金屬冶煉與成型課后習題答案2

金屬冶煉與成型課后習題答案

第一章

1.為什么說“要煉好鋼先要造好渣”？

造渣是煉鋼工藝過程的重要組成部分。在非真空冶煉中，爐渣是煉鋼過程的必然產(chǎn)物也

是煉鋼過程中不可缺少的媒介物；如果沒有爐渣，必要的煉鋼物理化學反應難以完成，而

合格的鋼液就難以保證。

一、煉綱爐渣的主要來源：煉鋼過程中各種元素被氧化而形成的氧化物；各種造渣材料

（石灰、螢石、白云石，耐火磚塊等）；氧化劑或冷卻劑（礦石、石灰石等）所帶入的脈石；

金屬原材料帶入的泥砂和鐵銹；被腐蝕的爐襯耐火材料；鐵合金的脫氧產(chǎn)物、脫硫產(chǎn)物

等。可見爐渣來源于金屬原材料、輔助材料和爐襯三個方面，在煉鋼過程中成為高溫熔

體。

二、爐渣對煉鋼過程具有重要作用：?般說來，煉鋼過程中熔渣和鋼液直接接觸，參與

其間的物理化學反應和傳質(zhì)傳熱過程，通過對爐渣成分及其性能、數(shù)量的調(diào)整，可以控制

金屬熔池中各元素的氧化相還原過程。其作用可以大致歸納為：（1）熔渣直接參與脫硫、

脫磷等鋼液與熔渣界面間的反應。（2）熔渣是氧的傳遞媒介，控制金屬熔池中各元素的氧

化還原過程。（3）熔渣是鋼液中各種元素氧化產(chǎn)物的匯集體。熔渣密度要比鋼濃密度小得

多，這樣，鋼渣自然分開，而元索氧化產(chǎn)物的密度也遠低于鋼液的密度，可以上浮到綱液

表面，進入熔渣。（4）熔渣對鋼液有保護作用。熔渣可以減綴合金元素在氧化氣氛中的氧

化燒損，可以減緩鋼液吸收氣體和減少鋼液的熱損失。（5）爐渣的其它作用：電渣滬熔渣

作為電阻發(fā)熱體，可以起到重熔和精煉金屬的作用，平爐熔渣是傳熱介質(zhì)，通過它把熱量

傳給金屬熔池；電弧爐熔渣可起穩(wěn)定電弧的作用，對穩(wěn)定工藝操作過程十分有利

2.煉鋼造渣時，要考慮哪些爐渣性質(zhì)，這些性質(zhì)對煉鋼質(zhì)量有哪些影響？

（一）爐渣的堿度所謂堿度，就是爐渣中堿性氧化物和酸性氧化物濃度的比值。堿度對

脫磷、脫硫和防止鋼液吸收氣體等煉鋼過程有重要影響，而且它還影響著爐渣中許多組元

的活度，因此堿度是影響渣和鋼之間反應的重要因素。

（二）爐渣的氧化性和還原性爐渣有氧化渣和還原渣之分。煉鋼氧化精煉時依靠爐渣高

氧化性來保證脫磷、脫碳的進行，而在還原精煉時，爐渣必須有高的還原性才能有效地進

行脫氧、脫硫等冶金反應。

（三）爐渣的粘度粘度是爐渣的主要物理性質(zhì)之一，它代表著熔渣內(nèi)部相對運動時各層

之間的內(nèi)摩擦力。爐渣粘度對渣/鋼間反應的動力學過程影響極大。一般說，爐渣粘度

大，流動性不好，傳質(zhì)傳熱能力差，使反應物和反應產(chǎn)物擴散速度降低，影響煉鋼反應進

行的速度，而過稀的熔渣容易噴濺，熱反射能力強，熱損失增加，并加速爐襯浸蝕。所以

在煉鋼實踐中，必須控制合宜的爐渣粘度。

(四)爐渣的表面張力和界面張力煉鋼反應是多相反應，很多反應在相界面上進行，因

此爐渣表面張力和渣鋼界面張力對煉鋼過程有重要意義。擴散過程、熔渣吸收非金屬夾雜

物以及鋼液與熔渣的分離等，都和爐渣的表面張力有關

(五)爐渣的導電性電弧爐冶煉和電渣重熔時，爐渣的電導率對于供電制度和熱分配

影響很大

3.按在熔鐵中的溶解度，可將各種元素分哪幾類？

各種元素在熔鐵中溶解度的大小與原子半徑大小、晶格類型以及與鐵原子的相互作用力

有關。元素的原子半徑與鐵原于半徑(1.22108cm)越相近，晶格類型與鐵相同，其性

質(zhì)與鐵原子越相似，則它們與鐵原子之間的相互作用力與鐵原子本身間的相互作用力就越

相近，也就越容易溶解。根據(jù)在1600C時熔鐵中元素溶解的數(shù)量可將元素分為四類：

(1)完全溶解的元素(2)部分溶解的元素(3)溶解很少的元素(4)成氣態(tài)的金屬元素

可以根據(jù)元素溶解數(shù)量的多少和傾向，認識冶煉和凝固過程中元素含量變化的原因，從

而合理地控制冶煉工藝條件，達到控制鋼和合金的化學成分和提高鋼質(zhì)量的目的。

第二章

1.氧在鋼液中有哪幾中存在形式？煉鋼過程中是如何向熔池中傳氧的？

(1)氧在鋼液中以兩種形式存在。一種是溶解于鋼液中的氧，以單原子形式或FeO形

式存在。氧在鋼液中的溶解度是隨溫度的升高而增大的，如圖2-1所示。在冶煉過程中，

如果溶解在鋼液中氧量過高，超過平衡值，或者即使達到平衡值，在鋼液冷卻過程中也會

發(fā)生過飽和現(xiàn)象，這些過飽相的氧，以FcO形式析出。鋼液中以單原子形式或FeO形式存

在的氧，通常都以［0］表示。在鋼掖中還會有另一種以夾雜物形態(tài)存在的氧。當鋼濃中含

有脫氧元素時，溶解于鋼液中的氧就會與之結合而成為氧化物夾雜。

(2)熔煉過程中向金屬熔池傳氧可以分為直接傳氧和間接傳氧兩種類型。

一、直接傳氧向熔池吹氧或無渣時氧氣與金屬液面直接接觸就屬于這種情況。直接傳

氧機理是：在氧氣與金屬液接觸的表面上，氣體氧分子分解為兩個氧原子并被吸附于鐵液

表面上，隨后吸附的氧溶解于金屬液中或被金屬直接吸收

二、間接傳氧爐渣是氧的傳遞媒介，氧的傳遞是通過FeO的氧化來完成的。當含氧爐

氣與熔渣接觸時，(FeO)被氧化成(Fe203),后者從熔渣表面遷移到鋼渣界面，在那里被金

屬［Fe］還原成(FeO),止匕(FeO)按分配定律進入金屬液為游離的［0］。

2.元素的氧化度在煉鋼中有何意義？

各種元素被氧化的難易程度稱為元素的氧化度，氧化度大的元素，容易被氧化。在煉鋼

過程中，可以用元素的氧化度來表示元素的被氧化趨勢。合金元素的氧化度可以用一定溫

度下，與溶于金屬液內(nèi)一定含量的合金元素相平衡的氧的濃度來表示，與較低氧濃度相平

衡的元素，具有較大的氧化度；反之，與較高氧濃度相平衡的元素，其氧化度較小。在同

一溫度下，不同元素在相同含量時，氧化度不同；而同一元素在不同含量時，其氧化度也

不同。應當指出，合金元素的氧化度與通稱的元素脫氧能力二者是等價的，屬于同一概

念。

3.如何判定氧化物的穩(wěn)定性？

(-)純氧化物穩(wěn)定性的判定

純氧化物的穩(wěn)定性可用氧化物的標準生成自由能或分解壓大小來判定。

1.氧化物標準生成自由能

根據(jù)熱力學第二定律，自由能G可以用作判斷在恒溫恒壓條件下化學反應能否進行的

依據(jù)。由于各氧化物的化學成分不同，為相互比較，我們采用由純元素與1大氣壓(101.3

kPa)下的1摩爾02化合生成氧化物的自由能(標準生成自由能)來進行討論。對于氧化物

生成反應：

2xM02M0(2-6)2yyxy

0GRTlnK(2-7)

式中0G為氧化物標準生成自由能，其值越小，氧化反應越易進行，MxOy越穩(wěn)定，即

氧化物穩(wěn)定性越好，而該元素被氧化的趨勢就越大；K為平衡常數(shù)；T為絕對溫度；R為常

數(shù)

