钢铁冶金学-炼钢学.pdf

第一页，共三百九十四页。内衮提要炼钢学概述 炼钢的基础理论炼钢原料顶吹氧气转炉炼钢法底吹氧气转炉炼钢法 顶底复吹转炉炼钢法钢的连续浇铸第二页，共三百九十四页。炼钢的发展历程我国钢铁工业的状况.炼钢的基本任务钢的分类第三页，共三百九十四页。严炼钢的发展历程钢与生铁的区别：首先是碳的含量，理论上一般把碳含量小于 211%称之钢，它的熔点在14501500,而生铁 的熔点在11001200。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。第四页，共三百九十四页。稠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。第五页，共三百九十四页。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。总之，稠材仍将是21世纪用途景广 的结构材料和索主要功能材料。第六页，共三百九十四页。珠钢方法(1)最早出现的炼钢方法是1740年出现的可竭法，它是将生铁和废铁装入由石墨和粘土制成的生堪内，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。第七页，共三百九十四页。珠钢方法(2)1856年英国人亨利贝塞麦发明了酸性 空气底吹转炉炼钢法，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。第八页，共三百九十四页。珠府方法(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。第九页，共三百九十四页。珠钢方法（4J1878年英国人托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。第十页，共三百九十四页。珠府方法(5)1899年出现了完全依靠废钢为原料的电 弧炉炼钢法(E A F),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%。第十一页，共三百九十四页。珠钢方法(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(L inz)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L D法。美国称为B 0F法(B asicOxyge n F urnace）或B OP法。第十二页，共三百九十四页。LD/BOF/BOP第十三页，共三百九十四页。J炼钢方法(7)_,965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OB M法(Oxyge n B ottom Maxhue tte)。1971年美国钢铁公司引进OB M法，1972年建设了 3座200吨底吹转炉，命名为Q-B OP(Quie tB 0P)o第十四页，共三百九十四页。OBM/Q-BOP第十五页，共三百九十四页。珠桐方法(S)在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，1978-1979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。第十六页，共三百九十四页。LDQ-BOP第十七页，共三百九十四页。珠钢方法(9)我国首先在19721973 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。第十八页，共三百九十四页。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。第十九页，共三百九十四页。L2我国稠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。第二十页，共三百九十四页。新中国成立后，特别是改革开放以来，我国的钢 铁事业得到迅速发展，1980年钢产量达到3712万吨，1990年达到6500万吨，1996年首次突破1亿吨大关，成为世界第一产钢大国，2005年产量达到3.4亿吨，占 世界产量的1/3。可以这样讲，我国的钢铁工业对世界产 生了重要影响，我国不仅是产钢大国，而且 已经开始迈入钢铁强国的行列。第二十一页，共三百九十四页。