钢铁冶金学资料文档格式.docx

1、氧气转炉时代 产量高，质量好，无需外热源，投资低，建设快 钢铁生产的典型工艺（长流程）块状区：主要特征：焦与炭呈交替分布状，皆为固体状态。主要反应:矿石间接还原，碳酸盐分解。软熔区：矿石呈软熔状，对煤气阻力大。主要反应：矿石的直接还原、渗碳和焦炭的气化反应。滴落区：焦炭下降，其间夹杂渣铁液滴。非铁元素还原、脱硫、渗碳、焦炭的气化反应。焦炭回旋区：焦炭作回旋运动。鼓风中的氧和蒸汽与焦炭及喷入的辅助燃料发生燃烧反应。炉缸区：渣铁相对静止，并暂存于此。最终的渣铁反应。钢铁生产的两个典型流程：高炉炼铁：烧结/球团 高炉转炉连铸机轧机（长流程）非高炉炼铁：直接还原或熔融还原电炉连铸机轧机 （短流程）钢铁

2、工业的特点：1、生产规模大，物流吞吐大，每吨钢涉及的物流将是5-6吨。2、资源密集、能耗密集。在钢铁联合企业内，每吨钢降消耗0.7-0.8吨左右的标准煤、1.5-1.65吨左右铁矿石、3-8吨左右水；3、制造流程工序多、结构复杂4、制造流程中伴随大量物质/能量排放，形成复杂的环境界面钢铁成品及副产品 产品：生铁、钢、铁合金 副产品：炉渣、煤气钢与生铁的区别炉渣：是炉料在冶炼过程中不能进到生铁和钢中的氧化物、硫化物等形成的熔融体中国钢铁工业发展目标：在“加强自主创新，建设创新型国家”目标下，通过结构调整和产业升级，努力使我国从钢铁大国转变为钢铁强国。在高炉中采用还原剂将铁矿石经济而高效的还原得到

3、温度和成分符合要求的液态生铁的过程矿物：地壳中具有均一内部结构、化学组成及物理、化学性质的天然化合物或自然元素称为矿物。其中能够为人类利用的称为有用矿物矿石：在现代的技术经济条件下，能以工业规模从中提取金属、金属化合物或其它产品的矿物称为矿石矿石的品位：矿石中有用成分的质量百分含量，称为该矿石的品位脉石：矿石中没有用的成分称为脉石，一般在冶炼过程中需要去除富矿：含铁品位50%的铁矿石 赤铁矿（Fe2O3）：理论含铁量70% 磁铁矿（Fe3O4） ：理论含铁量72.4% 菱铁矿（FeCO3） ：理论含铁量48 . 3% 褐铁矿（nFe2O3.mH2O）：理论含铁量55 . 266.1% 贫矿：实

4、际含铁量低于理论含铁量70%的铁矿石称贫矿（必须经过选矿后使用被焊工件的材质通过加热或加压或二者并用，用或不用添充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。热源种类：1、电弧热（利用气体介质放电过程所产生的热能作为焊接热源。）；2、化学热（利用可燃和助燃气体或铝、镁热剂进行化学反应时所产生的热能作为热源。3、电阻热（利用电流通过导体时产生的电阻热作为热源。4、高频感应热（对于有磁性的金属 材料可利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实现高速焊接。5、摩擦热（由机械摩擦而产生的热能作为热源。6、等离子焰（电弧放电或高频放电产生高度电离的离子流，它本身携

5、带大量的热能和动能，利用这种能量进行焊接。7、电子束（利用高压高速运动的电子在真空中猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为热源。8、激光束（通过受激辐射而使放射增强的光即激光，经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为热源。）。焊接时焊件上各点的温度每一瞬时都在变化。焊件上（包括内部）某瞬时的温度分布称为温度场。焊接化学冶金过程：熔化焊时，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程。熔熵过渡形式： 短路过渡、颗粒过渡、附壁过渡、射流过渡、旋转射流过渡。碱性焊条：短路过渡和大颗粒过渡；酸性焊条：细颗粒过渡和附壁过渡。熔池为半椭球，几何尺寸为 L=P2IU 其中，P2是比例系数，取决于焊接方法和

