Z向钢及炼钢基础

1、 机械设计及理论研究所School of Mechanical Engineering, Tongji University 机械与能源工程学院 孙远韬 现代工程机械设计第1章 绪论现代设计方法 第1章-绪论炼钢简介炼钢简介 钢铁的冶炼是生产钢材料的过程。现代工业离不开钢铁。炼钢是指控制碳含量（一般小于2%），消除P、S、O、N等有害元素，保留或增加Si、Mn、Ni、Cr等有益元素并调整元素之间的比例，获得钢的最佳性能的过程。炼钢原料为各种天然铁矿石，主要的产品有钢锭、连铸坯和直接铸成各种钢铸件等。通常所讲的钢，一般是指轧制成各种钢材的钢。现代设计方法 第1章-绪论 炼钢生产流程炼钢生产流程现

2、代设计方法 第1章-绪论 炼钢生产流程炼钢生产流程从炼钢工艺流程上来说，炼钢通常可以分为以下几个过程： 高炉炼铁；铁水预处理；转炉炼钢；精炼；连铸；u高炉炼铁 炼铁的原理即用还原剂将铁矿石中的铁氧化物还原成金属铁。炼铁的方法有直接还原法和高炉炼铁法，其中高炉炼铁为主要方法。 高炉炼铁的原料有提供铁元素的铁矿石、提供热量的焦炭、去除有害元素的熔剂、提供氧的空气。现代设计方法 第1章-绪论 u铁水预处理 铁水预处理是指将铁水兑入转炉之前进行的各种提纯处理分为普通铁水预处理和特殊铁水预处理。普通铁水预处理包括：铁水脱硫、脱硅、脱磷的三脱预处理。特殊铁水预处理是针对铁水中含有特殊元素进行提纯精炼或资源

3、综合利用如铁水提钒、提铌、脱铬等预处理工艺。u转炉炼钢 转炉炼钢是以铁水、废 钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。其炉体可以转动。现代设计方法 第1章-绪论 u转炉炼钢现代设计方法 第1章-绪论u精炼 将炼钢炉（转炉、电炉等）中初炼过的钢液移到另一个容器中进行冶炼的炼钢过程叫做精炼，也叫二次冶金。精炼的任务是将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。精炼过程可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生

4、产成本。CAS-OB是最简单的非真空精炼设备，多适用于普碳钢、低合金钢等以化学成分交货的钢种；LF有很强的清洗精炼和加热功能,适宜冶炼低氧钢、低硫钢和高合金钢；VD脱碳能力弱(受钢包净高度的限制),具备一定的钢渣精炼功能,适宜生产重轨、轴承、齿轮等气体含量和夹杂物要求严格的优质钢种；RH脱碳能力强,适宜大量生产超低碳钢、IF钢(低N无间隙钢)；VOD、AOD等专门用于生产不锈钢；此外,经常采用不同功能的精炼炉组合使用,如CAS-RH LF-RH LF-VD AOD-VOD。现代设计方法 第1章-绪论u连铸工业模铸与连铸 模铸指将高温钢液浇注到一个或多个钢锭模内使之凝固成形的方法，是钢液凝固成形

5、的基本方法，其典型特征是生产过程的间续化。 连续铸钢指的是将高温钢液连续地浇铸到一个或多个强制水冷的金属型腔内。凝固成形后，再经二次冷却，使之凝固，且成一定形状（规格）铸坯的工艺方法，其典型特征是生产过程的连续化。 注：模铸工艺由于生产效率较低，现在一般只用于浇铸一些高碳高合金钢以及一些特殊规格要求的坯锭现代设计方法 第1章-绪论炼钢工艺过程对钢性能的影响 钢材的质量及性能是根据需要而确定的，不同的需要，要有不同的元素含量。钢中常见的元素种类有很多种，其中左右钢材性能的主要有碳、铬、锰、钼、镍、硅、钨、钒等。除此之外钢中还有硫、磷等“有害元素”。下面简要介绍钢中的主要元素及其作用。 碳；含碳量

