常見鋼種的冶煉.doc

6.常見鋼種的冶煉6.1 硅鋼的冶煉6.1.1 硅鋼分類和硅鋼片性能硅鋼主要用于制造軟磁材料硅鋼片，是發(fā)展電力、電訊、自動控制和儀表制造等工業(yè)的主要金屬材料。根據(jù)需要，可以按生產(chǎn)方式、化學(xué)成分、結(jié)晶織構(gòu)和用途等對硅鋼片進行分類。按化學(xué)成分有低硅（含Sil1.5左右）、中硅（含Si22.5左右）和高硅（含Si3.0以上）硅鋼片；按軋制工藝分有熱軋和冷軋硅鋼片；按結(jié)晶織構(gòu)分有熱軋的非織構(gòu)硅鋼片，冷軋低織構(gòu)、高斯織構(gòu)（單取向織構(gòu)）和立方織構(gòu)（雙取向織構(gòu)）硅鋼片等。表61為按化學(xué)成分命名的常用硅鋼鋼號。 表61 按化學(xué)成分命名的常用硅鋼鋼號鋼 號化 學(xué) 成 分，%備 注CSiMnPS30噸轉(zhuǎn)爐D21D21P0.080.082.002.802.002.800.200.400.200.400.040.060.120.030.03廠控成分P可達0.15%；廠控成分50噸轉(zhuǎn)爐D11、D12D21D22、 (D23、D24)D24D31D410.100.090.090.080.081.502.002.002.802.102.803.003.903.904.500.300.500.300.500.300.500.250.200.080.080.080.030.030.030.030.0250.0200.020廠控成分廠控成分廠控成分Al0.050.12%；廠控成分Al0.050.12%；廠控成分；厚0.5D42D43D440.074.304.700.150.0250.015Al0.050.12%；廠控成分；厚0.35 通常，硅鋼片厚度為0.051.0毫米。為了滿足特殊需要，還生產(chǎn)厚度為3.05.0毫米的低硅鋼板和0.020.025毫米的高硅極薄鋼板。 A 對硅鋼片性能的要求 對于電工設(shè)備，要求能夠長時間連續(xù)工作，重量輕，體積小，而且節(jié)省電能。因此，硅鋼片應(yīng)該主要在電磁性能，其次在機械性能方面滿足下列要求： (1) 磁感強度要大。硅鋼片是強烈增強磁場強度的材料，它的磁感強度越大，磁性就越好，越能滿足使用要求。 (2) 鐵損要低。鐵損是指使用過程中消耗在硅鋼片上的能量。它包括兩部分：磁滯損失（P磁）和渦流損失（P渦）。鋼中的C、S含量、氣體和夾雜含量越多，磁滯損失越大。渦流損失的大小和電流頻率、磁感強度、板厚成正比，和電阻率成反比。為降低鐵損，硅鋼片雜質(zhì)含量要少、晶粒度要大。同時，電阻率要大，厚度要薄，并可以采用絕緣涂層，以減少鐵損。(3) 要具有一定的塑性和良好的沖剪加工性能，板面平整、厚薄均勻，并保證表面質(zhì)量。B 影響硅鋼片質(zhì)量的冶煉因素 硅鋼成分和純凈性、軋制方法、織構(gòu)類型及板厚對硅鋼片質(zhì)量都有重要影響： （1）化學(xué)成分 硅 硅是硅鋼中的主要合金元素，它對提高硅鋼片磁性具有決定性影響。能夠增大鋼的電阻率，使渦流損失下降；能夠使鐵素體晶粒顯著長大，降低矯頑力（去磁力），減少磁滯損失；提高導(dǎo)磁率，減少晶體的各向異性；它還是一種石墨化劑和脫氧劑，能減少碳化物，改善磁性；此外，硅還是縮小區(qū)元素，當其含量較高，而碳含量較低時，容易得到單相組織，消除相變應(yīng)力對磁疇移動的影響。硅鋼中含硅量不應(yīng)過高（4.5），否則會使鋼的導(dǎo)熱性下降、脆性顯著增加，使鋼加工性能變壞。 碳 碳對硅鋼的組織和性能都有重大不良影響。含碳量提高，會使硅鋼片矯頑力提高、鐵損增加、磁性能下降。碳還是擴大區(qū)元素，易促成相變，使晶粒細化，從而導(dǎo)致磁性能惡化。碳在鋼中存在形態(tài)不同，對磁性影響也不同。在具有一定含硅量的鋼中，它可能以溶解態(tài)（間隙固溶體）、游離態(tài)和石墨存在，其中以石墨狀態(tài)存在對磁性影響最小?？紤]到硅鋼片退火處理過程有一定的脫碳能力， 一般不把頂吹轉(zhuǎn)爐終點碳控制得過低 （0.03），以避免鋼中含氧量和氣體量增高，惡化鋼的質(zhì)量。 . 磷和鋁 磷和鋁對提高硅鋼磁性、降低鐵損方面的作用與硅相似，但對硅鋼性能也有不良影響的一面。所以，在部分牌號硅鋼中利用它們的有益性，部分取代硅、降低硅的用量。在個別鋼種中，利用其不利作用，化害為利。 硫和錳 硫和錳對硅鋼磁性具有不良影響，特別是硫的危害更大，所以應(yīng)嚴加控制。電工鋼硫多控制在0.0150.035，錳多控制在0.050.45，僅個別鋼種中，硫和錳可以形成硫化物（MnS）有利夾雜，促進二次再結(jié)晶長大，有利于改善電磁性能。 （2） 鋼中氣體鋼中的氮、氫、氧（大部分呈夾雜物狀態(tài)存在）都對硅鋼存在特別不利的影響，增加鐵損，降低磁性，惡化硅鋼質(zhì)量，應(yīng)嚴格控制含量。僅在個別情況下，氮形成的AlN及某些氮化物夾雜起有益作用。 （3） 非金屬夾雜非金屬夾雜是非鐵磁性物質(zhì)，不具有磁化能力，又增加了硅鋼片磁化阻力，是影響硅鋼磁化能力的有害組分，僅個別情況下少數(shù)夾雜如MnS、A1N表現(xiàn)出有益的作用。 此外，與軋制和熱處理工藝有關(guān)形成的應(yīng)力、晶粒度和取向也是影響硅鋼片性能的重要因素。