乎無雜質(zhì)元素的氧化反應(yīng)。貝塞麥發(fā)明了酸性空氣底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法，也稱為貝塞麥法，第一次解決了用鐵水直接冶煉鋼水的難題，從而使煉鋼的質(zhì)量得到提高，%，而且不能脫硫。 煉鋼方法（3）1865年德國人馬丁利用蓄熱室原理發(fā)明了以鐵水、廢鋼為原料的酸性平爐煉鋼法，即馬丁爐法。由于其成本低、爐容大，鋼水質(zhì)量優(yōu)于轉(zhuǎn)爐，同時原料的適應(yīng)性強(qiáng)，平爐煉鋼法一時成為主要的煉鋼法。他是在吹煉過程中加石灰造堿性渣，從而解決了高磷鐵水的脫磷問題。但托馬斯法的缺點是爐子壽命底，鋼水中氮的含量高。煉鋼方法（6）瑞典人羅伯特1952年奧地利的林茨城(Linz)和多納維茲城(Donawitz)先后建成了30噸的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐車間并投入生產(chǎn)，所以此法也稱為LD法。 圖11971年美國鋼鐵公司引進(jìn)OBM法，1972年建設(shè)了3座200噸底吹轉(zhuǎn)爐，命名為QBOP (Quiet BOP) ，如圖2所示。 QBOP法煉鋼方法（8）在頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼發(fā)展的同時，19781979年成功開發(fā)了轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉工藝，即從轉(zhuǎn)爐上方供給氧氣（頂吹氧），從轉(zhuǎn)爐底部供給惰性氣體或氧氣，它不僅提高鋼的質(zhì)量，而且降低了煉鋼消耗和噸鋼成本，更適合供給連鑄優(yōu)質(zhì)鋼水，如圖3所示。 轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉法煉鋼方法（9）我國首先在19721973年在沈陽第一煉鋼廠成功開發(fā)了全氧側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝。圖4二、我國鋼鐵工業(yè)的狀況我國很早就掌握了煉鐵的冶煉技術(shù)，東漢時就出現(xiàn)了冶煉和鍛造技術(shù)，南北朝時期就掌握了灌鋼法，曾在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。 新中國成立后，特別是改革開放以來，我國的鋼鐵事業(yè)得到迅速發(fā)展，1980年鋼產(chǎn)量達(dá)到3712萬噸，1990年達(dá)到6500萬噸，1996年首次突破1億噸大關(guān)，成為世界第一產(chǎn)鋼大國，占世界產(chǎn)量的1/3。 圖5歸納為：“四脫”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去氣和去夾雜），“二調(diào)整”（成分和溫度）。（一）鋼中的磷 對于絕大多數(shù)鋼種來說磷是有害元素。磷是降低鋼的表面張力的元素，隨著磷含量的增加，鋼液的表面張力降低顯著，從而降低了鋼的抗裂性能。磷在鋼中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，但通常是以[P]來表達(dá)。不同用途的鋼對磷的含量有嚴(yán)格要求：非合金鋼中普通質(zhì)量級鋼 [P]≤%； 但對于某些鋼種，如炮彈鋼，耐腐蝕鋼則需添加一定的P元素。 硫在鋼中以FeS的形式存在，F(xiàn)eS的熔點為1193℃，F(xiàn)e與FeS組成的共晶體的熔點只有985℃。當(dāng)鋼中的[S]＞%時，由于凝固偏析，F(xiàn)eFeS共晶體分布于晶界處，在11501200℃的熱加工過程中，晶界處的共晶體熔化，鋼受壓時造成晶界破裂，即發(fā)生“熱脆”現(xiàn)象。錳可在鋼凝固范圍內(nèi)生成MnS和少量的FeS，純MnS的熔點為1610℃，共晶體FeSMnS（%）的熔點為1164℃，它們能有效地防止鋼熱加工過程的“熱脆”。在實際生產(chǎn)中還將[Mn]/[S]比作為一個指標(biāo)進(jìn)行控制，[Mn]/[S]對鋼的熱塑性影響很大。一般[Mn]/[S]≥7時不產(chǎn)生熱脆，如圖6所示。 [Mn]/[S]比對低碳鋼熱延展性的影響硫還會明顯降低鋼的焊接性能，引起高溫龜裂，并在焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松，從而降低焊縫的強(qiáng)度。硫還是連鑄坯中偏析最為嚴(yán)重的元素。 [S]≤%優(yōu)質(zhì)級鋼 [S]≤%，特殊質(zhì)量級鋼 [S]≤%，甚至更低。（三）鋼中的氧在吹煉過程中，向熔池供入了大量的氧氣，到吹煉終點時，鋼水中含有過量的氧，即鋼中實際氧含量高于平均值。 鋼中氧含量高，還會產(chǎn)生皮下氣泡，疏松等缺陷，并加劇硫的熱脆作用。一般測定的是鋼中的全氧，即氧化物中的氧和溶解的氧之和，在使用濃差法定氧時才是測定鋼液中溶解的氧，在鑄坯或鋼材中取樣時是全氧樣。常用的脫氧劑有FeMn，F(xiàn)eSi，MnSi，CaSi等合金。鋼中氣體主要是指氫與氮，它們可以溶解于液態(tài)和固態(tài)純鐵和鋼中。 鋼熱加工過程中，鋼中含有氫氣的氣孔會沿加工方向被拉長形成微裂紋，進(jìn)而引起鋼材的強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性的降低，即發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象。主要原因是鋼中的氫在小孔隙中析出的壓力和鋼相變時產(chǎn)生的組織應(yīng)力的綜合力超過了鋼的強(qiáng)度，產(chǎn)生了“白點”。 鋼中的氮是以氮化物的形式存在，它對鋼質(zhì)量的影響體現(xiàn)出雙重性。原因是鋼中氮化物的析出速度很慢，逐漸改變著鋼的性能。鋼中氮含量高時，在2504500℃溫度范圍，其表面發(fā)藍(lán)，鋼的強(qiáng)度升高，沖擊韌性降低，稱之為“藍(lán)脆”。鋼中加入適量的鋁，可生成穩(wěn)定的AlN，能夠壓抑Fe4N生成和析出，不僅改善鋼的時效性，還可以阻止奧氏體晶粒的長大。在冶煉鉻鋼，鎳鉻系鋼或鉻錳系等高合金鋼時，加入適量的氮，能夠改善塑性和高溫加工性能。外來夾雜是指冶煉和澆鑄過程中，帶入鋼液中的爐渣和耐火材料以及鋼液被大氣氧化所形成的氧化物。鋼中大部分內(nèi)生夾雜是在脫氧和凝固過程中產(chǎn)生的。 按加工性能，夾雜物可分為：塑性夾雜，它是在熱加工時，沿加工方向延伸成條帶狀；脆性夾雜，它是完全不具有塑性的夾雜物，如尖晶石類型夾雜物，熔點高的氮化物；點狀不變性夾雜，如SiO2超過70%的硅酸鹽，CaS、鈣的鋁硅酸鹽等。 （六）鋼中的合金成分碳（C）煉鋼的重要任