6、规范。I是焊接电流，U是焊接电压，上式适用于点状热源。B，H分别是熔池宽度和熔池深度。I，H，B；U，H，B。熔池平均表面积Fg,一般为14Cm2,熔池的比表面积S= Fg/Gp熔池质量（手工焊时熔池的重量通常在0.616g之间，多数少于5g。埋弧焊焊接低碳钢时，即使焊接电流很大，熔池的质量也不超过100g）和存在时间：tmax=L/v、tcp=Gp/vAw AW焊缝的横截面积。温度：熔池中部温度最高，头部次之，其次是尾部。熔渣在焊接过程中的作用：1、机械保护作用；2、改善焊接工艺性能的作用；3、冶金处理的作用。分类：1、盐型熔渣；2、盐氧化物型熔渣；3、氧化物型熔渣。碱度，1分子理论认为分为

7、三类：（1）酸性氧化物（2）碱性氧化物（3）中性氧化物；2离子理论把液态熔渣中自由养离子的浓度定义为碱度。粘度，对熔渣的保护效果、焊接工艺性能和化学冶金都有显著的影响，取决于熔渣的成分和温度（升高温度粘度下降），实质上决于熔渣的结构。表面张力：实际上是气相与熔渣之间的界面张力。熔点：常把固态熔渣开始熔化的温度称为熔渣的熔点，焊条药皮的熔点是指药皮开始熔化的温度，又称造渣温度。活性熔渣对焊缝金属的氧化可分为两种基本形式：扩散氧化和置换氧化。焊缝金属脱氧的目的：在于尽量减少焊缝中的含氧量，一方面要防止被焊金属的氧化，减少在液态金属中溶解的氧，另一方面要排除脱氧后的产物，因为他们是焊接中非金属夹杂物

8、的主要来源，而这些夹杂物会使焊缝含氧量增加。原则：1、脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力应比被焊金属对氧的大；2、脱氧的产物应不溶于液态金属，其密度也应小于液态金属的密度；3、必须考虑脱氧剂对焊接成分、性能以及焊接工艺性能的影响。先期脱氧：在药皮加热阶段，固定药皮中进行的脱氧反应加先期脱氧，其特点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发成直接关系。沉淀脱氧：在熔滴和熔池内进行的。扩散脱氧：扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的。所谓合金过渡就是把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中去的过程。目的：首先是补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成的合金元素的损失，其次是消除焊接缺陷，改善焊缝金属的组织和性

9、能，第三是获得具有特殊性能的堆焊金属。方式：1、应用合金焊丝或带极；2、应用药芯焊丝或药芯焊条；3、应用合金药皮或粘结剂；4、应用合金粉末。合金过渡系数：为了说明在焊接过程中合金元素利用率的高度。影响因素：1、合金元素的物化性质；2、合金元素的含量；3、合金剂的粒度；4、药皮（或焊剂）的成分；5、药皮重量系数。焊芯焊丝作用：导电、填充金属。药皮作用：1、机械保护作用2、冶金处理作用3、工艺性能良好。组成：稳弧剂、造渣剂、造气剂、脱氧剂、合金剂、粘结剂、增塑性焊条工艺性能：焊接电弧的弧定性（稳弧性）、焊缝成形、在各种位置焊接的适应性、飞溅、脱渣、焊条的熔化速度、药皮发红程度及焊条发尘量等。稳弧性

10、：电弧保持稳定燃烧的程序。影响因素有焊条药皮成份、电源的特性、焊接规范等.药皮成份的影响是若药皮中含低电离势元素,U稳弧性，在焊条药皮中凡是能降低电弧电压的物质，均有稳弧作用,而电弧电压的高低又与物质的电离势有关,电离势低的元素,化合物就能起到稳弧作用。药芯焊丝：是由薄钢带卷成圆形钢管或异形钢管的同时，填满一定成分的药粉后经拉制而成的一种焊丝。熔池的结晶特点：熔池体积小，冷却速度大；熔池中的液态金属处于过热状态；熔池是在运动状态下结晶的。其生成可分为：非自发晶核、自发晶核。结晶长大：原子由液相不断地向固相转移，晶核的成长是通过二维成核方式长大，但并不是齐步前进，长大趋势不同，有的一直向焊缝中部