6.1.2 硅鋼冶煉硅鋼冶煉必須注意以下各點：(1) 創(chuàng)造良好的冶煉條件 硅鋼應(yīng)在爐體和爐況正常情況下冶煉，宜選爐役中期進行，新爐初期、老爐末期不適于煉硅鋼。 嚴格保證入爐原材料質(zhì)量，選用優(yōu)質(zhì)原材料。對于鐵水，冶煉低硅鋼時要求含硫量0.050，高硅鋼0.030，鐵水中Si、P、S含量較高者，應(yīng)采取鐵水爐外處理措施，以減輕爐內(nèi)成分控制負擔和提高鋼水質(zhì)量。要保證主要造渣材料石灰的級別和質(zhì)量。 提高氧氣純度，減少水分含量，以減少帶入鋼中的氫、氮含量。(2) 根據(jù)鐵水中Si、P、S含量選擇好造渣制度 要做到早化渣、化好過程渣、終渣化透做粘。由于硅鋼P、S含量控制較嚴，要抓緊前期操作，盡量提高前期去P、S率，減輕后期操作負擔。避免中期爐渣返干。終渣堿度應(yīng)適當提高，以提高爐渣脫P、S能力和避免回磷。由于終點碳低，爐渣氧化性高，將加劇爐襯侵蝕，還會增加鋼中氧和夾雜含量，因此終渣要化透做粘。(3) 控制供氧操作 要用比一般鋼種稍高的過程槍位促進化渣并使熔池良好的活躍沸騰，以加強脫氣和排除夾雜。(4) 控制吹煉過程溫度和終點溫度 過程溫度不宜過高，終點溫度的控制要考慮到加入大量硅鐵合金化時放出大量的熱量。末期溫度過高或過低時都不利于提高鋼質(zhì)量。末期溫度過高，增加鐵水吸氣量，加劇爐襯侵蝕和增加鋼中夾雜含量。同時，加大量冷卻劑調(diào)溫也會惡化鋼水質(zhì)量，所以嚴禁終點向爐內(nèi)加大量冷卻劑強行降溫。為了加強鋼中氣體和夾雜的排除并保證澆注質(zhì)量，終點鋼水溫度也不應(yīng)過低。(5) 控制好終點和出鋼操作 終點碳低硫高者，可加少量的碳素錳鐵，包內(nèi)加適量干燥蘇打來進一步脫硫；終點鋼水過氧化者，可加少量低S、P生鐵，它起降溫和預(yù)脫氧作用，并有利于改善鋼水流動性和排除氣體、來雜；多次后吹并加大量渣料者應(yīng)改鋼種。出鋼前要盡量多倒渣，出鋼時要避免大量下渣，以防回磷、回錳使鋼水成分出格。 (6) 由于要加大量硅鐵合金化，脫氧和出鋼操作時要注意保證鋼水成分和溫度的均勻性。所用脫氧劑和鐵合金、鋼水包都要嚴格進行烘烤。6.2 不銹鋼的冶煉6.2.1 不銹鋼的分類和耐蝕性 根據(jù)金相組織，不銹鋼可以分為以下三類：鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼。此外，在這幾類不銹鋼的發(fā)展過程中，為了滿足生產(chǎn)需要，還出現(xiàn)了其它類型的不銹鋼，如強化的馬氏體不銹鋼、時效硬化的不銹鋼、相強化的不銹鋼等。表62為常見不銹鋼的化學(xué)成分。 研究表明，金屬有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩類。前者是指金屬與周圍介質(zhì)直接產(chǎn)生的，沒有電流的化學(xué)作用，作用的產(chǎn)物沉積在金屬的表面上。后者是指金屬形成具有陽極和陰極并伴隨有電子流動的微電池作用而引起的腐蝕。二者相比，化學(xué)腐蝕由于產(chǎn)物沉積在金屬表面，因而能夠減緩金屬腐蝕，而電化學(xué)腐蝕產(chǎn)物不能覆蓋被蝕區(qū)域，常產(chǎn)生在微電池的陽極和陰極之間，因此，具有更大的危害性。 通常，兩種不同金屬相接觸或者金屬內(nèi)組織結(jié)構(gòu)不同，都可以構(gòu)成微電池的兩極，兩極中電極電位較低者成為陰極，失去電子被氧化?？梢姡饘倩w的負電位（與規(guī)定的標準氫電極電位為零相比）和多相組織是金屬腐蝕的基本原因。因此，要提高鋼的耐蝕性，應(yīng)使鋼呈單相組織和提高鐵的電極電位。向鋼中加入Cr、Ni、Si等合金元素可以促進組織均一化、提高鐵的電極電位和產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，從而可以提高鋼的耐蝕性。所謂鈍化，是指腐蝕反應(yīng)被阻止而促使耐蝕性提高的一種現(xiàn)象。其實質(zhì)是腐蝕和氧化物覆蓋在鋼的表面上，形成與周圍介質(zhì)相隔離的致密的保護膜（鈍化膜），從而阻止或大大減緩腐蝕速度。表62常見不銹鋼的化學(xué)成分(%)鋼號CSiMnCrNiTiSP0Cr130.080.060.8012.014.00.500.0300.0351Cr130.080.150.600.8012.014.00.600.0300.0352Cr130.160.240.600.8012.014.00.600.0300.0353Cr130.250.340.600.8012.014.00.600.0300.0354Cr130.350.450.600.8012.014.00.600.0300.0351Cr170.120.800.8016.018.00.600.0300.0359Cr180.901.000.800.8017.019.00.600.0300.0351Cr280.151.000.8027.030.00.600.200.0300.0351Cr17Ti0.120.800.8016.018.00.605C0.800.0300.0351Cr17Ni20.110.171.800.8016.018.01.52.50.0300.0350Cr18Ni90.061.002.0017.019.08.0011.00.0300.0351Cr18Ni90.121.002.0017.019.08.0011.00.0300.0352Cr18Ni90.130.221.002.0017.019.08.0011.00.0300.0351Cr18Ni9Ti0.121.002.0017.019.08.0011.05(C0.02)0.800.0300.035決定不銹鋼耐蝕性的主要合金元素是鉻，鋼中含鉻量越高，耐蝕性能越好。