依據(jù)0G判斷化學反應方向性是有局限性的，它只適用于特定的標淮狀態(tài)的條件，所以

用0G只能對化學反應做一般性的估計。在實際生產(chǎn)中，由于鋼液中合金元素含量的差別

甚大，溫度也不是恒定不變的，所以元素的氧化度或脫氧能力要根據(jù)實際情況進行比較。

2.氧化物的分解壓

純氧化物的分解反應：2Mx0y2xM02(2-8)yy

當分解達到平衡時，平衡常數(shù)K為：K2xyaMP02ax0y(2-9)

式中，P02為氧化物的分解壓，由于M系純物質(zhì)，MxOy系純氧化物，其活度均等于1,

所以P02直接決定了平衡常數(shù)K的大小，也就決定了氧化物的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在設0G分解代

表氧化物的標準分解自由能，0G生成代表氧化物的標準生成自由能，則：

0G生=0G分=收1成02

可以看出，氧化物分解壓P02越小，則氧化物分解反應的平衡常數(shù)K值越小，則該氧化

物越不容易分解，越穩(wěn)定。而分解壓較大的氧化物由于穩(wěn)定性較差，則較易被還原為元

素。

(二)熔渣中氧化物穩(wěn)定性的判定

煉鋼反應多為渣鋼之間的反應，反應物質(zhì)并非純態(tài)。如電渣重熔過程就存在著渣中不穩(wěn)

定氧化物對鋼中活潑元素Al、Ti的氧化過程或Cr203、SiO2等不穩(wěn)定氧化物的還原過

程，為了判斷這些過程進行的方向，必須了解熔渣中氧化物穩(wěn)定性的判定方法。

對于(2-6)式，當M及MxOy不是純物質(zhì)時[M]02(MxOy)(2-11)yy

Ka(y

xOy)

a[其中a(MxOy)與a[M]分別為平衡時渣中氧化物及鋼中冶金元素的活度，P02為平衡

時氧的P02

2ya(x0y)l分壓?？紤]到K,所以P02P02(純MxOy)(2-12)Pa[02(純氧化物)由

(2T2)式可見:

(1)熔渣中氧化物穩(wěn)定性與其純狀態(tài)的穩(wěn)定性有關，純氧化物的分解壓如P02(純MxOy)

越大，則P02越大，氧化物越不穩(wěn)定。也就是說，與氧化物本身的屬性有關；(2)熔渣中

氧化物穩(wěn)定性與渣中氧化物活度有關，a(MxOy)大，則P02大，穩(wěn)定性就差。而a(MxOy)與

MxOy本身的濃度及熔渣的成分有關，故熔渣中氧化物穩(wěn)定性取決于渣成分及含量。(3)熔

渣中氧化物穩(wěn)定性與金屬熔池中相應合金元素的活度有關，a[M]大，則P02小，氧化構越

穩(wěn)定。而a[M]取決于合金元素的濃度及鋼成分等因素，故熔渣中氧化物的穩(wěn)定性與鋼的成

分有關

4.鋼液為什么要脫氧？

(1)氧化精練結束時，鋼液中存在著一定數(shù)量的溶解氧(一般為0.0廣0.08%),其具體

含量主要取決于鋼液含碳量。這種鋼液在澆注和結晶時，隨著溫度的下降，氧的溶解度減

小，在結晶過程中，氧以氧化鐵或其它氧化物形式從液相析出，分布于晶界上，降低鋼或

合金的機械性能。(2)在鋼液冷凝過程中，碳和氧由于偏析而富集于液相，加之其間反

應是放熱的，將會再次發(fā)生碳氧反應，生成CO氣泡，一部分C0氣泡留存于鋼錠之中，形

成疏松、皮下氣泡等鋼錠內(nèi)部缺陷。此外，氧的存在使鋼中硫的危害加重，F(xiàn)eO與FeS形

成熔點為940C的低熔點共晶體，存在于晶界，在鋼錠熱加工時，導致“熱脆”。所以

在出鋼前要采取措施，進行脫氧操作。

5.對鋼液脫氧劑有什么要求？

(1)脫氧元素應具有足夠的脫氧能力，即脫氧元素的氧化度要高。由于溶解在鋼液中的

氧原子與鐵原子結合成氧化鐵，脫氧元素的氧化度應當比鐵的氧化度大，或者說，脫氧元

素的氧化物的分解壓力要較氧化鐵的分解壓力為小，才能作為對脫氧劑。(2)脫氧劑的熔

點應低于鋼液溫度。由于鋼液中存在著細小的非金屬夾雜物，可以成為脫氧產(chǎn)物析出的核

心，因此脫氧產(chǎn)物的析出不是脫氧反應的限制性環(huán)節(jié)，脫氧所必須的時間主要決定于鋼液

中脫氧劑的熔解速度和脫氧元素的擴散速度。由于脫氧劑的溶解速度主要取決于熔點，故

大多數(shù)脫氧劑均采用具有低熔點的合金形式。（3）脫氧產(chǎn)物應不溶于鋼液并能上浮去除。

脫氧產(chǎn)物一般不溶于鋼夜，且其密度較鋼液小，故有可能從鋼液中上浮進入熔渣。這就要

求脫氧產(chǎn)物熔點低些，密度小些，顆粒大些，易于聚集去除。（4）殘留在鋼中的脫氧元素

不應當對鋼質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響，否則相當于增加了金屬雜質(zhì)。例如有的鋼種對碳的含量

要求嚴格，碳越低越好，這時就不宜用碳粉或電石脫氧，以免增碳。

6.具體脫氧方法有哪些？各有什么優(yōu)缺點？

（一）沉淀脫氧將脫氧劑加入鋼液，脫氧元素與溶解在鋼液中的氧作用，生成不溶解氧

化物或復合氧化物，這些脫氧產(chǎn)物上浮到熔渣中達到脫氧的目的。由于從鋼液中析出氧化

物的過程屬于沉淀反應，故名沉淀脫氧。沉淀脫氧的優(yōu)點是脫氧反應在鋼液內(nèi)部進行，速

度快，但其缺點是脫氧產(chǎn)物可能留存于鋼液之中成為非金屬夾雜物，污染鋼液。如果不能

有效地排除脫氧產(chǎn)物，則鋼液中含氧量實質(zhì)上并未降低，只是存在的形式不同，對于成品

鋼的性能仍然有害。

（二）擴散脫氧在煉鋼過程中，根據(jù)分配定律使鋼液中的氧向熔渣中擴散，稱為擴散脫

氧。由于擴散脫氧反應在鋼渣界面或渣的下層進行，脫氧產(chǎn)物很容易進入熔渣內(nèi)部而不

玷污鋼液。但其缺點是反應速度較饅，需要時間較長，脫氧劑消耗也多。

（三）真空下的碳脫氧真空冶煉中，氧可以通過原材料、爐體漏氣、珀期表面氧化、耐

火材料與金屬熔池作用等多種途徑進入金屬熔池，所以也必須有脫氧過程。在常壓下冶煉

時，碳的脫氧能力較低，必須使用強脫氧劑（一般是鋁）進行終脫氧。在真空冶煉條件下，

由于氣相中CO分壓PCO很低，使碳的脫氧能力大大提高（計算表明，可高于鋁的脫氧能

力），加上其脫氧產(chǎn)物是氣體，易于自金屬液排出，不致玷污金屬，所以碳是真空冶煉過

程中良好的脫氧劑。真空下碳脫氧乃是主要的脫氧反應。

（四）揮發(fā)脫氧真空冶煉條件下，元素可能揮發(fā)，元素氧化物也可能揮發(fā)，當元素氧化

物蒸氣壓高于元素蒸氣壓時，氧化物就較元素要優(yōu)先揮發(fā)。在真空冶煉中，由于生成揮發(fā)

