钢铁生产与质量控制：国内现状与新兴工艺趋势解析

钢铁是工业的粮食，其生产能力和质量能力关系国计民生。历史上，中国和外国在不断革新材料、改进工艺方面相对独立。今天我们讲的是我们国内最广泛、最常见的钢铁生产和质量控制。

1.冶炼

1、钢厂冶炼工艺流程大同小异，我们先选厂家用的比较多的：配料→EBT电炉冶炼粗精炼→LF钢包精炼→VD真空脱气→连铸/成型→钢坯/锭缓冷。目前国内正在兴起一种新工艺，EBT电炉冶炼获得粗钢水正在被中频感应炉替代，这种趋势越来越被行业接受和认可。

（1）钢的冶炼从配料开始。钢的基本元素是Fe，因此获得废钢或铁矿石是炼钢的基础。铁矿石在高炉中冶炼成铁水，铁水运到大型转炉或电炉进行粗炼，这是正常的流程。由于采购渠道、运营成本、产品种类、订单量等限制，只有一些大型国有企业和超强民营企业才有能力消化。因此，国内大部分中小型钢厂都选择采购门槛低、国内库存量大、质量控制简单的废钢来冶炼。废钢分类管理是低成本炼出一炉好钢的基本功。工矿企业退役重型设备拆下来的废钢，经过初步冶炼净化，只要除油、除锈，在电炉厂家进行二次冶炼净化，可以更节省成本，质量也更容易控制。 薄的废钢不仅油污、铁锈难除，而且含有大量油漆等难以去除的杂质，给冶炼带来困难，所以废钢以中、重型废钢为主，并配以薄料缓冲炉底，防止炉底损坏，并迅速熔化炉顶形成熔池，防止能源浪费。可以说各有特色，按比例装入炉内。电炉通过巨大的高温电弧光熔化废钢，烧损量大，废钢回收率是钢铁企业重点考核的成本指标，中频感应炉通过电磁感应线圈加热熔体，比电炉相对封闭，所以其废钢冶炼回收率很高，所以按最低成本执行，只要废钢块尺寸能进炉口，经核实废钢成分符合生产计划要求，就是中频炉的目标原料。 渣钢、碎料、刨花，只要成本低，资源广，都是中频炉的菜。但是管理都一样，电炉废钢如果管理不好，成本也是很高的。中频炉废钢管理好，供应商控制好，后期处理好，也能得到媲美电炉的钢液。成分的控制现在主要靠取样分析，切样做光谱，现场用光谱仪看谱线，手持光谱仪，便携式推拉光谱仪，迷你熔炼坩埚等，但每一种方法都不能完全保证废钢100%符合成分和块重要求。

（2）EBT/中频炉一次冶炼。在生产计划指导下，配料料罐可送入电炉/中频炉进行熔炼。电炉由旧式三段炼钢（熔化期-氧化期-还原期）改为熔炼、氧一体化阶段。主要功能有：

①将废钢熔化，产生浮在表面的熔渣，保护电弧和钢水；

②早期低温阶段对钢水进行脱磷（在炼钢的低温环境下，磷只能和石灰结合上浮至渣池，若温度继续升高，磷又会溶解回钢水中，只有磷渣适时大量从炉口排出，达到要求的含量，温度才能继续升高；若不能在低温阶段尽快完成脱磷任务，基础不牢，后期后患无穷）；

③初渣不断吸收、聚集熔化的废钢中的杂质；

④从炉口向钢水池内不断吹氧气，脱碳，保持良好的氧化气氛；

一旦这些工作完成，温度合适，成分满足炼钢条件，就可以转入下一个工序，LF精炼。

l 此环节需要注意：①磷含量（后期精炼会因为耐火材料、合金或炉渣中含磷而再次增磷，所以必须提前预留空间），②出钢温度，③出钢量，④成分控制及残余元素含量

中频炉只负责熔化钢水，无法完成电炉的脱磷工作。因此中频炉厂家只能根据自己的产品定位寻找匹配的废钢供应商，否则[P]就会失控。这也是区分中频炉和电炉冶炼最简单的方法。

（3）LF炉外精炼，主要作用为：

①制成还原渣，通过添加造渣材料将原来的氧化渣改质为还原渣，降低钢水中的饱和氧，钢水与渣在渣界面不断发生置换反应，使钢水由氧化状态变成还原状态；

②初炼钢水一到，即从钢包底部通入氩气，整个精炼过程都伴随着吹氩，钢水中的氩气形成气泡，将钢水中的夹杂物吸附在气泡壁上，残余的氢、氧、氮则充入氩气泡中，从钢水中带走进入炉渣中；