25020015010050019501955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005年份/a我国也稠产量的变化情况第二十二页，共三百九十四页。L3炼布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”（成分和温度）。采 用的主要技术手段为：供氧，造渣，21温，加脱氧剂和 合金化操作。第二十三页，共三百九十四页。131桐中的碑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。第二十四页，共三百九十四页。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。第二十五页，共三百九十四页。磷在钢中是以F e3P或F e2P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 与将遣界圆迸仃的。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PW O.045%；优质级钢 P0.035%；特殊质量级钢 P 0.025%；有的甚至要求 P0.010%o有些钢种:炮弹钢，耐腐蚀钢需加P元素。第二十六页，共三百九十四页。132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F e S的形式存在，F e S的熔点为1193C,F e与F e S组成的共晶体的熔点只有985。液态F e与F e S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%o第二十七页，共三百九十四页。当钢中的S0.020%时，由于凝固偏析，F e-F e S共晶 体分布于晶界处，在1150-1200C的热加工过程中，晶 界处的共晶体熔化，钢受压时造成晶界破裂，即发生“热脆”现象。如果钢中的氧含量较高，F e S与F e O形成的共晶体熔 点更低(940),更加剧了钢的“热脆”现象的 发生。第二十八页，共三百九十四页。镒可在钢凝固范围内生成MnS和少量的F e S,纯MnS的熔点为1610,共晶体F e S-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”。第二十九页，共三百九十四页。冶炼一般钢种时要求将Mn控制在0.4%-0.8%o在 实际生产中还将Mn/S比作为一个指标进行控制，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比 可以提高钢的热延展性。一般Mn/S，7时不产生 热脆。第三十页，共三百九十四页。700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400温度.r图2 Mn/S比对低碳钢热延展性的影响第三十一页，共三百九十四页。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，会显著恶化钢的耐蚀性。硫还是连铸坯中偏析最为严重的元素o第三十二页，共三百九十四页。不同钢种对硫含量有严格的规定：非合金钢中普通质量级钢s W 0.045%优质级钢 S W 0.035%,特殊质量级钢 S W 0.025%有的钢种要求如管线钢S W 0.005%,甚至更低。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%o第三十三页，共三百九十四页。133稠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，氧溶解度降低，促使碳氧反应，钢液剧烈沸腾，使浇铸困难，得不到 正确凝固组织结构的连铸坯。第三十四页，共三百九十四页。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。第三十五页，共三百九十四页。脱氧的任务根据具体的钢种，将钢中的氧含量降低到所需的水平,以保证钢水在凝固时得到合理的凝固组织结构;使成品钢中非金属夹杂物含量最少，分布合适，形态 适宜，以保证钢的各项性能指标；得到细晶结构组织。常用的脱氧剂有F e-Mn,F e-Si,Mn-Si,Ca-Si等合 金。第三十六页，共三百九十四页。134钢中的毛体钢液中的气体会显著降低钢的性能，而且容易造成钢的许多缺陷。钢中气体主要是指氢与氮，它们可 以溶解于液态和固态纯铁和钢中。