11、发展；有的只长大很短距离就被抑制停止长大。焊缝中的化学不均匀性：在熔池进行结晶的过程中，由于冷却速度很快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，合金元素的分布是不均匀的，出现所谓的偏析现象。1、显微偏析：枝晶偏析，指晶粒边界或一个晶粒内部亚晶界或树枝状晶的晶枝之间的偏析。产生原因：选择性结晶，焊接时，冷却速度大，液固界面溶质来不及扩散，结晶有先后之分，纯金属先结晶，杂质后结晶。胞状晶，晶粒内部浓度低，晶界处溶质浓度高。树枝晶，主干处溶质浓度低，树枝区域浓度较高，晶界处浓度最高。2、宏观偏析（区域偏析）：指焊缝边缘到焊缝中心，宏观上的成分不均匀性，焊缝金属以柱状晶长大，把杂质推向熔池中心，中心杂

12、质浓度逐渐升高，使最后凝固的部位发生较严重的偏析，当焊速较大时，成长中的柱状晶最后都会在焊缝中心相遇，使溶质和杂质聚集在那里，容易产生焊缝纵向裂纹。3、层状偏析：由于化学成分分布不均匀引起分层现象。焊缝横断面经浸蚀之后，可以看到颜色深浅不同的分层结构形态称为结晶层。特征：晶粒主轴与层状线垂直；越先靠近熔合线处越清析，远离熔合线不清晰，线距越宽；层状线不是连续的，是间断的链状偏析带。焊缝金属的凝固并不是连续均匀的过程，而是一个断续的过程，一种观点：层状偏析是由于晶体成长速度R发生周期变化引起R，结晶前沿的溶质浓度增大，晶粒含有一层溶质较多的带状偏析层。R结晶前沿的溶质浓度减少。焊缝夹杂：1、氧化

13、物SiO2、MnO2、TiO2、Al2O3-热裂，层状撕裂；2、氮化物Fe4N 脆硬相，硬度韧性；3、硫化物 FeS MnS。防止，最重要的是正确的选择焊条、焊剂，使之更好的脱氧、脱硫等，其次是注意工艺操作：1、选用合适的焊接工艺参数，以利于熔渣的浮出；2、多层焊时，应注意清除前层焊缝的熔渣；3、焊条要适当的摆动，以便熔渣的浮出；4、操作时要注意保护溶池，防止空气侵入。在焊接工作中用于改善焊缝金属性能的途径有很多，但归纳起来，主要是焊缝的固溶强化、变质处理和调整焊接工艺。焊接热循环的主要参数：1、加热速度（WH）；2、加热的最高温度（Tm）；3、在相变温度以上的停留时间（tH）；4、冷却速度（

14、WC）和冷却时间（t8/5、t8/3、t100）焊接条件下的组织转变的特点：1、加热温度高，2、加热速度快，3、高温停留时间短，4、自然条件下连续冷却，5、局部加热。焊接热裂纹（结晶裂纹）产生机理，产生部位：结晶裂纹大部分都沿焊缝树枝状结晶的交界处发生和发展的，常见沿焊缝中心长度方向开裂即纵向裂纹，有时焊缝内部颁在两树枝状晶体之间。对于低碳钢、奥氏体不锈钢、 铝合金、结晶裂纹主要发生在焊缝上。某些高强钢，含杂质较多的钢种，除发生在焊缝之处，还出现在近缝区上。分析熔池各阶段产生结晶裂纹的倾向：焊缝金属结晶过程中，晶界是个薄弱地带，由金属结晶理论可知，先结晶的金属比较纯，后结晶的金属杂质多，并集富

