本書為冶金行業職業技能培訓教材，是參照冶金行業職業技能標準和職業技能鑒定規范，根據冶金企業的生產實際和崗位群的技能要求編寫的，并經勞動和社會保障部職業培訓教材工作委員會辦公室組織專家評審通過。

全書內容分為4篇共16章：第1篇為鋼鐵材料知識，介紹鋼的分類、組織與性能、選用原則、結構與結晶、鐵碳合金相圖、熱處理和元素在鋼中的作用；第2篇為物理化學知識，介紹冶煉過程中所發生的各種物理化學現象；第3篇為煉鋼基本知識，介紹金屬熔體、熔渣的結構及其主要的物理化學性質；4篇為傳熱知識，介紹傳熱學基礎知識，并在此基礎上對氧氣頂吹轉爐和電弧爐的爐內傳熱進行簡單的分析。為便于讀者自學，各章均附有復習思考題。

本書也可作為職業技術院校相關專業的教材，或工程技術人員的參考用書。

緒 論

第1篇 鋼鐵材料知識

1 鋼的分類及性能

1.1 鋼的分類和牌號

1.1.1 碳素鋼的分類、牌號及用途

1.1.2 合金鋼的分類、牌號及用途

1.2 鋼的性能

1.2.1 鋼的力學性能

1.2.2 鋼的物理性能

1.2.3 鋼的化學性能

1.2.4 鋼的工藝性能

思考題

2 金屬結構與結晶

2.1 晶體的結構

2.1.1 晶體結構的概念

2.1.2 金屬晶格的類型

2.1.3 晶體結構的缺陷

2.2 金屬的結晶

2.2.1 純金屬的冷卻

2.2.2 純金屬的結晶

2.2.3 晶粒大小的控制

2.2.4 純鐵的同素異構轉變

思考題

3 鐵碳合金

3.1 合金組織

3.1.1 固溶體

3.1.2 金屬化合物

3.1.3 多相混合物

3.2 元合金相圖

3.2.1 二元合金相圖的建立

3.2.2 水平截線法則和杠桿定律

3.2.3 勻晶相圖

3.2.4 共晶相圖

3.3 鐵碳合金相圖

3.3.1 鐵碳合金中的基本相

3.3.2 鐵碳合金相圖分析

3.3.3 典型的鐵碳合金結晶過程及其組織

3.3.4 碳含量對鐵碳合金組織與性能的影響

3.3.5 鐵碳相圖的應用

思考題

4 鋼的熱處理

4.1 鋼在加熱和冷卻時的轉變

4.1.1 鋼在加熱時的轉變

4.1.2 鋼在冷卻時的轉變

4.2 鋼的退火和正火

4.2.1 退火

4.2.2 正火

4.2.3 退火與正火的選擇

4.3 鋼的淬火與回火

4.3.1 淬火

4.3.2 鋼的回火

4.4 鋼的表面處理

4.4.1 表面淬火

4.4.2 鋼的化學熱處理

思考題

5 鋼中元素作用

5.1 鋼中常存元素

5.1.1 碳的影響

5.1.2 錳的影響2100433B

造渣：調整鋼、鐵生產中熔渣成分、堿度和粘度及其反應能力的操作。目的是通過渣——金屬反應煉出具有所要求成分和溫度的金屬。例如氧氣頂吹轉爐造渣和吹氧操作是為了天生有足夠活動性和堿度的熔渣，以便把硫、磷降到計劃鋼種的上限以下，并使吹氧時噴濺和溢渣的量減至最小。

出渣：電弧爐煉鋼時根據不同冶煉條件和目的在冶煉過程中所采取的放渣或扒渣操作。如用單渣法冶煉時，氧化末期須扒氧化渣；用雙渣法造還原渣時，原來的氧化渣必須徹底放出，以防回磷等。

熔池攪拌：向金屬熔池供給能量，使金屬液和熔渣產生運動，以改善冶金反應的動力學條件。熔池攪拌可藉助于氣體、機械、電磁感應等方法來實現。

電爐底吹：通過置于爐底的噴嘴將N2、Ar、CO2、CO、CH4、O2等氣體根據工藝要求吹進爐內熔池以達到加速熔化，促進冶金反應過程的目的。采用底吹工藝可縮短冶煉時間，降低電耗，改善脫磷、脫硫操作，提高鋼中殘錳量，提高金屬和合金收得率。并能使鋼水成分、溫度更均勻，從而改善鋼質量，降低成本，提高生產率。

熔化期：煉鋼的熔化期主要是對平爐和電爐煉鋼而言。電弧爐煉鋼從通電開始到爐料全部熔清為止、平爐煉鋼從兌完鐵水到爐料全部化完為止都稱熔化期。熔化期的任務是盡快將爐料熔化及升溫，并造好熔化期的爐渣。

