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文檔簡(jiǎn)介

現(xiàn)代工程機(jī)械設(shè)計(jì)第1章緒論煉鋼簡(jiǎn)介

鋼鐵的冶煉是生產(chǎn)鋼材料的過程?,F(xiàn)代工業(yè)離不開鋼鐵。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。

煉鋼生產(chǎn)流程

煉鋼生產(chǎn)流程從煉鋼工藝流程上來說,煉鋼通??梢苑譃橐韵聨讉€(gè)過程:

高爐煉鐵;鐵水預(yù)處理;轉(zhuǎn)爐煉鋼;精煉;連鑄;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。

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)行提純精煉或資源綜合利用如鐵水提釩、提鈮、脫鉻等預(yù)處理工藝。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)。

轉(zhuǎn)爐煉鋼精煉將煉鋼爐(轉(zhuǎn)爐、電爐等)中初煉過的鋼液移到另一個(gè)容器中進(jìn)行冶煉的煉鋼過程叫做精煉,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。精煉過程可提高鋼的質(zhì)量,縮短冶煉時(shí)間,簡(jiǎn)化工藝過程并降低生產(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無間隙鋼);VOD、AOD等專門用于生產(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-RHLF-RHLF-VDAOD-VOD。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,是鋼液凝固成形的基本方法,其典型特征是生產(chǎn)過程的間續(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)格要求的坯錠煉鋼工藝過程對(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.鋼中常見元素硅;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(0.001-0.005%)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.鋼中常見元素?zé)掍摴に囘^程對(duì)鋼性能的影響煉鋼過程中的鐵水預(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,無法做到生產(chǎn)特殊性能的鋼。故通過精煉過程,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。通過精煉之后成分不同的軸承鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼項(xiàng)目CMnSiCrSPNiCuGCr15SiMn0.95/1.050.90/1.200.45-0.651.30/1.65≤0.02≤0.027≤0.30≤0.25(以GCr15SiMn為例)軸承鋼煉鋼工藝過程對(duì)鋼性能的影響項(xiàng)目CSiMnP﹑SCrMoAlCu﹑Ni38CrMoAl0.35/0.420.20/0.420.30/0.60≤0.0351.35/1.650.15/0.250.70/1.10≤0.30(以38CrMoAl為例)合金鋼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向鋼2、z向鋼的用途用于造船、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向鋼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向鋼3、層狀撕裂

大型厚壁結(jié)構(gòu),在焊接過程中會(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向鋼4、層狀撕裂的特征及其危害性層狀撕裂是一種內(nèi)部沿軋向的應(yīng)力開裂,它的特征是呈階梯狀,這是其他裂紋所沒有的。層狀撕裂常出現(xiàn)在T形接頭、角接頭和十字接頭中。z向鋼

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)沿夾雜開裂,是工程上最常見的層狀撕裂;(3)遠(yuǎn)離熱影響區(qū)母材中沿夾雜開裂,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向鋼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向鋼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的有硫化物、各種硅酸鹽和鋁酸鹽等。

2.Z向拘束應(yīng)力厚壁結(jié)構(gòu)在焊接過程中承受不同程度的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向鋼7、層狀撕裂常見的型貌特征宏觀形態(tài)(A)~(D)比較典型,也常見,(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裂。z向鋼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,見右下圖。z向鋼8、層狀撕裂產(chǎn)生的原因?qū)訝钏毫训漠a(chǎn)生與鋼種強(qiáng)度級(jí)別無關(guān),主要與鋼種夾雜物量和分布形態(tài)有關(guān)。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,夾雜物首先開裂并擴(kuò)展,以后這種開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向鋼啟裂源分類成因第1類以焊根裂紋。焊趾裂紋為啟裂源,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向鋼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向鋼

(2)在強(qiáng)度允許的

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