钢的冶炼加工与分类-《建筑材料》钢的冶炼与分类

建筑钢材是主要的建筑材料之一，它包括钢结构用钢材（如钢板、型钢、钢管等）和钢筋混凝土用钢材（如钢筋、钢丝等）。钢材是在严格的技术控制条件下生产的材料，与非金属材料相比，具有品质均匀稳定、强度高、塑性韧性好、可焊接和铆接等优异性能。钢材主要的缺点是易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大。

（一）钢的冶炼

钢是由生铁冶炼而成的。生铁的冶炼过程是：将铁矿石、熔剂（石灰石）、燃料（焦炭）置于高炉中，在1 750℃高温下，石灰石与铁矿石中的硅、锰、硫、磷等经过化学反应生成铁渣，浮于铁水表面；铁渣和铁水分别从出渣口和出铁口放出，铁渣排出时用水急冷可得水淬矿渣，排出的生铁中含有碳、硫、磷、锰等杂质。生铁又分为炼钢生铁（白口铁）和铸造生铁（灰口铁），生铁硬而脆、无塑性和韧性，不能焊接、锻造、轧制。

炼钢的过程就是将生铁进行精炼，使碳的含量降低到一定限度，同时把其他杂质的含量也降低到允许范围内。所以，在理论上凡含碳量在2%以下，含有害杂质较少的Fe-c 合金可称为钢。

根据炼钢设备的不同，常用的炼钢方法有空气转炉法、氧气转炉法、平炉法、电炉法。

1.空气转炉炼钢法

空气转炉炼钢法是：以熔融状态的铁水为原料，在转炉底部或侧面吹人高压热空气，使杂质在空气中氧化而被除去。其缺点是在吹炼过程中，易混入空气中的氮、氢等有害气体，且熔炼时间短，化学成分难以精确控制，这种钢质量较差，但成本较低，生产效率高。

2.氧气转炉炼钢法

氧气转炉炼钢法是：以熔融铁水为原料，用纯氧代替空气，由炉顶向转炉内吹入高压氧气，能有效地除去磷、硫等杂质，使钢的质量显著提高，而成本却较低。常用来炼制优质碳素钢和合金钢。

3.平炉炼钢法

以固体或液体生铁、铁矿石或废钢做原料，用煤气或重油为燃料进行冶炼。平炉钢由于熔炼时间长，化学成分可以精确控制，杂质含量少，成品质量高。其缺点是能耗大、成本高、冶炼周期长。

4.电炉炼钢法

电炉炼钢法是：以生铁或废钢原料，利用电能迅速加热，进行高温冶炼。其熔炼温度高，而且温度可以自由调节，清除杂质容易。因此，电炉钢的质量最好，但成本高。主要用于冶炼优质碳素钢及特殊合金钢。

在铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度高于固相，使这些元素向凝固较迟的钢锭中心集中，导致化学成分在钢锭截面上分布不均匀，这种现象称为化学偏析，其中尤以硫、磷最为严重。偏析现象对钢的质量有很大影响。

（二）钢的分类

钢的品种繁多，分类方法很多，通常有按化学成分、质量、用途等几种分类方法。钢的分类见表8-1。(www.xing528.com)

表8-1　钢的分类

续表

目前，在建筑工程中常用的钢种是普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。

（三）钢的化学成分对钢材性能的影响

用生铁冶炼钢时，会从原料、燃料中引入一些其他元素，这些元素存在于钢材的组织结构中，对钢材的结构和性能有重要影响。可分为两类：一类能改善钢材的性能称为合金元素，主要有硅、锰、钛、钒等；另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质元素，主要有氧、硫、氮、磷等。

1.碳

碳是决定钢材性质的主要元素。钢材随含碳量的增加，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应降低。当含碳量超过1%时，因钢材变脆，强度反而下降，同时，钢材的含碳量增加，还将使钢材冷弯性、焊接性及耐锈蚀性质下降，并增加钢材的冷脆性和时效敏感性，降低抗腐蚀性和可焊性。建筑工程中用钢材含碳量不大于0.8%。

2.硅、锰

硅和锰是在炼钢时为了脱氧去硫而加入的元素。硅是钢的主要合金元素，含量小于1%时，能提高钢材的强度，而对塑性和韧性没有明显影响。但硅含量超过1%时，冷脆性增加，可焊性变差。锰是低合金结构钢的主要合金元素，含量一般在1%～2%，能消除钢热脆性，改善热加工性质。

3.硫、磷

硫、磷是钢材的有害元素。硫和磷合成硫化铁，散布在纯铁体层中，当温度在800 ～1 200℃时熔化而使钢材出现裂纹，称为“热脆”现象，使钢的焊接性变差，硫还能降低钢材的塑性和冲击韧性；磷使钢材在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏，称为“冷脆”现象。

4.氧、氮

氧、氮是在炼钢过程中进入钢液的，也是有害元素，可显著降低钢材的塑性、韧性、冷弯性及可焊性等。