氧化期和脫炭期：普通功率電弧爐煉鋼的氧化期，通常指爐料溶清、取樣分析到扒完氧化渣這一工藝階段。也有認為是從吹氧或加礦脫碳開始的。氧化期的主要任務是氧化鋼液中的碳、磷；去除氣體及夾雜物；使鋼液均勻加熱升溫。脫碳是氧化期的一項重要操作工藝。為了保證鋼的純凈度，要求脫碳量大于0.2%左右。隨著爐外精煉技術的發展，電弧爐的氧化精煉大多移到鋼包或精煉爐中進行。

精煉期：煉鋼過程通過造渣和其他方法把對鋼的質量有害的一些元素和化合物，經化學反應選進氣相或排、浮進渣中，使之從鋼液中排除的工藝操作期。

還原期：普通功率電弧爐煉鋼操作中，通常把氧化末期扒渣完畢到出鋼這段時間稱為還原期。其主要任務是造還原渣進行擴散、脫氧、脫硫、控制化學成分和調整溫度。目前高功率和超功率電弧爐煉鋼操作已取消還原期。

爐外精煉：將煉鋼爐（轉爐、電爐等）中初煉過的鋼液移到另一個容器中進行精煉的煉鋼過程，也叫二次冶金。煉鋼過程因此分為初煉和精煉兩步進行。初煉：爐料在氧化性氣氛的爐內進行熔化、脫磷、脫碳和主合金化。精煉：將初煉的鋼液在真空、惰性氣體或還原性氣氛的容器中進行脫氣、脫氧、脫硫，去除夾雜物和進行成分微調等。將煉鋼分兩步進行的好處是：可提高鋼的質量，縮短冶煉時間，簡化工藝過程并降低生產成本。爐外精煉的種類很多，大致可分為常壓下爐外精煉和真空下爐外精煉兩類。按處理方式的不同，又可分為鋼包處理型爐外精煉及鋼包精煉型爐外精煉等。

鋼液攪拌：爐外精煉過程中對鋼液進行的攪拌。它使鋼液成分和溫度均勻化，并能促進冶金反應。多數冶金反應過程是相界面反應，反應物和天生物的擴散速度是這些反應的限制性環節。鋼液在靜止狀態下，其冶金反應速度很慢，如電爐中靜止的鋼液脫硫需30～60分鐘；而在爐外精煉中采取攪拌鋼液的辦法脫硫只需3～5分鐘。鋼液在靜止狀態下，夾雜物上浮除去，排除速度較慢；攪拌鋼液時，夾雜物的除去速度按指數規律遞增，并與攪拌強度、類型和夾雜物的特性、濃度有關。

鋼包喂絲：通過喂絲機向鋼包內喂進用鐵皮包裹的脫氧、脫硫及微調成分的粉劑，如Ca-Si粉、或直接喂進鋁線、碳線等對鋼水進行深脫硫、鈣處理以及微調鋼中碳和鋁等成分的方法。它還具有清潔鋼水、改善非金屬夾雜物形態的功能。

鋼包處理：鋼包處理型爐外精煉的簡稱。其特點是精煉時間短（約10～30分鐘），精煉任務單一，沒有補償鋼水溫度降低的加熱裝置，工藝操作簡單，設備投資少。它有鋼水脫氣、脫硫、成分控制和改變夾雜物形態等裝置。如真空循環脫氣法（RH、DH），鋼包真空吹氬法（Gazid），鋼包噴粉處理法（IJ、TN、SL）等均屬此類。

鋼包精煉：鋼包精煉型爐外精煉的簡稱。其特點是比鋼包處理的精煉時間長（約60～180分鐘），具有多種性能，有補償鋼水溫度降低的加熱裝置，適于各類高合金鋼和特殊性能鋼種（如超純鋼種）的精煉。真空吹氧脫碳法（VOD）、真空電弧加熱脫氣法（VAD）、鋼包精煉法（ASEA-SKF）、封閉式吹氬成分微調法（CAS）等，均屬此類；與此類似的還有氬氧脫碳法（AOD）。

惰性氣體處理：向鋼液中吹進惰性氣體，這種氣體本身不參與冶金反應，但從鋼水中上升的每個小氣泡都相當于一個“小真空室”（氣泡中H2、N2、CO的分壓接近于零），具有“氣洗”作用。爐外精煉法生產不銹鋼的原理，就是應用不同的CO分壓下碳鉻和溫度之間的平衡關系。用惰性氣體加氧進行精煉脫碳，可以降低碳氧反應中CO分壓，在較低溫度的條件下，碳含量降低而鉻不被氧化。