鉻所起的作用是：它能吸附腐蝕介質(zhì)中的氧并與之形成致密的Cr2O3保護層，阻止腐蝕繼續(xù)進行，還能夠提高鐵的電極電位，使其由負值變?yōu)檎?。隨著鋼中含鉻量增加，電極電位是呈躍變式提高，其變化遵守實驗n8定律，即含鉻量按原子比每增加到18、28、38n/8（依次原子百分數(shù)為12.5、25、37.5）時，電極電位躍變式提高，耐腐蝕性顯著提高。因此不銹鋼中的含鉻量應(yīng)至少為12.5，原子百分數(shù)（重量百分數(shù)）為11.7。鉻也是縮?。酥练忾]）區(qū)擴大區(qū)的元素，促進鋼的組織均一化，單純含合金元素鉻的不銹鋼可以得到單一的馬氏體或鐵素體組織。鎳、硅、鋁、鈦、鈮、銅、鉬等元素也都具有不同程度改善耐蝕性的作用，因此也是冶煉不銹鋼常用的合金元素。 碳在不銹鋼中具有雙重作用，它可以提高鋼的強度、硬度和耐磨性，但同時也降低鋼的耐蝕性。所以，不銹鋼的含碳量一般都很低。 影響不銹鋼耐蝕性的因素很多，除上述化學(xué)成分外，熱處理、加工及表面處理等都有重要影響。 6.2.2 碳、鉻的選擇性氧化和吹煉時脫碳保鉻 利用含鉻鐵水和廢鋼或用普通鐵水在冶煉過程中加鉻鐵煉不銹鋼時，熔池中都含有相當數(shù)量的鉻，在吹煉初期較低溫度下，鉻對氧的親合力比碳對氧的親合力大，所以鉻在硅、錳氧化后即進行氧化。但隨著溫度升高，碳對氧的親合力能夠超過鉻對氧的親合力，則碳比鉻優(yōu)先得到氧化。在冶煉不銹鋼時，為了保鉻，避免鉻氧化進入爐渣，希望碳比鉻優(yōu)先氧化。 在FeOCr系中，隨體系中含鉻量不同，鉻的氧化產(chǎn)物也不相同。當金屬中含鉻量小于3時，氧化產(chǎn)物為Cr2O3，呈立方晶形的鉻尖晶石存在；當含鉻量大于9時，氧化產(chǎn)物為Cr3O4，呈面心四方晶形；當含鉻量為39時，氧化物成分介于Cr2O3和Cr3O4之間，晶形呈面心四方體。在不銹鋼冶煉中，人們對渣中鉻的存在形式有兩種意見，一種認為是Cr2O3，另一種認為是Cr3O4。為了保證碳比鉻優(yōu)先氧化，首先需要確定碳、鉻選擇氧化的轉(zhuǎn)化溫度。假定渣中鉻以Cr3O4形式存在并為Cr3O4所飽和，a（Cr3O4）=1，則轉(zhuǎn)化溫度可按式61確定：Cr+2CO=2C+ （Cr3O4） （61）由式（61）可以得出： （62） 由式62可見，溫度和壓力對金屬中C和Cr的平衡濃度都存在影響。欲降低鋼中含碳量，可以通過減小PCO和提高溫度兩種途徑來實現(xiàn)。圖61為不同溫度和CO分壓下的碳與鉻的平衡關(guān)系。從式61、62和圖61可以看出，在不銹鋼脫碳過程中， pCO的影響比溫度影響更大。對鉻在鋼一渣間分配的研究表明，爐渣堿度和氧化鐵含量、對鉻的分配比有重要影響。鉻在鋼一渣間的分配比隨爐渣堿度和爐渣氧化性下降而下降。圖61不同溫度和Pco下碳與鉻的平衡關(guān)系6.2.3 不銹鋼的冶煉使用轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼的方法包括以下各類：（1）單純用頂吹轉(zhuǎn)爐的方法。包括硅合金氧化供熱法，即向爐內(nèi)加含硅鐵合金，依靠其氧化放熱來補充合金熔化和鋼水提溫需要的熱量；鋁鐵氧化供熱法；燃料或氧一燃料供熱法。 (2 )用熔化爐配合轉(zhuǎn)爐的方法，如用化鐵爐預(yù)熔合金鐵水或用電爐預(yù)熔鐵合金的方法。（3） 用中間包配合的轉(zhuǎn)爐氧化還原法。(4)頂吹轉(zhuǎn)爐真空脫氧(VODK法)法。(5)頂吹轉(zhuǎn)爐一真空處理雙聯(lián)法，例如LD-VOD法。(6)頂吹轉(zhuǎn)爐一雙液循環(huán)真空吹氧（RHOB）法。（7）頂吹轉(zhuǎn)爐一電爐雙聯(lián)法。( 8 )底吹氧氣轉(zhuǎn)爐法。(9）頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐法等。 目前，包括轉(zhuǎn)爐法在內(nèi)，冶煉不銹鋼的技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到了成熟的階段，但是在各類方法中，以能夠降低PCO的真空、半真空法或其它降低PCO的方法，技術(shù)經(jīng)濟效果最好，例如氬氧轉(zhuǎn)爐（AOD）法就是被各國廣泛采用的冶煉不銹鋼的方法。在這類方法中，鉻可以一次配足，而且含碳量不受任何限制。單純用頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼，冶煉時間長、精煉溫度高、鋼水降碳困難、鉻的收得率低、鋼中的氣體和夾雜數(shù)量多，不是很好的方法。相比之下，利用具有高速降碳機能的轉(zhuǎn)爐，并配合具有升溫和真空手段設(shè)備的雙聯(lián)操作，可以避免單純頂吹轉(zhuǎn)爐法的不足。