6、越高，刚的硬度就越高，但是它的可塑性和韧性就越差 硫；是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性 磷；能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫作冷脆性在优质钢中，硫和磷要严格控制但从另方面看，在低碳钢中含有较高的硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性是有利的 锰；能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢（高锰钢）具有良好的耐磨性和其它的物理性能钢中常见元素现代设计方法 第1章-绪论 硅；它可以提高钢的硬度，但是可塑性和韧性下降，电工用的钢中含有一定量的硅，能改善软磁性能 钨；能提高钢的红硬性

7、和热强性，并能提高钢的耐磨性 铬；能提高钢的淬透性和耐磨性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用 钒；能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，韧性和耐磨性当它在高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；反之，当它在碳化物形态存在时，就会降低它的淬透性 钼；可明显的提高钢的淬透性和热强性，防止回火脆性，提高剩磁和娇顽力 钛；能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的强度和韧性在不锈钢中，钛能消除或减轻钢的晶间腐蚀现象 镍；能提高钢的强度和韧性，提高淬透性含量高时，可显著改变钢和合金的一些物理性能，提高钢的抗腐蚀能力 硼；当钢中含有微量的（0.0010.005）硼时，钢的淬透性可以成倍的提高 铝；能细化钢的晶粒组织，阻抑低

8、碳钢的时效提高钢在低温下的韧性，还能提高钢的抗氧化性，提高钢的耐磨性和疲劳强度等 铜；它的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能，特别是和磷配合使用时更为明显钢中常见元素现代设计方法 第1章-绪论炼钢工艺过程对钢性能的影响 炼钢过程中的铁水预处理、高炉炼钢以及转炉炼钢的主要目的在于去除有害元素磷及硫等，无法做到生产特殊性能的钢。故通过精炼过程，精确钢材料中各元素成分配比，达到生产特殊用途钢的目的。炼钢工艺对刚性能的影响主要在于此。通过精炼之后成分不同的轴承钢与合金结构钢项目项目CMnSiCrSPNiCuGCr15SiMn0.95/1.050.90/1.200.45-0.651.30/1.6

9、50.020.0270.300.25（以GCr15SiMn为例）轴承钢轴承钢现代设计方法 第1章-绪论炼钢工艺过程对钢性能的影响项目CSiMnP SCrMoAlCu Ni38CrMoAl0.35/0.420.20/0.420.30/0.600.0351.35/1.650.15/0.250.70/1.100.30（以38CrMoAl为例）合金钢合金钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介1、什么是z向钢Z向钢并不是形状呈“z形”的钢材，而是指在厚度方向（即z方向）的抗拉伸性能较好的厚钢材，它的厚度一般不小于40mm。z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介2、z向钢的

10、用途用于造船、海上采油平台、锅炉、压力容器和高层建筑等某些重要焊接构件的钢板，不仅要求钢板的常规力学性能，而且对厚度方向抗层状撕裂性能提出了更高的要求。这些重要钢材一般首选z向钢。z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介z向钢板与普通厚钢板的主要区别：抗层状撕裂性能好z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介3、层状撕裂 大型厚壁结构，在焊接过程中会沿钢板的厚度方面出现较大的拉伸应力，如果钢中有较多的夹杂，那么沿钢板轧制方向出现一种台阶状的裂纹，一般称为层状撕裂。z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介4、层状撕裂的特征及其危害性 层状

11、撕裂是一种内部沿轧向的应力开裂，它的特征是呈阶梯状，这是其他裂纹所没有的。 层状撕裂常出现在T形接头、角接头和十字接头中。z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介 根据层状撕裂产生的位置大体可分三类： （1）在焊接热影响区焊趾或焊根处由冷裂纹而诱发 现成的层状撕裂； （2）在焊接热影响区沿夹杂开裂，是工程上最常见的层状撕裂； （3）远离热影响区母材中沿夹杂开裂，这种情况多出现在有较多MS的片状夹杂的厚板结构中。 层状撕裂主要发生在低合金高强钢的厚板焊接结构中，多用于海洋采油平台、核反应堆压力容器及潜艇外壳等重要结构。z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简