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、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。第三十七页，共三百九十四页。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、冲击韧性的降愉即发生“氢脆”现象。在钢材的纵向断面上，呈现出圆形或椭形的银园白色斑点称之为“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200昭。第三十八页，共三百九十四页。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250-450。（：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。第三十九页，共三百九十四页。钢中加入适量的铝，可生成稳定的A 1N,能够压 抑F e 4N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.在冶炼铭钢，银铭系钢或辂镒 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。第四十页，共三百九十四页。135稠中的夹杂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。第四十一页，共三百九十四页。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。桐中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固过程中产生的。第四十二页，共三百九十四页。根据成分不同，夹杂物可分为氧化物夹杂，即F e O、MnO、Si02 A l203、-2()3等简单的氧化物;F e O-F e2O3、F e O-A l2O3 MgO-A L Os等尖晶石类和各种钙铝的复杂氧化 物；-2F e O-SiO2,、2MnO-SiO2 B MnO-A L aHSiOz等硅酸盐；硫化物夹杂，如F e S、MnS、CaS等；氮化物夹杂，如A I N、TiN、ZrN、VN、B N等。第四十三页，共三百九十四页。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 Si。2超过70%的硅酸盐，CaS钙的铝硅酸盐等。由于非金属夹杂对钢的性能产生严重的影响,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。第四十四页，共三百九十四页。136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。钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度。第四十五页，共三百九十四页。碳能显著改变钢的液态和凝固性质，在16000C,CW 0.8%时，每增0.1%的碳 钢的熔点降低6.5 密度减少4kg/m3 黏度降低0.7%N的溶解度降低0.001%H的溶解度降低0.4 cm3/100g增大凝固区间17.79霓o第四十六页，共三百九十四页。钱(Mn)镒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；镒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；镒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。第四十七页，共三百九十四页。硅（Si）硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中含硅在0.17%-0.37%,1453C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C0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-0反应。硅能提高钢的机械性能，增加了钢的电阻和导磁性。第四十八页，共三百九十四页。