碳钢生产工艺概述

碳钢生产工艺概述宝钢股份不锈钢事业部冷轧厂2009.6.15一、碳钢基础知识二、碳钢炼钢工艺及装备三、碳钢热轧工艺及装备四、碳钢冷轧工艺及装备主要内容1.碳钢定义碳钢也叫碳素钢，指含碳量w(C)小于2.11%的铁碳合金。碳钢除含碳外一般还有杂质元素Mn、Si（起固溶强化和脱氧的作用），S→热脆，P→冷脆，O、N、H→塑性、韧性↓。碳钢的特点:•冶炼加工容易•成本低,应用广•可热处理强化•回火稳定性差•淬透性差•基本相强度低,韧性差•不能满足特殊性能要求一、碳钢基础知识2.碳素钢的分类为了满足使用的需要，碳素钢有许多品种，为了生产、使用和管理必须对碳素钢进行分类并确定钢的牌号。碳素钢的分类：①.按钢中碳含量的多少分，可分为：•低碳钢w(C)≤0.25％•中碳钢0.25％＜w(C)≤0.6％•高碳钢w(C)＞0.6％②.按钢的质量分，可分为：•普通钢w(S)≤0.055％，w(P)≤0.045％•优质钢w(S)≤0.040％，w(P)≤0.040％•高级优质钢w(S)≤0.030％，w(P)≤0.035％③.按钢的用途分，主要有：•碳素结构钢•优质碳素结构钢•碳素工具钢•一般工程用铸造碳素钢件碳素结构钢用来制造各种工程构件和机器零件，碳素工具钢用来制造各种刀具、量具、模具。④.按炼钢时的脱氧程度分，可分为：•沸腾钢是脱氧不彻底的钢，代号F。•镇静钢是脱氧彻底的钢，代号Z。•半镇静钢是脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为b。•特殊镇静钢进行脱氧的钢，代号为TZ。3.碳素钢的钢号、命名方法和主要用途①.碳素结构钢这类钢主要用于各类工程，应用量很大。对这类钢通常是热轧后空冷供货。用户一般不需要再进行热处理而是直接使用。所以，这类钢的钢号主要是以其力学性能中的屈服点来命名。具体命名方法如下：标志符号Q+最小σs值—等级符号+脱氧程度符号。这类钢的标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q。等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号。也是按S、P杂质多少来分。以A、B、C、D四个符号代表四个等级。其中：A级w(S)≤0.05％，w(P)≤0.045％B级w(S)≤0.045％，w(P)≤0.045％C级w(S)≤0.04％，w(P)≤0.04％D级w(S)≤0.035％，w(P)≤0.035％这类钢中质量等级最高级（D级），达到了碳素结构钢的优质级。其余A、B、C三个等级均属于普通级范围。从这类钢的钢号中，人们可以直接知道钢的最低屈服点，质量等级和脱氧程度，用起来很方便。例如，Q235-AF，此钢σs≥235Mpa，质量等级为A级（S、P杂质含量较多），脱氧不充分的沸腾钢。这类钢中共分五个强度等级，见表5-3。这类钢适用于一般工程结构所需的热轧钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢等，可供焊接、铆接、栓接等构件使用。其中:Q195、Q215-A、Q215-B碳的含量较低、塑性好、强度低。一般用于螺钉、螺母、垫片、钢窗等强度要求不高的工件。Q235-A、Q255-A可用于农机具中不太重要的工件。如拉杆、小轴、链等。也可常用建筑钢筋、钢板、型钢等。Q235-B、Q255-B可作为建筑工程中质量要求较高的焊接构件。在机械中可用作一般的转动轴、吊钩、自行车架等。Q235-C、Q235-D质量较好，可作一些较重要的焊接构件及机件。Q255、Q275强度较高，可作摩擦离合器、刹车钢带等。牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275成分特点：低C，高S、P性能特点：冶炼容易工艺性好冶金质量差机械性能低使用状态：热轧空冷S＋F用途：工程结构件（钢板、钢筋、型钢等）普通机械零件（少）w(C)低时可用作焊接、铆接件等；重要零件用Q235C、Q235D日本牌号（JISG）SPHC、SPHD、SPHES—SteelP—PlateH—HeatC—一般用热轧钢板及钢带D—冲压用热轧钢板及钢带E—深冲用热轧钢板及钢带SS400S—表示钢，S—结构用，数值抗拉强度SM490A、S15CM—中碳，15—平均碳含量，C—优碳②.优质碳素结构钢这类钢中磷、硫等有害杂质含量较低，夹杂物也少，化学成分控制较严格，质量较好。常用于较为重要的机件。