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1、第五章 钢铁材料生产过程概述,姜 波,金属材料可分为两大类，即黑色金属和有色金属。黑色金属是指以铁为基本元素所组成的金属或合金，如工业纯铁、钢、铸铁等均属于黑色金属；有色金属是指除铁之外的其它金属或合金，如铜、铝、锌、镁等。金属一般是由矿石冶炼而成，如炼铁的用铁矿石，炼铝的用铝矿石等。由于钢铁材料在机械产品中所占的比例最大，最具代表性。因此，本章主要以钢和铸铁为例，介绍炼钢和炼铁的基本常识。,第一节 炼铁过程概述,一、生铁冶炼过程炼铁所用的原材料以铁矿石（Fe2O3）为主,熔炼时将铁矿石、焦炭（燃料）、石灰石（助溶剂）等炉料一同装入高炉中，在一定温度和压力下，经过一系列化学反应，使矿石还原为铁
2、。这种直接由矿石熔炼所得到的铁称为生铁。由于炼铁过程中铁矿石、焦炭、石灰石等是混在一起的，还原出来的铁水与焦炭、炉渣等直接接触，焦炭中的碳、硫等元素会渗入到铁水当中。同时，高温炉气中的化学气体也会与铁发生化学反应，形成的产物也会混入到铁水当中。因此，生铁中杂质含量较高，其中长存的杂质有碳、硅、锰、硫、磷五种基本元素及一些非金属夹杂物等。,炉料中的石灰石（CaO）起造渣、助熔作用，它可降低铁矿石的熔化温度，同时还会与铁水中其它元素发生作用而形成炉渣，覆盖在铁水表面，起保护铁水和保温作用。生铁熔炼后做成生铁锭向市场销售。按用途分生铁锭有两种：铸造生铁和炼钢生铁。铸造生铁：断口呈暗灰色，硅的质量分数
3、较高，主要用于铸铁件生产。炼钢生铁：断口呈亮白色，硅的质量分数较低，主要用于炼钢时配料。,二、铸铁熔炼过程铸铁生产所用的原材料（金属炉料）主要以铸造生铁为主，此外还有铁合金、废钢及回炉料等。铸铁熔炼过程，实质上就是将金属炉料中的杂质元素含量通过一系列冶金化学反应控制在所要求的范围之内。这种由生铁去除杂质并按要求调整化学成分后的铁叫做铸铁，它和生铁的区别是杂质含量较低且成分要求较严格。加入废钢的目的主要是用来调节铁水成分，特别是含碳量；铁合金（硅铁、锰铁等）则是为了改善铸铁结晶后的力学性能。熔炼时，将金属炉料与燃料、助溶剂一同加入化铁炉中，其工艺过程与生铁熔炼相似。,1、铸铁熔炼设备冲天炉的熔炼
4、过程 冲天炉的燃料为焦碳；金属炉料有：铸造生铁锭、回炉料、废钢、铁合金；熔剂为石灰石和氟石。在冲天炉熔炼过程中，高炉炉气不断上升，炉料不断下降：底焦燃烧；金属炉料被预热、熔化和过热；冶金反应使铁水发生变化。,2、铸铁熔炼的基本要求（1）高温（2）优质（3）高产（4）低耗（5）简便,第二节 炼钢过程概述,钢也是由生铁炼成的。在炼钢的炉料中，除生铁之外，还有废钢材及其它金属（合金元素），其中以废钢居多。生铁中的碳及杂质元素含量较高，炼钢的过程就是要把生铁及其它炉料中的杂质元素（特别是碳）含量通过一系列冶金化学反应控制到一定的范围之内。它可以概括为以下几个步骤：1、将固体炉料（生铁、废钢等）炼成钢液
5、。2、将钢液中的硅、锰、碳（指碳钢）含量炼到规格范围 以内。3、将有害元素硫、磷的含量降低到规格范围以下。4、清除钢液中的非金属夹杂物和气体，使钢液纯净。生铁经以上冶金处理后就变成了钢。因此，炼钢的过程，实际上就是清除（或减低）生铁中杂质含量的过程。,一、炼钢设备常用炼钢设备有三项电弧炉、感应电炉、平炉、转炉等。电弧炉炼出的钢液质量较高，熔炼过程比较容易控制，便于组织生产。感应电炉熔炼工艺简单，容量不大，主要用于中、小型铸件。平炉容量大，生产周期长，适宜生产大型铸件或大批量生产。转炉炼钢生产效率高，熔炼周期短，主要用于钢锭生产,钢液质量高，熔炼速度快，温度容易控制。炼钢的金属材料主要是废钢、生
6、铁和铁合金。其它材料有造渣材料、氧化剂、还原剂和增碳剂等。,电弧炉炼钢,感应电炉炼钢,感应电炉是利用感应线圈中交流电的感应作用，使坩埚内的金属炉料（及钢液）产生感应电流，而发出热量，使炉料熔化的。,感应电炉的优点是加热速度快，热量散失小；缺点是炉渣温度较低，不能发挥炉渣在冶炼过程中的作用。,感应电炉炼钢生产,1.电弧炉结构本节主要介绍三相电弧炉炼钢三相电弧炉主要由炉体、炉盖、装料机构、电极升降与夹持机构、倾炉机构、旋转炉盖机构、电气装置和水冷装置所组成。,2.电弧炉工作原理电炉工作时，三个电极中通入大强度电流（1.516KA），使电极与炉料之间产生连续电弧，电弧产生的高热使炉料迅速熔化。熔化后