預合金化：向鋼液加進一種或幾種合金元素，使其達到成品鋼成分規格要求的操作過程稱為合金化。多數情況下脫氧和合金化是同時進行的，加進鋼中的脫氧劑一部分消耗于鋼的脫氧，轉化為脫氧產物排出；另一部分則為鋼水所吸收，起合金化作用。在脫氧操作未全部完成前，與脫氧劑同時加進的合金被鋼水吸收所起到的合金化作用稱為預合金化。

成分控制：保證成品鋼成分全部符合標準要求的操作。成分控制貫穿于從配料到出鋼的各個環節，但重點是合金化時對合金元素成分的控制。對優質鋼往往要求把成分精確地控制在一個狹窄的范圍內；一般在不影響鋼性能的條件下，按中、下限控制。

增硅：吹煉終點時，鋼液中含硅量極低。為達到各鋼號對硅含量的要求，必須以合金料形式加進一定量的硅。它除了用作脫氧劑消耗部分外，還使鋼液中的硅增加。增硅量要經過正確計算，不可超過吹煉鋼種所要求的范圍。

終點控制：氧氣轉爐煉鋼吹煉終點（吹氧結束）時使金屬的化學成分和溫度同時達到計劃鋼種出鋼要求而進行的控制。終點控制有增碳法和拉碳法兩種方法。

出鋼：鋼液的溫度和成分達到所煉鋼種的規定要求時將鋼水放出的操作。出鋼時要留意防止熔渣流進鋼包。用于調整鋼水溫度、成分和脫氧用的添加劑在出鋼過程中加進鋼包或出鋼流中。2100433B

煉鋼的基礎知識拉力試驗

按標準制備的拉力試樣，安裝在拉力試驗機的夾頭內，對試樣緩慢施加單軸向拉伸應力，直至試樣被拉斷為止的試驗稱作拉力試驗。

煉鋼的基礎知識強度

金屬材料在外力作用下，抵抗變形和斷裂的能力叫強度。強度指標包括：比例極限、彈性極限、屈服強度、抗拉強度等。 7．1．2比例極限 對金屬施加拉力，金屬存在著力與變形成直線比例的階段，而這個階段的最大極限負荷Pp除以試樣的原橫截面積即為比例極限，用 σ P表示。

煉鋼的基礎知識彈性極限

金屬受外力作用發生了變形，外力去掉后，能完全恢復原來的外形，這種變形稱為彈性變形。金屬能保持彈性變形的最大應力稱為 彈性極限，用σe表示。

煉鋼的基礎知識抗拉強度

試樣拉伸時，在拉斷前所承受的最大負荷除以原橫截面積所得的應力，稱作抗拉強度，用σb表示。當材料所受的外應力大于其抗拉 強度時，將會發生斷裂。因此σb越高，則表示它能承受愈大的外應力而不致于斷裂。 國外標準的結構鋼常按抗拉強度來分類，如SS400，其中400即表示σb的最小值為400MPa，超高強度鋼是指σb≥1373 Mpa的鋼。

煉鋼的基礎知識屈強比

屈強比即屈服強度與抗拉強度之比值（σS/σb）。屈服比值越高，則該材料的強度愈高，屈強比值愈低則塑性愈佳，沖壓成形性愈好。如深沖鋼板的屈強比值為≤0.65。 彈簧鋼一般均在彈性極限范圍內服役，受載荷時不應產生塑性變形，因此要求彈簧鋼經淬火、回火后具有盡可能高的彈性極限和 屈強比值（σS/σb≥0.90）此外疲憊壽命與抗拉強度及表面質量往往有很大關連。

煉鋼的基礎知識塑性

金屬材料在受力破壞前可以經受永久變形的性能稱為塑性。塑性指標通常用伸長率和斷面收縮率表示。伸長率與斷面收縮率越高，則 塑性越好。

從魚雷車運來的鐵水經過脫硫、擋渣等處理后即可倒進轉爐中作為主要爐料，另加10% 以下的廢鋼。然后，向轉爐內吹氧燃燒，鐵 水中的過量碳被氧化并放出大量熱量，當探頭測得達到預定的低碳含量時，即停止吹氧 并出鋼。一般在鋼包中需進行脫氧及調整成份操作；然后在鋼液表面拋上碳化稻殼防止鋼水被氧化，即可送往連鑄或模鑄工區。 對要求高的鋼種可增加底吹氬、RH真空處理、噴粉處理（噴Si—Ca粉及變性石灰）可以有效降低鋼中的氣體與夾雜，并有進一步降 碳及降硫的作用。在這些爐外精煉措施后還可以終極微調成份，滿足優質鋼材的需求。