15、在晶界，并且熔点较低，这些低熔点共晶物被排挤在晶界，形成一种所谓液态薄膜，在焊接拉应力作用下，就可能在这薄弱地带开裂，产生结晶裂纹。产生结晶裂纹原因：液态薄膜拉伸应力焊接结晶裂纹的影响因素：1）、冶金因素 结晶温度区间：合金状态图脆性温度区的大小随着该合金的整个结晶温度区间的增加而增加；合金元素 a）、S、P增加结晶裂纹倾向i）、S、P增加结晶温度区间，脆性温度区间TB裂纹b）、C i）、C0.16% 加剧P有害作用 裂iii）、C0.51% 初生相 c）、Mn Mn具有脱S作用 其中Mn熔点高，早期结晶星球状分布，抗裂 含碳量C0.016% P对形成结晶裂纹的作用超过了S，Mn无意义 d）、

16、Si 硅是 相形成元素，利于消除结晶裂纹， 相中S、P溶解度大缘故，Si0.4% 易形成低熔点的硅酸盐夹杂使裂，但也有例外，例如焊接高强铝合金时，加入5%的铝硅合金焊丝，利用易熔共晶的“愈合作用”消除裂纹。 e）、钛Ti 锆和稀土元素 对硫的亲合力大，形成高熔点的硫化物，消除结晶裂纹有良好的作用。 f）、O O降低S的有害作用，氧、硫、铁能形成Fe-FeS-FeO三元共晶，使FeS由薄膜变成球状，裂 2）、力的因素 在焊接时脆性温度区内金属的强度要小于在脆性温度区内金属所承受的拉伸应力。防止结晶裂纹的措施: 1）、冶金方面 控制焊缝中有害杂质的含量，限制S、P、C含量改善焊缝的一次结晶。 2）

17、、工艺方面（减少拉应力） （）应变 E、T0、（）接头预热型式 适当增加线能量（q/v）接头型式合理 （）妥善安排焊接次冷裂纹的一般特征：1、产生温度Ms点附近或200300以下温度区间；2、产生的钢种和部位，发生在高碳钢、中碳钢、低合金、中合金高强钢，热影响区合金元素多的超高强钢、Ti合金发生在焊缝；3、裂纹的走向：沿晶、穿晶。产生时间：可焊后立即出现，也有的几小时，几天、更长时间。延迟裂纹：不是在焊后马上出现的要经过一定时间才出现的裂纹延迟裂纹，延迟裂纹是冷裂纹中一种最普遍的形态，它不是焊后出现，因此危害性更大。延迟裂纹三种形态：1）焊趾裂纹 起源于焊缝和母材的交界处，并有明显应力集中的地

18、方，裂纹的取向经常与焊缝纵向平行，由焊趾的表面开始，向母材的深处延伸；2）、焊道下裂纹 发生在淬硬倾向较大，含氢较多钢种的焊接热影响区，裂纹取向与熔合线平行，但也有时垂直于熔合线；3）、根部裂纹 起源于应力集中的焊缝根部，可能发生在焊接热影响区，也可能发生在焊缝（含氢量高，预热不足）延迟裂纹的机理：高强钢焊接时产生延迟裂纹的原因主要是：钢种的淬硬倾向；焊接接头的含氢量及其分布，焊接接头的拘束应力。延迟裂纹的开裂过程存在这两个不同的过程，即裂纹的起源和裂纹的扩展，扩展到一定情况下，发生断裂。1、钢种的淬硬倾向 焊接接头的淬硬倾向主要决定于钢种的化学成分，其次是焊接工艺，结构板厚及冷却条件。钢种淬

19、硬倾向越大，越容易产生裂纹，其原因为：1）形成脆硬的马氏体 i）、马氏体的形状 条状马氏体：低碳马氏体，含碳量小于0.3%C，呈条状Ms点较高，在转变后起到自行回火作用，因此有一定韧性如低碳钢、低碳合金钢。片状马氏体：含碳量高时，形成片状马氏体，片内存着平行状的孪晶，亦称孪晶马氏体，硬度高，组织脆对裂纹敏感 ii）、组织对冷裂纹的敏感倾向 2）淬硬产生晶格的缺陷 材料在淬硬后，会产生较多的晶格缺陷，淬火后出现的晶格缺陷主要是空位位错，相变应力的作用下产生较多的位错，在焊接应力作用下，空位与位错发生移动聚集，当达到一定浓度时，产生裂纹源，硬度扩展成为裂纹。2、氢的作用 氢是引起高强钢焊接时产生延