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8笃密度降低8 0kg/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,钢液的收缩率提局2.05%o第四十九页，共三百九十四页。48(Al)铝是终脱氧剂，生产镇静钢时，A 1多在0.005%-0.05%,通常为 0.01%-0.03%o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.Okg/t钢。铝加到钢中将与氧发生反应生成A I 2O3,在出钢、镇静和浇铸时生成的 A I 2O3大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小分散的A&03还能促进形 成细晶粒钢。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。第五十页，共三百九十四页。1.4钢的分类按化学成分分类按是否加入合金元素可钢分为把碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指钢中除含有一定量为了脱氧而加入硅(一般W 0.40%)和 镒(一般W 0.8 0%)等合金元素外，不含其他合金元素的钢。根据碳含量 的高低又可分成低碳钢(CW 0.25%),中碳钢(0.25%(CW 0.60%)和高碳钢(C0.60%)o第五十一页，共三百九十四页。合金钢是指钢中除含有硅和镒作为合金元素或脱氧元素外，还含 有其他合金元素如铭、银、钥、钛、帆、铜、鸨、铝、钻、锯、错和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮等的钢。根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢 和高合金钢。一般合金元素总含量小于3%的为普通低合金钢，总含量 为3%5%的为低合金钢，大于10%的叫高合金钢，总含量介于5%10%之间为中合金钢。按钢中所含有的主要合金元素不同可分为镒钢、硅钢、硼钢、铝 镶鸨钢、铭镒硅钢等。第五十二页，共三百九十四页。楼冶炼方法和质量水平分类按炼钢炉设备不同可分为转炉钢、电炉钢、平炉钢。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及有关 的真空熔炼钢等。按脱氧程度不同可分为沸腾钢（不经脱氧或微弱脱氧）、镇静钢（脱氧充分）和半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢 之间）。按质量水平不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。第五十三页，共三百九十四页。楼用逡分类分为三大类：结构刎，工具刎，特殊性能纲。结构钢是目前生产最多、使用最广的钢种，它包括碳素结构钢和 合金结构钢，主要用于制造机器和结构的零件及建筑工程用的金属结 构等。碳素结构钢是指用来制造工程结构件和机械零件用的钢，其硫、磷等杂质含量比优质钢高些，一般SW 0.055%,P1W 0.045%,优质 碳素钢S和P均（0.040%。碳素结构钢的价格最低，工艺性能良好，产量最大，用途最广。第五十四页，共三百九十四页。合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上，适当 地加入一种或数种合金元素，用来提高钢的强度、韧 性和淬透性。合金结构钢根据化学成分（主要指含碳 量）热处理工艺和用途的不同，又可分为渗碳钢、调 质钢和氮化钢。第五十五页，共三百九十四页。合金结构稠渗碳钢指用低碳结构钢制成零部件，经表面化学处理，淬火并低温回火后，使零件表面硬度高而心部韧性好，既耐磨又能承受高的交变负荷或冲击负荷。调质钢的含碳量大于0.25%,所制成的零件经淬火和高温回火调质 处理后，可得到适当的高强度与良好的韧性。氮化钢一般是指以中碳合金结构钢制成零件，先经过调质或表面火 焰淬火、高频淬火处理，获得所需要的力学性能，最后再进行氮化处理，以 进一步改善钢的表面耐磨性能。第五十六页，共三百九十四页。工具稠包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。碳素工具钢的硬度主要以含碳量的高低来调整（0.65%w C W 1.30%）,为了提高钢的综合性能，有的钢中加入0.35%0.60%的镒。合金工具钢不仅含有很高碳，有的高达2.30%,而且含有较高的铭，铭 的含量可达到13%、鸨（达9%）、铝、帆等合金元素，这类钢主要用于各式 模具。