不銹鋼的冶煉具有下述特點： （1） 它是一種低碳高鉻鋼，在冶煉過程中需要去碳保鉻，成分中雜質(zhì)P、S的限制也很嚴； （2） 它是一種高合金鋼，合金元素的含量至少在5以上，需要在冶煉和出鋼過程中加入鋼水中。 因此，用普通鐵水在轉(zhuǎn)爐中冶煉不銹鋼時，必須抓好造渣、升溫和合金化等幾個環(huán)節(jié)： 吹煉前期要搞好造渣制度，強化脫磷、硫操作，盡快使鋼中P、S降到規(guī)格要求含量以下。在吹煉前期結(jié)束后，要除凈爐渣，避免后期回磷。 除凈前期渣后，要加強供氧操作，可采用提高供氧強度硬吹強制供氧。同時可以向熔池加硅鐵、鋁鐵發(fā)熱劑，使熔池迅速降碳升溫，完成脫碳任務(wù)。 此后，則可以用熔池所達到的高溫，分批加入鉻鐵，同時還可以配加硅鐵或鋁鐵。每加入一批合金后都要吹氧助熔。對于不氧化或難氧化的合金元素，可提前在吹煉初期或裝料時加入。當采用含鉻鐵水或含鉻廢鋼冶煉不銹鋼時，則首先需要保證熔池迅速升溫，以促進熔池迅速降碳，減少鉻的大量燒損。6.3 低合金鋼的冶煉6.3.1 低合金鋼的分類低合金鋼的特點是在普通碳素鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素，使鋼的強度提高并改善綜合性能或者使鋼具有某些特殊性能。目前，國內(nèi)外對于低合金鋼的范疇劃分不一，關(guān)于合金含量的解說有多種。通常認為合金元素總量小于3者稱為低合金鋼，也有的把界限劃分在2.55.0范圍內(nèi)。若以此為標準，則低合金鋼包括強度級鋼，還包括多種專用鋼。 由于低合金鋼生產(chǎn)工藝簡單、成本低，而具有較高的強度、較好的焊接性能、加工工藝性能以及具有耐磨、耐腐蝕等特殊性能，有廣泛的適用性，因此低合金鋼在鋼種發(fā)展中占有重要地位。從實際情況出發(fā)，低合金鋼可按以下三種方法分類。 A 按特點和用途分類 大致可分為八種類型：（1） 強度鋼（亦稱結(jié)構(gòu)鋼）。這類鋼的特點是強度高、塑性和韌性好、加工和焊接性能優(yōu)良，并具有一定的耐腐蝕能力。強度大致有30107、35107、40107、45107 Pa四個級別（如包括25107和50107Pa則為六個級別）。此類鋼使用范圍極廣，常用作金屬構(gòu)件。（2） 專用鋼。上述強度鋼若按其使用方面的特點，現(xiàn)已列入專用鋼標準的，大致分為鍋爐鋼、造船鋼、橋梁鋼、容器鋼、多層容器用鋼、汽車大梁用鋼、礦用鋼、化肥用高壓無縫鋼管鋼和鋼筋鋼等。這些專用鋼中強度相同的，其成分也基本相同。前六種對S、P要求較嚴。按照專業(yè)用途對橋梁、造船、鍋爐等鋼需作沖擊值、斷口檢驗，汽車大梁用鋼還要做帶狀組織檢驗等。 （3） 低溫用鋼。包括空氣分離設(shè)備、石油尾氣分離設(shè)備、氣體凈化新工藝、制冷機械和各種低溫容器等需要的低溫（77203K）用鋼。它們在低溫下具有較高的沖擊值。（4） 耐腐蝕鋼。包括化工、石油工業(yè)的各種耐腐蝕設(shè)備用鋼和海上設(shè)施（如海底電纜、海上采油平臺、碼頭鋼板樁、船舶）用鋼等。能耐各種弱酸、弱堿、海水、硫化氫、氯離子、有機介質(zhì)的腐蝕，同時也要求一定的機械性能。（5） 耐磨鋼。其耐磨性能良好，可用于礦山機械和農(nóng)業(yè)機械等。 （6） 鋼軌鋼。包括各種輕重軌，要求耐磨、耐壓和耐腐蝕。（7） 鋼筋。主要特點是強度高，焊接性好。有35107、40107、45107、50107、55107、70107Pa級的各類鋼筋鋼。（8） 其它專用鋼。如氧氣瓶、焊條、地下鐵道接觸軌、自行車鏈條用鋼等。 B 按合金元素分類 按主體合金元素的不同可分為：錳系、錳一釩系、錳一鈮系、錳一鈦系、硅一鈦系、硅一鈮系、硅一釩系、釩系、含鋁鋼系、含磷鋼系、多元鋼系等。 C 按金相組織分類 （1） 鐵素體十珠光體型。目前大多數(shù)普通低合金鋼都屬于這種類型，其中珠光體的含量隨鋼中含碳量的增加而增多。這類鋼的屈服點為2510760107 Pa。大多數(shù)以熱軋狀態(tài)使用，此類鋼包括含Mn各系鋼種。 （2）貝氏體型。當鋼中加入一定含量的Mo、B等合金元素時能得到貝氏體組織，如14MnMoVBRe等。此類鋼塑性、韌性、焊接性能和中溫性能均較好，一般需經(jīng)熱處理后使用。 （3）馬氏體型。此類鋼是屬于強度最高的普通低合金鋼，通過淬火十回火處理（調(diào)質(zhì)）使鋼能獲得良好的綜合性能，屈服點一般為70107145107Pa。塑性、韌性也較好，是普通低合金鋼向高強度發(fā)展的一個重要途徑。 低合金鋼中的合金元素，對鋼中相變和鋼的組織、結(jié)構(gòu)都起重要影響，從而使鋼具有各種需要的性能。以鐵秦體一珠光體型鋼的合金化為例，常見元素的作用主要表現(xiàn)在以下方面：絕大多數(shù)合金元素，如P、Si、Mn、Cr、Cu和Ni等，都可固溶于鐵素體中，使其晶格產(chǎn)生歪扭，并改變（多為增加）原子間的結(jié)合力； 絕大多數(shù)合金元素，如Mn、Cr、Mo、W、Ni、Cu和Si等，在一般加熱條件下比較容易溶于奧氏體，增加其穩(wěn)定性和過冷能力，從而使珠光體的彌散度增大，其組織的百分數(shù)增加，同時也使鐵素體晶粒得到細化； 絕大多數(shù)合金元素，使鐵碳狀態(tài)圖上共析成分點左移，因而在相同含碳量下增加鋼中珠光體組織比例，從而使鋼的強度增加； Ti、V、Mo及少量A1能形成穩(wěn)定的碳化物和氮化物，減少奧氏體晶粒長大傾向，因而能細化晶粒；Ti、V、Al等與氮有很大的親合力；可形成彌散的化合物；產(chǎn)生彌散硬化作用?？