20、迟裂纹的重要因素之一，氢具有延迟作用，由氢引起的延迟裂纹称为氢致裂纹也称氢诱发裂纹。块矿和粉矿浮选（flotation） 是漂浮选矿的简称。浮选是根据矿物颗粒表面物理化学性质的不同，从矿石中分离有用矿物的技术方法（即按矿物可浮性的差异进行分选的方法）。精矿：贫矿经过破碎，细磨，并通过磁选或浮选得到的高品位细粉状矿石高炉内型：高炉炉型为圆断面五段式即：炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸五部分。炉缸 （Hearth ）高炉内型下部由铁口水平中心线标高至炉腹下沿之间的圆柱体部分。炉腹 （Bosh ）从炉缸上沿至炉腰下沿的倒截头圆锥体部分。炉腰 （Barrel or Belly） 高炉内型中部的圆柱体部分。

21、炉身 （Stack ）从炉腰上沿至炉喉下沿的截头圆锥体部分。炉喉 （Throat ）炉身之上的圆柱体部分。死铁层 （Well ）从炉缸下沿即铁口水平中心线标高至炉底砌砖上沿的倒截头圆锥体部分。料线零位：是测定料面高度的基础。钟式炉顶：大钟开启时大钟的底边；无钟炉顶：炉喉钢砖的转折点处或钢砖顶部有效容积 ：对钟式炉顶高炉指从铁口水平中心线至大钟下降位置下沿所包括的容积；对于无钟炉顶高炉指从铁口水平中心线至炉喉上沿（一般把该标高设为料线零位）之间的容积高炉炼铁原料：含铁原料：铁矿石：1.61.8吨/吨铁，主要成分为：Fe3O4，理论含铁量72.4%；Fe2O3，理论含铁量70%铁矿石中的脉石主要：

22、有 SiO2、Al2O3 、CaO 、MgO等金属氧化物，以酸性氧化物为主。脉石主要参与造渣，几乎不被还原脉石成分总体要求：酸性氧化物和碱性氧化物质量大体相当高炉炼铁的含铁原料：烧结矿：高碱度烧结矿和自熔性烧结矿球团矿：酸性球团矿和自熔性球团矿块 矿：磁铁矿、赤铁矿碎 铁 ： 高炉生产以人造富矿为主烧结的定义：将各种粉状铁，配入适宜的燃料和熔剂，均匀混合，然后放在烧结机上点火烧结。在燃料燃烧产生高温和一系列物理化学变化作用下，部分混合料颗粒表面发生软化熔融，产生一定数量的液相，并润湿其它未融化的矿石颗粒。冷却后，液相将矿粉颗粒粘结成块。这一过程叫烧结碱度：炉渣中CaO与SiO2的质量百分数之比

23、生产中碱度（R）的计算抽风烧结的原理：布在烧结机台车上的混合料经点火和抽风气流自下而上通过料层中燃料燃烧产生高温。引起一系列物理化学反应，物料局部软熔生成一定的液相。随后，由于温度下降，液相冷凝结块，形成气孔率高，矿物组成而天然矿不同的烧结矿。烧结过程的主要反应：燃烧反应、分解反应、还原与再氧化反应、气化反应焦炭：成分：固定碳：8085%灰份：（SiO2占4550%，Al2O3占1530%）挥发份：CO、CO2、CH4、N2、H2作用：燃烧产生热量、燃烧后产生CO作为还原剂、支撑料柱，使料层透气炼钢的基本任务：1、四脱：C、S、P、O2、二去：气体、夹杂；3、二调整：温度、成分。4、浇注氧化物

24、的还原：高炉内主要还原剂有CO、C、H2。不同种类还原剂还原行为及效果差别很大。按还原剂和还原反应产物不同，概括分为间接还原和直接还原两大类。一、间接还原：凡是用CO或H2做还原剂，最终气体产物是CO2或H2O的称为间接还原。二、直接还原： 凡用碳作还原剂，最终气体产物是CO的反应称为直接还原。高炉里固体碳与矿石中铁氧化物和液相FeO都有直接接触进行直接还原反应的机会。但矿石与焦炭可接触的界面很小，渣中FeO较少，所以，铁氧化物与固体碳直接接触进行还原的数量将是有限的。实际高炉里固体碳参与的直接还原反应，主要是CO还原铁氧化物，生成的CO2再与碳进行气化反应，通过CO这样的传递过程完成的，即直

