钢材冶炼方法及其适用范围分析

在自然界中，重金属很少以纯的化学形式出现。他们大多化合成其他物质，而作为矿石存在。铁矿石在高炉中通过化学反应炼制成生铁，生铁经过精炼制成钢。

生铁是碳的质量分数大于2.0%的铁碳合金。从矿石中制取铁的过程称为炼铁。进行炼铁的炉子叫高炉。由于铁是以氧化物状态存在于矿石中，因此炼铁就是用化学反应还原的方法从矿石中制取铁。

炼钢的过程是以铁液和废钢作为原料，装入炼钢炉中，在加热熔化的同时，用氧或铁矿石氧化除去铁液中的杂质，炼成所要求成分的钢，再用连续铸造设备或铸锭法制造钢坯（粗钢、小方坯、大方坯、板坯）、钢锭。钢铁制造的典型工序如图2-7所示。

图2-7 钢铁制造的典型工序

炼铁过程中由于是采用焦炭来去除氧化性矿石中的氧，造成在高温渗碳区中铁与焦炭直接接触吸收了大量的碳。炼钢的基本任务就是把生铁中的碳氧化到规定的范围内，通常将钢中碳的质量分数控制到2.0%以下，但这并不是炼钢的唯一目的，主要目的是将金属中的有害杂质——硫、磷及气体和非金属夹杂物一并去除。

（一）炼钢方法

炼钢法可分为转炉炼钢法、电炉炼钢法及平炉炼钢法三种。目前各国广泛采用的炼钢方法为转炉炼钢法和电炉炼钢法，平炉炼钢法因其设备复杂、能耗大、效率低，目前已经被淘汰。

1.转炉炼钢法 所谓转炉炼钢法就是使用鸭梨形的转炉，以铁液作为原料，以空气或纯氧作为氧化剂，靠杂质的氧化所放出的热量，把不期望存在的杂质氧化并变成熔渣，这种使生铁变成钢的方法称为转炉炼钢法。转炉炼钢法一般不需从外部供给附加的能量。其主要优点是设备投资小，生产效率高，炼制成本低。但仅适用于炼制普通钢，对于优质钢种，由于受到原料成分的限制，都不采用此种炼制方法。

2.电炉炼钢法 电炉炼钢法是将固态或液态的炉料通过电弧加热、感应加热或电阻加热来熔化炼制钢材的一种方法。加热过程通过热辐射或热传导实现，由于在电炉中温度高达3000℃，并且不存在加热气体，因此可以炼制出高纯度的钢材。电炉炼钢法可生产质量高、性能特殊的钢材和高合金钢等。(www.xing528.com)

（二）浇铸

精炼后，把钢液浇铸到钢锭模中做成铸锭，或者进行连续铸造，其尺寸应适合于紧接着的进一步成形加工。同样也可以把钢液直接浇铸成铸钢件，例如不需要进行锻造和轧制的工件。

浇铸的钢液中仍含有大量的氧，如果不事先在钢液中采取特殊的预防措施，则这些含氧成分会与钢液中的碳发生强烈反应，引起浇铸时在钢锭模中产生大量的气体。

根据钢的脱氧情况，可将钢分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢，在钢材牌号表示方法中分别用F、Z、b和TZ符号表示。在牌号组成表示方法中，“Z”与“TZ”符号可以省略。

1.沸腾钢 钢液中碳与氧的反应会产生大量的一氧化碳和二氧化碳气体，由于这些气体的移动，使钢液处于剧烈沸腾状态。沸腾钢的钢锭中含有许多被凝固的钢液包含在内部的气体。

钢在钢锭模中由外向内进行凝固，钢的杂质元素硫和磷，还有碳和氮均向钢锭的内部聚集。因此从钢锭的内部区域到外部区域就会出现钢的杂质元素的浓度梯度（分层），一般把这种现象称为偏析。

沸腾钢的表层（外表皮）比较纯，几乎没有偏析现象，但内部区域杂质元素含量较多，偏析较严重。由于沸腾钢的冶炼过程简单，造价低，有偏析现象，因此沸腾钢仅适用于非重要结构件的焊接生产中。

2.镇静钢 如果在钢液中添加硅和少量的锰和铝，采用硅锰或硅铝联合脱氧方法，沸腾过程和分层倾向就会随之减小，钢锭中的偏析现象减轻。镇静钢在凝固过程中不产生气体而平静地凝固，但最后凝固的部分会产生因钢液凝固的孔洞。由于这部分要切除，一般需设保温帽集中缩孔以求提高收得率。镇静钢脱氧较完全，钢材产生偏析的程度小，气孔含量低，因此在焊接过程中有利于保证焊接质量。

3.半镇静钢 半镇静钢是脱氧程度为与前两者中间的钢锭，在铸模内不发生沸腾反应，平静的凝固，但在钢锭上部使其产生若干气泡而消除凝固收缩导致的管状气孔，内部均匀接近镇静钢。半镇静钢和沸腾钢一样，可提高收得率，且在质量上接近于镇静钢的中间产品。