③脱硫，此工序要求尽可能在高温下熔化，而充分脱硫在钢的冶炼过程中是比较容易的；

④白渣的维持。足够的还原渣要求渣料和温度保持稳定。反应过度或不良都会造成钢中夹杂物过多。只有将白渣保持一定的时间，才能保证钢的纯净度。

⑤成分微调：此阶段，初级炼钢钢水的准备已充分，根据生产计划，调整成分，添加合金、碳，最终达到合格的成分范围；

当成分合格，温度合适时，即可进行最终脱氧，并进入下一道工序VD真空脱气。

l 此环节需要注意：①硫、磷含量，②出钢温度，③成分控制

（4）VD真空脱气，主要功能为：

①脱气，抽真空至工艺目标值，全程同步通氩气，让钢水在真空中沸腾，此为最后的脱气与去除夹杂物；

如果温度合适，可以保证抽真空时间，抽真空时间到后，可以开盖破真空，破真空后静压软吹，冶炼出最终成品钢液，浇注。光谱仪+碳硫仪+气体分析仪/气体在线检测仪

l 此环节需要注意：①构件烧损，②出钢温度，③液面不得露出，④钢中残留气体含量，⑤不得吊起及二次氧化，⑥保持液面温热，争取时间防止过冷

（5）连铸/浇注。无论连铸还是浇注，都必须控制浇注温度和浇注速度。钢锭的质量30%取决于炼钢，70%取决于浇注。浇注的前期准备工作非常重要。浇注系统所用耐火材料的质量、内部清洁度对钢水的纯净度影响很大。操作时，没有标准可依，只有经验丰富的铸工才能根据喷注流量的实时情况，调整喷嘴的大小，控制流量和流速。冒口部分由于钢液结晶的固有规律，要求速度非常慢，以保证锭体能够不断回填和补给。我们下游行业常见的偏析、疏松或缩孔等缺陷，都是在这个阶段形成的。光谱+碳硫分析仪

l 此环节需要注意：①板材、锭模温度等前期准备工作，②开始浇注温度，③保护渣的均匀扩散，④浇注速度，⑤锭模内液面平稳上升，⑥水口结瘤不被冲入钢水中，⑦冒口充型时间，⑧冒口保温及周围环境温度

2.锻造

1、钢锭浇注并缓慢冷却后，内部粗铸组织非常粗糙，心部很可能存在许多缺陷或微裂纹。加热锻造的责任是改善内部质量，打散、焊合原结晶阶段形成的偏析、疏松区；通过外力将粗铸组织打碎、压碎、细化、均质化。不同成分的钢锭经不同工艺缓慢冷却（退火）后，对钢锭进行修整（打磨飞边、棱角、角度过大的冒口线、伤痕、气泡、缺肉等表面缺陷，避免加热后压入锻造材料中的前表面缺陷/裂纹等缺陷），然后才能运送到加热炉加热。加热过程控制需要特别注意，因为材料的最终锻造质量取决于温度。 当到了锻造阶段，如果加热保温状态与工艺状态偏差过大，那么即使有再好的工艺，也很难发挥作用。

（1）加热：设备包括加热炉和连续炉。加热炉加热效果好，能很好的控制装料量、过火间隙、合理的装料方式，并有三级或五级预热设计，满足特殊工艺，但周转慢，效率低。连续炉速度快，装料量大，效率高，易产生正反面。正反面加热是材料变形后产生各种缺陷的重要原因。

（2）镦粗：镦粗是为了改善钢锭心部难变形区域并增大变形量，保证力传递到心部，同时在拉拔过程中打碎心部不易变形的粗大铸造晶粒；经镦粗后拉拔的原材料，具有较大的变形量，还能较大程度地焊合枝晶偏析区、等轴晶区因自然结晶而产生的偏析、疏松缺陷，保证最终产品的断面细腻、富有弹性。

l 此环节需要注意：①初步修磨准备，②装炉温度，③装炉间隙，④均匀透烧，⑤勤观察，正反面及时翻转，⑥镦锻时镦锻压力的大小，第一次变形的变形量是否根据材料能最大变形的工艺而定，⑦拉拔过程中中心轴线能否保持一致，⑨禁止制造折叠等人为缺陷，⑨终锻温度，⑩锻后缓冷的时间

3. 预备热处理

1、锻造完成后，钢厂在交货前对钢材进行热处理，经精加工、检验合格后，即可交付用户进行最终热处理或其他冷热加工。预备热处理可根据材料要求及客户后续工序，以退火、正火、调质、预硬、回火等作为预备热处理的手段。