25、接还原反应是间接还原与碳气化反应叠加而实现的T570时， FeO+CO=Fe+CO2 CO2+C=2CO FeO+C=Fe+CO同理：3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO Fe3O4+C=3FeO+COT570时， 1/4Fe3O4+C=3/4Fe+CO高炉炉渣是：由矿石，焦炭及熔剂中不能被还原的氧化物等组成，主要成分是SiO2、Al2O3、CaO、MgO（四者合计超过炉渣组成的95%）、MnO、FeO、CaS等，冶炼特殊矿石时，渣中还含有TiO2、CaF2等高炉造渣的基本任务： 就是要根据矿石中的脉石与焦炭灰分的特点，配加适当种类和数量的助熔剂，调整好炉渣中碱性成分和酸性成分的比例，以形成物

26、理及化学性能均符合要求的炉渣。使得：炉渣具有低的熔点和良好的流动性，能顺利从渣、铁口流出。使炉渣具有一定的脱硫能力，并能在一定程度上控制Si、Mn、K、Na的还原。高炉炉渣的作用： （1）分离渣铁，具有良好的流动性，能顺利排出炉外。 （2）具有足够的脱硫能力，尽可能降低生铁含硫量，保证冶炼出合格的生铁。 （3）具有调整生铁成分，保证生铁质量的作用。根据需要控制某些元素反应进行的程度，如促进某些元素还原，以提高回收率。在冶炼Fe-Si时除保证入炉原料中有一定数量的SiO2外，还加入高纯度硅石（SiO290%），以形成酸性渣，促进Si还原。 （4）保护炉衬，具有较高熔点的炉渣，易附着于炉衬上，形成

27、“渣皮”，保护炉衬，维持生产。熔点过低或粘度过小，将会缓慢侵蚀炉衬，故炉渣的性能直接影响炉衬的寿命。提高炉渣脱硫能力的措施： 1）提高炉渣碱度，即增加渣中CaO量有利于脱硫 2）提高温度 3）低FeO 还原性气氛。 4）合适的MgO、MnO含量焦炭在风口前燃烧的作用： 为高炉提供所需热量的80%； 燃烧产生的还原气体（CO、H2）保证了炉料的还原； 燃料燃烧留下的空间为炉料不断下降提供了条件，而且风口前 的燃烧状态对煤气流分布，软熔带的形成，以致冶炼效果都有 重要影响。高炉炼铁的生产总原则： 优质、低耗、高产、长寿、高效益直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素产生氧化反应。当向铁液中吹入氧气时，如

28、果在铁液与气相界面有被溶解的元素如SiMnC,虽有大量的铁原子存在，但根据元素的氧化次序SiMnC将优先于铁而被氧化。反应可写为：C+0.5O=CO Si+O2=（SiO2） Mn+0.5O2（Mn） 在氧气转炉炼钢时氧气流股冲击铁液形成一个冲击坑，氧气与铁液直接接触，易产生元素的直接氧化。间接氧化方式吹入的氧气由于动力学的原因首先与铁液中的Fe原子反应形成FeO进入炉渣，同时使铁液中溶解氧O。炉渣中的（FeO）和溶解在铁液中的O再与元素发生间接氧化。其反应为：O2+Fe=（FeO） （FeO）=Fe+O 如： 2O+Si=（SiO2） 或 2（FeO）+Si=2Fe+（SiO2）在渣-金界面上往往产生元素的间接氧化反应。1、脱碳反应 炼钢的一个重要任务是利用氧化方法将铁液中过多的碳去除，称为脱碳。脱碳反应是贯穿于冶炼过程。在高温下C主要氧化成为CO。C与氧的反应有：在渣-金界面上： C+（FeO）=CO+Fe C+O=CO 在气-金界面上：