性氧化物而達到脫氧目的的脫氧方法稱為揮發(fā)脫氧

7.依據(jù)哪些因素來考慮合金元素的加入時期？

1.合金元素的物理化學性質(zhì)（1）元素的活潑程度，即氧比度的大小。氧化度小的先

加，氧化度大的后加。

（2）合金元素熔點高低。熔點高，為保證徹底熔化，要在裝料時直接裝入，而低熔點物

質(zhì)，要在煉鋼后期加入。（3）合金元素密度大小。合金中有密度很大的元素（如鴿

19.3g/cm3）或密度很小的元素（如鋁2.7g/cm3）時要注意防止偏析。鋁鐵不要直接裝在爐底

上，防止“沉底”；鋁加入熔池要通過電磁攪拌或機械攪拌，使之均勻。（4）合金元素蒸

氣壓高低。這一點在真空冶煉中尤為突出。以鎰為例，非真空冶煉中可在還原初期加入，

而由于鎰蒸氣壓很高，1600C時達431Pa,因此真空冶煉合鑄合金時，為保證成分，鋪

應在出鋼前不久在氫氣保護下加入。

2.合金元素的加入數(shù)量在低合金鋼中，銘通常不會超過廣2%,但作為主要合金元素,

應當在熔化以后甚至還原期加入。而在不銹鋼或高溫合金中，格可高達13%以上，如加入

過晚，勢必拖長熔煉時間，并使工藝操作復雜化，由于不銹鋼和高溫合金均采用不氧化法

冶煉，所以均在裝料時直接裝入。

3.合金元素所起作用要求精確控制成分的合金元素，要考慮回收率的穩(wěn)定性，以保證

達到所煉合金技術條件所規(guī)定的成分要求。而有些合金元素，按計算量加入，成品合金不

作該元素化學成分分析，煉鋼時可提前加入。例如非真空感應爐熔煉GH37合金，錦主要

起凈化作用，精煉開始即插入熔池，并不等到出鋼時加入。

4.原材料的物理化學形態(tài)鴇鐵、鋁鐵由于熔點很高，應在裝料時直接裝入爐內(nèi)，而金

屬鐺條和金屬鋁條在熔池形成前，在非真空冶煉條件下，會生成揮發(fā)性氧化物，所以盡管

其熔點很高，也只宜于形成金屬熔池后，才能插裝鴇、鋁條。

第3章煉鋼過程的脫碳反應

1.煉鋼過程中為什么要脫碳？

(1)控制碳含量保證鋼的化學成分。碳是鋼的基本化學成分。為了達到不同鋼種的含碳

量，一要降碳，二要按規(guī)格控制好鋼中碳的含量。

(2)碳氧反應造成鋼液沸騰有助于煉鋼過程的傳熱、傳質(zhì)、去氣、去夾雜。煉鋼過程中

碳氧反應生成CO從鋼液中以氣泡形式排出，此時熔池被攪動。由于鋼水對流有利于傳

熱，因而熱效率提高，而且使鋼水成分、溫度均勻。由于碳沸騰，造成鋼液-渣-氣三相乳

化，形成泡沫，增大了鋼與渣的接觸面，有利于以界面進行的脫磷及脫硫反應。由于CO

的生成，氣泡上升過程中，吸附金屬液中的非金屬夾雜物以及［用、

［N］等氣體，對鋼液起到純凈化的作用。在電弧爐冶煉過程中，在熔化期，受電弧光高

溫作用氣體電離，熔體吸氣，此時［用可達4~7ml/100g鋼，［N］達到0.009~0.01(?,經(jīng)過

氧化期碳沸騰，［用、［N］明顯降低。

(3)利用氣相壓力對碳氧反應的影響，實現(xiàn)真空熔煉的碳脫氧。它不僅可以進一步降低

鋼及合金中的［C］,

［0］含量，而且進一步起到攪拌及清洗作用。

(4)利用碳的選擇性氧化，去碳保銘冶煉不繡鋼，被稱為“不繡鋼冶煉史上的新紀

元”。

(5)碳氧反應在氧氣轉爐煉鋼中是熱量的一個重要來源。在以高爐鐵水為主要原料的氧

氣轉爐煉鋼中，碳氧反應放出的熱量占總化學熱的五分之一以上。同時還可以利用碳氫反

應特點判斷轉爐煉鋼終點以及跟蹤碳氧反應對轉爐煉鋼實行全過程自動控制。

2.煉鋼過程中有哪些形式的碳氧反應？哪些因素對碳氧反應有影響？

(1)熔池中碳與爐渣中氧化鐵或與鐵礦石反應：［C］+(FeO)={CO}+［Fe］

(2)熔池中碳與反應區(qū)中氧氣直接接觸：［C］+1/2{O2}+{CO}

(3)熔池中碳與熔池中氧反應：［C］+［O］={CO)

影響因素：(參考4)

3.從動力學角度來看，碳氧反應有哪些環(huán)節(jié)？

1)礦石溶解，然后按分配定律向熔池供氧，反應為(FeO)=［Fe］+［O］；

2)反應物［C］和［0］向反應區(qū)擴散；

3)［C］和［0］進行化學反應；

4)反應產(chǎn)物{C0}氣泡生成及逸出到氣相

4.哪些因素影響脫碳速度？

(-)供氧的方式及強度底吹氧氣轉爐脫碳速度最大，這主要因為氧氣從底部吹入，到

了脫碳后期仍保持技強的攪動能。氧氣頂吹轉爐要強化脫碳，必須強化吹氧，而這樣必將

造成大量鐵氧化，造成(FeO)及［0］顯著升高，并造成爐襯嚴重侵蝕及噴濺。故頂吹氧氣轉

爐冶煉［0］＜0.02%的鋼很困難。而電弧爐、平爐雖然也可以來用吹氧辦法，但受種種條件

限制，它比氧氣轉爐脫碳速度要慢得多

(-)溫度制度及渣制度為了強化脫碳，要保證高溫，薄渣或無渣操作；同時渣子流動

性要好，堿度要合適，以提高反應物的擴散速度。

(三)爐型的大小一般來講，爐子越大，鋼水越多，脫碳任務重，而且熔池深，氣泡生

成困難，并且反應物向反應區(qū)擴散時間長，供氧及攪拌也比較困難，故大爐型脫碳速度較

慢。

(四)氣相壓力利用氣相中壓力對碳氧反應的影響，采用真空熔煉設備或用吹入氮氣條

件下脫碳，既可脫碳又可脫氧，是冶煉超低碳鋼最為有效的工藝方法。

第四章

1.鋼鐵中磷和硫的來源及其危害？

(1)鋼中的磷主要來源于生鐵，而生鐵中的磷則源于礦石。鐵礦石含有磷酸鈣--類的

脈石，受熱后分解為CaO及P205,在高爐冶煉的良好還原條件下，P205極易被還原為磷

而進入生鐵。在室溫條件下，磷在-Fe中可溶解1.2%左右，它是提高-Fe強度最為明

顯的元素，固溶的磷原子在晶界富集，使鐵素體在晶粒間界產(chǎn)生固溶強化而具有高的強

度，同時導致鋼的脆化，特別在低溫下，磷使鋼的韌性更為惡性，這種現(xiàn)象即通常所謂的

“冷脆”。當鋼中的硅、碳含量越高時，磷的這種影響越嚴重。磷還有提鋼的偏析度、促

進晶粒粗化等作用，從而惡化其性能。

(2)鋼中的硫除來源于生鐵、廢鋼和鐵合金外，也可由造渣材料和燃料帶入。硫在鐵

液中可以無限溶解，在固態(tài)鐵中則溶解度很小，由圖4-4可見，1365C時，硫在-Fe

中的溶解度為0.05%,在共晶溫度(988C)時，則降為0.013%,所以在鋼液冷卻、凝固過

程中，勢必有部分硫富集在液相中，一旦溫度到達共晶點，這種富硫的共晶體就會形成網(wǎng)