梢?，合金元秦在低合金鋼中的作用主要是對鋼的組織起影響，既然組織上發(fā)生變化則必然反映到性能上。因此，我們可以根據(jù)資源情況和合金化元素的特點，生產(chǎn)不同性能的低合金鋼。6.3.2 低合金鋼的冶煉低合金鋼作為強度級鋼，根據(jù)治標YB1369和YB66169規(guī)定只保證抗拉強度、屈服點、延伸率和冷彎性能四項。低合金鋼作為專用鋼，應(yīng)該滿足專用鋼標準要求，例如橋梁、造船、鍋爐、容器、汽車大梁等，按專用鋼標準除上述四項要求外，還應(yīng)保證室溫、低溫和時效沖擊值，橋梁、鍋爐和造船鋼等還要保證斷口，汽車大梁還要保證帶狀組織合格等要求。這些性能的獲得主要靠合適的成分控制、良好的冶煉和澆注操作來保證。A 化學(xué)成分控制 化學(xué)成分是影響鋼的性能的主要因素，為了保證低合金鋼性能，在標準規(guī)定的基礎(chǔ)上，必須對成分進行嚴格控制和適宜調(diào)整。 化學(xué)成分與鋼的性能不適應(yīng)問題，有時在納入標準的鋼種中也有體現(xiàn)，例如我國早期投產(chǎn)的低合金高強度鋼筋25MnSi，按YB13-59標準中成分下限控制時，有強度達不到（4060）107Pa級要求的現(xiàn)象，因此在79年修訂“熱軋鋼筋”（GB149979）時，已正式把強度級別降為（3858）107Pa級。又如在16Mn鋼生產(chǎn)時，各廠常由于鋼的成分C、Mn按下限控制而強度出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，當C、Mn按上限控制時，特別是Mn1.55時，又容易出現(xiàn)冷彎和延伸率不合格現(xiàn)象?？梢钥闯?，化學(xué)成分變化對鋼的性能特別敏感。為了保證鋼的性能，通常采用縮小成分控制范圍，適當控制化學(xué)成分的作法。例如，在生產(chǎn)16MnL時，某廠成分按C%十1/4Mn為0.480.53控制，把碳控制在0.140.18、Mnl.35l.45范圍內(nèi)，以保證16MnL性能。又如，某廠在生產(chǎn)20MnSi、20MnVK、48SiMnV時，其標準如表63所示。表63某廠部分鋼號化學(xué)成分情況成分，% 鋼號CSiMnPSV20MnSi標準0.170.250.400.801.201.600.0500.050廠控0.180.250.400.701.251.550.0450.04520MnVK標準0.170.240.170.371.201.600.0400.0400.100.20廠控0.190.240.170.371.251.550.0250.0250.100.1545SiMnV標準0.400.521.101.501.001.400.0450.0450.050.12廠控0.400.481.101.401.001.300.0450.0450.050.10嚴格控制化學(xué)成分的結(jié)果，既促進了操作水平提高，合金收得率波動范圍縮小，煉鋼成本下降，也使鋼材性能相對穩(wěn)定。此外，該廠還在標準允許情況下，對45SiMnV的成分進行了調(diào)整，把Mn和的上限往下調(diào)整0.10和0.02，經(jīng)試驗鋼筋的屈服強度峰值由105.7107 Pa降低到67.3107Pa，抗拉強度峰值由120.6公斤毫米2降低到102.7107 Pa，而延伸率的平均值由12.88提高到14.85，使性能穩(wěn)定在Cs（56.867.3）107Pa，b（88.2102.7）107 Pa，同時節(jié)約了FeMnSi、FeV合金。又如某廠礦石中含Cu、As，因此生產(chǎn)25MnSi螺紋鋼筋時不存在強度偏低問題，為了避免屈服點不明顯和脆性，Mn、Si含量控制在規(guī)程規(guī)定的中、下限，取得了較好的效果。B 冶煉工藝控制 低合金鋼冶煉工藝和普碳鋼基本相同，合金元素的加入工藝，第二章中所述完全適用，但最好提供比生產(chǎn)普碳鋼良好的原材料和設(shè)備條件，同時要嚴格進行工藝操作，其工藝要點是： （1）創(chuàng)造良好的爐體條件，盡量不在新爐前10爐和補爐后第一爐冶煉； （2）低合金鋼質(zhì)量要求比較嚴格，因此，冶煉過程中應(yīng)盡量去除鋼中有害氣體和夾雜，除含P鋼外，盡量降低有害成分P和S含量。要強化供氧和造渣操作，以保證熔池良好沸騰和提高前期脫磷率，搞好吹煉全程脫磷脫硫，力求實現(xiàn)深度脫磷脫硫； （3）采用拉碳法控制終點，避免后吹，以降低鋼中含氧量，提高合金和金屬收得率，這樣有利于提高鋼的質(zhì)量和減少鋼的時效傾向，控制好出鋼溫度，避免出高溫鋼； （4）加強脫氧操作，以生產(chǎn)16Mn鋼為例，終脫氧后應(yīng)保證鋼中有適宜的殘鋁量，當脫氧用鋁量過多時，容易出現(xiàn)鋼包水口套眼現(xiàn)象；而減少用鋁量（0.10.5千克噸鋼，不加硅鈣）時，由于鋼中殘鋁量不足會導(dǎo)致鋼的沖擊值不穩(wěn)定以及直徑18毫米鋼筋的反彎脆斷，表64為16Mn鋼殘鋁量與晶粒度和金相組織情況。平爐鋼殘鋁量高，奧氏體晶粒度級別高，金相組織良好，故平爐生產(chǎn)的16Mn鋼筋反彎脆斷率低。為了減少轉(zhuǎn)爐16Mn鋼筋反彎脆斷，脫氧后應(yīng)保證鋼中殘鋁量為0.020.05，以細化鋼的晶粒。