煉鋼先煉鐵。鋼從生鐵而來。用鐵礦石冶煉而得的生鐵，含碳量較高（＞2.08％），而且含有許多雜質(zhì)（如硅、錳、磷、硫等）。因此，生鐵缺乏塑性和韌性，力學(xué)性能差，除熔化澆鑄外，無法進(jìn)行壓力加工，因而限制了它的用途。

為了克服生鐵的這些缺點(diǎn)，使它在工業(yè)上能起到更大的作用，還必須在高溫下利用各種來源的氧，把它里面的雜質(zhì)氧化清除到一定的程度，以得到一定成分和一定性質(zhì)的鐵碳合金——鋼。這種在高溫下氧化清除生鐵中雜質(zhì)的方法叫煉鋼。

煉鋼的基本原理

生鐵中的各種雜質(zhì)，在高溫下，在不同程度上都與氧有較大的親和力。因此可以利用氧化的方法使它們成為液體、固體或氣體氧化物，液體和固體氧化物在高溫下與爐襯和加入爐內(nèi)的熔劑起作用，結(jié)合成爐渣，并在扒渣時(shí)被排除爐外，氣體也在鋼水沸騰時(shí)被CO帶到爐外。

在煉鋼爐內(nèi)，雜質(zhì)的氧化主要是依靠FeO的存在而實(shí)現(xiàn)的。

2Fe＋O2→2FeO

 

01硅元素的氧化

硅與氧有較大的親和力，因此硅的氧化很迅速，它在冶煉初期就已經(jīng)完全被氧化而生成SiO2：

>>Si+2FeO→SiO2+2Fe

同時(shí)SiO2又和FeO反應(yīng)形成硅酸鹽：

>>2FeO+SiO2→2FeO·SiO2

這種鹽是爐渣中很重要的一部分，它與CaO作用生成穩(wěn)定化合物2CaO·SiO2和FeO，前者牢固存在于爐渣中，后者變成了渣中的游離成分，使渣中FeO的含量增加，對(duì)促進(jìn)雜質(zhì)的氧化是比較有利的。其反應(yīng)如下：

>>2FeO·SiO2+2CaO→2CaO·SiO2+2FeO

02錳元素的氧化

錳也是易氧化的元素，它所生成的MnO有較高的熔點(diǎn)，MnO在金屬液中并不溶解，但是它與SiO2形成化合物浮在液體金屬表面，成為爐渣的一部分。

>>Mn+FeO→MnO+Fe

>>2MnO+SiO2→2MnO·SiO2

硅、錳的氧化反應(yīng)放出大量的熱，可以使?fàn)t溫迅速提高（這一點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼特別重要），大大加速了碳的氧化過程。

03碳元素的氧化

碳的氧化需要吸收大量的熱能，所以必須在較高的溫度下才能進(jìn)行。碳的氧化又是煉鋼過程中很重要的一個(gè)反應(yīng)：

>>C+FeO→CO+Fe

由于碳氧化時(shí)生成了CO氣體，它從液體金屬中逸出時(shí)起強(qiáng)烈的攪拌作用，這種作用叫做“沸騰”。產(chǎn)生沸騰的結(jié)果，可以促使熔池成分和溫度均勻，加速金屬與爐渣界面的反應(yīng)，同時(shí)也有利于去除鋼中氣體和夾雜物。

 

04磷元素的氧化

磷的氧化在不太高的溫度下即可發(fā)生，去磷過程由幾個(gè)反應(yīng)組合而成，其反應(yīng)如下：

>>2P+5FeO→P2O5+5Fe

>>P2O5+3FeO→3FeO·P2O5

當(dāng)在堿性爐渣中有足夠的CaO時(shí)會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

>>3FeO·P2O5+4CaO→4CaO·P2O5+3FeO

所生成的4CaO·P2O5是穩(wěn)定的化合物，它牢固地保持在爐渣中，因而達(dá)到了去磷的目的。

必須注意，鋼水在脫氧過程中，要加入硅鐵、錳鐵等脫氧劑，因而常常在脫氧以后，爐渣呈現(xiàn)酸性，而使3FeO·P2O5遭到破壞，從中還原出P2O5，而P2O5是不穩(wěn)定的氧化物，它在高溫下易被碳還原，產(chǎn)生回磷現(xiàn)象。這也說明了在酸性爐內(nèi)去磷是十分困難的。為了防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，必須適當(dāng)?shù)卦黾訝t渣堿度和渣量，提高爐渣氧化性等。

05硫元素的氧化

硫是以FeS的形式存在。當(dāng)爐渣中有足夠的CaO時(shí)，同樣也能將硫去除，反應(yīng)如下：

>>FeS+CaO→CaS+FeO

生成的CaS并不溶于鋼水中，而形成了爐渣浮在鋼水表面。

上面這個(gè)反應(yīng)是可逆反應(yīng)，而且是在含有FeO的爐渣中進(jìn)行的，當(dāng)FeO與CaS發(fā)生作用時(shí)，會(huì)使硫重新回到鋼水中，所以去硫效率隨渣中FeO的含量減少而增高。而渣中含有足夠的碳時(shí)，反應(yīng)就不同了：

>>CaO+FeS+C→CaS+Fe+CO

由于碳奪去了FeO中的氧，失去了CaS與FeO作用的可能性，使反應(yīng)不能逆向進(jìn)行，這就是為什么電爐煉鋼時(shí)去硫要比其他兩種方法來得完全的原因。

 