狀的膜，而分布于-Fe晶粒之間，當金屬在1000C左右進行熱加工時，它將熔成液體

而且在外力作用下發(fā)生沿金屬晶界的滑動，進而造成金屬的破裂，這種現(xiàn)象即通常所謂的

“熱脆”。

硫化物夾雜對鋼的危害程度除了決定于它的含量及物理化學性質(zhì)外，還和其顆粒大小、

形狀以及分布有直接關系。鋼中常見的硫化物夾雜有FeS、CaS、MnS和稀土硫化物等。它

們可能單獨存在，也可能互相復合在一起，或彼此形成化合物。

硫化物夾雜按其形狀和分布的不同可分為四類，它們對鋼的危害程度也不相同：第I類

硫化物夾雜呈球狀，通常附著在氧化物夾雜的表皮上，形成復合夾雜；第H類硫化物夾

雜呈鏈狀，在晶界析出；第III類夾雜為分散的顆粒狀，第IV類是片狀夾雜。其中以H、

IV類的危害更大。

硫化物對鋼的性能有以下的影響：

(1)熱加工塑性：除了前述的“熱脆”現(xiàn)象外，硫化物在固溶體內(nèi)析出時所形成的內(nèi)應

力，也有助于晶界裂紋的形成與發(fā)展，因而，含硫高的鋼，在熱加工時極易開裂。

(2)機械性能：硫化物能降低鋼的機械性能特別是對各向異性的影響，它能顯著降低鋼

材的橫向機械性能，尤其是II、IV類及大顆粒夾雜的危害性更大。

(3)疲勞性能：鋼材的疲勞裂紋經(jīng)常在使用過程中由非金屬夾雜周圍的顯微裂紋擴張而

生成和發(fā)展，因此，脆性夾雜的危害性較大，而硫化物具有良好的塑性，所以危害較小。

有實驗證明，滾軸鋼中含硫量自0.008%增至0.18%后，試樣的接觸疲勞壽命反而增加了一

倍，其原因是鋼中的脆性氧化物(如剛玉)的表面包裹了一層塑性較好的硫化物，從而使基

木和脆性夾雜物之間形成了一個“緩沖層”，削弱了應力集中現(xiàn)象，特別是殘余的熱應

力。

(4)其它性能：鋼中的硫還會使鋼產(chǎn)生坑蝕現(xiàn)象。焊接過程中MnS夾雜會造成鋼的熱撕

裂。硫化物還能降低材料的導磁率及增大磁性材料的鐵損。

2.影響氧化脫磷的因素有哪些？

(1)溫度。KP對脫磷效率的影響實質(zhì)上反映溫度的影響，脫磷反應是放熱過程，所以

當溫度升高時.，KP值下降，對脫磷不利。生產(chǎn)實踐中常用降低熔池溫度的辦法來提高脫

磷效率，但溫度不宜過低，否則會影響爐渣的流動性，將惡化脫磷的動力學條件而不利于

脫磷。

(2)爐渣的堿度。渣中加入堿性氧化物如CaO、MgO>MnO,能和渣中的P205結合成穩(wěn)定

化合物，從而降低(P205)的活度，達致脫磷的目的，稱這樣的氧化物為脫磷劑，其中以

CaO的效果最好。保持一定的堿度是爐渣脫磷的必要條件，但堿度過高時會急劇降低渣的

流動性反而對脫磷不利。堿度自I.7提高到2.3時，渣的脫磷能力取決于渣中FeO含量的

多少。

(3)渣中FeO含量。(FeO)含量對脫磷的影響是個較為復雜的因素，當N(FeO)或a(FeO)

一定時，只有在堿度適當?shù)臈l件下，才能獲得它們的理想值。由于渣中FeO含量的增加，

一方面能提高a[0]值，另一方面又將促進(P2O5)值增高，這是兩個對脫磷影響相互矛盾

的因素，因此，最后的脫磷效果取決于其中能起主導作用的因素。當渣中N(FeO)〈0.2

時,a[0]的增長起主導作用,脫磷效率隨N(Fe起增加而明顯提高,而當N(FeO)>0.2時,

則提高N(FeO)反而使脫磷效率下降，因為此時(P205)的增長已成為主導因素。

(4)渣量。渣量加大則無疑將提高磷在渣和鋼中的平衡分配比，降低鋼中磷的絕對值而

達到脫磷的目的，電爐煉鋼時要扒除部分熔化期的渣，并扒盡氧化渣重新造渣的目的之就

在于此。

生產(chǎn)實踐中，把高的渣堿度、高(FeO)含量和高渣量、低冶煉溫度即所謂“三高一低”

作為提高脫磷效率的措施

3.煉鋼過程中有哪些具體的脫磷和脫硫方法？

(1)脫磷

一.氧化脫磷在通常的含量下，磷在鐵液中與鐵生成的化合物可能有Fe2P及Fc3P兩種

形態(tài)，在堿性煉鋼方法中，多采用氧化法脫磷，先把鋼中的磷氧化為P205,然后使其進入

渣中與堿性氧化物結合成穩(wěn)定的磷酸鹽予以去除。

二.還原脫磷磷原子具有五個價電子，因此在化學反應中它可以完全失去這些外層電子

而成為五價正離子，卻也可以得到三個電子而成二價負離子，所以金屬的脫磷反應除多數(shù)

情況下為氧化法外，也有部分情況下采用還原法，即磷原子在反應中取得三個電子。

三.鐵水預脫磷碳比磷更容易氧化，因此，氧化脫磷在鐵水中應該難以進行，但含碳

2~4%鐵水的去磷是能夠?qū)崿F(xiàn)的，其原因之一是鐵水的溫度低，有利于脫磷反應進行，更為

重要的是反應動力學因素。根據(jù)一系列科學研究的結果指出，鐵/渣界面不易發(fā)生脫碳反

應，而容易產(chǎn)生脫磷反應。并且溫度越低時對脫磷反應的進行越有利。

四.鐵水的爐外脫磷將按一定比例配合混勻的渣料放入盛鋼桶的底部，利用出鋼時鋼水

流的自重沖力進行攪拌脫磷。對于某些鋼種，可以用干燥空氣或氧氣為載體，將混合好的

粉渣料，高壓噴入鋼水中

(2)脫硫

一.熔渣脫硫(擴散脫硫)熔渣脫硫是煉鋼生產(chǎn)中的主要脫硫方法，其實質(zhì)是通過金屬熔

體與爐渣間的相互作用，使溶于金屬中的硫生成難熔或不溶于金屬的硫化物而轉入渣中被

去除。

二.精煉劑脫硫（沉淀脫硫）這種脫硫的實質(zhì)是選取一些與硫具有較大親合力，且熊生

成熔點高、密度小、與金屬液的界面張力大、易于上浮的產(chǎn)物或其產(chǎn)物為高度彌散硫化物

的元素作為精煉劑，亦即脫硫劑。

三.爐外脫磷一次熔煉設備很難生產(chǎn)出含硫量小于0.005%的金屬材料。并且為了充分

發(fā)揮冶煉設備的生產(chǎn)能力，爐外脫硫工藝近期內(nèi)有迅速發(fā)展。爐外脫硫分鐵水脫硫和鋼水

脫硫兩種根據(jù)不同的脫硫劑種類，可采用的方法有，D鋪撤法，利用金屬池流自身的沖擊

進行攪執(zhí)；2）搖動法，利用容器的轉動或搖動進行混合；3）機械攪拌法，運用專門的攪拌

裝置；4）噴吹法，利用輸送脫硫劑的氣體，導入金屬液內(nèi)部噴吹攪動；或用氮、室等非氧

化性氣體通過鐵水罐或鋼水包的底部透氣磚，吹入金屬液內(nèi)部產(chǎn)生氣泡而進行攪拌等。

四.氣化脫硫在煉鋼過程中，根據(jù)對爐氣的分析，證明氣化脫硫是存在的，其脫硫機制

主要是爐渣中硫的氣化（S2-）+3/202=S02+（02-）

六、鐵水同時脫硫、脫磷的預處理

第5章煉鋼過程的去氣

1.鋼中通常有哪些氣體，各種氣體對鋼的性能影響如何？

氧、氫、氮是金屬材料中的主要氣體雜質(zhì)。氣體可以顯著降低鋼和合金的性能，而且容

易造成鋼的多種缺陷。溶解在鋼液中的氣體在凝固過程中產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，自凝固開始逐漸