脫氧時，可加硅鈣12千克噸鋼，以減少鋁的用量并改善鋼水流動性。為保證鋼中殘鋁量，可向鋼包中加鋁0.40.6千克噸鋼，出鋼后再向鋼包中插鋁0.40.6千克噸鋼。16Mn鋼中殘鋁量還對抑制鋼的時效、減輕鋼的缺口敏感性有好處。脫氧對在時效、沖擊性能方面有要求的橋梁、鍋爐、造船等重要用途鋼種也很關(guān)鍵。由于對不同用途專用鋼的性能要求不一，脫氧制度應(yīng)有針對性，以保證鋼的質(zhì)量和適應(yīng)性能良好。表64 16Mn鋼殘鋁量與晶粒度和金相組織情況廠 別殘鋁量，%奧氏體晶粒度金相組織鞍鋼平爐0.0170.03678級等軸細晶(脆斷例外)上海轉(zhuǎn)爐0.0040.01045級晶粒粗大夾有針狀鐵素體,有過熱傾向唐鋼轉(zhuǎn)爐0.0050.01245級同上 （5）維護好出鋼口，加強出鋼操作，出鋼時盡量少下渣并防止渣鋼混出，必須防止回磷，出鋼后應(yīng)向鋼包中加石灰稠化爐渣。 近年來，隨著各種新技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的低合金鋼生產(chǎn)方式正在起變化。其主要表現(xiàn)是：對鐵水進行預(yù)處理，提高入爐鐵水質(zhì)量；采用頂?shù)讖?fù)合吹煉，提高轉(zhuǎn)爐冶煉低合金鋼的機能和適應(yīng)性；采用鋼水爐外處理措施，如真空處理、吹氣攪拌等，降低鋼中氣體和夾雜含量，提高鋼水純潔性。6.4 低碳鋼低碳鋼（C0.25）的品種很多，氧氣轉(zhuǎn)爐經(jīng)常冶煉的低碳鋼種除普碳鋼外，還有焊條鋼，硅鋼、工業(yè)純鐵、子彈鋼等低碳優(yōu)質(zhì)鋼。含碳量要控制0.09以下，而對磷硫要求含量嚴格，有的鋼種要求S0.01。因此必須在冶煉上采取相應(yīng)的措施。一般要注意以下幾個方面：(1) 鐵水的含硫量不能大于0.05%。(2) 可一次拉碳控制吹煉終點，但為了有效的去除磷硫和控制熔池溫度，在吹煉低碳優(yōu)質(zhì)鋼時，多采用高控補吹工藝。第一次拉碳，碳控制在0.160.20為好，取樣測溫后，加入適量調(diào)溫劑和渣料，進行補吹至終點。(3) 注意爐渣控制，早化渣、化好渣、全程化透渣。(4) 終點溫度應(yīng)根據(jù)冶煉鋼種，合金種類和用量，澆注方法及是否進行爐外處理等來確定，在第一次拉碳后，及時調(diào)正。(5) 為了加強熔池攪拌，可適當降低頂吹槍位或增加氧壓。復(fù)吹時可適當增加底部供氣壓力。(6) 脫氧一般在盛鋼桶內(nèi)進行，合金應(yīng)經(jīng)過烘烤。出鋼到13時開始加入合金，出鋼到34時加完，嚴禁先加合金后出鋼。(7) 為了均勻鋼液成份和溫度，排除氣體和非金屬夾雜物，純凈鋼液，增加鋼液的流動性，出鋼后最好采用吹A(chǔ)r處理。6.5 中、高碳鋼 習(xí)慣上把含碳量為0.250.60的鋼稱為中碳鋼，把含碳量大于0.6的鋼稱為高碳鋼。中、高碳鋼都是優(yōu)質(zhì)鋼和合金鋼。磷、硫含量都要求在0.04以下。由于終點含碳量高，磷、硫及溫度控制困難。因此在吹煉中、高碳鋼時，多采用高拉補吹法和增碳法。(1)高拉碳法。根據(jù)爐口火焰和噴出火花的外觀形狀，參考供氧時間及氧氣消耗量，對熔池含碳量作出判斷，按高出所煉鋼種的含碳量規(guī)格中限一定范圍用副槍取樣測溫或停吹取樣測溫，根據(jù)鋼中的含碳量和這一含碳量范圍的脫碳速度確定繼續(xù)吹煉時間或補吹時間。(2)增碳法。高拉碳法冶煉中、高碳鋼，終點控制雖比較理想，但很難爐爐命中，這樣就延長了冶煉時間，影響爐襯壽命，由于熔池含碳量高，對脫磷不利。因此很多廠用爐后增碳法代替高拉碳法冶煉中、高碳鋼。增碳法是不管什么鋼種，都將熔池含碳量吹到一個固定的、低的終點，然后在出鋼過程中根據(jù)所煉鋼種的規(guī)格中限成分，用增碳法增碳，使鋼中含碳量達到要求。增碳法的優(yōu)點是操作控制簡單，與吹煉低碳鋼無多大差別，易于實現(xiàn)過程的自動控制。但使用的增碳劑要有一定的粒度，其中有害雜質(zhì)（磷、硫、灰分等）要盡量低。7 含釩鐵水的吹煉7.1 簡述 7.1.1 釩的性質(zhì) 在常溫下釩的化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，在高溫下可與C、Si、Cl、O、S、N、Br等大部分非金屬元素生成化合物。釩具有很好的耐腐蝕性，耐淡水與海水的侵蝕，亦耐非氧化性酸和堿溶液的侵蝕。它可被氧化性酸所溶解，在空氣中釩也可被熔融的堿、堿金屬碳酸鹽所溶解生成釩酸鹽。釩在自然界中的分布極為分散，約占地殼質(zhì)量的0.02，并常與其他金屬礦物共生，所以在開采與加工這些礦石時，釩作為共生產(chǎn)品或副產(chǎn)品予以回收。釩礦資源分布情況如表71。表71 重要的釩礦資源礦物名稱分子式主要產(chǎn)地釩鈦磁鐵礦Fe(Fe,V)2O4或 FeOTiO2FeO（Fe,V）2O3南非、俄羅斯、中國、美國、芬蘭等釩鉀鈾礦K2O2U2O3V2O5H2O美國釩云母2K2O2Al2O3(Mg,Fe)O3V2O510SiO24H2O美國綠硫釩礦S2Vn(n=45)秘魯硫釩銅礦2Cu2SV2S6澳大利亞、美國磷酸鹽釩礦Ca5(PO4)3(Fe,Cl,OH)；VO43取代PO43-美國釩鉛礦Pb5(VO4)3Cl墨西哥、美國、納米比亞釩鉛鋅礦(Pb,Zn)(HO)VO4納米比亞、墨西哥、美國銅釩鉛鋅礦4(Cu,Pb,Zn)O5V2O5H2O納米比亞、墨西哥、美國從表71可知，我國的釩礦資源主要是釩鈦磁鐵礦，分布于華北、華東、西南等地區(qū)。