課簡(jiǎn)介程

《冶金質(zhì)量分析》是金屬材料和熱處理及相近專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。所介紹內(nèi)容主要包括:煉鋼的基本原理和過(guò)程反應(yīng);各種煉鋼方法的生產(chǎn)特點(diǎn)及其對(duì)鋼質(zhì)量的控制;提高鋼質(zhì)量的一些新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備;鋼的壓力加工原理及工藝制度對(duì)鋼質(zhì)量的影響;并有所側(cè)重地介紹鋼在上述生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的各種冶金質(zhì)量缺陷的形成原因及其對(duì)鋼材性能的影響。

2021/3/111通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，力圖使同學(xué)們達(dá)到以下目的:

1)了解鋼鐵生產(chǎn)的基本過(guò)程和主要冶金設(shè)備及常用方法。

2)初步掌握提高和控制鋼冶金質(zhì)量的主要途徑及先進(jìn)技術(shù)，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為從事新鋼種的研制打下一定的基礎(chǔ)。

3)培養(yǎng)具有分析冶金質(zhì)量的初步能力，基本掌握鋼的主要冶金缺陷的產(chǎn)生、特征、危害及預(yù)防知識(shí)。能較正確地評(píng)價(jià)鋼的冶金質(zhì)量和分析鋼的質(zhì)量問(wèn)題，能合理使用鋼材。

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緒論一、歷史與現(xiàn)狀隨著人類(lèi)的進(jìn)化，早在公元前7世紀(jì)的春秋中葉，我們的祖先就開(kāi)始使用由海綿鐵鍛成的鐵和利用滲碳得到的鋼。公元前6世紀(jì)中葉，我國(guó)在世界上首先掌握了生鐵鑄造的方法，使生鐵得到利用。公元前2世紀(jì)，我國(guó)利用鑄件或鑄鐵板退火脫碳避免石墨生成的辦法，生產(chǎn)了鋼質(zhì)鑄件，并將得到的鋼質(zhì)鑄件進(jìn)行熱加工鍛成器件，發(fā)明了生鐵制鋼的方法。在公元1世紀(jì)，我國(guó)又進(jìn)一步發(fā)明了炒鋼的煉鋼法，即將生鐵在煉爐內(nèi)熔化攪拌。通過(guò)氧化脫碳成為高碳鋼或低碳鋼(熟鐵)，然后鍛造除渣成形。這一方法的發(fā)明比西歐約早1800年。同時(shí)，我國(guó)還創(chuàng)造了將熟鐵與生鐵共同加熱，使后者滲入熟鐵板，然后進(jìn)行鍛造焊合及均勻化的方法，這樣得到的中、高碳鋼稱(chēng)為灌鋼或團(tuán)鋼。

2021/3/113由于生鐵的發(fā)現(xiàn)和鑄鐵的利用，炒鋼及其產(chǎn)品的發(fā)明，使我國(guó)煉鐵和煉鋼術(shù)在漢代及其后很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)(直至唐宋時(shí)期)一直居于世界領(lǐng)先地位。已出土的歷史文物和大量的考古發(fā)掘就是最好的鑒證。公元1世紀(jì)羅馬帝國(guó)的學(xué)者Pliny(公元23-79年)稱(chēng)贊中國(guó)出產(chǎn)的鋼質(zhì)量是舉世無(wú)雙的，他在《博物志》中說(shuō)，當(dāng)時(shí)歐洲市場(chǎng)上，“雖然鋼鐵種類(lèi)很多，但沒(méi)有一種能和從中國(guó)來(lái)的鋼相媲美”。2021/3/114我國(guó)近代的鋼鐵工業(yè)，最初有1894年張之洞建立的漢陽(yáng)鐵廠和漢冶萍公司。由于封建社會(huì)的腐朽沒(méi)落束縛了生產(chǎn)力，冶金技術(shù)從明代以后沒(méi)有能在我國(guó)得到發(fā)展。以致從1890年到1948年間，全國(guó)鋼的總產(chǎn)量只有760萬(wàn)t,1949年鋼的產(chǎn)量為15.8萬(wàn)t。新中國(guó)成立后，我國(guó)鋼鐵工業(yè)才開(kāi)始較快地發(fā)展，幾十年來(lái)已形成相當(dāng)?shù)囊?guī)模,1995年的鋼產(chǎn)量已近1億t，相當(dāng)于1949年的六百多倍，2005年，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到3.45億，較上一年增長(zhǎng)26%，2008年，我國(guó)鋼產(chǎn)量大約為5億t。同時(shí)我國(guó)和世界上一些主要產(chǎn)鋼國(guó)(美國(guó)、日本、俄國(guó))在鋼鐵冶金技術(shù)上和產(chǎn)品質(zhì)量上的差距也在迅速縮小。

