钢材的冶炼与分类

第一节　钢材的冶炼与分类

钢材是在严格的技术控制条件下生产的材料，与非金属材料相比，具有质量均匀稳定、强度高、塑性韧性好、可焊接和铆接等优异性能。钢材主要的缺点是易锈蚀，维护费用大，耐火性差，生产能耗大。

一、钢的冶炼

铁矿石主要由铁－氧化合物和脉石组成，钢铁生产的第一步就是将铁－氧化合物分离，即铁矿还原。根据还原步骤不同，炼钢主要分为两种：

1.高炉－转炉炼钢

高炉－转炉炼钢法是最常见的炼钢法。铁矿石、焦炭（燃料）和石灰石（熔剂）等在高炉中经高温熔炼而分离，还原出生铁。生铁的主要成分是铁，但含有较多的碳和硫、磷、硅、锰等杂质，杂质使得生铁的性质硬而脆，塑性很差，抗拉强度低，使用受到很大限制。

炼钢的目的是将生铁的含碳量降至2%以下，并使磷、硫等杂质含量降至一定范围内，从而显著改善其技术性能。氧气转炉炼钢法是从空气转炉炼钢法的基础上发展起来的先进方法，采用无氮高压纯氧以大约1.2 MPa的压力从转炉顶部（或底部）吹入炉内，把铁水中的铁氧化成氧化铁，把碳氧化成一氧化碳，然后其他杂质元素被迅速氧化去除。氧气转炉炼钢法生产效率高，成本低廉，可以生产出低磷、低硫、低氮钢种，是目前占比重最大的炼钢工艺。

2.电炉炼钢

电炉炼钢法以电能为热源来进行熔炼，按设备的不同主要分电弧炉和感应电炉，其中约90%以上的电炉钢是由电弧炉生产的。电炉一般采用100%的废钢和海绵铁（直接还原铁）炼钢。电炉熔炼温度高，可实现自动化操作，但由于能耗高、成本高，电炉主要用来生产各种合金钢和特种钢。近年来，由于电炉大型化，能耗、投资成本也显著降低，电炉炼钢法已经适用于生产各种不同钢种，包括大批量生产碳钢。

3.其他炼钢工艺

真空或非真空感应炉、电子束熔炼炉和等离子体加热炉也常用来生产超高洁净度及特种钢。19世纪末开发的平炉炼钢法主要是为了大规模重熔废铁，由于生产能力低，生产流程不够灵活，目前已被逐渐取代。

钢的冶炼过程是杂质成分的热氧化过程，炉内为氧化气氛，故炼成的钢水中会含有一定量的氧化铁，这对钢的质量不利。为消除这种不利影响，在炼钢结束时应加入一定量的脱氧剂（常用的有锰铁、硅铁和铝锭），使之与氧化铁作用而将其还原成铁，此称“脱氧”。脱氧减少了钢材中的气泡并克服了元素分布不均的缺点，故能明显改善钢的技术性质。

在铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度大于固相，这些元素便向凝固较迟的钢锭中心集中，导致化学成分在钢锭中分布不均匀，这种现象称为化学偏析，其中尤以硫、磷偏析最为严重。偏析现象对钢的质量有很大影响。

二、钢的分类

1.按化学成分分类

按照GB／T　13304.2—2008《钢分类》，根据合金元素含量对钢进行以下分类：

（1）非合金钢。其合金元素含量较少，按照质量等级和主要性能分类，可分为普通质量、优质和特殊质量三个等级。土木工程用钢主要为普通质量和优质非合金钢，其中普通质量低碳结构钢板和钢带、碳素结构钢、碳素钢筋钢、锚链用钢等属于普通质量非合金钢；碳素结构钢、桥梁用钢、工程结构用铸造碳素钢、预应力及混凝土钢筋用钢属于优质非合金钢。

（2）低合金钢。按照质量等级和主要性能分类，可将其分为普通质量、优质和特殊质量低合金钢三个等级。其中一般低合金钢筋钢（GB　1499.2中的所有牌号）属于普通质量低合金钢，预应力混凝土用钢（30MnSi）属于特殊质量低合金钢。

（3）合金钢。按照不同特性及用途，主要分为优质和特殊质量合金钢两个等级。一般结构用钢和合金钢筋钢（GB／T　20065中的钢）属于优质合金钢，预应力用钢（YB／T　4160中的合金钢）属于特殊质量合金钢。

2.按冶炼时脱氧程度分类

按冶炼时脱氧的程度分类，可分为以下四种：

（1）沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全。这种钢水铸锭时，会有大量的CO气体外逸，钢水呈沸腾状，故称沸腾钢，代号为“F”。沸腾钢的收得率大，成本低，但组织不够致密，表面质量好，内部质量不均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，多为低碳钢，常被用于一般建筑工程。

（2）镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢，代号为“Z”。镇静钢收得率低，成本较高，但组织致密，成分均匀，性能稳定，适用于预应力混凝土等重要的结构工程。优质钢和合金一般都为镇静钢。

（3）半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“b”。

（4）特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，质量最好，适用于特别重要的结构工程，代号为“TZ”。

3.按用途分类

（1）结构钢。主要用作工程结构构件及机械零件的钢。

（2）工具钢。主要用于各种刀具、量具及模具的钢。

（3）特殊钢。具有特殊物理、化学或机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等。

三、建筑用钢

建筑钢材产品一般分为型材、板材、线材和管材等几类。型材包括钢结构用的角钢、工字钢、槽钢、方钢、吊车轨、钢板桩等；线材包括钢筋混凝土和预应力混凝土用的钢筋、钢丝和钢绞线等；板材包括用于建造房屋、桥梁及建筑机械的中厚钢板，用于屋面、墙面、楼板等的薄钢板；管材主要用于钢桁架和供水、供气（汽）管线等。