Z向鋼 及 煉鋼基礎(chǔ)

1、 機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究所School of Mechanical Engineering, Tongji University 機(jī)械與能源工程學(xué)院 孫遠(yuǎn)韜 現(xiàn)代工程機(jī)械設(shè)計(jì)第1章 緒論現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 第1章-緒論煉鋼簡(jiǎn)介煉鋼簡(jiǎn)介 鋼鐵的冶煉是生產(chǎn)鋼材料的過(guò)程。現(xiàn)代工業(yè)離不開(kāi)鋼鐵。煉鋼是指控制碳含量（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等有益元素并調(diào)整元素之間的比例，獲得鋼的最佳性能的過(guò)程。煉鋼原料為各種天然鐵礦石，主要的產(chǎn)品有鋼錠、連鑄坯和直接鑄成各種鋼鑄件等。通常所講的鋼，一般是指軋制成各種鋼材的鋼?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 第1章-緒論 煉鋼生產(chǎn)流程煉鋼生產(chǎn)流程現(xiàn)

2、代設(shè)計(jì)方法 第1章-緒論 煉鋼生產(chǎn)流程煉鋼生產(chǎn)流程從煉鋼工藝流程上來(lái)說(shuō)，煉鋼通?？梢苑譃橐韵聨讉€(gè)過(guò)程： 高爐煉鐵；鐵水預(yù)處理；轉(zhuǎn)爐煉鋼；精煉；連鑄；u高爐煉鐵 煉鐵的原理即用還原劑將鐵礦石中的鐵氧化物還原成金屬鐵。煉鐵的方法有直接還原法和高爐煉鐵法，其中高爐煉鐵為主要方法。 高爐煉鐵的原料有提供鐵元素的鐵礦石、提供熱量的焦炭、去除有害元素的熔劑、提供氧的空氣?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 第1章-緒論 u鐵水預(yù)處理 鐵水預(yù)處理是指將鐵水兌入轉(zhuǎn)爐之前進(jìn)行的各種提純處理分為普通鐵水預(yù)處理和特殊鐵水預(yù)處理。普通鐵水預(yù)處理包括：鐵水脫硫、脫硅、脫磷的三脫預(yù)處理。特殊鐵水預(yù)處理是針對(duì)鐵水中含有特殊元素進(jìn)行提純精煉或資源

3、綜合利用如鐵水提釩、提鈮、脫鉻等預(yù)處理工藝。u轉(zhuǎn)爐煉鋼 轉(zhuǎn)爐煉鋼是以鐵水、廢 鋼、鐵合金為主要原料，不借助外加能源，靠轉(zhuǎn)爐內(nèi)液態(tài)生鐵的物理熱和生鐵內(nèi)各組分（如碳、錳、硅、磷等）與送入爐內(nèi)的氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，使金屬達(dá)到出鋼要求的成分和溫度。其爐體可以轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 第1章-緒論 u轉(zhuǎn)爐煉鋼現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 第1章-緒論u精煉 將煉鋼爐（轉(zhuǎn)爐、電爐等）中初煉過(guò)的鋼液移到另一個(gè)容器中進(jìn)行冶煉的煉鋼過(guò)程叫做精煉，也叫二次冶金。精煉的任務(wù)是將初煉的鋼液在真空、惰性氣體或還原性氣氛的容器中進(jìn)行脫氣、脫氧、脫硫，去除夾雜物和進(jìn)行成分微調(diào)等。精煉過(guò)程可提高鋼的質(zhì)量，縮短冶煉時(shí)間，簡(jiǎn)化工藝過(guò)程并降低生