高速工具钢除含有较高的碳（1%左右）外，还含有很高的鸨（有的高达 19%）和铭、帆、铝等合金元素，具有较好的赤热硬性。第五十七页，共三百九十四页。聘珠性能豳指的是具有特殊化学性能或力学性能的钢，如轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢等。轴承钢是指用于制造各种环境中工作的各类轴承圈和 滚动体的钢，这类钢含碳1%左右，含铭最高不超过 1.65%,要求具有高而均匀的硬度和耐磨性，内部组织 和化学成分均匀，夹杂物和炭化物的数量及分布要求 高。第五十八页，共三百九十四页。不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具 有一定化学稳定性的钢的总称。耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的 称为不锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐蚀的钢称为耐腐蚀钢。不锈 钢具有不锈性，但不一定耐腐蚀，而耐腐蚀钢则一般都具有较好的不 锈性。根据化学成分不同，可分为马氏体不锈钢（13%Cr钢为代表），铁素体不锈钢（18%Cr钢为代表）,奥氏体不锈钢（18%Cr-8%Ni钢代表）和 双相不锈钢。第五十九页，共三百九十四页。弹簧钢主要含有硅、镒、铭合金元素，具有高的弹性极限、高的疲劳强 度以及高的冲击韧性和塑性，专门用于制造螺旋簧及其他形状弹簧，对钢的表面性能及脱碳性能的要求比一般钢较为严格。高温合金指的是在应力及高温同时作用下，具有长时间抗蠕变能 力与高的持久强度和高的抗蚀性的金属材料，常用的有铁基合金、银基合金、钻基合金，还有铭基合金、铝基合金及其他合金等。高温 合金主要用于制造燃汽轮机、喷气式发动机等高温下工作零部件。第六十页，共三百九十四页。思考题1、炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段实现？2、磷和硫对钢产生哪些危害？3、实际生产中为什么要将Mn/S比作为一个指 标进行控制？4、氢和氮对钢产生哪些危害？5、外来夹杂和内生夹杂的含义是什么？第六十一页，共三百九十四页。第二幸炼稠的基础理论钢液的物理性质 熔渣的物理化学性质 硅、镒的氧化和还原反应 碳氧化反应钢液的脱磷 钢液的脱硫 钢液的脱氧 铭、帆、铜的氧化 氢、氮的反应第六十二页，共三百九十四页。2.1稠液的物理性质钢的密度单位体积钢液所具有的质量，常用符号。表示，单位 通常用kg/m3。影响钢液密度的因素主要有温度和钢 液的化学成分。总的来讲，温度升高，钢液密度降低，原因在于原子 间距增大。固体纯铁密度为78 8 0kg/m3,1550时液态 的密度为7040kg/m3,钢的变化与纯铁类似。第六十三页，共三百九十四页。钢液密度随温度的变化：P=8523-0.8358(T+273)成分对钢液密度的影响：Pi6oo=Pi6oo-21O%C-164%Al-60%Si-550%Cr-7.5%Mn+43%W+6%Ni第六十四页，共三百九十四页。铁碳熔体的密度（kg/旅）C(%)密度150015501600165017000.007.467.047.037.006.930.106.986.966.956.896.810.207.067.016.976.936.810.307.147.067.016.986.820.407.147.057.016.976.830.606.976.896.846.806.700.806.866.786.736.676.571.006.786.706.656.596.501.206.726.646.616.556.471.606.676.576.546.526.43第六十五页，共三百九十四页。钢的燃点指钢完全转变成均一液体状态时的温度，或是冷凝时开始 析出固体的温度。钢的熔点是确定冶炼和浇铸温度的重要 参数，纯铁的熔点约为1538C,当某元素溶入后，纯铁原子之间的作用力减弱，铁的熔点就降低。降 低的程度取决于加入元素的浓度、原子量和凝固时 该元素在熔体与析出的固体之间的分配。第六十六页，共三百九十四页。各元素使纯铁熔点的降低可表示为:AT=1020(1 K)%液 Mi为溶质元素i的原子量；%i液为元素i在液态铁中的质量百分数;K为分配系数，而K=%i固/%i液，(1-K)贝I J称为偏析系数。