世界主要鈦磁鐵礦的情況如表72所示。7.1.2 釩的用途釩的用途非常廣泛，是極具價值的戰(zhàn)略物資，大部分制成釩鐵合金，用于鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)含釩鋼種，如美國有85的釩用于鋼鐵工業(yè)。表73是世界范圍內(nèi)釩用于鋼中的比例。鋼中加入少量的釩，可與鋼中的碳或氮生成細小而質(zhì)硬的金屬碳化物或氮化物，起到細化晶粒和沉淀強化作用，提高鋼的強度、韌性、耐磨性、耐熱性、抗腐蝕性和延展性等。含釩結(jié)構(gòu)鋼可以制造飛機、輪船、鋼軌以及低溫條件下工作部件等。碳素工具鋼加入釩量為0.250.30，不僅能提高強度和韌性，還可以提高切削性能；鋼中加入釩還能改善焊接性、淬透性、回火穩(wěn)定性。鋼軌鋼中v0.10.2時，與氮或鉻配合可改善鋼的抗脆斷性。此外，大約有710的釩用于制作金屬合金，例如釩與鈦可以組成重要合金Ti6Al4V，在室溫下具有很高的抗疲勞性能，可作鑄造合金和鍛造合金，用于飛機的骨架結(jié)構(gòu)中的支架和緊固件。再如鈮鉭合金加入釩后，可以提高合金的抗氧化性，用于航天飛機、人造衛(wèi)星和導(dǎo)彈等。 釩的氧化物可以代替鉑作催化劑，應(yīng)用于玻璃工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、紡織工業(yè)、照相和電影材料工業(yè)。釩還可以作為快速中子反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料，也是電子工業(yè)中超導(dǎo)體、表72 世界主要釩鈦磁鐵礦成分和精礦成分國家礦山原礦成分/%精礦成分/%TFeTiO2V2O5TFeTiO2V2O5南非馬波奇555712151.41.9555712151.41.9新西蘭北島21.14.30.17578.00.42俄羅斯卡奇卡納爾16.61.240.14633.60.60古謝夫16.61.230.1361.52.50.59彼此沃烏拉爾16.32.30.1940.04.00.50澳大利亞科茨25.45.40.5464.74.92.0巴拉姆比46150.746261.25芬蘭奧坦梅基40130.4768.43.201.12木斯塔瓦拉173.10.3663.06.51.64中國攀枝花31.2510.630.2751.8812.650.53承德42.8411.040.3962.27.480.81表73 世界范圍內(nèi)釩用于各類鋼的比例鋼種高強度鋼碳鋼合金鋼工具鋼其他比例%333022132電子管中X射線濾波器的材料等，也是生物工程不可缺少的重要物資。7.2 提取釩的方法提釩就是使釩逐步富集的過程。提釩方法大致可分為兩類,即濕法提釩和火法提釩。7.2.1 濕法提釩從含釩磁鐵礦石中直接提取釩也稱水法提釩或濕法提釩。釩磁鐵礦中V2O5為12，是含釩較高的礦石，經(jīng)破碎精選的精礦粉，與芒硝混合制球后裝入窯中，在1200的高溫下焙燒，精礦粉中釩與芒硝作用，釩轉(zhuǎn)化為可溶性釩酸鈉；再將焙燒好的球團礦浸入水中，使釩酸鈉充分溶解；加入硫酸，釩酸鈉再轉(zhuǎn)化為不溶于水的V2O5，經(jīng)沉淀、過濾后，即作為制作釩鐵合金的工業(yè)原料。其生產(chǎn)流程如圖71所示。圖71 濕法提釩工藝流程示意圖除了從含釩鐵礦中提取釩以外，還可以從其他含釩資源中提取釩。如從鉀釩鈾礦中提取釩，這種礦石主要是生產(chǎn)金屬鈾，而副產(chǎn)品為V2O3；再有從含釩的磷酸鹽礦、含釩的粘土礦中均可以提取釩，像我國從石煤中提取釩等。我國的石煤資源極為豐富，20世紀50年代末發(fā)現(xiàn)了石煤中含有釩，據(jù)估計，石煤中釩的總儲量，超過世界各國釩的儲量。但是石煤中釩的品位懸殊較大，一般為0.131.00，如表74中所列。低于0.5的占60；石煤中在0.800.85才具有工業(yè)開采價值。從石煤中提取釩，傳統(tǒng)方法是通過加鹽焙燒水浸方法提取V2O5；也有采用加石灰焙燒一酸浸的方法提取V2O5。表74我國石煤含釩的平均品位 /%1.0占石煤總量的比例/%3.123.736.82.82.8圖72火法提釩工藝流程示意圖7.2.2火法提釩(氧化法提釩) 釩渣提取釩也稱火法提釩。將含釩磁鐵礦通過火法冶金得到含釩鐵水，再經(jīng)氧化得到含釩爐渣，富集后成為制造釩鐵合金的原料。提取釩渣后的鐵水稱為半鋼，還可進一步冶煉成鋼。 火法提釩是用含釩的磁鐵燒結(jié)礦，經(jīng)過高爐冶煉出含釩鐵水，再進行提釩處理。中國、俄羅斯等國家采用這種方法提取釩。此外，還可以通過電爐，將含釩鐵礦預(yù)還原成金屬球團礦后，再經(jīng)電爐冶煉出含釩鐵水，提取釩渣。南非和新西蘭等國家采用這種方式提取釩?；鸱ㄌ徕C的工藝流程如圖72所示。 火法提釩的優(yōu)點是，釩渣作為提取V2O5原料，釩含量高；處理量少；可回收鐵；焙燒溫度低，只有800左右，動力和輔助材料消耗量也少；釩的回收率較低，從精礦粉到V2O5回收 率在6070。