炼钢工艺及元素对钢材性能的影响

1、炼钢工艺及元素对钢材性能的影响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，升 温，加脱氧剂和合金化操作。钢中的磷 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0C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。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

2、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。磷在钢中是以Fe3P或Fe2P 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 与熔渣界面进行的。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P < 0.045%;优质级钢P < 0.035%;特殊质量级钢P < 0.025%;有的甚至要求P < 0.010%。有些钢种：炮弹钢，耐腐蚀钢需加P元素。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FeS的形式存在，FeS的熔点为1193C, Fe与

3、FeS 组成的共晶体的熔点只有 985C。液态Fe与FeS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%。当钢中的S >0.020%时寸，由于凝固偏析，Fe-FeS共晶体分布于 晶界处，在1150-1200 C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， FeS 与 FeO 形成的共晶体熔点更低(940C),更加剧了钢的“热脆”现象的发生。锰可在钢凝固范围内生成 MnS和少量的FeS,纯MnS的熔点为 1610C，共晶体FeS-MnS(占93.5%)的熔点为1164C，它们能有效 的防止钢热加工过程的

4、“热脆” 。冶炼一般钢种时要求将Mn控制在0.4%-0.8%。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 Mn/S 比可以提高钢的 热延展性。一般Mn/S > 7时不产生热脆。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。 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 < 0.045% 优质级钢S < 0.035%,特殊质量级钢S < 0.025%有的钢种要求如管

5、线钢S < 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%。钢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。钢中氧含量高,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

6、液中溶解的氧, 在铸坯或钢材中取样 时是全氧样。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 Fe-Mn，Fe-Si ， Mn-Si， Ca-Si 等合金。 钢中的气体 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、N2 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。钢热加工

7、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、冲击韧性的降低，即发生“氢 脆”现象。在钢材的纵向断面上，呈现出圆形或椭圆形的银白色斑点称之 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 2000C。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 250-45

8、00C 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。钢中加入适量的铝，可生成稳定的 AIN,能够压抑Fe4N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 . 在冶炼铬钢，镍铬系钢或铬锰系 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。钢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。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

9、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。钢中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固过程中产生的。 根据成分不同，夹杂物可分为氧化物夹杂，即FeO MnQ Si02、AI2O3、Cr2O3等简单的氧化物；FeO-Fe2O3 FeO-AI2O3 MgO-AI2O3等尖晶石类和各种钙铝的复杂氧化物；2FeO-SiO2,、2MnO-SiO2 3MnO-AI2O3-2SQ2等硅酸盐；硫化物夹杂，如 FeS MnS CaS等；氮化物夹杂，如 AIN、TiN、ZrN、VN BN等。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

10、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 SiO2 超过70%勺硅酸盐，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、因此在炼钢、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。钢中的碳 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。碳能显著改变钢的液态和凝固性质，在16000C, C <0.8%时，每增 0.1%的碳钢的熔点降低6.50C密

11、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 0.4cm3/100g增大凝固区间 17.790C。锰(Mn)锰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；锰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；锰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。硅硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中含硅在0.17%-0.37%，14500C 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CO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-O反应。硅能提高钢的机械性能，增加了钢的电阻和导磁性。硅对钢液的性质影响较大，16000C纯铁中每增加1%勺硅： 碳的饱和溶解度降低了 0.294%铁的熔点降低 80C密度降低 80kg/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,钢液的收缩率提高2.05%。铝铝是终脱氧剂，生产镇静钢时， Al 多在 0.005%-0.05%，通常