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1、 课简介程课简介程 冶金质量分析冶金质量分析是金属材料和热处理及相近专是金属材料和热处理及相近专业的一门专业基础课。所介绍内容主要包括业的一门专业基础课。所介绍内容主要包括:炼钢的炼钢的基本原理和过程反应基本原理和过程反应;各种炼钢方法的生产特点及其各种炼钢方法的生产特点及其对钢质量的控制对钢质量的控制;提高钢质量的一些新工艺、新技术、提高钢质量的一些新工艺、新技术、新设备新设备;钢的压力加工原理及工艺制度对钢质量的影钢的压力加工原理及工艺制度对钢质量的影响响;并有所侧重地介绍钢在上述生产过程中所产生的并有所侧重地介绍钢在上述生产过程中所产生的各种冶金质量缺陷的形成原因及其对钢材性能的影响。各
2、种冶金质量缺陷的形成原因及其对钢材性能的影响。通过学习本课程，力图使同学们达到以下目的通过学习本课程，力图使同学们达到以下目的:1)1)了解钢铁生产的基本过程和主要冶金设备及常用方法。了解钢铁生产的基本过程和主要冶金设备及常用方法。2)2)初步掌握提高和控制钢冶金质量的主要途径及先进技术，初步掌握提高和控制钢冶金质量的主要途径及先进技术，提高解决实际问题的能力，为从事新钢种的研制打下一定的提高解决实际问题的能力，为从事新钢种的研制打下一定的基础。基础。3)3)培养具有分析冶金质量的初步能力，基本掌握钢的主要培养具有分析冶金质量的初步能力，基本掌握钢的主要冶金缺陷的产生、特征、危害及预防知识。能
3、较正确地评价冶金缺陷的产生、特征、危害及预防知识。能较正确地评价钢的冶金质量和分析钢的质量问题，能合理使用钢材。钢的冶金质量和分析钢的质量问题，能合理使用钢材。绪论绪论一、一、历历史与史与现现状状 随着人类的进化，早在公元前7世纪的春秋中叶，我们的祖先就开始使用由海绵铁锻成的铁和利用渗碳得到的钢。公元前6世纪中叶，我国在世界上首先掌握了生铁铸造的方法，使生铁得到利用。公元前2世纪，我国利用铸件或铸铁板退火脱碳避免石墨生成的办法，生产了钢质铸件，并将得到的钢质铸件进行热加工锻成器件，发明了生铁制钢的方法。在公元1世纪，我国又进一步发明了炒钢的炼钢法，即将生铁在炼炉内熔化搅拌。通过氧化脱碳成为高碳
4、钢或低碳钢(熟铁)，然后锻造除渣成形。这一方法的发明比西欧约早1800年。同时，我国还创造了将熟铁与生铁共同加热，使后者渗入熟铁板，然后进行锻造焊合及均匀化的方法，这样得到的中、高碳钢称为灌钢或团钢。由于生铁的发现和铸铁的利用，炒钢及其产品的发明，使我国炼铁和炼钢术在汉代及其后很长一段时期内(直至唐宋时期)一直居于世界领先地位。已出土的历史文物和大量的考古发掘就是最好的鉴证。公元1世纪罗马帝国的学者Pliny(公元23-79年)称赞中国出产的钢质量是举世无双的，他在博物志中说，当时欧洲市场上，“虽然钢铁种类很多，但没有一种能和从中国来的钢相媲美”。我国近代的钢铁工业，最初有1894年张之洞建立
5、的汉阳铁厂和汉冶萍公司。由于封建社会的腐朽没落束缚了生产力，冶金技术从明代以后没有能在我国得到发展。以致从1890年到1948年间，全国钢的总产量只有760万t,1949年钢的产量为15.8万t。新中国成立后，我国钢铁工业才开始较快地发展，几十年来已形成相当的规模,1995年的钢产量已近1亿t，相当于1949年的六百多倍，2005年，我国钢铁产量达到3.45亿，较上一年增长26%，2008年，我国钢产量大约为5亿t。同时我国和世界上一些主要产钢国(美国、日本、俄国)在钢铁冶金技术上和产品质量上的差距也在迅速缩小。近代钢铁冶金技术的发展虽然可追溯到近代钢铁冶金技术的发展虽然可追溯到1740174