4、產(chǎn)成本。CAS-OB是最簡(jiǎn)單的非真空精煉設(shè)備，多適用于普碳鋼、低合金鋼等以化學(xué)成分交貨的鋼種；LF有很強(qiáng)的清洗精煉和加熱功能,適宜冶煉低氧鋼、低硫鋼和高合金鋼；VD脫碳能力弱(受鋼包凈高度的限制),具備一定的鋼渣精煉功能,適宜生產(chǎn)重軌、軸承、齒輪等氣體含量和夾雜物要求嚴(yán)格的優(yōu)質(zhì)鋼種；RH脫碳能力強(qiáng),適宜大量生產(chǎn)超低碳鋼、IF鋼(低N無(wú)間隙鋼)；VOD、AOD等專門(mén)用于生產(chǎn)不銹鋼；此外,經(jīng)常采用不同功能的精煉爐組合使用,如CAS-RH LF-RH LF-VD AOD-VOD?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 第1章-緒論u連鑄工業(yè)模鑄與連鑄 模鑄指將高溫鋼液澆注到一個(gè)或多個(gè)鋼錠模內(nèi)使之凝固成形的方法，是鋼液凝固成形

5、的基本方法，其典型特征是生產(chǎn)過(guò)程的間續(xù)化。 連續(xù)鑄鋼指的是將高溫鋼液連續(xù)地澆鑄到一個(gè)或多個(gè)強(qiáng)制水冷的金屬型腔內(nèi)。凝固成形后，再經(jīng)二次冷卻，使之凝固，且成一定形狀（規(guī)格）鑄坯的工藝方法，其典型特征是生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)化。 注：模鑄工藝由于生產(chǎn)效率較低，現(xiàn)在一般只用于澆鑄一些高碳高合金鋼以及一些特殊規(guī)格要求的坯錠現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 第1章-緒論煉鋼工藝過(guò)程對(duì)鋼性能的影響 鋼材的質(zhì)量及性能是根據(jù)需要而確定的，不同的需要，要有不同的元素含量。鋼中常見(jiàn)的元素種類有很多種，其中左右鋼材性能的主要有碳、鉻、錳、鉬、鎳、硅、鎢、釩等。除此之外鋼中還有硫、磷等“有害元素”。下面簡(jiǎn)要介紹鋼中的主要元素及其作用。 碳；含碳量

6、越高，剛的硬度就越高，但是它的可塑性和韌性就越差 硫；是鋼中的有害雜物，含硫較高的鋼在高溫進(jìn)行壓力加工時(shí)，容易脆裂，通常叫作熱脆性 磷；能使鋼的可塑性及韌性明顯下降，特別的在低溫下更為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象叫作冷脆性在優(yōu)質(zhì)鋼中，硫和磷要嚴(yán)格控制但從另方面看，在低碳鋼中含有較高的硫和磷，能使其切削易斷，對(duì)改善鋼的可切削性是有利的 錳；能提高鋼的強(qiáng)度，能消弱和消除硫的不良影響，并能提高鋼的淬透性，含錳量很高的高合金鋼（高錳鋼）具有良好的耐磨性和其它的物理性能鋼中常見(jiàn)元素現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 第1章-緒論 硅；它可以提高鋼的硬度，但是可塑性和韌性下降，電工用的鋼中含有一定量的硅，能改善軟磁性能 鎢；能提高鋼的紅硬性

7、和熱強(qiáng)性，并能提高鋼的耐磨性 鉻；能提高鋼的淬透性和耐磨性，能改善鋼的抗腐蝕能力和抗氧化作用 釩；能細(xì)化鋼的晶粒組織，提高鋼的強(qiáng)度，韌性和耐磨性當(dāng)它在高溫熔入奧氏體時(shí)，可增加鋼的淬透性；反之，當(dāng)它在碳化物形態(tài)存在時(shí)，就會(huì)降低它的淬透性 鉬；可明顯的提高鋼的淬透性和熱強(qiáng)性，防止回火脆性，提高剩磁和嬌頑力 鈦；能細(xì)化鋼的晶粒組織，從而提高鋼的強(qiáng)度和韌性在不銹鋼中，鈦能消除或減輕鋼的晶間腐蝕現(xiàn)象 鎳；能提高鋼的強(qiáng)度和韌性，提高淬透性含量高時(shí)，可顯著改變鋼和合金的一些物理性能，提高鋼的抗腐蝕能力 硼；當(dāng)鋼中含有微量的（0.0010.005）硼時(shí)，鋼的淬透性可以成倍的提高 鋁；能細(xì)化鋼的晶粒組織，阻抑低