第六十七页，共三百九十四页。Ill计算钢的豚点经验式：T=1538-90%C-28%P-40%S-17%Ti-6.2%Si-2.6%Cu-1.7%Mn-2.9%Ni-5.1%Al-1.3%V-1.5%Mo-1.8%Cr-1.7%Co-1.0%W-1300%H-90%N-100%B-65%0-5%Cl-14%As第六十八页，共三百九十四页。或T=1536-78%C-7.6%Si-4.9%Mn-34%P-30%S-5.0%Cu-3.1%Ni-1.3%Cr-3.6%Al-2.0%Mo-2.0%V-18%Ti第六十九页，共三百九十四页。稠液的黏度黏度是钢液的一个重要性质，它对冶炼温度参数 的制定、元素的扩散、非金属夹杂物的上浮和气体的 去除以及钢的凝固结晶都有很大影响。黏度是指各种不同速度运动的液体各层之间所产生的 内摩擦力。通常将内摩擦系数或黏度系数称为黏度。第七十页，共三百九十四页。I 黏度表示形式动力黏度，用符号碳示；单位为Pas(N*s/m2,1 泊=0.lPas)；运动黏度，常用符号。表示，即：v=巴 m2/s钢液的黏度比备熔渣的要小得多，1600C时其值 在0.0020.003Pa*s;纯铁液1600时黏度为0.0005Pa*so第七十一页，共三百九十四页。影响钢液黏度因素主要是温度和成分。温度升高,黏度降低。钢液中的碳对黏度的影响非常大，这主要是因 为碳含量使钢的密度和熔点发生变化，从而引起黏度的变化。生产实践也表明，同一温度下，高碳钢的流动性比低 碳钢钢液的好。因此，一般在冶炼低碳钢中，温度要控制得略高一些。碳含量对钢液黏度的影响见图2-1。第七十二页，共三百九十四页。温度高于液相线50时，碳含量对钢液黏度的影响1550o.100.090.080.07。060.0$第七十三页，共三百九十四页。当跳Cko.15时，黏度随着碳含量的增加而大幅度下降，主要原因是钢的密度随碳含量的增加而降低；当0.15W%C V0.40时，黏度随碳含量的增加而增加,原因是此时钢液中同时存在6-F e和y-F e两种结构，密 度是随碳含量的增加而增加，而且钢液中生成的F e 3c体 积较大；当%C 20.40时，钢液的结构近似于丫-F e排列，钢 液密度下降，钢的熔点也下降，故钢液的黏度随着碳含量的增加继续下降。第七十四页，共三百九十四页。Si、Mn、Ni使钢的熔点降低，Si、Mn、Ni含量增加，钢液黏度降低，尤其含量很高时，降低更显著。但Ti、W、V、Mo、Cr含量增加则使钢液的黏度增加，这些元素易生成高熔点、体积大的各种碳化物。第七十五页，共三百九十四页。.钢液中非金属夹杂物含量增加，钢液黏度增加，流 动性变差。初期脱氧产物生成，夹杂物含量高，黏度增大，夹杂物不断上浮或形成低熔点夹杂物，黏度又下降。脱 氧不良，钢液流动性一般不好。常用流动性来表示钢液的黏稠状况，黏度的倒数即为 流体的流动性。第七十六页，共三百九十四页。稠波的表面张力钢液因原子或分子间距非常小，其间的吸引力较强，而且钢液表面层和内部所引起的这种吸引力的变化是 不同的。内部每一质点所受到的吸引力的合力等于零，质点保持平 衡状态；而表面层质点受内部质点的吸引力大于气体分子对表面 层质点的吸引力，这样表面层质点所受的吸引力不等于 零，且方向指向钢液内部。第七十七页，共三百九十四页。这种使钢液表面产生自发缩小倾向的力称为钢液的表包张力,用符号。表示，单位为N/m。实际上，钢液的表面张力就是指钢液和它的饱和蒸气或空气界面 之间的一种力。第七十八页，共三百九十四页。钢液的表面张力对新相的生成如co气泡的产生，钢液凝固过程中结晶核心的 形成等有影响；对相间反应，如脱氧产物的、夹杂物和气体从钢液中排 除,渣钢分离,钢液对耐火材料的侵蚀等也有影响。影响钢液表面张力的因素很多，但主要有温度、钢液成分及钢液的接触物。第七十九页，共三百九十四页。钢液的表面张力是随着温度的升高而增大，原因之一是温度升高时表面活性物质如C、0等热运动增强,使钢液表面过剩浓度减少或浓度均匀化，从而引起表面张力增大。1550C时，纯铁液的表面张力约为1.71.9N/I D。溶质 元素对纯铁液表面张力的影响程度取决于它的性质 与铁的差别的大小。第八十页，共三百九十四页。合金元素对嫉铁表面强力的影响N.TF2864【KL 1 1 LO 8 6 4 2 0 8 9J 1 1 n n Av E/N、金胃郝加入元素/%第八十一页，共三百九十四页。硫和氧对铁流表面致力的影响0.0005 0.001 0.01 0.1 1 5/%(E、N)、K泮啊谦001 0.01 0.1 1 5CO)/%b第八十二页，共三百九十四页。