12、介5、层状撕裂的形成机理 厚板结构焊接时，特别是T形和角接接头，在强制拘束的条件下，焊缝收缩时会在母材厚度方向产生很大的拉伸应力和应变，当应变超过母材金属的塑性变形能力时（沿板厚方向），夹杂物与金属基体之间就会发生分离而产生微裂，在应力的继续作用下，裂纹尖端沿着夹杂所在平面进行扩展，就形成的所谓“平台”。 z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介6、影响层状撕裂的因素 1非金属夹杂物的种类、数量和分布形态它是产生层状撕裂的基本原因，是造成钢的各向异性、力学性能差异的内在因素。钢中夹杂物一般常见的有硫化物、各种硅酸盐和铝酸盐等。 2Z向拘束应力 厚壁结构在焊接过程中承受不同程

13、度的Z向拘束应力，同时还不焊后的残余应力及负载，它们是造成层状撕裂的力学条件。 3氢的影响 在焊接热影响区附近，由冷裂诱发成为层状撕裂中氢是一个重要的影响因素。z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介7、层状撕裂常见的型貌特征宏观形态宏观形态(A) (D)比较典型, 也常见,(E)是产生在自动焊对接接头的一种撕裂, 又称为热撕裂或液化开裂。z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介显微断口显微断口右上图是一种由平台直壁平台组成的阶梯状断裂面裂缝平台区平坦, 边界清晰, 几乎看不到塑性变形, 是片状夹杂物与基体在拉伸应力作用下形成的一种解理面, 平台之间被山

14、脊状撕裂棱所间隔。因此认为, 层状撕裂是低延性准解理断裂, 见右下图。z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介8、层状撕裂产生的原因l层状撕裂的产生与钢种强度级别无关，主要与钢种夹杂物量和分布形态有关。l在轧制钢板中存在硫化物、氧化物和硅酸盐等低熔点非金属夹杂物，其中尤以硫化物的作用为主，在轧制过程中被延展成片状，分布在与表面平行的各层中，在垂直于厚度方向的焊接应力作用下，夹杂物首先开裂并扩展，以后这种开裂在各层之间相继发生，连成一体，造成层次撕裂的阶梯性。 z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介启裂源分类启裂源分类成因成因第1类 以焊根裂纹。焊趾裂纹

15、为启裂源，沿HAZ发展 焊趾裂纹为启裂源，沿HAZ发展由冷裂而引起的（PCM、HD、RF偏高）伸长的MnS夹杂物 角变形引起有弯曲拘束应力或缺口引起的应变集中第2类 以轧层夹杂物为启裂源。沿HAZ发展 伸长的MnS夹杂物及硅酸盐夹杂物拘束度大，存在Z向拉伸拘束应力氢脆 第3类 完全由收缩应变而致，以轧层夹杂物为启裂源，沿远离HAZ的母材板厚中央发展 轧层中的长条MnS夹杂物及硅酸盐夹杂物 拘束度大，弯曲拘束产生的残余应力应变时效 HAZ：热影响区域z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介9、预防层状撕裂的措施 （一）选用具有抗层状撕裂的钢材，降低钢中夹杂物的含量和控制夹杂物的形态，来提高钢板厚向的塑性是有效的。 （二）设计和工艺上的措施 在设计和施工工艺上主要是避免Z向应力和应力集中，具体措施如下： （1）应尽量避免单侧焊缝，改用双侧焊缝，这样可以缓和焊缝根部的应力状态，并防止应力集中。z z向钢向钢机械现代设计第1章-绪论-1-机械现代设计简介 （2）在强度允许的情况下，尽量采用焊接量少的对称角焊缝来代替焊接量大