6、0年霍年霍茨曼茨曼(Huntsman)(Huntsman)的坩埚炼钢法，但是作为普遍的技的坩埚炼钢法，但是作为普遍的技术而开展起来，却是在术而开展起来，却是在18561856年贝塞麦年贝塞麦(Bessemer)(Bessemer)酸酸性转炉法及性转炉法及18641864年西门子年西门子(Siemens)(Siemens)兄弟、马丁兄弟、马丁(Martin)(Martin)父子等的平炉炼钢法相继成功之后，近代父子等的平炉炼钢法相继成功之后，近代炼钢技术才得以发展。炼钢技术才得以发展。18781878年托马斯年托马斯(ThoomasThoomas)开开创了碱性转炉炼钢法，使得在炼钢过程中能够脱磷创
7、了碱性转炉炼钢法，使得在炼钢过程中能够脱磷和脱硫。和脱硫。18991899年赫劳特年赫劳特(HeroultHeroult)等人发明了使用等人发明了使用电能的电弧炉炼钢法，使其在特种钢熔炼等领域内电能的电弧炉炼钢法，使其在特种钢熔炼等领域内占有了独特的地位。占有了独特的地位。从本世纪从本世纪5050年代起，钢铁冶炼技术的进步很快，开发了很年代起，钢铁冶炼技术的进步很快，开发了很多新技术，使钢铁冶炼的整个领域发生了重大变化。如炼铁高多新技术，使钢铁冶炼的整个领域发生了重大变化。如炼铁高炉的容量逐渐大型化，出现了有效容积炉的容量逐渐大型化，出现了有效容积5000m35000m3级的高炉，加级的高炉，
8、加强了预处理环节，如筛选炉料，使用自熔性烧结矿和球团矿等，强了预处理环节，如筛选炉料，使用自熔性烧结矿和球团矿等，还有对鼓风技术的改进，如高温鼓风、富氧、鼓风调湿等，后还有对鼓风技术的改进，如高温鼓风、富氧、鼓风调湿等，后者是在从风口喷吹燃料时进行干燥鼓风的。进而实施了由风口者是在从风口喷吹燃料时进行干燥鼓风的。进而实施了由风口喷吹燃料，并进行高压操作。检测技术和计算机动态控制使操喷吹燃料，并进行高压操作。检测技术和计算机动态控制使操作合理化，显著提高了高炉的稳定操作和生产率。就炼钢技术作合理化，显著提高了高炉的稳定操作和生产率。就炼钢技术来看，以廉价工业氧的利用为起点，氧气冶炼法迅速得到普及
9、来看，以廉价工业氧的利用为起点，氧气冶炼法迅速得到普及和发展。在平炉和电护上用氧之后，使得脱碳达到以往的矿石和发展。在平炉和电护上用氧之后，使得脱碳达到以往的矿石法难以想像的超低碳水平，这是冶炼超低碳钢不可缺少的措施，法难以想像的超低碳水平，这是冶炼超低碳钢不可缺少的措施，此外，还能显著降低燃料电力单耗和提高生产率。后在转炉上此外，还能显著降低燃料电力单耗和提高生产率。后在转炉上也应用了氧，于也应用了氧，于19521952年在奥地利发明了氧气顶吹转炉炼钢法年在奥地利发明了氧气顶吹转炉炼钢法(LD(LD法法)，氧气顶吹转炉克服了以往转炉的缺点，同时兼有设备，氧气顶吹转炉克服了以往转炉的缺点，同时
10、兼有设备费用和操作费用低的优点，从而使得这种炼钢法代替平炉法成费用和操作费用低的优点，从而使得这种炼钢法代替平炉法成为炼钢的主流。最近又开发了氧气底吹转炉法，因其本身所具为炼钢的主流。最近又开发了氧气底吹转炉法，因其本身所具有的各种特点而受到很大重视。有的各种特点而受到很大重视。从钢铁产量的变迁看出，粗钢产量即使上升，电炉钢也一直从钢铁产量的变迁看出，粗钢产量即使上升，电炉钢也一直占总产量的占总产量的15%-20%15%-20%，其中主要是用赫劳特式电炉熔炼的。，其中主要是用赫劳特式电炉熔炼的。使用了超高功率（使用了超高功率（UHP)UHP)，使得熔炼速度加快，炉的容积变大。，使得熔炼速度加快