8、碳鋼的時(shí)效提高鋼在低溫下的韌性，還能提高鋼的抗氧化性，提高鋼的耐磨性和疲勞強(qiáng)度等 銅；它的突出作用是改善普通低合金鋼的抗大氣腐蝕性能，特別是和磷配合使用時(shí)更為明顯鋼中常見(jiàn)元素現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 第1章-緒論煉鋼工藝過(guò)程對(duì)鋼性能的影響 煉鋼過(guò)程中的鐵水預(yù)處理、高爐煉鋼以及轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要目的在于去除有害元素磷及硫等，無(wú)法做到生產(chǎn)特殊性能的鋼。故通過(guò)精煉過(guò)程，精確鋼材料中各元素成分配比，達(dá)到生產(chǎn)特殊用途鋼的目的。煉鋼工藝對(duì)剛性能的影響主要在于此。通過(guò)精煉之后成分不同的軸承鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼項(xiàng)目項(xiàng)目CMnSiCrSPNiCuGCr15SiMn0.95/1.050.90/1.200.45-0.651.30/1.6

9、50.020.0270.300.25（以GCr15SiMn為例）軸承鋼軸承鋼現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 第1章-緒論煉鋼工藝過(guò)程對(duì)鋼性能的影響項(xiàng)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為例）合金鋼合金鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介1、什么是z向鋼Z向鋼并不是形狀呈“z形”的鋼材，而是指在厚度方向（即z方向）的抗拉伸性能較好的厚鋼材，它的厚度一般不小于40mm。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介2、z向鋼的

10、用途用于造船、海上采油平臺(tái)、鍋爐、壓力容器和高層建筑等某些重要焊接構(gòu)件的鋼板，不僅要求鋼板的常規(guī)力學(xué)性能，而且對(duì)厚度方向抗層狀撕裂性能提出了更高的要求。這些重要鋼材一般首選z向鋼。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介z向鋼板與普通厚鋼板的主要區(qū)別：抗層狀撕裂性能好z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介3、層狀撕裂 大型厚壁結(jié)構(gòu)，在焊接過(guò)程中會(huì)沿鋼板的厚度方面出現(xiàn)較大的拉伸應(yīng)力，如果鋼中有較多的夾雜，那么沿鋼板軋制方向出現(xiàn)一種臺(tái)階狀的裂紋，一般稱為層狀撕裂。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介4、層狀撕裂的特征及其危害性 層狀

11、撕裂是一種內(nèi)部沿軋向的應(yīng)力開(kāi)裂，它的特征是呈階梯狀，這是其他裂紋所沒(méi)有的。 層狀撕裂常出現(xiàn)在T形接頭、角接頭和十字接頭中。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 根據(jù)層狀撕裂產(chǎn)生的位置大體可分三類： （1）在焊接熱影響區(qū)焊趾或焊根處由冷裂紋而誘發(fā) 現(xiàn)成的層狀撕裂； （2）在焊接熱影響區(qū)沿夾雜開(kāi)裂，是工程上最常見(jiàn)的層狀撕裂； （3）遠(yuǎn)離熱影響區(qū)母材中沿夾雜開(kāi)裂，這種情況多出現(xiàn)在有較多MS的片狀?yuàn)A雜的厚板結(jié)構(gòu)中。 層狀撕裂主要發(fā)生在低合金高強(qiáng)鋼的厚板焊接結(jié)構(gòu)中，多用于海洋采油平臺(tái)、核反應(yīng)堆壓力容器及潛艇外殼等重要結(jié)構(gòu)。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)

12、介5、層狀撕裂的形成機(jī)理 厚板結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，特別是T形和角接接頭，在強(qiáng)制拘束的條件下，焊縫收縮時(shí)會(huì)在母材厚度方向產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變超過(guò)母材金屬的塑性變形能力時(shí)（沿板厚方向），夾雜物與金屬基體之間就會(huì)發(fā)生分離而產(chǎn)生微裂，在應(yīng)力的繼續(xù)作用下，裂紋尖端沿著夾雜所在平面進(jìn)行擴(kuò)展，就形成的所謂“平臺(tái)”。 z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介6、影響層狀撕裂的因素 1非金屬夾雜物的種類、數(shù)量和分布形態(tài)它是產(chǎn)生層狀撕裂的基本原因，是造成鋼的各向異性、力學(xué)性能差異的內(nèi)在因素。鋼中夾雜物一般常見(jiàn)的有硫化物、各種硅酸鹽和鋁酸鹽等。 2Z向拘束應(yīng)力 厚壁結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中承受不同程