在去硫過程中，錳也起了促進(jìn)去硫的作用，其過程如下：

>>FeS+MnO→MnS+FeO

生成的MnS幾乎不溶于鋼水而進(jìn)入渣中。因此，去硫的作用隨錳的氧化而加大。

06FeO的脫氧

通過上述一系列氧化反應(yīng)以后，雖然雜質(zhì)被氧化了，達(dá)到了去除的目的，但是也由于氧化的結(jié)果，使鋼水中含有較多的FeO，也就是說鋼水中存在著大量的氧，給鋼帶來很大的危害，一方面使鋼帶有大量氣泡；另一方面也使鋼出現(xiàn)熱脆和冷脆現(xiàn)象，而且危害性隨含碳量的增加而加大。

因此，在煉鋼過程的最后，還必須設(shè)法去除鋼水中大量存在著的氧。通常采用的方法是在鋼水中加入一些脫氧劑，如錳鐵、硅鐵、鋁等，它們強(qiáng)烈地從FeO中奪取氧而達(dá)到脫氧的目的，其反應(yīng)如下：

FeO+Mn→MnO+Fe

2FeO+Si→SiO2+2Fe

3FeO+2Al→Al2O3+3Fe

07爐渣的作用

整個(gè)煉鋼過程由氧化和還原兩個(gè)過程組成，通常把碳、硅、錳、磷的氧化稱為氧化期內(nèi)的反應(yīng)，把脫硫和脫氧稱為還原期內(nèi)的反應(yīng)。從以上各項(xiàng)反應(yīng)式中可以看到，為了清除金屬中的雜質(zhì)，必須考慮多方面的因素，但是其中最主要的因素就是造渣和除渣。

爐渣在煉鋼過程中具有下列重要作用：

①爐渣應(yīng)保證煉鋼過程按一定反應(yīng)方向來進(jìn)行（氧化或還原）。

②爐渣應(yīng)保證最大限度地去除金屬中的有害雜質(zhì)（磷和硫），以及防止?fàn)t氣中的氣體（氮?dú)夂蜌錃猓┻M(jìn)入到金屬中。

③爐渣應(yīng)保證操作過程中鐵和其他有價(jià)值的元素?fù)p失最小。

煉鋼的基本方法

①轉(zhuǎn)爐煉鋼

轉(zhuǎn)爐煉鋼法就是利用空氣或氧氣，采取底吹、側(cè)吹和頂吹的方式，使鐵水中的元素氧化到規(guī)定限度，從而得到成分合格的鋼的一種煉鋼方法。

②電爐煉鋼

電爐是利用電能轉(zhuǎn)變成熱能來煉鋼的，常用的電爐有兩種：電弧爐和感應(yīng)電爐。電弧爐用得最廣，宜于冶煉優(yōu)質(zhì)鋼和合金鋼；感應(yīng)電爐用于冶煉高級(jí)合金鋼和有色合金。

③平爐煉鋼

隨著工業(yè)的發(fā)展，金屬加工工業(yè)中積累了大量廢鋼。當(dāng)時(shí)無法用轉(zhuǎn)爐將它重新吹煉成鋼，因此煉鋼工作者們就尋找一種用廢鋼作原料的煉鋼方法。1864年由法國人馬丁發(fā)明了平爐煉鋼法。

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法的迅速發(fā)展，將要取代平爐煉鋼法，我國新建的煉鋼車間大都是氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐和電爐。 

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新的煉鋼方法不斷出現(xiàn)，比如鋼水的真空處理、電渣爐熔煉、真空感應(yīng)電爐熔煉等方法，得到了越來越多的使用。

 

鋼錠的澆鑄

從煉鋼爐中得到的鋼水，必須鑄成一定形狀的錠才能進(jìn)行后續(xù)的加工（軋、壓成材）。這種處在鋼水和出廠鋼材中間狀態(tài)的錠，稱為鋼錠。鋼錠由鋼液（鋼水）經(jīng)盛鋼桶（也稱鋼包）注入鑄模凝固而成。

用鑄模鑄成鋼錠的工藝過程簡稱為鑄錠或模鑄；用連續(xù)鑄鋼方法鑄成坯的工藝過程簡稱連鑄。

模鑄工藝過程

首先將煉鋼爐內(nèi)的鋼水轉(zhuǎn)入鋼包，然后將鋼包吊至鋼錠模上方，再間斷地將鋼水分別澆入單只或多只鋼錠模中；鋼水凝固后，將鋼錠脫模，脫模后的鋼錠經(jīng)切頭去尾，送入加熱爐加熱，最后經(jīng)一道或多道初軋開胚，得到鋼胚。

用于生產(chǎn)棒材和型材的鋼錠一般為正方斷面（稱為方錠）；生產(chǎn)板材的鋼錠一般為長方形斷面（稱為扁錠）；生產(chǎn)鍛壓材的鋼錠有方形、圓形和多角形。

鋼錠澆鑄過程伴隨有各種物理化學(xué)現(xiàn)象：如熱的傳導(dǎo)，體積收縮,鋼液流動(dòng),碳氧反應(yīng)，成分偏析等。由此形成不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和成分分布。 

在鑄錠過程中由于操作不當(dāng)或注速、鑄溫控制不當(dāng)，會(huì)使鑄成的錠有種種缺陷。常見的缺陷為：鋼錠表面的結(jié)疤、重皮和縱、橫裂紋，內(nèi)部的殘余縮孔、皮下氣泡、疏松和偏析，混入鋼中的耐火物和爐渣、灰塵造成的夾雜等。這些缺陷能大大降低鋼錠的成坯率，甚至使整個(gè)鋼錠報(bào)廢。

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