11、，炉的容积变大。由于熔池需要搅拌，所采用的电磁搅拌等生产设备也得到改进。由于熔池需要搅拌，所采用的电磁搅拌等生产设备也得到改进。另外。引进了真空技术，开发了各种真空熔炼法。这些方法防另外。引进了真空技术，开发了各种真空熔炼法。这些方法防止了熔炼过程中空气污染钢液，不仅为熔炼特殊用途的高级材止了熔炼过程中空气污染钢液，不仅为熔炼特殊用途的高级材料和大型锻钢产品开辟了独特的领域，也使真空下以至减压下料和大型锻钢产品开辟了独特的领域，也使真空下以至减压下的脱气、精炼和铸锭技术得以发展，并作为积极降低钢液中氢的脱气、精炼和铸锭技术得以发展，并作为积极降低钢液中氢含量的手段而解决了白点问题。此外，随着非
12、金属夹杂物的降含量的手段而解决了白点问题。此外，随着非金属夹杂物的降低，也大有助于钢材质量的改善。低，也大有助于钢材质量的改善。作为提高钢材成品率的手段，开发了连铸法，其发展已进入作为提高钢材成品率的手段，开发了连铸法，其发展已进入了正轨，适用的钢种也得以扩大。加上设备大型化和高速化，了正轨，适用的钢种也得以扩大。加上设备大型化和高速化，在处理量上已可以和传统的铸锭竞争。在处理量上已可以和传统的铸锭竞争。由于钢液在强烈搅拌下反应进行激烈，因此，作为钢液的搅由于钢液在强烈搅拌下反应进行激烈，因此，作为钢液的搅拌手段发展了从炉底或从盛钢桶的底部吹送氢气，或利用真空拌手段发展了从炉底或从盛钢桶的底部
13、吹送氢气，或利用真空脱气装置在炉外对钢液进行精炼。这种炉外精炼或钢包精炼脱气装置在炉外对钢液进行精炼。这种炉外精炼或钢包精炼(总称二次精炼总称二次精炼)方法的开发，使转炉、电炉只起熔化炉的作用，方法的开发，使转炉、电炉只起熔化炉的作用，而钢质量的控制则通过炉外精炼的方法来实现，从而改变了传而钢质量的控制则通过炉外精炼的方法来实现，从而改变了传统的炼钢方法。还有，电渣重熔法已开始在生产上应用，等离统的炼钢方法。还有，电渣重熔法已开始在生产上应用，等离子精炼法等也正在大量投入生产。现在广为采用的子精炼法等也正在大量投入生产。现在广为采用的钢铁冶炼工钢铁冶炼工艺流程图如图艺流程图如图所示。所示。对冶
14、炼中基本反应的物理化学的研究是从本世纪对冶炼中基本反应的物理化学的研究是从本世纪2020年代开始年代开始的。将炉内的复杂反应分为各个基本反应，对各个反应的化学的。将炉内的复杂反应分为各个基本反应，对各个反应的化学热力学的研究，则是从热力学的研究，则是从4040年代起到年代起到6060年代进展最快，致使对炼年代进展最快，致使对炼铁炼钢反应的理解大为加深。氧气顶吹转炉的出现，促进了以铁炼钢反应的理解大为加深。氧气顶吹转炉的出现，促进了以热力学的研究到反应动力学、传质量论的研究。随着测试仪器、热力学的研究到反应动力学、传质量论的研究。随着测试仪器、电子计算机在现场的应用，为钢铁冶炼的合理化以及技术的
15、开电子计算机在现场的应用，为钢铁冶炼的合理化以及技术的开发提供了充分的依据。发提供了充分的依据。二、冶金质量分析及评价二、冶金质量分析及评价二、冶金质量分析及评价二、冶金质量分析及评价 钢冶金的主要研究对象是钢冶金的主要研究对象是:炼钢工艺过程的物理化学规律，炼钢工艺过程的物理化学规律，钢的凝固和质量，各种炼钢设备及其冶金效果。由于钢的质钢的凝固和质量，各种炼钢设备及其冶金效果。由于钢的质量主要取决于炼钢设备及其工艺操作过程，所以炼钢成为生量主要取决于炼钢设备及其工艺操作过程，所以炼钢成为生产流程中的中心环节，而冶金质量实际上是冶金质量和性能产流程中的中心环节，而冶金质量实际上是冶金质量和性能
16、质量的综合反应。质量的综合反应。金属材料金属材料(特别是钢铁特别是钢铁)在现阶段仍占重要地位。任何冶金在现阶段仍占重要地位。任何冶金产品都要达到一定的质量、技术标准。钢材的质量标准及评产品都要达到一定的质量、技术标准。钢材的质量标准及评价各国不尽相同，为了使本国产品打入国际市场，各国都在价各国不尽相同，为了使本国产品打入国际市场，各国都在参照采用或等同采用国际标准。我国当前就是要贯彻参照采用或等同采用国际标准。我国当前就是要贯彻GB/T19000-92(GB/T19000-92(等同采用等同采用ISO9000-87)ISO9000-87)系列质量标准，并以系列质量标准，并以国际标准的质量管理方