l 此环节需要注意：①装窑计划，②待装窑温，③窑温均匀性，④装料间隙，⑤保温时间，⑥正火注意冷却过程中是否有人为控制不均匀，⑦退火注意特殊冷却时段的冷却速度

4. 整理

1、预备热处理完成后（有的客户不需要预备热处理，直接锻造缓冷到精加工工序），精加工工序需要对初步准备交货的锻造材料做表面精加工检查。检查方式有磨床打磨（或剥皮）、粗车削或保留原黑皮状态（自然锻造缓冷状态下保留黑皮或热处理后保留热处理表面痕迹）、对每根材料进行360°表面质量检查及打磨、测量表面尺寸长度等，并根据上道工序的订单信息对每根材料的两端进行锯切，取样材料。这期间公差裕度可能成为精加工工序的重点工作。在锻造工序中，为锻造变形预留的热公差裕度是保证后续热处理烧损和精加工消耗的基础，裕度过大容易造成无谓的浪费和损失。 如果余量太小，就会出现一些生产过程中不可避免的磕碰、钢锭浇注后留在表面的伤痕、气泡（最终可能表现为锻造、挤压后光滑的细小裂纹）或者由于锻造操作不当而导致的表面折叠、表面开裂等质量问题，这些都需要在原材料出厂前进行表面或皮下修复，而且可能由于余量小而在余量范围内无法完全消除。流向精加工工序的材料在入库前也需要进行定性分类进行最终检验。此时，大量的基础检验、各种材料订单的不同检验要求都汇聚在精加工工序，钢厂需要调动一切品控力量，完成识别和分类工作。

5. 工艺质量控制

（每个人都有自己的长处。

1、炼钢+锻造+热处理的短流程，成本高企，尤其对于特殊钢，成本更是难以降低。因此，只有将好的工艺和质量独立地融入生产环节，才能保证风险最低、效率最高。这个融入过程无疑是艰难的，对钢厂的管理水平、技术水平和品控水平是一个极大的考验。理想情况下，工艺和品控会相对独立地跟随生产节奏，确保一切，但对工艺人员和品控人员要求的资质和管理规则要求相当高。这两类人员不仅要懂生产，而且在生产出现异常时，要能迅速分析现场情况，给出相应的解决方案，事后还要详细记录，并作为一个项目循环改进。然而，我们国内的大多数钢铁生产企业目前都很难达到这个水平。因此，必须把控好关键节点。笔者作为一名检验工作者，尝试做了以下相对独立的质量融入生产检验，取得了良好的效果。在此提供给同行参考：

锻后留样，因为锻后预备热处理是为了改善原材料的锻造组织，对改善成分不均匀性附加作用有限。成分的宏观状态在冶炼浇注过程和锻造过程中已经得到确认。因此，在锻后预备热处理前，要取样送理化中心。在热处理过程中，提前检测的一些检验项目是完全满足的：

探伤（中规格以下锻件大多具备锻造、缓冷后进行初步探伤的条件，可通过打磨探伤线等方式进行初步探伤，对材料存在的问题或晶粒粗大进行预判断，待热处理完成后再进行最终判断）；便携式超声波探伤仪

成分检测（各种预备热处理只能在很有限的范围内改变成分状态，可以提前检测出来）；光谱+碳硫分析仪

钢中气体含量检测（预备热处理或者包括脱氢退火，但早期检测只能得到一个高值，前期能满足，后期不存在气体增多的可能）；气体分析仪

奥氏体晶粒大小（材料成分确定后锻造，晶粒已被破碎，而通过热处理可改善的奥氏体晶粒也呈良性发展。因此，在预备热处理没有重大操作失误的前提下，可提前进行检测，若有重大失误，则需全面复检。例如混料、工序紊乱等极其恶劣的现象）；金相显微镜

夹杂物（锻造破碎已完成，初步热处理已不能干扰夹杂物的分布或状态）；金相显微镜

低倍组织（预备热处理对钢材截面宏观缺陷的改善能力十分有限，因此可以提前发现，若有不合格现象，可根据材料出窑后的初步检验结果作相应处理）；加热式酸洗槽

低标准力学性能检测（我国国家推荐性标准中，φ25mm小试样模拟试验力学性能实际允许偏差相当宽，如GB/T 3077-2015《合金结构钢》中对小试样力学性能的推荐热处理温度为淬火±15℃、低温回火±20℃、高温回火±50℃，给出的性能值下限相对于材料的实际能力来说比较保守，不同的规范允许相应降低相关性能参数。因此，对于此类低标准的材料，在预备热处理前按规范取样模拟实验，同样能得到有效客观的试验数据，在预备热处理改善材料组织后，再按推荐的标准热处理，只会得到更优的性能参数）；万能拉伸机+冲击试验机

端部淬硬性试验；蓝脆性试验；断口试验；塔形试验；硫印试验等均可在热处理期间通过在热处理初期取样完成。

优点：此项举措可以大大缓解订单出货前品控部门面临的时间紧、任务重、易出错等问题，并可利用提前争取到的时间制定相对更为合适的不良品预案，同时还具有加速订单运作、为钢企降低成本的优势。

缺点：增加了一道衔接工序的工序，锻造后要进行取样，热处理前要进行取样，考验生产过程中各个环节的配合度。

无法覆盖的测试：

经核实，此项措施运行正常，各部门整体配合良好，漏检未增加。但热处理后需在指定位置取样进行硬度、组织、车体等性能测试的订单不适用此项措施，此类订单需在热处理后转入精加工工序取样检测。

还有其他的流程控制方案，等我有时间整理出来后会一一和大家分享。