析集到鋼錠的中心部位，促進中心疏松或顯微疏松的形成，對鋼材質(zhì)量有很大影響。鋼中

的氣泡和顯微疏松在軋制和鍛造過程中有的被焊合，有的則不能。氣泡中C0氣體和N2越

多，氣泡越大，越不易焊合。在加工方向上拉長的小氣泡呈發(fā)紋狀，稱為發(fā)紋。這種缺陷

在塔形試樣上經(jīng)酸浸后，能明顯地顯示力來，它降低了鋼的機械性能，特別是對橫向性能

影響更大。

氫在鋼或合金中可能使鋼材產(chǎn)生白點（又稱發(fā)裂）。白點可以降低鋼的塑性和抗拉強度，

使金屬過早地斷裂，即產(chǎn)生所謂氫脆現(xiàn)象。氮擴大相區(qū)，是一種很強的形成和穩(wěn)定奧氏

體的元素，在一定條件下，可作為合金元素使用，如氮可用作代銀元素應用于Cr-Mn-N系

不銹鋼，或與其它元素配合，作為表面硬化元素。而一般地說，氮對鋼，特別是對高溫合

金來說，是極為有害的元素。鋼中的氮可以導致“時效脆性”。另一方面，氮可與鋼中的

鈦、銘、銀、錯、鋁等生成穩(wěn)定的帶有棱角的脆性氮化物和碳氮化物夾雜物。由于它們集

中分布在晶界上，而使合金可鍛性、高溫強度和高溫塑性變壞。

2.哪些因素影響鋼中去氣效果？

（-）渣-鋼-氣平衡反應的影響：不論金屬的去氣還是吸氣，都與熔渣有著密切的關

系。因此，渣-鋼-氣的平衡反應是常壓法冶煉中影響去氣的重要因素之一。提高熔渣的堿

度，必然加大熔渣中氧離子的活度，從而增加了氫在鋼液中的溶解度。另一方面，提高氣

相中水蒸氣或氫氣的分壓力，同樣會使鋼中氫含量增加。（二）原材料以及金屬中含氧量

的影響：冶煉過程中，向金屬熔池內(nèi)直接加入潮濕有銹的金屬材料和潮濕的造渣材料及采

用潮濕的澆注用耐火材料，等于直接向金屬提供氫氣。爐氣中水蒸氣分壓越大，鋼液中含

氫量越高，這充分說明使用干燥爐料的必要性。鋼液中含氧量越低，則含氫量越高，這說

明在鋼液脫氧以后，即在煉鋼還原期和出鋼澆注過程中要特別注意采取措施，防止吸氣。

（三）合金元素的影響：鋼中的各種合金元索對氣體的去除有著一定的影響，這實質(zhì)上是

鋼中不同合金元素通過對氣體活度系數(shù)的影響來影響氣體溶解度。（P4）氣相中氣體分壓

力PG的影響：在一定溫度下，鋼液中氣體的溶解度與其分壓力的平方根PG1/2成直線關

系。即降低氣相中的分壓力PG可以促使氣體G從鋼液中排出。（五）熔煉溫度的影響：熱

力學觀點：鋼中含氣量的多少與熔煉溫度高低有關系。由于氣體溶解于鋼液是吸熱反應，

故熔煉溫度升高，平衡常數(shù)K增大，氣體溶解度增加；反之則降低。動力學觀點：在金屬

熔池沸騰的情況下（例如C-0沸騰）或者是受到攪拌的情況下（例如感應爐中的鋼液電磁攪

拌），A/V、D都變大，這將加快金屬的去氣速度。

3.煉鋼過程中通常采用哪些措施去除鋼中氣體？

一、在煉鋼原材料質(zhì)量、大氣濕度和冶煉工藝上應注意的問題。（一）提高煉鋼用氧氣

純度（二）減少煉鋼爐料帶入的水分（三）控制適宜的冶煉溫度和出鋼溫度（四）高溫烘

烤，徹底干燥煉鋼所用耐火材料。二、氧化期脫碳去氣。氧化期脫碳反應是去除氣體的重

要手段，要求氧化期做到高溫氧化，激烈沸騰。在某種意義上可以說，氧化期碳沸騰的主

要目的不是去碳，而是去氣、去夾雜。為達此目的，一般煉鋼氧化期均要求有一定的脫碳

量和脫碳進度。

二、真空冶煉和鋼液真空處理。由西華待定律，即氣相中氫和氮的分壓越低，則鋼液中

氫和氮的含量就越少。因此，真空冶煉可以顯著地降低鋼中的氣體含量。從去氫的觀點出

發(fā)，真空熔煉可以很容易地將鋼中氫脫到很低的程度。四、鋼包吹氨攪拌。惰性氣化吹入

鋼液后不參與反應，氮氣中氫氮含量均很低，氮氣進入鋼液的瞬間，氨氣泡對鋼液中溶解

的氣體象一個小真空室，鋼液中的氫和氮不斷向氮氣泡中擴散。氫或氮在家氣泡中的壓力

隨著數(shù)量的增加而增高，但鋼液中的氨氣炮上升過程中受熱膨脹，因而氫與氮的分壓隨著

氣泡上升仍保持在較低的水平，故氫、氮能繼續(xù)向氮氣泡中擴散，最后隨僦氣泡帶出鋼

液。

第7章元素的揮發(fā)

1.煉鋼過程中元素揮發(fā)過程包括哪幾個步驟？

真空感應熔煉過程中元素揮發(fā)是在合金液與氣相接口上進行的，揮發(fā)過程包括如下六個

步驟：1）合金熔體內(nèi)部揮發(fā)元素的原子向合金液表面遷移；2）揮發(fā)元素的原子通過液相

邊界層擴散到合金液-氣相界面；3）在合金與氣相界面，發(fā)生反應：lgpio=A/T+B；4）氣

態(tài)揮發(fā)元素分子通過氣相邊界層擴散到氣相；5）氣態(tài)揮發(fā)元素分子通過氣相向冷凝壁遷

移；6）冷凝。

2.煉鋼過程中元素揮發(fā)對煉鋼過程和鋼的質(zhì)量有何影響？

元素的揮發(fā)是影響合金鋼及合金成分控制及純潔度的重要冶金過程。煉鋼過程中元素揮

發(fā)包括：一、金屬雜質(zhì)元素的揮發(fā)。二、硫磷的揮發(fā)。三、合金元素的揮發(fā)。四、微量元

素鎂、硼、硅、鐲的揮發(fā)。五、揮發(fā)脫氧。影響：真空熔煉可通過揮發(fā)去除一些有害雜

質(zhì)，例如鉛、鈕、銀、皤等，這些元案能顯著降低合金質(zhì)量，而在非真空熔煉過程中又難

于去除。采用真空熔煉是減少合金中有害雜質(zhì)的有效方法，但伴隨著有害雜質(zhì)的去除，合

金中有益組元也要揮發(fā)，造成合金元素的損失，并給準確控制合金成分在最佳成分范圍之

內(nèi)，從而獲得最佳的綜合性能帶來困難。

第8章鋼和合金的結晶與凝固

1.純金屬與合金的結晶過程有哪些異同點？（notsure）

純金屬結晶是在某個溫度下進行。而合金的結晶是在某個溫度范圍進行。液態(tài)金屬的凝

固并非瞬時完成的，它分為形核、長大兩個步驟。對于生產(chǎn)條件下的鋼與合金，其晶體都

以樹枝狀形態(tài)生長，稱為枝晶。對于某些合金來說，溶質(zhì)濃度在結晶前沿的液相中將會增

高，而且由于得不到充分擴散的條件，以致阻礙了枝晶主干的繼續(xù)牛長，于是在主干側面

的有利部位將派生出分枝，稱為二次枝晶。同樣，還會萌生出三次、四次等等的枝晶，一

直到完全凝固為止。

2.鑄錠組織中各區(qū)域的性能有何差異，哪些因素對個區(qū)域的大小有影響？

整個錠子從里到外可以明顯地分成三個晶區(qū)，等軸晶區(qū)、柱狀晶區(qū)以及激冷細品區(qū)。

（）激冷細品區(qū)。激冷細品區(qū)是鋼液在錠模中最先形成的鋼錠最外層。當過熱的鋼液注

入低溫的錠模時，與模壁接觸的鋼液急劇冷卻，過冷度很大，再加模壁粗糙，鋼液有優(yōu)越

的形核條件。

生產(chǎn)中影響激冷層厚度的因素有：（1）結晶的形核率。鋼液的過冷度越大，形核率越

高，越有利于激冷層的形成。形核劑的催化效能。（2）在一定的過冷條件下，形核劑的催

化效能越強越有利于激冷層增厚。（3）金屬的體積和激冷面積之比值越高則散熱條件越

差，激冷層厚度相對減小。（4）金屬的導熱率高，有利于激冷層厚度加大。（5）鋼液對流

強度越大，激冷層越薄。（二）柱狀晶。有明顯方向性。由于結晶過程和夾雜和低熔點雜

質(zhì)在晶接口富集，而柱狀晶有明顯的方向性，所以柱品區(qū)比較脆。特別是由柱晶構成的鋼

錠對角線是最薄弱的區(qū)域，在熱加工時容易沿柱晶接口裂開而形成“角裂”，采用圓形錠

?？梢詼p少這種危害。影響柱狀晶發(fā)展的因素：金屬的過冷度增大，有利于柱狀晶發(fā)

展；模壁的冷卻強度加大也能促進柱狀晶發(fā)展；在相同的澆鑄溫度下，鋼錠越大則柱狀晶

越長，澆鑄溫度高則柱狀晶發(fā)達，合金元素凡能擴大固-液相線溫度的則不利于柱晶的發(fā)

展，增加外來質(zhì)點或在澆鑄時以外力振動，都會阻礙柱晶的發(fā)展。（三）中心等軸晶區(qū)。

在柱狀晶向中心區(qū)發(fā)展的同時，鋼液中已有大量斷枝殘片可作為晶胚，而且隨著住狀晶區(qū)

