1、钢材的生产工艺和钢结构对钢材的要求 研究钢结构材料的意义 材料性能的研究意义 材料分为天然材料和人造材料两大类 自然界赋予了天然材料以组成 结构和天然属性 性能 人造材料则经历成分选择确定 制备工艺实施 达成相应组织结构 最终获得一定性能的完整过程 成分 工艺 结构和性能这四个材料链环中的环节被称为材料的四要素 成分的选择大致决定了可行的制备工艺 工艺则决定了结构 而结构又决定了性能 任何有关材料的研究 其终极目标都是应用 而材料应用的最基本要求是其某一方面 或几个方面 的性能达到规定要求 以满足工程需要 钢材的生产工艺 钢铁 是以Fe和C为主要组成元素 同时还含有Si Mn P S等杂质元素
2、的合金 包含生铁与钢 生铁 碳质量分数较高 wc 2 11 杂质元素的含量也较高的铁碳合金 生铁硬度高 性脆 很少直接使用 钢 碳的质量分数较低 wc 2 11 杂质元素的含量也较低的铁碳合金 钢一般具有较好的强韧性 是常用的金属材料 钢材 钢锭或钢坯经压力加工成各种形状规格的钢材 钢材的生产流程 炼铁 一 炼铁炼铁实质 是将铁从矿石中还原的过程炼铁方法 高炉炼铁炼铁原料 铁矿石 焦炭 溶剂等 钢材的生产流程 炼铁 原料铁矿石 是主要的炼铁原料 有磁铁矿 Fe3O4 赤铁矿 Fe2O3 褐铁矿 2Fe2O3 3H2O 菱铁矿 FeCO3 铁矿石中除铁的化合物外 还含有硅 锰 磷 硫等的化合物
3、这些统称为脉石焦炭 燃烧热为炼铁提供热源 不完全燃烧产生的CO气体作为还原剂 将铁从矿石中还原出来熔剂 石灰石 CaCO3 荧石 CaF2 其作用是与铁矿石中的脉石结合形成低熔点 密度小 流动性好的熔渣 使之与铁液分离 以便获得较纯净的生铁液 钢材的生产流程 高炉主要产品是生铁 副产品有炉渣和炉气生铁炼钢生铁 硅的质量分数较低 wSi1 25 3 2 断口呈灰黑色 用作铸造的原料 高炉 钢材的生产流程 炼钢 二 炼钢炼钢实质 是通过氧化降低生铁中的碳与杂质元素的含量 使之达到标准规定的成分和性能 炼钢原料 炼钢的原料有生铁 废钢 熔剂 石灰石等 脱氧剂 硅铁 锰铁 铝等 合金料等 炼钢过程 主
4、要包括氧化 造渣 脱氧等 炼钢方法 目前炼钢方法主要有氧气顶吹转炉炼钢和电炉炼钢等 氧气顶吹转炉炼钢 主要以生铁液为原料 加适量的废钢 其特点是生产率高 节省能源 成本低 适合于大型钢铁联合企业 主要生产各类普通用途的非合金钢 碳钢 钢材的生产流程 炼钢 氧气转炉炼钢电炉炼钢 电炉炼钢有电弧炉炼钢 感应炉炼钢等方法 常用的是电弧炉炼钢 它以转炉钢和废钢作原料 以铁矿石和纯氧作氧化剂 以电极与金属炉料间的电弧热提供冶炼热源 电弧炉冶炼温度高 可达2000 能冶炼含有高熔点合金元素的合金钢 由于采用的炉料较纯净 冶炼过程容易调节 化学成分易控制 能够冶炼高级优质钢和合金钢 但电弧炉炼钢耗电量大 成
5、本高 钢材的生产流程 电弧炉炼钢钢的浇注 钢液凝固成钢锭或钢坯的过程 根据钢脱氧程度不同 可分为镇静钢和沸腾钢 镇静钢 指脱氧充分的钢 镇静钢组织致密 性能较好 加工时需切除钢锭头部 使成材率下降沸腾钢 指脱氧不充分的钢 沸腾钢钢锭内多气孔 组织疏松 性能比镇静钢差 但成材率高 轧制的板材表面质量好半镇静钢 脱氧程度介于镇静钢与沸腾钢之间 钢的冶炼 炼钢将生铁中的碳量控制在一定范围内 清除有害元素S P O2 N2 同时保留或加入有益元素 Si Mn Ni Cr 并调整元素之间的比例 获得最佳性能 炼铁与炼钢 铁矿石在高炉中通过化学反应炼制成生铁 生铁碳含量高于2 其制品硬而耐磨 但很脆不易焊
6、接 钢的碳含量低于2 其制品具有良好的综合性能 炼钢将生铁中的碳量控制在一定范围内 清除有害元素S P O2 N2 同时保留或加入有益元素 Si Mn Ni Cr 并调整元素之间的比例 获得最佳性能 炼钢在1700 C进行 首先发生2Fe O2 2FeO在铁液中被C Mn Si还原 C FeO CO FeSi 2FeO SiO2 FeMn FeO MnO Fe生成气体作为废气排出 氧化物成为炉渣排出 最后加入脱氧剂脱氧 在适当的成分和温度下出钢 主要原料是废钢和铁水 造渣剂 石灰 萤石 氧化剂 铁矿石 脱氧剂 铁合金 炉气作为燃料 煤气 高炉焦炉的高炉煤气 重油天然气等 熔化阶段为使炉料尽快熔