13、度的Z向拘束應(yīng)力，同時(shí)還不焊后的殘余應(yīng)力及負(fù)載，它們是造成層狀撕裂的力學(xué)條件。 3氫的影響 在焊接熱影響區(qū)附近，由冷裂誘發(fā)成為層狀撕裂中氫是一個(gè)重要的影響因素。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介7、層狀撕裂常見(jiàn)的型貌特征宏觀形態(tài)宏觀形態(tài)(A) (D)比較典型, 也常見(jiàn),(E)是產(chǎn)生在自動(dòng)焊對(duì)接接頭的一種撕裂, 又稱為熱撕裂或液化開(kāi)裂。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介顯微斷口顯微斷口右上圖是一種由平臺(tái)直壁平臺(tái)組成的階梯狀斷裂面裂縫平臺(tái)區(qū)平坦, 邊界清晰, 幾乎看不到塑性變形, 是片狀?yuàn)A雜物與基體在拉伸應(yīng)力作用下形成的一種解理面, 平臺(tái)之間被山

14、脊?fàn)钏毫牙馑g隔。因此認(rèn)為, 層狀撕裂是低延性準(zhǔn)解理斷裂, 見(jiàn)右下圖。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介8、層狀撕裂產(chǎn)生的原因l層狀撕裂的產(chǎn)生與鋼種強(qiáng)度級(jí)別無(wú)關(guān)，主要與鋼種夾雜物量和分布形態(tài)有關(guān)。l在軋制鋼板中存在硫化物、氧化物和硅酸鹽等低熔點(diǎn)非金屬夾雜物，其中尤以硫化物的作用為主，在軋制過(guò)程中被延展成片狀，分布在與表面平行的各層中，在垂直于厚度方向的焊接應(yīng)力作用下，夾雜物首先開(kāi)裂并擴(kuò)展，以后這種開(kāi)裂在各層之間相繼發(fā)生，連成一體，造成層次撕裂的階梯性。 z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介啟裂源分類啟裂源分類成因成因第1類 以焊根裂紋。焊趾裂紋

15、為啟裂源，沿HAZ發(fā)展 焊趾裂紋為啟裂源，沿HAZ發(fā)展由冷裂而引起的（PCM、HD、RF偏高）伸長(zhǎng)的MnS夾雜物 角變形引起有彎曲拘束應(yīng)力或缺口引起的應(yīng)變集中第2類 以軋層夾雜物為啟裂源。沿HAZ發(fā)展 伸長(zhǎng)的MnS夾雜物及硅酸鹽夾雜物拘束度大，存在Z向拉伸拘束應(yīng)力氫脆 第3類 完全由收縮應(yīng)變而致，以軋層夾雜物為啟裂源，沿遠(yuǎn)離HAZ的母材板厚中央發(fā)展 軋層中的長(zhǎng)條MnS夾雜物及硅酸鹽夾雜物 拘束度大，彎曲拘束產(chǎn)生的殘余應(yīng)力應(yīng)變時(shí)效 HAZ：熱影響區(qū)域z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介9、預(yù)防層狀撕裂的措施 （一）選用具有抗層狀撕裂的鋼材，降低鋼中夾雜物的含量和控制夾雜物的形態(tài)，來(lái)提高鋼板厚向的塑性是有效的。 （二）設(shè)計(jì)和工藝上的措施 在設(shè)計(jì)和施工工藝上主要是避免Z向應(yīng)力和應(yīng)力集中，具體措施如下： （1）應(yīng)盡量避免單側(cè)焊縫，改用雙側(cè)焊縫，這樣可以緩和焊縫根部的應(yīng)力狀態(tài)，并防止應(yīng)力集中。z z向鋼向鋼機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)第1章-緒論-1-機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 （2）在強(qiáng)度允許的情況下，盡量采用焊接量少的對(duì)稱角焊縫來(lái)代替焊接量大