17、法和符合市场需要的高质量产品迎接国际标准的质量管理方法和符合市场需要的高质量产品迎接质量挑战质量挑战.只有按只有按ISO9000ISO9000系列标准完善质量体系，企业管理、系列标准完善质量体系，企业管理、生产技术水平和产品质量才能极大提高。生产技术水平和产品质量才能极大提高。钢材质量的分析往往是通过采用常规的及现代的手段、方法，钢材质量的分析往往是通过采用常规的及现代的手段、方法，测定各种性能测定各种性能(力学性能、理化性能、工艺性能和使用性能力学性能、理化性能、工艺性能和使用性能)来来反映钢的质量。而任何金属材料的性能都是其成分反映钢的质量。而任何金属材料的性能都是其成分工艺工艺组组织相互
18、关联的最后反映。对金属材料工作者来说，不但要了解织相互关联的最后反映。对金属材料工作者来说，不但要了解评价钢质量的性能质量指标，而且也要了解影响性能的冶炼质评价钢质量的性能质量指标，而且也要了解影响性能的冶炼质量评价指标。因为冶炼质量取决冶炼方法及工艺过程，因此，量评价指标。因为冶炼质量取决冶炼方法及工艺过程，因此，掌握冶炼质量评价指标乃是正确选择冶炼工艺路线、判定合理掌握冶炼质量评价指标乃是正确选择冶炼工艺路线、判定合理的工艺过程以及保证钢材性能的必要条件。而冶炼质量可以用的工艺过程以及保证钢材性能的必要条件。而冶炼质量可以用成分控制范围、纯洁度及铸态组织作为评价指标。一种质量合成分控制范围
19、、纯洁度及铸态组织作为评价指标。一种质量合格的冶金产品，成分应控制在最佳范围，纯洁度要高，铸态组格的冶金产品，成分应控制在最佳范围，纯洁度要高，铸态组织要求均匀、致密。特别是成分要控制准确、稳定和均匀。不织要求均匀、致密。特别是成分要控制准确、稳定和均匀。不但要缩小成分波动范围，还要控制微量元素含量，即在成分合但要缩小成分波动范围，还要控制微量元素含量，即在成分合格范围内，通过微调来控制质量。格范围内，通过微调来控制质量。随着科学技术的进步与发展，对钢材品种和质量都提出了随着科学技术的进步与发展，对钢材品种和质量都提出了更高的要求。这是因为许多在特殊场合下使用的钢件需要有更高的要求。这是因为许
20、多在特殊场合下使用的钢件需要有相应的性能保证，而且也都希望能经久耐用。根据实际需要，相应的性能保证，而且也都希望能经久耐用。根据实际需要，采用新技术，严格冶金操作，提高冶金质量以及不断研制新采用新技术，严格冶金操作，提高冶金质量以及不断研制新的钢种和合金以保证其使用要求，是金属材料专业工作者面的钢种和合金以保证其使用要求，是金属材料专业工作者面临的一个重要任务。要做好这方面的工作，需要有冶金和冶临的一个重要任务。要做好这方面的工作，需要有冶金和冶金质量分析与控制方面的知识做为基础，所以质量分析与控金质量分析与控制方面的知识做为基础，所以质量分析与控制的重要性是不言而喻的。制的重要性是不言而喻的
21、。三、冶金质量分析的意义三、冶金质量分析的意义三、冶金质量分析的意义三、冶金质量分析的意义 钢材在各个生产环节过程中，由于操作处理不当，会出现钢材在各个生产环节过程中，由于操作处理不当，会出现质量问题，即产生这种或那种缺陷。例如飞机推进器发生的质量问题，即产生这种或那种缺陷。例如飞机推进器发生的疲劳裂纹疲劳裂纹;高强钢高强钢37SiMnCrMoV37SiMnCrMoV的应力腐蚀开裂的应力腐蚀开裂;汽车大梁裂汽车大梁裂纹和制动刹断裂等，大多是由于原材料中存在冶金质量缺陷纹和制动刹断裂等，大多是由于原材料中存在冶金质量缺陷所致。这些质量问题一旦发生，必然会给人民生命财产带来所致。这些质量问题一旦发