可以通过各种热处理调整零件的力学性能。出厂状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态。随用户需要而定。这类钢的钢号很简单，如，45表示该钢的wc=0.45％，即碳的质量分数为万分之四十五。这类钢中有三个钢号是沸腾钢，其钢号尾部标有F。如08F。这类钢中有些是锰的质量分数超出一般规定的锰杂质含量。其钢号尾部标有元素符号Mn。如65Mn。这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要误认为是合金钢。优质碳素结构钢总共有31个钢号。含有低碳钢、中碳钢和高碳钢。随着钢中的碳的质量分数的不同，具有不同的力学性能，可作重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。其中08F材料塑性好，常用来制作冷冲压零件。一般需要热处理。例如：08F钢碳的质量分数低塑性好，强度低。可用于各种冷变形加工成型件。10～25等低碳钢焊接性和冷冲压工艺性好，可用来制造各种标准件、轴套、容器等。也可通过适当热处理（渗碳、淬火、回火）制成表面高硬度、心部有较高韧度和强度的耐磨损耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴摩擦片、水泥钉等。45等中碳钢通过适当热处理（调质、表面淬火等）可获得良好的综合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好的零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的σe和屈强比，以及足够的韧性和耐磨性。可用于制造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等。牌号：08、10、15、20、……、75、80、85成分特点：w(C)：0.08%～0.85%C，S、P≯0.04%性能特点：冶金质量较好δ(ψ)、ak↑淬透性↓回火稳定性↓使用状态：使用前一般都要经过热处理（渗碳、淬火、回火等）用途：较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等③.碳素工具钢这类钢是碳的质量分数在0.65％～1.35％的碳素钢。主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高硬度、高耐磨性。分为优质级(w(S)≤0.03％，w(P)≤0.035％)和高级优质级（w(S)≤0.02％，w(P)≤0.03％）两大类。这类钢号命名的方法是：标志符号T加上碳的质量分数的千分值。如T10。T是碳字的汉语拼音字头。10表示w(C)=1.0％，即碳的质量分数千分之十。对于高级优质的碳素工具钢须在钢号尾部加“A”，如T10A。优质级的不加质量等级符号。这类钢锰的质量分数都严格控制在0.4％以下。个别钢为了提高其淬透性，锰的质量分数的上限扩大到0.6％，这时，该钢号尾部要表出元素符号Mn。如T8Mn以有别于T8。可用作制造各种刃具、量具、模具。牌号：T7T8T9……T12T13成分特点：高C(0.65%～1.35%)，低S、P性能特点：高H，工作温度低时有较好的耐磨性；工艺性好，淬透性低，热硬性差使用状态：锻造→球化退火→机加工→淬火+低温回火用途：尺寸小、形状简单、低速、硬度高的工具T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13韧性高硬度高T7、T8：冲头、凿子、锤子T9、T10、T11：钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具T12、T13：锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。④.一般工程用铸造碳素钢在工业生产中会遇到一些形状复杂的零件，不便锻压制成毛坯用锻压制成毛坯。而铸铁又保证了塑性的要求，这时可采用铸钢件。这类钢按GB11352-89规定了五个钢号，其命名方法是：标志符ZG+最低σs值-最低σb值。例如：ZG340-640。其中ZG是铸钢这两个字的汉语拼音的字头。前面数字340是指该钢的屈服强度（σ0.2）不小于340Mpa。后面的数字640是指该钢的抗拉强度（σb）不低于640Mpa。铸钢的铸造工艺差，易出现浇不到、缩孔严重、晶粒粗大等缺陷。