7、化 需要消耗大量煤气提供热量 平炉炼钢 转炉炼钢 1 普通转炉炼钢 依靠炉底吹入空气将铁水中的碳 硅 锰 磷等元素氧化时产生的热来炼钢的 特点是周期短 生产效率高 氮的侵入 不能利用废钢 由于冶炼时间短 质量不好控制 所以不能冶炼优质钢 2 纯氧顶吹转炉炼钢 采用纯氧从碱性转炉口吹进铁水进行冶炼 原料为铁水 采用部分废钢做冷却剂 加入石灰 萤石除S P 用锰 硅或铝脱氧 3 电炉炼钢 废钢做原料 冶炼高质量钢的方法 平炉与转炉冶炼时都发生强氧化过程 合金元素烧损严重 电炉利用电能做热源 避免元素烧损 冶炼时杂质少 质量稳定 原材料消耗低 金属回收率高 转炉炼钢三种炼钢方法比较 具有不同的特点
8、并且钢中杂质含量不同 含碳量相同时三种钢的强度 伸长率无显著差别 但冲击韧性 冷脆性 焊接性不同 其中普通转炉钢最差 选材时对重要结构一般可用平炉 电炉或纯氧转炉冶炼 电弧炉 铁矿石生铁钢钢锭 型材 铸铁 轧制 挤压 拉拔 锻造等压力加工方法 1 生铁的冶炼原料 铁矿石燃料 焦炭熔剂 石灰石设备 高炉 2 钢的冶炼原料 生铁 废钢燃料 焦炭熔剂 石灰石 氧化剂 脱氧剂设备 电弧炉 钢板 型钢 钢管 钢铁材料的生产过程对比 钢材的生产流程 钢材 三 钢材生产钢材种类 有钢板 型钢 钢管 钢丝等 生产方法 主要有轧制 分冷轧与热轧 拉拔 挤压 锻造等方法 钢的轧制钢板 钢锭或钢坯轧制成钢板 钢板可
9、镀锌 镀锡 镀铅 塑料复合等表面处理中厚板 5mm 中板厚度为3 5mm 一般采用热轧薄板 的厚度小于3mm 坯料为热轧中厚板 采用冷轧钢带 成卷供应 采用冷轧 钢材的生产流程 钢材 型钢 采用型材轧机轧制而成 有圆钢 方钢 扁钢 六角钢 八角钢 工字钢 槽钢 角钢 T字钢等 普通型钢主要用于建筑 桥梁 车辆等 优质型钢主要用于机械零件 工具等钢丝 采用直径为6 9mm的热轧线材 盘条 拉拔而成 退火的低碳钢丝可用于捆扎物体 也可编织成各种用品 高碳钢丝可制成各种弹簧 或用多根钢丝捻成合股的钢丝绳和钢索 用于吊索 电线 电缆 固定物体等 钢材的生产流程 C型钢 H型钢 钢材的生产流程 钢材 H
10、型钢 高度H 宽度B 腹板厚度t1 翼板厚度t2 如H型钢Q235 SS400200 200 8 12表示为高200mm宽200mm腹板厚度8mm 翼板厚度12mm的宽翼缘H型钢 其牌号为Q235或SS400 热轧H型钢的表示方法 钢材的生产流程 钢管 无缝管与焊管无缝管 管采用斜轧穿孔机将实心钢坯穿孔后 再经冷拔或热轧而制成 无缝钢管主要用于石油 化工等行业有缝管 用钢板或钢带卷压成形 然后焊接而成 缝钢管应用广泛 主要用于自来水管 煤气管等 钢材的加工 热加工1150 1300摄氏度冷加工 冷作硬化 热处理 退火 正火 淬火 回火 钢结构对钢材性能的要求 钢结构在使用过程中常常需要在不同的环境和条件下承受各种荷载 所以对钢材的材料性能提出了要求 我国GB50017 2003 钢结构设计规范 中就具体规定 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度 伸长率 屈服强度和硫 磷含量的合格保障 对焊接结构还应具有碳含量的合格保证 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证 钢结构的种类繁多 性能差别很大 适用于承重结构的钢只有少数的几种 如碳素钢中的Q235 低合金钢中的Q345 Q390 Q420等牌号的钢材 钢结构对钢材性能的要求 一般用于钢结构的钢材必须具下列性能1 较高的强度2 较好的塑性 韧性3 良好的加工性能4 其他性能 适应低温 高温 抗腐蚀