7.3 氧化提釩的工藝 當前在世界上火法提釩系主要手段，提釩工藝有三大體系，五種方法，即搖包吹氧提釩，霧化提釩，轉(zhuǎn)爐提釩(包括空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐、頂吹轉(zhuǎn)爐)7.3.1 氧化提釩原理釩能與氧形成一系列化合物：V2O2、V2O3、V2O4和V2O5。在煉鋼的溫度范圍內(nèi)，最穩(wěn)定的釩的氧化物是V2O3和V2O5。釩與氧的親合力介于硅和錳與氧的親合力之間，是比較容易被氧化的元素。釩的氧化反應(yīng)一般寫成：2V+3(FeO)=( V2O3)+3Fe2V+5(FeO)=( V2O5)+5Fe在固態(tài)的釩渣中，釩主要以釩尖晶石FeOV2O3形式存在。釩的氧化反應(yīng)也可寫成：2V+4(FeO)=(FeO V2O3)+3Fe2V+4O+Fe=FeV2O4釩的氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)。影響鐵水中的釩氧化的因素首先是熔池溫度。釩氧化反應(yīng)的平衡常數(shù)隨著溫度升高而減小。比較硅、錳、釩、碳氧化反應(yīng)的自由能變化G0與溫度的關(guān)系，得出在熔池溫度約為1300時，F(xiàn)Si0FV0FMn0FC0，這些元素按SiMnC的順序氧化。熔池溫度1400時，F(xiàn)C0FV0，碳開始優(yōu)先氧化，碳的激烈氧化使釩的繼續(xù)氧化受到抑制。所以，吹煉含釩鐵水時，熔池溫度過高，碳的激烈氧化開始過早，釩的氧化率就低，結(jié)果使半鋼的余釩含量提高，含碳量降低，釩渣的品位（V2O5的含量）也降低。轉(zhuǎn)爐提釩試驗和生產(chǎn)的結(jié)果表明，半鋼中余釩含量與提釩終點溫度之間的關(guān)系如圖73所示。 圖73 半鋼中余釩含量V余與 圖74 提釩過程中脫碳量C與提釩終點溫度t終的關(guān)系 提釩終點溫度t終的關(guān)系由圖73可見，提釩終點溫度由1320提高到1400時，半鋼中余釩含量相應(yīng)由0.029增加到0.043；溫度繼續(xù)提高到1440，余釩含量將劇增到0.091同時，提釩過程中鐵水的脫碳量與溫度的關(guān)系如圖74所示。隨著提釩終點溫度升高，提釩過程中脫碳量直線增加。因此，為了實現(xiàn)提釩保碳，使半鋼中余釩含量0.05，并獲得較高的半鋼含碳量和溫度，提釩過程應(yīng)在約1400時結(jié)束。圖75 釩渣中V2O5含量與氧化鐵含量（TFe）的關(guān)系 提釩是氧化過程，為了使鐵水中的釩盡量氧化進入爐渣，提釩過程中爐渣必須有足夠的氧化鐵含量，這是提高釩的氧化率的必要條件。但是，爐渣中氧化鐵含量高又會沖淡渣中V2O5的濃度，降低釩渣的品位。頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐吹煉高釩鐵水（1.37V）和霧化爐吹煉一般含釩鐵水（0.4V）的試驗結(jié)果表明，釩渣中V2O5含量與氧化鐵含量（TFe）的關(guān)系如圖75所示。釩渣中V2O5的含量隨渣中氧化鐵含量升高而急劇下降。試驗數(shù)據(jù)的計算結(jié)果表明，釩渣中V2O5的含量與氧化鐵含量之和接近于一個常數(shù)。(V2O5)+(TFe)60% （71）為了提高釩渣的品位，應(yīng)該控制釩渣中氧化鐵含量，不使其過高。為了提高釩的回收率，改善技術(shù)經(jīng)濟指標，還要求盡量降低釩渣中有害成分CaO、SiO2和P2O5的含量，以及金屬鐵的含量。具體要求如釩渣標準（表75）所示。表75釩渣標準(YB32065)品 級化 學(xué) 成 分, %V2O5SiO2CaOP115.0270.80.080.8214.0281.00.100.8312.0291.00.100.8410.0311.00.100.8圖76 霧化法提釩工藝流程示意圖1-鐵水包；2-中間包；3-霧化器4-煙道；5-霧化室；6-副煙道；7- 出鋼槽；8-半鋼包；9-煙罩 用釩渣制取工業(yè)V2O5。要經(jīng)過破碎，加芒硝(Na2SO4)制球，經(jīng)回轉(zhuǎn)窯焙燒，使含釩的礦物轉(zhuǎn)化為水溶性釩酸鈉，再用水及硫酸浸出，經(jīng)沉淀，過濾等得到工業(yè)V2O5。渣中CaO在釩渣焙燒時形成不溶于水的釩酸鈣，使釩的浸出和回收率大大降低。因此，要盡量減少釩渣中CaO的含量。渣中SiO2在焙燒時形成玻璃質(zhì)的硅酸鈉，容易使回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料結(jié)團并包在釩酸鈉外面，影響釩的焙燒和浸出。為了使釩渣中SiO2的含量達到標準，鐵水的含硅量應(yīng)限制在0.3左右。渣中P2O5在冶煉釩鐵時，將被還原進入釩鐵，直接影響釩鐵質(zhì)量。為了使釩渣的含磷量達到標準，鐵水的含磷量應(yīng)0.10。釩渣中的金屬鐵不但使半鋼的收得率降低，還使釩渣不易破碎。磁選時金屬鐵帶走釩渣末，又使釩的回收率降低。未被選分的細小而被釩渣包裹的金屬鐵則在焙燒時造成過燒，降低釩的回收率。釩渣中金屬鐵的含量主要隨渣中V2O5的含量增加、釩渣熔點和粘度升高而顯著增多。為了減少釩渣中金屬鐵的含量和使釩渣易于與半鋼分離，應(yīng)控制鐵水含硅量與含釩量之比在0.751之間，使釩渣呈糊稠狀。渣中V2O5的含量高而SiO2的含量太低時，釩渣呈干散狀。