为了提高钢液的流动性，浇注温度很高，但易使铸钢件中出现过热的魏氏组织。所谓魏氏组织是指在原来粗大的奥氏体晶粒内随温度下降而相变产生的粗大铁素体针。使钢的塑性、韧性变坏。魏氏组织可以通过完全退火得到消除。4.低合金结构钢（普通低合金钢）成分特点：低C(w(C)0.2%)、低合金(Wme3%)me的作用:①提高铁素体的强度②细化晶粒③增加珠光体比例，并使之细化④弥散强化⑤提高耐蚀性⑥脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能性能特点：①σ(σs)高，σs/σb高，减重20%～30%②具有良好的塑性和韧性③具有较高的冷加工成形性④具有良好的可焊性、耐蚀性用途：强度较高的工程结构件5.按制造加工形式分①.铸钢铸钢是指采用铸造方法而生产出来的一种钢铸件。铸钢主要用于制造一些形状复杂、难于进行锻造或切削加工成形而又要求较高的强度和塑性的零件②.锻钢锻钢是指采用锻造方法而生产出来的各种锻材和锻件。锻钢件的质量比铸钢件高，能承受大的冲击力作用，塑性、韧性和其他方面的力学性能也都比铸钢件高，所以凡是一些重要的机器零件都应当采用锻钢件③.热轧钢热轧钢是指用热轧方法而生产出来的各种热轧钢材。大部分钢材都是采用热轧轧成的，热轧常用来生产型钢、钢管、钢板等大型钢材，也用于轧制线材④.冷轧钢冷轧钢是指用冷轧方法而生产出来的各种冷轧钢材。与热轧钢相比，冷轧钢的特点是表面光洁、尺寸精确、力学性能好。冷轧常用来轧制薄板、钢带和钢管⑤.冷拔钢冷拔钢是指用冷拔方法而生产出来的各种冷拔钢材。冷拔钢的特点是：精度高、表面质量好。冷拔主要用于生产钢丝，也用于生产直径在50mm以下的圆钢和六角钢，以及直径在76mm以下的钢管铁矿石石灰石焦碳高炉转炉真空脱气精炼喷粉搅拌电磁搅拌连铸坯表面清除热轧酸洗涂油钢卷冷轧钢卷冷轧钢板冷轧钢卷彩涂钢卷冷轧钢卷电镀锌钢卷连退热镀锌罩式炉精整电解清洗横切线纵切线重卷线平整线连续彩涂线重卷线电镀锌线冷轧酸洗酸轧热轧炼钢的方法，一般可分为:转炉炼钢、平炉炼钢和电炉炼钢三种方法。炼钢目的：除去生铁中多余的碳和大量杂质元素，使其化学成分达到钢的要求。一般经过：•脱碳、脱磷、脱硫、脱氧；•去除有害气体和夹杂；•调温处理；•调整成分炼钢过程通过供氧、造渣、加合金、搅拌、升温等手段完成炼钢基本任务。氧气顶吹转炉炼钢过程，主要是降碳、升温、脱磷、脱硫以及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程，其工艺操作则是控制供氧、造渣、温度及加入合金材料等，以获得所要求的钢液，并浇成合格钢钢锭或铸坯。二、碳钢炼钢工艺及装备1.转炉炼钢法这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量（含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。氧气顶吹转炉炼钢法反应速度快，生产率高，不需要燃料,热效率高，成为冶金史上发展最迅速的新技术，并逐渐取代平炉成为炼钢方法的主流。转炉主体设备是实现炼钢工艺的主要设备，它由炉体（炉口、炉身和炉底）、炉体支撑装置和炉体倾动机构等组成。2.平炉炼钢平炉炼钢使用的氧化剂通入的空气和炉料里的氧化物，（废铁，废钢，铁矿石）。反应所需的热量是由燃烧气体燃料（高炉煤气，发生炉煤气）或液体燃料（重油）所提供。平炉炉体由上、下两部分组成。上部包括熔炼室、炉头，下部结构包括沉渣室、蓄热室、换向阀及排烟系统等。3.电炉炼钢利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧高温(通常5000℃~6000℃)加热和熔化金属，金属熔化后加入铁矿石、熔剂等，并吹氧，以加速钢中的碳、硅、锰、磷等元素的氧化。当碳、磷含量合格时，扒去氧化性炉渣．再加入石灰、萤石、电石、硅铁等造渣剂和还原剂，形成高碱度还原渣，脱去钢中的氧和硫。电弧炉的炉体由金属构件和耐火材料砌成的炉衬两部分组成，分为炉壳、炉盖、倾动机构、电极装置、炉顶装料系统、电炉电气设备等。连续铸钢钢水直接铸成接近最终产品尺寸的钢坯。这一想法经过一百多年的努力探索，终于使该技术在本世纪70年代开始大规模用于实际，并逐步形成了今天的连铸技术。主要设备由钢包、中间包、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却和铸坯导向装置、拉坯矫直装置、切割装置、出坯装置等部分组成。连铸机的机型及其特点按结晶