厚度大，由于傳熱條件越來越差而使鋼液內(nèi)部的溫度梯度變小，此時結晶前沿液體中的組

成過冷區(qū)也在逐漸擴大、增寬，所以有利于新核的產(chǎn)生和長大。此外，這時鋼液中的外來

雜質(zhì)集聚得較多，非均質(zhì)形核的條件也較前優(yōu)越，所有這些都是有利于生核長大的因素。

等軸晶的晶粒大小直接影響金屬的強度、韌性、硬度等一系列力學性質(zhì)。

3.兩種偏析的形成原因是什么？各對鋼的性能有什么影響？

鋼和合金在凝固以后，各部位的化學成分、雜質(zhì)成分以及結晶組織的分布都是不均一

的，金屬內(nèi)部的這種不均勻性稱為偏析。宏觀偏析是指發(fā)生在較大區(qū)城內(nèi)的、在試樣經(jīng)侵

蝕后可用肉眼觀察到的偏析。顯微偏析，顧名思義是要在顯微鏡下才能觀察到的，多屬于

元素、夾雜物或凝固析出相在晶粒間、枝晶間或晶界的分布不均勻。偏析產(chǎn)生的主要原因

是由于固溶體在整個結晶過程中，溶質(zhì)元素在液相和固相間要進行重新分配。鋼液在澆鑄

過程中由于本身的動能，鋼液凝固時的體積收縮，鋼液各部位的密度或溫度的差異以及凝

固過程的氣體析出等原因都會產(chǎn)生對流現(xiàn)象，留存在固-液兩相區(qū)內(nèi)而富集了各元素的鋼

液，在對流中被送至鋼錠不同部位，從而形成凝固后的宏觀偏析。如前所述，當這種成分

不均勻現(xiàn)象出現(xiàn)在枝晶干和枝晶間時就形成所謂的顯微偏析。

4.凝固過程中的收縮對鋼的性能有和影響？

根據(jù)收縮發(fā)生的不同階段可將其劃分為三個部分：液態(tài)收縮、凝固收縮以及固態(tài)收縮。

由鋼的液態(tài)收縮和固態(tài)收縮所產(chǎn)生的危害是不相同的。液態(tài)收縮（包括凝固過程的收縮）的

危害發(fā)生在體積收縮后得不到液體金屬的補充，其表現(xiàn)形式為縮孔與疏松。集中的孔隙部

位稱縮孔，細小分散的缺陷稱疏松。鑄件的縮孔和疏松會嚴重降低鋼的機械性能，一般地

說，疏松對鑄件機械性能的影響為塑性的降低大于強度的下降。固態(tài)下收縮的危害程度對

于不同鋼種有較大的差別，例如當碳素鋼中含碳量不同時.，其凝固收縮率即有較大差別。

鋼錠冷卻時由于各部位的冷卻條件不同，所以相應部位的固態(tài)體積收縮量也不同，造成沿

各等溫面之間的熱應力，這種熱應力以及由各種相變引起的組織應力是鋼錠產(chǎn)生裂紋的源

泉，而低溫裂紋的產(chǎn)生多源于相變應力。

第9章一次熔煉

3.氧氣頂吹轉爐煉鋼工藝過程如何？

通常把前一爐鋼出鋼到后一爐出鋼的間隔時間稱作一爐鋼的吹煉時間。在采用單渣法冶

煉時，典型的操作順序是：煉完上一爐的熔渣之后，立即根據(jù)爐況進行補爐，然后堵好出

鋼口，把廢鋼裝入空的爐子；再兌入鐵水；將氧槍下至廢鋼和鐵水以上的預定高度，開始

吹氧，“點火”之后，立即將石灰、石灰石和適量螢石快速加入爐中，按規(guī)定的氧流量和

氧槍高度吹一段時間，然后傾爐測試鋼水溫度并取樣分機成分。如果溫度過高而碳含量合

適，則只采取冷卻操作；如果溫度低而碳含量高則進行補吹。最后添加合金料。如溫度低

碳又已接近成分中限，那只好先添加一定量Si再補吹。待溫度、成分均合適，則打開Hl

鋼口出鋼。

5.平爐煉鋼工藝過程特點如何？

與其它煉鋼方法一樣，平爐煉鋼也必須把握好供氧、供熱和造渣三個主要方面。（一）

補爐期（二）裝料和燒料期（三）熔化期（四）精煉期（五）脫僦出鋼。平爐煉鋼法的主要特

征是：第一，必須利用外來熱源，第二，平爐熔煉室內(nèi)始終處于氧化氣氛，第三，爐子結

構復雜熱效率低。

7.與轉爐、平爐煉鋼相比，電弧爐煉鋼有何特點？

電弧爐煉鋼是利用電極和爐料之間放電產(chǎn)生的電弧熱，借助輻射和電弧的直接作用加熱

并熔化金屬和爐料冶煉出各種成分的鋼及合金的一種煉鋼方法。電弧爐煉鋼與轉爐、平爐

煉鋼相比有以下幾個特點：（1）靠自由電弧加熱金屬，爐內(nèi)沒有可燃氣體，因此可以造成

還原性氣氛。（2）電弧爐在熔化金屬時，弧光埋在金屬料中，可以大功率送電，迅速熔化

金屬，熱損失少，溫度控制也比較容易。（3）以全部廢鋼為原料的電弧爐煉鋼，基建投資

省（僅為高爐-氧氣轉爐流程的30%）,能耗低（噸鋼能耗僅為高爐-氧氣轉爐流程的40%）。

(4)操作靈活性大，既可連續(xù)作業(yè)，也可非連續(xù)作業(yè)，因此特別適合機械廠生產(chǎn)鑄鋼件。

但是，電弧爐煉鋼由于電弧中氣體離子的存在，熔煉時極易使鋼水中氣體含量增加。

9.氧化法冶煉的操作工藝過程如何？其中爐料熔化基本上分為哪幾個階段？

氧化法冶煉的操作工藝過程：1.補爐2.裝料3.熔化期(1)點弧(2)穿井(3)主熔

化階段(4)平熔池階段

4.氧化期5.還原期6.出鋼

10.冶煉操作各階段的主要任務是什么？何時脫硫，何時脫磷？

1.補爐：首先對爐底和渣線部分進行投補和噴補，保證爐底完好形狀。另外，出鋼口

由于沖蝕嚴重，也是必須每次要投補的部位。2.裝料：裝金屬料之前，一般均在爐底先

墊上一層石灰，它可以達到保護爐底和提前造渣的目的。金屬料裝入時布料要合理，最底

部裝輕廢鋼，然后裝重廢鋼，最上層再裝輕廢鋼。3.熔化期：熔化期任務就是熔化料，

同時利用低溫溢渣脫一部分磷，并保證鋼液成分達到氧化期要求。4.氧化期：氧化期的

任務是：吹氧及加入鐵礦石進行脫氧沸騰；造好高鐵質(zhì)高堿度流動性良好爐渣以脫磷，提

高鋼液溫度并為進入還原期做好熱能儲備。5.還原期。還原期任務是：在堿性還原渣下

進行精煉，脫氧、脫硫，盡可能迅速地調(diào)整好鋼液成分和溫度。6.3鋼：當鋼液成分及