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近代鋼鐵冶金技術(shù)的發(fā)展雖然可追溯到1740年霍茨曼(Huntsman)的坩堝煉鋼法，但是作為普遍的技術(shù)而開(kāi)展起來(lái)，卻是在1856年貝塞麥(Bessemer)酸性轉(zhuǎn)爐法及1864年西門(mén)子(Siemens)兄弟、馬丁(Martin)父子等的平爐煉鋼法相繼成功之后，近代煉鋼技術(shù)才得以發(fā)展。1878年托馬斯(Thoomas)開(kāi)創(chuàng)了堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法，使得在煉鋼過(guò)程中能夠脫磷和脫硫。1899年赫勞特(Heroult)等人發(fā)明了使用電能的電弧爐煉鋼法，使其在特種鋼熔煉等領(lǐng)域內(nèi)占有了獨(dú)特的地位。

2021/3/116從本世紀(jì)50年代起，鋼鐵冶煉技術(shù)的進(jìn)步很快，開(kāi)發(fā)了很多新技術(shù)，使鋼鐵冶煉的整個(gè)領(lǐng)域發(fā)生了重大變化。如煉鐵高爐的容量逐漸大型化，出現(xiàn)了有效容積5000m3級(jí)的高爐，加強(qiáng)了預(yù)處理環(huán)節(jié)，如篩選爐料，使用自熔性燒結(jié)礦和球團(tuán)礦等，還有對(duì)鼓風(fēng)技術(shù)的改進(jìn)，如高溫鼓風(fēng)、富氧、鼓風(fēng)調(diào)濕等，后者是在從風(fēng)口噴吹燃料時(shí)進(jìn)行干燥鼓風(fēng)的。進(jìn)而實(shí)施了由風(fēng)口噴吹燃料，并進(jìn)行高壓操作。檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)控制使操作合理化，顯著提高了高爐的穩(wěn)定操作和生產(chǎn)率。就煉鋼技術(shù)來(lái)看，以廉價(jià)工業(yè)氧的利用為起點(diǎn)，氧氣冶煉法迅速得到普及和發(fā)展。在平爐和電護(hù)上用氧之后，使得脫碳達(dá)到以往的礦石法難以想像的超低碳水平，這是冶煉超低碳鋼不可缺少的措施，此外，還能顯著降低燃料電力單耗和提高生產(chǎn)率。后在轉(zhuǎn)爐上也應(yīng)用了氧，于1952年在奧地利發(fā)明了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法(LD法)，氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐克服了以往轉(zhuǎn)爐的缺點(diǎn)，同時(shí)兼有設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，從而使得這種煉鋼法代替平爐法成為煉鋼的主流。最近又開(kāi)發(fā)了氧氣底吹轉(zhuǎn)爐法，因其本身所具有的各種特點(diǎn)而受到很大重視。

2021/3/117從鋼鐵產(chǎn)量的變遷看出，粗鋼產(chǎn)量即使上升，電爐鋼也一直占總產(chǎn)量的15%--20%，其中主要是用赫勞特式電爐熔煉的。使用了超高功率（UHP)，使得熔煉速度加快，爐的容積變大。由于熔池需要攪拌，所采用的電磁攪拌等生產(chǎn)設(shè)備也得到改進(jìn)。

另外。引進(jìn)了真空技術(shù)，開(kāi)發(fā)了各種真空熔煉法。這些方法防止了熔煉過(guò)程中空氣污染鋼液，不僅為熔煉特殊用途的高級(jí)材料和大型鍛鋼產(chǎn)品開(kāi)辟了獨(dú)特的領(lǐng)域，也使真空下以至減壓下的脫氣、精煉和鑄錠技術(shù)得以發(fā)展，并作為積極降低鋼液中氫含量的手段而解決了白點(diǎn)問(wèn)題。此外，隨著非金屬夾雜物的降低，也大有助于鋼材質(zhì)量的改善。

