[东北大学]钢铁冶金学(炼钢学)

LD/ BOF/ BOP
炼 钢 方 法（7）
1965年加拿大液化气公司研制成双层管氧气 喷嘴，1967年西德马克西米利安钢铁公司引 进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法， 即OBM法(Oxygen Bottom Maxhuette) 。1971 年美国钢铁公司引进OBM法，1972年建设了3 座200吨底吹转炉，命名为Q-BOP (Quiet BOP)。
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臵，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250-4500C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
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。
1.3.4 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。
当 钢 中 的 [S]＞0.020% 时 ， 由 于 凝 固 偏 析 ， FeFeS 共晶体分布于晶界处，在 1150-1200℃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（ 940℃），更加剧了钢的“热脆”现 象的发生。
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。
硫化物夹杂，如FeS、MnS、CaS等； 氮化物夹杂，如AlN、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% 的硅酸盐， CaS 、钙的铝硅
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0℃ 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小，
生铁的熔点在1100-1200℃。
在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随
着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和
冲击韧性降低。
钢的应用前景
钢具有很好的物理化学性能与力学性
能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，
其用途十分广泛；
用途不同对钢的性能要求也不同，从
而对钢的生产也提出了不同的要求。
石油、化工、航天航空、交通运输、 农业、国防等许多重要的领域均需要各 种类型的大量钢材，我们的日常生活更 离不开钢。
总之，钢材仍将是21世纪用途最 广的结构材料和最主要功能材料。
炼 钢 方 法（1）
最早出现的炼钢方法是1740年出现的坩 埚法，它是将生铁和废铁装入由石墨和 粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉 料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。此法 几乎无杂质元素的氧化反应。
炼 钢 方 法（2）
1856年英国人亨利· 贝塞麦发明了酸性空
炼钢学
朱苗勇 教授
东北大学钢铁冶金研究所
内容提要
炼钢学概述
炼钢的基础理论
炼钢原料
顶吹氧气转炉炼钢法
底吹氧气转炉炼钢法
顶底复论
炼钢的发展历程
我国钢铁工业的状况
炼钢的基本任务
钢的分类
1.1 炼钢的发展历程
钢与生铁的区别：
首先是碳的含量，理论上一般把碳含量小于 2.11%称之钢，它的熔点在1450-1500℃，而
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。
1.3.6 钢中的成分(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。
炼 钢 方 法（4）
1878年英国人托马斯发明了碱性炉衬的 底吹转炉炼钢法，即托马斯法。他是在 吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而解决 了高磷铁水的脱磷问题。当时，对西欧 的一些国家特别适用，因为西欧的矿石 普遍磷含量高。但托马斯法的缺点是炉 子寿命底，钢水中氮的含量高。
炼 钢 方 法（5）
1899 年出现了完全依靠废钢为原料的电 弧炉炼钢法(EAF)，解决了充分利用废钢 炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一 直在不断发展，是当前主要的炼钢法之 一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的钢 的产量的30-40%。
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
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 特殊质量级钢 [P]≤0.035%； [P]≤0.025%；
1.3.3 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 得不到正确凝固组织结构的连铸坯。
降低，促使碳氧反应，钢液剧烈沸腾，使浇铸困难，
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液 中溶解的氧，在铸坯或钢材中取样时是全氧样。
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 AlN ，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。
1.3.5 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。
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。
图1-2 [Mn]/[S]比对低碳钢热延展性的影响
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
气底吹转炉炼钢法，也称为贝塞麦法，
第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难
题，从而使炼钢的质量得到提高，但此
法要求铁水的硅含量大于0.8%，而且不
能脱硫。目前已淘汰。
炼 钢 方 法（3）
1865年德国人马丁利用蓄热室原理发明 了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢 法，即马丁炉法。1880年出现了第一座 碱性平炉。由于其成本低、炉容大，钢 水质量优于转炉，同时原料的适应性强， 平炉炼钢法仍一时成为的主要的炼钢法。
OBM/ Q-BOP
炼 钢 方 法（8）
在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，19781979年成功开发了转炉顶底复合吹炼工艺，
即从转炉上方供给氧气（顶吹氧），从转
炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅提高
钢的质量，降低了消耗和吨钢成本，更适
合供给连铸优质钢水。
LD- Q- BOP
炼 钢 方 法（9）
我 国 首 先 在 1972-1973 年 在 沈阳第一炼钢厂 成功开发了全氧 侧吹转炉炼钢工 艺。并在唐钢等 企业推广应用。
我国粗钢产量的变化情况
1.3炼钢的基本任务
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。
1.3.1 钢中的磷
炼 钢 方 法（6）
瑞典人罗伯特· 杜勒首先进行了氧气顶吹 转炉炼钢的试验，并获得了成功。1952 年奥地利的林茨城(Linz)和多纳维兹城 (Donawitz)先后建成了30吨的氧气顶吹 转炉车间并投入生产，所以此法也称为 LD法。美国称为BOF法（Basic Oxygen Furnace）或BOP法。