溫度合適，且爐渣堿度流動性良好時，取鋼樣看“收縮是否良好”，當確信全部達到要求

時，打開出鋼口出鋼。

12.依據(jù)什么樣的原理進行感應冶煉？

感應爐線圈相當于變壓器的主線圈，堀埸里的爐料相當于變壓器的副線圈，但這個副線

圈只有一圈而且是閉合的。當感應因送上交變電流后，在圈內(nèi)產(chǎn)生交變磁場，其磁力線切

割干過中的金屬爐料，在爐料中便產(chǎn)生感應電動勢。由于爐料本身是一個閉合回路，所以

在爐料中產(chǎn)生了感應電流一“渦流”，使爐料加熱和熔化?！皽u流”產(chǎn)生的熱量可用焦耳

定律表示，Q=I2Rt感應電動勢E可用下式求出：E=4.44fn108

13.解釋一下“集膚效應”。

交變電流通過金屬零件時，電流密度分布是不均勻的。表面層電流密度大，越向中心電

流密度越小。這種現(xiàn)象稱為電流的“集膚效應”。

14說明一下感應爐冶煉的操作過程和注意事項。

感應爐煉鋼過程分為裝料、熔化、精練和出鋼澆注幾個階段。(一)裝料。裝料前，應

迅速清理干果內(nèi)殘鋼殘渣，并檢查爐襯，局部侵蝕嚴重的可用水玻璃調(diào)和耐火材料修補。

裝料時下緊上松，不能一次加入的可分批加入。為了早期成渣，也可在珀煙底部加入少許

造渣材料，一般是先加些小塊金屬料，再加造渣材料。

(-)熔化。爐料熔化期占整個冶煉時間三分之二以上，為加快快冶煉速度，應以高功

率送電，隨著爐料裝入量、塊度和種類的不同，以及爐料不斷熔化的過程，感應爐的電感

是在不斷變化的，因此在熔煉過程中應當不斷調(diào)整電容量，才能維持較高的功率因數(shù)。為

了防止架料，應及時捅撥爐料，并且隨時補加造渣材料。由于爐渣靠鋼液加熱，故應選用

低熔點爐渣，同時還必須考慮爐襯性質(zhì)。酸性珀煙多用普通玻璃作保護渣，堿性土甘蝸常用

CaO-CaF2渣系。渣料必須精選，去掉各種有害雜質(zhì)。渣量一般不超過金屬裝入量的3%。為

了增強渣和鋼的作用，要不斷進行搗渣。（三）精煉。為了調(diào)整鋼液溫度，爐料全熔后，

功率要降下一些，緩慢升溫，到脫氧良好、合金化完成時達到出鋼溫度的要求。（四）出

鋼澆注。當精煉任務完成后，即可進行扒渣及擋渣翻爐出鋼操作。為了保護鋼液，往往在

盛鋼桶鋼液面上均勻撤上適量的石灰粉。

16.真空感應爐冶煉工藝過程如何？（不重要）

（一）開爐前的準備工作（二）裝料（三）熔化（四）精煉（五）出鋼澆注

第十章

1.鑄造的成型特點及其存在的主要問題是什么？

特點：1.適用范圍廣2.可用于鑄造的合金種類多3.鑄件的尺寸精度高4.成本低廉

問題：原料消耗多，動力消耗大，投入產(chǎn)出比相對較小。而且鑄造過程會出現(xiàn)缺陷，受

流動性影響，會產(chǎn)生澆不到和冷隔，氣孔與夾雜；凝固結束后往往在鑄件某些部位出現(xiàn)孔

洞，即縮孔縮松。縮孔、縮松可使鑄件機械性能、氣密性和物化性能大大降低，以致成為

廢品。在鑄當鑄造應力超過余屬的強度極限時，鑄件會產(chǎn)生裂紋，裂紋是嚴重的鑄造缺陷

造時由于收縮會產(chǎn)生縮孔縮松；時于厚薄不均勻、截面不對稱及具有細長特點的桿類、板

類及輪類等鑄件，當殘留鑄造應力超過鑄件材料的屈服極限時，往往產(chǎn)生翹曲變形；鑄件

的固態(tài)收縮受到阻礙會引起鑄造應力同樣是一種缺陷。

2.何謂合金的鑄造性能?它可以用哪些性能來衡量，鑄造性能不好，會引起哪些缺陷？

合金的鑄造性能是表示合金通過鑄造成型（即液態(tài)成型）獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力，通常用流

動性、收縮性等來衡量。鑄造性能是一個極其重要的工藝性能，對鑄造成型過程中的鑄造

工藝、鑄件結構及鑄件質(zhì)量有顯著的影響。

鑄造性能不好，會引起澆不到，冷隔，氣孔夾雜，縮孔，縮松，熱裂，冷裂，鑄造應

力，變形和裂紋等缺陷。

3.常用鑄造合金中，哪種合金鑄造性能較好?哪種合金鑄造性能較差?為什么？

純鐵和共晶鑄鐵鑄造性能好，亞共晶鑄鐵，碳鋼和鑄鋼的鑄造性能較差。因為合金的鑄

造性能常用流動性來衡量，純鐵和共晶鑄鐵的流動件最好，亞共晶鑄鐵和碳鋼隨著結晶溫

度范圍增加，流動件變差。由于鑄鋼熔點高，鋼液過熱度（澆注溫度和液相線溫度之差）比

鑄鐵小，維持液態(tài)的流動時間短；此外，由于鋼液的澆注溫度較高，在鑄型中散熱快，迅

速結晶出一定數(shù)量的樹枝晶，使鋼液更快地失去流動能力，所以鑄鋼（C<0.6%）的流動性比

鑄鐵差。

4.可采用哪些措施提高合金的流動性?

為提高合金的流動性，應盡量選用共晶成分合金，或結晶溫度范圍小的合金；應盡量提

高金屬液質(zhì)量，金屬液愈純凈，含氣體、夾雜愈少，流動性愈好。但在許多情況下，合金

是確定的，需從其他方面采取措施提高流動性，如提高燒注溫度和壓頭、合理設置澆注系

統(tǒng)和改進鑄件結構，降低系統(tǒng)結構的復雜度，選擇合適的鑄型等。

5.縮孔和縮松是怎么形成的?可采用什么措施防止？

凝固結束后往往在鑄件某些部位出現(xiàn)孔洞，大而集中的孔洞稱縮空，細小而分散的孔洞

稱縮松?？s孔形成的條件是：金屬在恒溫或很窄的溫度范圍內(nèi)結晶，鑄件壁呈逐層凝固方

式。原因是合金的液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固態(tài)收縮值，且得不到補償。

形成縮松的基本原因也是合金的液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮。但主要出現(xiàn)在呈糊