作為提高鋼材成品率的手段，開(kāi)發(fā)了連鑄法，其發(fā)展已進(jìn)入了正軌，適用的鋼種也得以擴(kuò)大。加上設(shè)備大型化和高速化，在處理量上已可以和傳統(tǒng)的鑄錠競(jìng)爭(zhēng)。

2021/3/118由于鋼液在強(qiáng)烈攪拌下反應(yīng)進(jìn)行激烈，因此，作為鋼液的攪拌手段發(fā)展了從爐底或從盛鋼桶的底部吹送氫氣，或利用真空脫氣裝置在爐外對(duì)鋼液進(jìn)行精煉。這種爐外精煉或鋼包精煉(總稱(chēng)二次精煉)方法的開(kāi)發(fā)，使轉(zhuǎn)爐、電爐只起熔化爐的作用，而鋼質(zhì)量的控制則通過(guò)爐外精煉的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而改變了傳統(tǒng)的煉鋼方法。還有，電渣重熔法已開(kāi)始在生產(chǎn)上應(yīng)用，等離子精煉法等也正在大量投入生產(chǎn)?，F(xiàn)在廣為采用的鋼鐵冶煉工藝流程圖如圖所示。

對(duì)冶煉中基本反應(yīng)的物理化學(xué)的研究是從本世紀(jì)20年代開(kāi)始的。將爐內(nèi)的復(fù)雜反應(yīng)分為各個(gè)基本反應(yīng)，對(duì)各個(gè)反應(yīng)的化學(xué)熱力學(xué)的研究，則是從40年代起到60年代進(jìn)展最快，致使對(duì)煉鐵煉鋼反應(yīng)的理解大為加深。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的出現(xiàn)，促進(jìn)了以熱力學(xué)的研究到反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、傳質(zhì)量論的研究。隨著測(cè)試儀器、電子計(jì)算機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，為鋼鐵冶煉的合理化以及技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供了充分的依據(jù)。2021/3/1192021/3/1110二、冶金質(zhì)量分析及評(píng)價(jià)

鋼冶金的主要研究對(duì)象是:煉鋼工藝過(guò)程的物理化學(xué)規(guī)律，鋼的凝固和質(zhì)量，各種煉鋼設(shè)備及其冶金效果。由于鋼的質(zhì)量主要取決于煉鋼設(shè)備及其工藝操作過(guò)程，所以煉鋼成為生產(chǎn)流程中的中心環(huán)節(jié)，而冶金質(zhì)量實(shí)際上是冶金質(zhì)量和性能質(zhì)量的綜合反應(yīng)。

金屬材料(特別是鋼鐵)在現(xiàn)階段仍占重要地位。任何冶金產(chǎn)品都要達(dá)到一定的質(zhì)量、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。鋼材的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)各國(guó)不盡相同，為了使本國(guó)產(chǎn)品打入國(guó)際市場(chǎng)，各國(guó)都在參照采用或等同采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)當(dāng)前就是要貫徹GB/T19000-92(等同采用ISO9000-87)系列質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量管理方法和符合市場(chǎng)需要的高質(zhì)量產(chǎn)品迎接質(zhì)量挑戰(zhàn).只有按ISO9000系列標(biāo)準(zhǔn)完善質(zhì)量體系，企業(yè)管理、生產(chǎn)技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量才能極大提高。

2021/3/1111鋼材質(zhì)量的分析往往是通過(guò)采用常規(guī)的及現(xiàn)代的手段、方法，測(cè)定各種性能(力學(xué)性能、理化性能、工藝性能和使用性能)來(lái)反映鋼的質(zhì)量。而任何金屬材料的性能都是其成分—工藝—組織相互關(guān)聯(lián)的最后反映。對(duì)金屬材料工作者來(lái)說(shuō)，不但要了解評(píng)價(jià)鋼質(zhì)量的性能質(zhì)量指標(biāo)，而且也要了解影響性能的冶煉質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。因?yàn)橐睙捹|(zhì)量取決冶煉方法及工藝過(guò)程，因此，掌握冶煉質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)乃是正確選擇冶煉工藝路線、判定合理的工藝過(guò)程以及保證鋼材性能的必要條件。而冶煉質(zhì)量可以用成分控制范圍、純潔度及鑄態(tài)組織作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。一種質(zhì)量合格的冶金產(chǎn)品，成分應(yīng)控制在最佳范圍，純潔度要高，鑄態(tài)組織要求均勻、致密。特別是成分要控制準(zhǔn)確、穩(wěn)定和均勻。不但要縮小成分波動(dòng)范圍，還要控制微量元素含量，即在成分合格范圍內(nèi)，通過(guò)微調(diào)來(lái)控制質(zhì)量。2021/3/1112