7、的炉料向下塌陷，旁边的炉料又过来补充，当大部分炉料熔化后，电极逐渐下移，靠近尚未熔化的固体炉料，直至将炉膛内所有炉料全部熔化完毕。电弧炉炼钢的优点是加热能力很强，钢水温度及炉气成分比较容易控制，脱硫效果好；其缺点是耗电量大，高温下吸气较多，且由于三个电极是点状加热，炉中钢液温度不够均匀。,二、炼钢工艺过程氧化法是广泛应用的、最基本的炼钢方法。用这种方法可以冶炼碳钢、低合金钢和高合金钢。其工艺过程包括：补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢，其中氧化期和还原期是用来调整钢液化学成分和改善钢液质量的。因此，这里着重介绍一下氧化期和还原期。,1.氧化期脱磷、脱碳氧化期是在炉料全部熔化为钢水后进行的
8、，其任务是脱磷、去除钢液中的气体和夹杂物，并提高钢液的温度。氧化期分两个阶段，第一阶段钢液温度较低，主要是造渣脱磷，冶金反应式如下：2Fe2P5FeO4CaO（CaO）4P2O5 9Fe（CaO）4P2O5作为炉渣上浮到液面，从而将磷带走。当温度升高后进入第二阶段，进行氧化脱碳沸腾精炼，去除钢液中的夹渣物和气体。常用脱碳方法有矿石脱碳法、吹氧脱碳法和矿石吹氧结合脱碳法。,（1）吹氧脱碳法熔炼时，用氧气管直接向钢液中吹氧气 2CO2 2CO生成的CO气体浮出钢液，将碳带走，从而达到脱碳的目的。同时，钢液中的其它杂质也被氧化成炉渣，上浮到钢液表面。（2）矿石脱碳法矿石与钢水中的铁作用 Fe2O3F
9、e 3FeO 生成的氧化亚铁（FeO）溶解在钢液中，起脱碳作用 FeOC FeCO 从而将钢液中的碳脱掉。但在脱碳过程中钢液被氧化，钢液中残存着较多的氧化亚铁（FeO），还需将氧化亚铁中的氧去掉，使其还原成铁，这一过程要在还原期来完成。,2.还原期脱氧、脱硫还原期的主要任务是脱氧、脱硫，调整钢液温度及化学成分。第一步加锰铁进行预脱氧：FeOMn MnOFe第二步加造渣材料进行脱氧和脱硫，造渣材料为石灰、萤石和碳粉，石灰脱硫，碳粉脱氧。（CaO）（FeS）（CaS）（FeO）C（FeO）COFeMnO、CaS等都是炉渣，其密度低于钢液密度，静置过程中上浮到钢液表面，从而将硫、氧带走。第三步加铝进
10、行终脱氧：2Al 3（FeO）Al2O3 3Fe形成的Al2O3上浮到钢液表面形成炉渣。,3.钢的浇注钢经脱氧并调整化学成分后，即可出炉等待浇注。除少数钢液用来浇注铸钢件外，多数用来铸成钢锭或通过连铸法制成连铸坯，连铸坯是指大批量生产的钢制铸件毛坯。钢锭用于轧制各种截面形状的型 材，如槽钢、角钢、工字钢、钢板等。,（1）镇静钢钢锭这种钢脱氧时分别用锰铁、硅铁（或炭粉）、铝块分三步进行脱氧，脱氧过程进行的比较充分，钢液洁净，钢水在钢锭模中平静的凝固，没有气泡浮出，故称镇静钢。这种钢成分均匀，组织致密，质量较高，一般属于优质钢。,（2）半镇静钢钢锭这种钢脱氧时进行了锰铁、硅铁（或炭粉）两步脱氧，脱
11、氧程度不如镇静钢充分，钢液在钢锭模中凝固时有少量气泡（CO）浮出，故称半镇静钢。,（3）沸腾钢钢锭这种钢在熔炼后期只用锰铁进行不充分脱氧。由于钢液中的氧化亚铁和碳的反应仍在进行（FeO+C Fe+CO），钢液在钢锭模中静置过程中，有较多的CO气泡浮出，象沸腾一样，故称沸腾钢。这种钢的化学成分不均匀，气孔、杂质较多，质量较差，但出材率高，价格较低。,三、钢产品钢锭主要用来轧制各种型材的，这些具有一定截面形状的型材即为炼钢的最终产品。机械工程中常用的钢制型材有以下几种：1.板材 即钢板，分薄板、中板和厚板三种。薄板是指厚度小于4mm的钢板，分热轧、冷轧两种。420mm的钢板为中板，20mm以上为厚板，中板、厚板多为热轧板。,热轧钢板,2.管材 即钢管，分无缝钢管和有缝钢管两类。无缝钢管质量和性能较好，主要用于石油、锅炉等重要场合；有缝钢管是用钢带焊接而成，质量较差但价格低廉，常用于自来水、煤气等普通场合。3.型材 即具有一定截面形状的钢材，常用的有槽钢、角钢、工字钢、方纲、圆钢及扁钢等。4.线材 即钢丝，用圆钢经过冷拔而成。低碳钢丝用于捆绑或编制用；高碳钢丝用于制作弹簧或钢丝绳等。5.其它型材 钢轨钢、“H”型钢、六角形钢、方钢管等。,