狀凝固方式的合金（結晶溫度范圍較寬）中或斷面較大的鑄件壁中。

措施：①按照順序凝固原則進行凝固②合理確定內(nèi)澆道位置及澆注工藝③合理應用

冒口、冷鐵和補貼等工藝措施

6.按形成原因分，鑄造應力有哪幾種?什么是熱阻礙?什么是機械阻礙？

鑄件的固態(tài)收縮受到阻礙而引起的內(nèi)應力，稱鑄造應力。阻礙按形成的原因不同分為熱

阻礙和機械阻礙。

熱應力是由于鑄件壁厚不均，各部分收縮受到熱阻礙而引起的。落砂后熱應力仍存在于

鑄件內(nèi)，是一種殘留鑄造應力。

鑄件冷卻到彈性狀態(tài)后，因收縮受到鑄型、型芯和澆、冒口等的機械阻礙而產(chǎn)生的應

力，稱機械應力。

8.什么是順序凝固原則和同時凝固原則?各適用于什么合金及鑄件結構特點？

順序凝固原則是指采用各種工藝措施，使鑄件上從遠離冒口的部分到冒口之間建立一個

逐漸遞增的溫度梯度，從而實現(xiàn)由遠離冒口的部分向冒口的方向順序地凝固。適用于收縮

大或壁厚差別較大，易產(chǎn)生縮孔的合金。

同時凝固的原則是通過澆口開在鑄件薄壁處，厚壁處安放冷鐵以加速冷卻等措施，使鑄

件各部分溫度盡量相等，從而實現(xiàn)同時凝固。適用于收縮較小的普通灰鑄鐵，也用于結晶

范圍大，不易實現(xiàn)冒口補縮，對氣密性要求不高的錫青銅鑄件或各種合金壁厚均勻的薄壁

鑄件（冷卻速度快，冒口補編效果差），如鑄鋼件等。

9.從鑄件結構和鑄造工藝兩方面考慮，如何防止鑄件產(chǎn)生鑄造應力、變形和裂紋？

防止鑄件產(chǎn)生鑄造應力、變形方法①基本方法是采用合理的鑄造工藝，使鑄件的凝固

過程符合同時凝固原則②造型工藝上，采取相應措施以減少鑄造應力，合理設置澆、冒

口等。③鑄件結構匕盡量避免牽制收縮的結構，使鑄件各部分能自由收縮：如壁厚均

勻，壁和壁之間連接均勻、熱節(jié)小而分散的結構，可減小鑄造應力。④去應力退火。

防止熱烈的方法：使鑄件結構合理，改善鑄型和型芯的退讓性，減小澆、冒口對鑄件收

縮的機械阻礙，內(nèi)澆口設置應符合同時凝固原則，此外減少合金中有害雜質(zhì)硫、磷含量，

可提高合金高溫強度。特別是硫增加合金的熱脆性，使熱裂傾向大大提高。

防止冷裂的方法是盡量減小鑄造應力。對于帶輪的冷裂防止措施有：①把內(nèi)澆口開在薄

的輪輻處，以實現(xiàn)同時凝固。②較早打箱，以去除鑄型對收縮的阻礙，打箱后立即用砂子

埋好鑄件，使其緩慢冷卻。③修改結構，加大輪輻和輪緣的連接圓角，以增加強度和減少

應力集中。

10.什么樣的砂子才能作為鑄造用砂？

當含泥量或雜質(zhì)、顆粒大小、顆粒形狀、礦物組成和成分符合一定要求時，例如線膨脹

系數(shù)小，具有較高的耐火度、熱導率、熱擴散系數(shù)和蓄熱系數(shù)才可作為鑄造用原砂。

11.震壓實造型機和震壓造型機在緊砂原理上有何差別？生產(chǎn)特點如何？

震壓實造型原理是：多次使充滿型砂的砂箱、震擊活塞、氣缸等抬起幾十毫米后自由下

落，撞擊壓實氣缸，多次震擊后砂箱下部型砂由于慣性力的作用而緊實，上部較松散的型

砂再用壓頭壓實。這種機器結構簡單，價格低廉，應用較普遍，但是噪聲大；壓實比壓較

低、；砂型緊實度不高。鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)率不能滿足日益增長的要求。

微震壓實造型的緊砂原理是對型砂壓實的同時進行微震。微震緊砂與震擊緊砂不同之處

在于微震緊砂震擊缸是向上運動撞擊活塞的，震動頻率較高。震壓實造型機的造型緊實度

比震壓造型機高而均勻，生產(chǎn)率較高。但噪音仍較大，壓實比壓仍較低，砂型緊實度仍不

能滿足高質(zhì)量鑄件的要求。

12.何謂高壓造型?其生產(chǎn)特點及應用范圍如何？

壓實比壓大于0.7MPa的機器造型稱為高壓造型。這種高壓微震造型機制出的砂型緊實

度、鑄件尺寸精度和表面光潔程度都比較高，噪音小，灰塵少，生產(chǎn)效率高。但是設備結

構復雜，價格昂貴，對工藝裝備及設備維修、保養(yǎng)的要求很高，僅用于大批量生產(chǎn)的鑄

件，如汽車鑄件等。

13.拋砂機應用在什么場合?造型時型砂是怎樣被緊實的？

拋砂機結構較簡單，拋砂頭由小臂和大臂帶動可在水平方向和鉛垂方向移動一定距離，

因此砂箱尺寸可在很大范圍內(nèi)變化；拋砂機造型對工藝裝備要求不高，可用于中、小批量

生產(chǎn)，特別是對于大件造型，可大大減輕勞動強度和節(jié)省勞動力。造型時型砂送入拋砂頭

后，被高速旋轉的葉片接住，由于離心力的作用而壓實成團，隨后被高速(30~60m/s)拋

到砂箱中緊實。

14.何謂造型生產(chǎn)線?大量生產(chǎn)時為什么要用造型生產(chǎn)線來組織生產(chǎn)？

造型生產(chǎn)線是將造型機和其他輔機按照鑄造工藝流程，用運輸設備(鑄型輸送機、輜道

等)聯(lián)系起來，組成一套機械化、自動化鑄造生產(chǎn)系統(tǒng)。在造型只有將緊砂和起模的機械

化和自動化與其他輔助工序如翻箱、下芯、合箱、壓鐵、澆注、落砂和砂箱運輸?shù)冗M行機

械化，才能完全發(fā)揮出造型機的效率。

16.熱芯盒射芯機制芯和殼芯機制芯機的工藝過程如何?各使用什么芯砂?其特點及應用

范圍各是什么？

熱芯盒射芯機制芯緊實原理是將芯砂懸浮在壓縮空氣的氣流中，以高速射入芯盒中而緊

實。打開大口徑快動射砂閥，儲氣包中的壓縮空氣進入射腔內(nèi)并驟然膨脹，再通過一排排

縫隙進入射砂筒內(nèi)，當射砂簡內(nèi)的氣壓達到一定值時，芯砂從射砂孔高速射進熱芯盒中并

得到緊實，壓縮空氣則從射頭和芯盒的排氣孔排出。運用于吠喃樹脂砂。熱芯盒制芯法生

產(chǎn)效率很高，型芯強度高，尺寸精確，表面光潔。

殼芯機制心主要用于酚醛樹脂砂，采用吹砂方式填砂和緊實。將酚醛樹脂砂吹入口加熱

到100~280C的芯盒內(nèi)，保持20、60s后，樹脂受熱熔融，芯砂結成3~10mm的薄殼，

倒出內(nèi)部松散芯砂，繼續(xù)加熱30、90s,薄殼層硬化，形成殼芯。與熱芯盒型芯相比，殼

芯強度更高；因型芯中空，故樹脂耗量小，通氣性很高；殼芯砂流動性很好，它常用于汽

車缸體的缸筒、進排氣管和濾清器殼等復雜型芯上，其主要缺點是酚醛樹脂的價格昂貴，

固化時間長，生產(chǎn)率較用熱芯盒法低，制芯時也有臭味產(chǎn)生。

17.筒述熔模鑄造工藝過程、生產(chǎn)特點和適用范圍。

熔模鑄造是在易熔模樣表面包覆若干層耐火涂料?，待其硬化干燥后，將模樣熔去后而制

成型殼，經(jīng)澆注而獲得鑄件的?種方法。工藝過程為制造熔模，制成模組，掛涂料，撒

沙，型殼干燥硬化，熔模、熔燒，澆注，落紗，切割澆口，打磨澆口。

熔模鑄造的主要特點如下：

(1)鑄件的精度和表面質(zhì)結較高，尺寸公差等級可達1口1」口3,表面粗糙度Ra值可達

12.51.6m。如熔模鑄造的渦輪發(fā)動機葉片，鑄件精度已達無加工余量的要求。

(2)適用于各種合金鑄件，從各種有色合金到各種合金鋼，尤其適用于高熔點及難加工

的高合金鋼，如耐熱合金、不銹鋼、磁鋼等。

(3)可制形狀較復雜的鑄件，對由幾個零件組合成的復雜部件，適于用熔模鑄造整體鑄

出。

(4)工藝過程較復雜，生產(chǎn)周期長.使用密和消耗的材料費較貴，多用于小型零件(從

幾十克到幾公斤)，一般不超過25kgo

在航空、船舶、汽車、拖拉機、機床、農(nóng)機、汽輪機、電訊、機械、儀表、刀具和武器

等制造行業(yè)中，都得到廣泛的應用。

18.金屬型鑄造和砂型鑄造相比，在生產(chǎn)方法、鑄型工藝和鑄件結構方面有何特點?適

用于何種鑄件？

金屬型鑄造是在重力作用下招液體金屬澆入金屬鑄型以獲得鑄件的方法。由于鑄型用金

屬制成，可以反復使用，故又稱永久型鑄造。

金屬型鑄造的工藝特點

(1)金屬型預熱(2)刷涂料(3)澆注(4)掌握合適的開型時間

和砂型鑄造相比,金屬型鑄造有許多優(yōu)點：

(1)金屬型鑄件冷卻快，組織致密，機械性能較高。如鋁合金金屬型鑄件，其抗拉強度

平均可提高25%,屈服強度平均提高約20器同時，抗蝕性能和硬度也顯著提高。

(2)鑄件的精度和表面質(zhì)量較高，尺寸公差等級平均為IT12'rn4,表面粗糙度Ra值平

均可達6.3mo

(3)澆冒口尺寸較小，液體金屬耗量減少，一般可節(jié)約15~30%。

(4)不用砂或少用砂，可節(jié)約造型材料80100%,減少砂處理和運輸設備，減少粉塵污

染。

金屬型鑄造的主要缺點是金屬型不透氣、無退讓性、鑄件冷卻速度大，容易產(chǎn)生各種缺

陷。因此，對鑄件要有選擇，對鑄造工藝要嚴格控制。金屬型鑄造必須采用機械化和自動

化裝置，否則勞動條件反而惡劣。

金屬型鑄造適用于大批生產(chǎn)的有色合金鑄件，如鋁合金的活塞、汽缸體及銅合金軸瓦、

軸套等。對于黑色金屬鑄件，只限于形狀簡單的中、小件。

19.壓力鑄造工藝過程和特點如何?壓鑄件結構設計應注意什么?適用于何種鑄件？

壓鑄過程主要由壓鑄機來實現(xiàn)。由于壓鑄成型的特點，金屬澆注和冷卻速度很快，厚壁

處不易得到補縮而形成縮孔、縮松，故壓鑄件應盡可能采用薄壁并保證壁厚均勻。壓力鑄

造的特點和應用范圍

與其他鑄造方法相比，壓力鑄造有以下優(yōu)點：

(1)鑄件的尺寸精度最高(2)鑄件強度和表面硬度都較高。因為壓鑄件表面的一層金屬

晶粒較細，組織致密。但延伸率有所降低。

(3)生產(chǎn)效率很高，生產(chǎn)過程易于機械化和自動化。主要缺點是：

(1)壓鑄時，高速液流會包住大量空氣，凝固后在鑄件表皮下形成許多氣孔，故壓鑄件

不能進行較多余量的切削加工，以免氣孔暴露出來。有氣孔的壓鑄件也不能進行熱處理，

因高溫加熱時，氣孔內(nèi)氣體膨脹會使鑄件表面鼓泡或變形。（2）壓鑄黑色金屬時，壓鑄型

壽命很低，困難較大。（3）設備投資大，生產(chǎn)準備周期長，只有在大量生產(chǎn)條件下，經(jīng)濟

上才合算。

壓鑄主要用于有色合金鑄件。在壓鑄件產(chǎn)量中，占最大比重的是鋁合金壓鑄件，應用壓

鑄件最多的是汽車、拖拉機制造業(yè)，其次為儀表制造和電子儀器工業(yè)，再次為農(nóng)業(yè)機械、

國防工業(yè)、計算機、醫(yī)療器械等制造'I匕用壓鑄法生產(chǎn)的零件有發(fā)動機缸體、氣缸蓋、變

速箱箱體、發(fā)動機罩、儀表和照相機的殼體與支架、管接頭、齒輪等。

20.低壓鑄造與壓力鑄造、金屬型鑄造相比有何特點?應用范圍如何？

低壓鑄造是用較低壓力將金屬液由鑄型底部注入型腔，并在壓力下凝固以獲得鑄件的方

法。（D低壓底注充型，平穩(wěn)且易控制，減少了金屬液注入