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)鋼材品種和質(zhì)量都提出了更高的要求。這是因?yàn)樵S多在特殊場(chǎng)合下使用的鋼件需要有相應(yīng)的性能保證，而且也都希望能經(jīng)久耐用。根據(jù)實(shí)際需要，采用新技術(shù)，嚴(yán)格冶金操作，提高冶金質(zhì)量以及不斷研制新的鋼種和合金以保證其使用要求，是金屬材料專(zhuān)業(yè)工作者面臨的一個(gè)重要任務(wù)。要做好這方面的工作，需要有冶金和冶金質(zhì)量分析與控制方面的知識(shí)做為基礎(chǔ)，所以質(zhì)量分析與控制的重要性是不言而喻的。

三、冶金質(zhì)量分析的意義

鋼材在各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)過(guò)程中，由于操作處理不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，即產(chǎn)生這種或那種缺陷。例如飛機(jī)推進(jìn)器發(fā)生的疲勞裂紋;高強(qiáng)鋼37SiMnCrMoV的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂;汽車(chē)大梁裂紋和制動(dòng)剎斷裂等，大多是由于原材料中存在冶金質(zhì)量缺陷所致。這些質(zhì)量問(wèn)題一旦發(fā)生，必然會(huì)給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。

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為了提高和控制鋼的質(zhì)量，分析研究鋼的冶金缺陷的特征、性質(zhì)及形成原因與控制具有重要的實(shí)際意義。

(1)為改進(jìn)操作工藝提供依據(jù)由質(zhì)量分析結(jié)果，可以評(píng)定操作工藝是否正確，從而為改進(jìn)工藝操作提供依據(jù)。如鋼中氧化物夾雜過(guò)量時(shí)將明顯降低鋼的性能，特別是塑性和韌性顯著下降。通過(guò)質(zhì)量分析，可采取合理的冶煉和澆鑄工藝，選用適宜的脫氧劑及用量，并注意控制脫氧速度，縮短精煉時(shí)間，以及采用真空或電渣冶煉等新技術(shù)，這不僅可提高鋼的質(zhì)量，而且也將增加鋼的產(chǎn)量，提高生產(chǎn)率。2021/3/1114

(2)提高成材率和節(jié)約金屬材料眾所周知，鎮(zhèn)靜鋼鑄錠縮孔是常見(jiàn)的冶金缺陷，然而通過(guò)質(zhì)量分析，選取合理的錠模形狀，采用保溫和發(fā)熱劑等技術(shù)，會(huì)使縮孔減小，并集中在鋼錠的冒口部分，這樣，在開(kāi)坯時(shí)可按適當(dāng)切頭率將冒口部分切除，從而減少切頭損失，既提高成材率、又節(jié)約了金屬材料。

(3)提高鋼材使用的安全可靠性如結(jié)合我國(guó)自然資源研制的鐵基高溫合金GH2036,其組織結(jié)構(gòu)為奧氏體及碳化物，主要用作噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)材料。使用中曾因冶金質(zhì)量問(wèn)題，而發(fā)生過(guò)惡性事故。經(jīng)鋼件質(zhì)量分析發(fā)現(xiàn)有α-Fe異金屬夾雜和分層等冶金缺陷。通過(guò)采用合理的冶煉和澆鑄工藝，對(duì)原材料、裝爐、造渣及發(fā)熱劑添加等皆嚴(yán)格進(jìn)行了儉查與操作，最后進(jìn)行全面質(zhì)量檢驗(yàn)，嚴(yán)格控制鋼材質(zhì)量，從而保證了使用過(guò)程中的安全可靠性。

2021/3/1115(4)降低產(chǎn)品成本，提