液相线以上50,碳对铁琰煤体表面张力的影响C”b1.8第八十三页，共三百九十四页。视的导热能力钢的导热能力可用导热系数来表示，即当体系内维持 单位温度梯度时，在单位时间内流经单位面积的热量。钢的导热系数用符号人表示，单位为w/(mC)。影响钢导热系数的因素主要有钢液的成分、组织、温度、非金属夹杂物含量以及钢中晶粒的细化程度等。第八十四页，共三百九十四页。通常钢中合金元素越多，钢的导热能力就越低。各种合金元素对钢的 导热能力影响的次序为：c、Ni、Cr最大，A l、Si、Mn、W次之，Zr 最小。合金钢的导热能力一般比碳钢差，高碳钢的导热能力比低碳 钢差。具有珠光体、铁素体和马氏体组织的钢，导热能力加热时都降低,但在临界点A C3以上加热将增加o 各种钢的导热系数随温度变化规律不一样，800以下碳钢随温度的升 高而下降，800以上则略有升高。第八十五页，共三百九十四页。导热余数与碳含量的关系O.CJA.X_L.-J 1o O.4 0.8 1.2 1 6 2.CCC3/%第八十六页，共三百九十四页。温度对豳导热东数的影响184XA OSC5 3 19 7 3 1 1 1O。G 6 0 0 0 0 O(.),己、:好寿这O 3 O O.忒1.嬴 600 800-Tboo 120(.1温度/C第八十七页，共三百九十四页。2.2城底的物理化学性质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。熔渣的结构决定着熔渣的物理化学性质,而熔渣的物理化学性质又影响着炼钢的化学反应平衡及 反应速率。因此,在炼钢过程中必须控制和调整好炉内熔渣的物理化学性质。第八十八页，共三百九十四页。2.2.1 壕漆的作用、来源、分类与组成 去除铁水和钢水中的磷、硫等有害元素，同时能将铁和其 他有用元素的损失控制最低；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；防止热量散失，以保证钢的冶炼温度；吸收钢液中上浮的夹杂物及反应产物。第八十九页，共三百九十四页。康漆在炼豳过程也I有不利作用:侵蚀耐火材料，降低炉衬寿命，特别是低碱度熔渣对炉衬的侵蚀更为严重;熔渣中夹带小颗粒金属及未被还原的金属氧化物，降 低了金属的回收率。造好渣是炼钢的重要条件，造出成分合适、温度适当并 具有适宜于某种精炼目的的博渣,发挥其积极作用，抑制其不利作用。第九十页，共三百九十四页。母浜的来诵炼钢过程有目的加入的造渣材料，如石灰、石灰 石、萤石、硅石、铁矶土及火砖块。钢铁材料中Si、Mn、P、F e等元素的氧化产物。冶炼过程被侵蚀的炉衬耐火材料。第九十一页，共三百九十四页。豚藻的分类与组成不同炼钢方法采用不同的渣系进行冶炼，造不同 成分的炉渣，可达到不同的冶炼目的。转炉炼钢造碱性氧化渣，而电炉炼钢造碱性还 原渣，它们在物理化学性质和冶金反应特点上有明 显的差别。碱性氧化渣因碱性氧化物CaO和F e O含量较高，具有脱磷、脱硫能力，碱性还原渣因含有CaC2,不 仅具有脱硫能力，而且有脱氧能力。第九十二页，共三百九十四页。转妒和包妒的炉渣成分和性质-别化学成分转炉中组成电炉中组成%冶金反应特点CaO+F e O+MnO5050C,Si,Mn氧化缓慢酸性氧化渣SiO25050不能脱P、脱S；P2O514钢水中0较低Ca0/Si023.0-4.52.5-3.5C,Si,Mn迅速氧化CaO355540-50能较好脱P;碱性氧化渣F e O7-3010-25能脱去50%的S；MnO2-85-10钢水中0较高。MgO2-125-10CaO/SiO22.0-3.5脱S能力强；CaO50-55脱氧能力强；碱性还原渣CaF25-8钢水易增碳（白渣）41_2。32-3钢水易回磷F e O0.5钢水中H增加MgO10钢水中N增加CaC21第九十三页，共三百九十四页。2.2.2掾族的化学性质壕法的碱度熔渣中碱性氧化物浓度总和与酸性氧化物浓度 总和之比称之为熔渣碱度，常用符号R表示。熔渣碱 度的大小直接对渣钢间的物理化学反应如脱磷、脱硫、去气等产生影响。第九十四页，共三百九十四页。炉料中W p0.30%时R _ W一。啊020.30%W wpV0,60%时火=Cao!(SiO2+O.)第九十五页，共三百九十四页。熔渣RL O为碱性渣，称之短渣。炼钢熔渣R23.0。炼钢熔渣中含有不同数量的碱性、中性和酸性氧化物,它们酸、碱性的强弱可排列如下：CaOMnOF e OMgOCaF2F e2O3A l2O3TiO2SiO2P2O5碱性 中性 酸性第九十六页，共三百九十四页。