22、生，必然会给人民生命财产带来严重威胁，给国民经济造成巨大损失。严重威胁，给国民经济造成巨大损失。为了提高和控制钢的质量，分析研究钢的冶金缺陷为了提高和控制钢的质量，分析研究钢的冶金缺陷的特征、性质及形成原因与控制具有重要的实际意义。的特征、性质及形成原因与控制具有重要的实际意义。(1)(1)为改进操作工艺提供依据为改进操作工艺提供依据 由质量分析结果，由质量分析结果，可以评定操作工艺是否正确，从而为改进工艺操作提可以评定操作工艺是否正确，从而为改进工艺操作提供依据。如钢中氧化物夹杂过量时将明显降低钢的性供依据。如钢中氧化物夹杂过量时将明显降低钢的性能，特别是塑性和韧性显著下降。通过质量分析，可
23、能，特别是塑性和韧性显著下降。通过质量分析，可采取合理的冶炼和浇铸工艺，选用适宜的脱氧剂及用采取合理的冶炼和浇铸工艺，选用适宜的脱氧剂及用量，并注意控制脱氧速度，缩短精炼时间，以及采用量，并注意控制脱氧速度，缩短精炼时间，以及采用真空或电渣冶炼等新技术，这不仅可提高钢的质量，真空或电渣冶炼等新技术，这不仅可提高钢的质量，而且也将增加钢的产量，提高生产率。而且也将增加钢的产量，提高生产率。(2)(2)提高成材率和节约金属材料提高成材率和节约金属材料 众所周知，镇静钢铸众所周知，镇静钢铸锭缩孔是常见的冶金缺陷，然而通过质量分析锭缩孔是常见的冶金缺陷，然而通过质量分析 ，选取合理的，选取合理的锭模形
24、状，采用保温和发热剂等技术，会使缩孔减小，并集锭模形状，采用保温和发热剂等技术，会使缩孔减小，并集中在钢锭的冒口部分，这样，在开坯时可按适当切头率将冒中在钢锭的冒口部分，这样，在开坯时可按适当切头率将冒口部分切除，从而减少切头损失，既提高成材率、又节约了口部分切除，从而减少切头损失，既提高成材率、又节约了金属材料。金属材料。(3)(3)提高钢材使用的安全可靠性提高钢材使用的安全可靠性 如结合我国自然资源如结合我国自然资源研制的铁基高温合金研制的铁基高温合金GH2036GH2036,其组织结构为奥氏体及碳化物，其组织结构为奥氏体及碳化物，主要用作喷气发动机涡轮盘材料。使用中曾因冶金质量问题，主要
25、用作喷气发动机涡轮盘材料。使用中曾因冶金质量问题，而发生过恶性事故。经钢件质量分析发现有而发生过恶性事故。经钢件质量分析发现有-Fe-Fe异金属夹杂异金属夹杂和分层等冶金缺陷。通过采用合理的冶炼和浇铸工艺，对原和分层等冶金缺陷。通过采用合理的冶炼和浇铸工艺，对原材料、装炉、造渣及发热剂添加等皆严格进行了俭查与操作，材料、装炉、造渣及发热剂添加等皆严格进行了俭查与操作，最后进行全面质量检验，严格控制钢材质量，从而保证了使最后进行全面质量检验，严格控制钢材质量，从而保证了使用过程中的安全可靠性。用过程中的安全可靠性。(4)(4)降低产品成本，提高经济效益降低产品成本，提高经济效益 通过质量分析，能
26、防止不通过质量分析，能防止不合格品流入后续工序或出厂，造成更大的浪费。同时还可及时合格品流入后续工序或出厂，造成更大的浪费。同时还可及时进行综合治理，使废次品得到合理使用。如钢中白点是不允许进行综合治理，使废次品得到合理使用。如钢中白点是不允许的缺陷，但通过锻轧等技术操作，可以改为他用。又如工具钢的缺陷，但通过锻轧等技术操作，可以改为他用。又如工具钢碳化物不均匀性破坏了金属的连续性，不但降低钢材的强度和碳化物不均匀性破坏了金属的连续性，不但降低钢材的强度和塑性，而且还会引起锻造开裂和热处理过烧等不允许的缺陷。塑性，而且还会引起锻造开裂和热处理过烧等不允许的缺陷。但通过质量分析，除在冶炼和浇铸过程中采取必要措施外，对但通过质量分析，除在冶炼和浇铸过程中采取必要措施外，对有质量缺陷的钢材可进行改锻，能使碳化物分布改善，从而减有质量缺陷的钢材可进行改锻，能使碳化物分布改善，从而减少了废品，使之得到合理使用。少了废品，使之得到合理使用。