可用过剩碱的概念来表示熔渣的碱度，即碱性氧化物全都 是等价地确定出酸性氧化物对碱性氧化物的强度，并假定两者 是按比例结合，结合以外的碱性氧化物的量为过剩碱，表示方 法如下：过剩碱二o NMgo+2NSi02 3Np205Fe203 网203实际上上式是用&-的摩尔数来表示熔渣的碱度,碱性氧化物离解产生，酸性氧化物则消耗陋-。如：Si。2与202-结合成 Si044-,P205 与302-结合成2P第九十七页，共三百九十四页。域浜的氧化性熔渣的氧化性也称熔渣的氧化能力,它是熔渣的一个重要的化 学性质。熔渣的氧化性是指在一定的温度下，单位时间内熔渣向钢液供 氧的数量。在其他一定的情况下，熔渣的氧化性决定了脱磷、脱碳以及夹杂物 的去除等。由于氧化物分解后不同，只有攵啦1和(F e?。?)才能向钢中传 氧，而(A I 2O3)、(SiO2)(MgO)(CaO)等不能传氧。第九十八页，共三百九十四页。熔渣的氧化性通常是用E（%F e O）表示，包括（F e O）本身和F e 2（）3折合成（F e O）两部分。F e2O3 折合成F e O有两种方法：全氧折合法：Z（%。）=（%F e O）+1.35（%F e2O3）全铁折合法：Z（%尸。）二（%尸。）+0.90（%F e203）第九十九页，共三百九十四页。通常按全铁法将F e 2（）3折算成F e O,原因是取出的渣样在 冷却的过程中，渣样表面的低价铁有一部分被空气氧化 成高价铁，即F e O氧化成F e 3（）4，因而使分析得出的F e 2（）3 量偏高，用全铁法折算，可抵消此误差。第一百页，共三百九十四页。熔渣的氧化性用氧化铁的活度来表示显得更精确。部分氧化铁会以复杂分子形式存在，不能直接参与反应,二%。两(*)在1600C下，由实验测定在纯FeO渣中，金属铁液中溶解的%。饱和=0.23 oL 用i刊M瓶与温度间有着下列关系：lg%o 饱和=2.734 6320第一百零一页，共三百九十四页。%0饱和%0I T 6320 c h)lgo=-2.734L。就是氧在渣铁间的平衡分配系数。在一 定温度下，熔渣中既。升高，铁液中%0 含量也相应增高;当人。一定时，铁液中%0 也是随着温度升高而提高。第一百零二页，共三百九十四页。式（*）只适用于铁液中除氧外而无其他的杂质元素的 情况，对于钢液而言，熔渣对钢液的氧化能力用钢液 中月浴渲和平1削粗笞堇利用淑中头坏电省重心本来 表示，即：%o=%0 渣一钢%O实%00,渣中氧能向钢液扩散，称氧化渣；W KO,钢液中的氧向渣中转移，熔渣具有 脱氧能力，称为还原渣；%0=0,此时的渣称为中性渣。第一百零三页，共三百九十四页。0渣一钢二a FeOL0%o实在氧化末期主要与碳含量有关，可以得出 以下关系式：A%0=小（尸eO）,凡。7即%（）是熔渣F e O的总量、碱度、钢液中的碳含量 及温度的函数。第一百零四页，共三百九十四页。从1600C多元系炉渣F e O等活度图可以看出，当熔渣碱度 Ca0/Si()2=2.0时,熔渣的氧化口歹最大,性最强。CaO/Si()2比值过高或过低，都会使下降，即 降低熔渣的氧化性。第一百零五页，共三百九十四页。从分子理论看,当CaO/SiO22.O时，叼随碱度的增加而增大。碱度增加，渣中CaO含量增加，CaO将取代硅酸铁(F e OiO2)中F e O,外。增加；Ca0/Si022.0,行。随碱度增加而降低，碱度的增加,渣中CaO含量增多，除和Si。2结合消耗一部分CaO外，多余的 CaO将与F e 2()3结合生成铁酸钙(CaO-F e2O3),使降低。第一百零六页，共三百九十四页。从离子理论来看,熔渣中5e O有下列关系aFeO=，2+-碱度较低的熔渣中，02-浓度比较低，%e。也比较低，随着碱 度的增加，02-浓度增加，因而e。增大。当继续提高碱度时，则生 成铁酸根离子：3Fe 2+3 0 2-+Ca 2+O 2-=Ca 2+2 FeO：+FeV-V-,V-13所。CaO Ca【O 4表明F e 2+和02-的浓度都降低，使赤。下降。第一百零七页，共三百九十四页。当渣中(%F e O)一定时，碱度低时，尸co随温度的升高而略有减少;碱度低时，温度对即。几乎没有影响；在碱度较高时(Ca0/Si021.4),好。随温度的升高而减少;从反应动力学看，当熔渣碱度和E(%F e O)浓度一定时，温度越高,则熔渣的流动性越好，熔渣中(F e O)反应能力增强，熔渣的氧化性增强。第一百零八页，共三