鋼冶金學(xué)和材料學(xué)發(fā)展前瞻性

　　在輕金屬合金、聚合物、陶瓷、玻璃、復合材料廣泛應用的材料行業(yè)，面臨激烈的競爭壓力。目前正開(kāi)發(fā)鐵基結構材料和功能材料。由于鋼材具有高適用性和低價(jià)格面得到廣泛應用，但同時(shí)也因密度較重和耐蝕性較低而限制了某些應用。因此，研究的主要目標在于最大限度避免不利影響的條件下，充分利用其優(yōu)勢，提高使用性能水平。例如，大批高級優(yōu)質(zhì)大口徑鋼管用焊管可在良好焊接條件下，提高強度、耐寒性以及其他機械性能指標。
　　為了達到這個(gè)目標，通常采用微合金添加劑的復雜方法。這種發(fā)展方向表現為由鋼向鐵合金的轉變趨勢。同時(shí)，在達到鋼所需金相成分和組織狀態(tài)中，關(guān)鍵環(huán)節是析出非金屬過(guò)剩相和強化結構組分。
　　最近的研究成果表明，在明顯降低尺度，特別是向納米尺度范圍（微粒小于0.1靘）轉變條件下，增加過(guò)剩相微粒以及結構組分能夠影響鋼的組織性能。進(jìn)行晶粒組織細化，提高鋼的強度特性和硬度，以及許多物理和理化性能，例如磁飽和感應強度和耐蝕性等。同時(shí)應強調，目前，還沒(méi)有查明達到特性強化的極限值?，F有的評價(jià)表明許多性能可以提高好幾倍。因此，創(chuàng )造條件形成鋼的過(guò)剩相和結構組分固定的類(lèi)型、數量和尺度微粒是最重要的，能夠提高各種鋼材機械、理化和使用特性的指標。
　　當然，實(shí)行上述的先進(jìn)技術(shù)，包括許多工序，每道工序對形成最終綜合性能都作了自己的貢獻。但是在大多數條件下，是在煉鋼環(huán)節中形成其特性。這就必須用更高的水平在許多傳統方面發(fā)展煉鋼工藝，建立新的優(yōu)化方法和控制工藝。從鐵水預處理開(kāi)始，其中包括脫硫、脫硅，到連鑄中間包處理。
　　要求降低鋼水有害雜質(zhì)的允許濃度，對于達到工藝性、塑性、韌性、耐寒性、耐總體和局部腐蝕及達到其他使用特性，顯得越來(lái)越重要。到目前為止，鋼的大規模生產(chǎn)中，許多雜質(zhì)達到的含量，與太陽(yáng)能電池用半導體硅的生產(chǎn)中雜質(zhì)含量的允許范圍已幾乎可比。在兩種條件下一些元素的允許濃度為極少數到幾十ppm。
　　鐵水脫硫是能極大降低鋼水硫含量的有效手段。正是在這種情況下，良好脫氧的金屬和渣相創(chuàng )造了脫硫有利條件。在現代化的鋼包爐裝置中，能實(shí)現鋼水深脫硫達0.001%～0.002%以下。
　　研究表明，鐵水用碳酸鈉處理可有效脫除硫和氮的不良雜質(zhì)。在轉爐冶煉完成階段和出鋼時(shí)，添加碳酸鹽材料（石灰石），減少含氮氣體與熔體的接觸時(shí)間，同樣有利于鋼水脫氮。按照鋼水中氮含量的變化特性，整個(gè)轉爐冶煉可分成兩個(gè)時(shí)期：鋼水脫氮期和氮含量增長(cháng)期。出鋼時(shí)氮吸入鋼水的強度與鋼流攪拌功率成反比。轉爐鋼水的含氮量與氧氣吹煉中，氧濃度和爐料中廢鋼的比重成比例。無(wú)論在出鋼時(shí)，還是在鋼包處理期間，加鋁脫氧和合金化，在極大程度上控制鋼水氮的收入量。在氮進(jìn)入中間包和結晶器時(shí)，無(wú)論是鋼水的滲氮率，還是鋼水的二次氧化度，主要取決于鋼流防止與大氣接觸的保護措施。
　　鋼水脫磷服從近似規律。在轉爐冶煉期間氧化條件下進(jìn)行脫磷。金屬和渣氧化度提高（FeO含量增長(cháng))，以及渣堿度提高，有助于反應更強烈。它們導致磷氧化物的熱力學(xué)活性降低。
　　另外，研究了在還原條件下提取磷的可能性，尤其是從高合金鋼水中，證明只有在系統中氧和氮分壓極低條件下能實(shí)現，而在冶金實(shí)際生產(chǎn)中暫時(shí)還沒(méi)有達到。
　　鋼中氫的問(wèn)題，是到目前研究得不夠和沒(méi)有充分根據的問(wèn)題。在許多冶金生產(chǎn)階段，尤其在用配料干燥不夠的條件下，不可避免地發(fā)生鋼水滲氫，就可能導致氫脆化的問(wèn)題。引起外部缺陷、脆化機理和斷裂的極限濃度都不同。
　　利用鋼水真空處理方法或鋼材持久加熱解決降低氫含量問(wèn)題的方法，不總是有效。研究表明，氫含量較低的鋼比氫含量較高的鋼有更優(yōu)的性能。要控制氫含量重要的是了解吸收氫的組成成分和動(dòng)力狀態(tài)。動(dòng)力狀態(tài)通常指基體和組織缺陷（氫的捕集器）之間氫的分布和相應的化合能。遺憾的是，目前幾乎沒(méi)有關(guān)于在具體生產(chǎn)工藝中以及鋼材貯存和使用過(guò)程中或鋼材載重及其他影響條件下，氫的動(dòng)力狀態(tài)及其變化的資料。
　　目前，為了保證高的綜合機械特性，其中包括成品鋼材的強度、塑性、其他使用性能，必須精確限制元素含量的允許范圍。例如，在生產(chǎn)大口徑鋼管用焊管管坯鋼時(shí)，在許多條件下必須達到碳當量指標精度達0.005～0.01。并且，應該使許多合金元素含量，例如鈦、鈮、釩及其他與碳、氮、硫含量精確地互相配合。在生產(chǎn)大多數現代高級優(yōu)質(zhì)汽車(chē)鋼板時(shí)，也有這樣的要求。為了獲得鋼規定的高使用性能，必須嚴格規定[Ti]、[Nb]、[N]、[C]的濃度，控制材料的納米結構組分。
　　應該指出，不僅將來(lái)的汽車(chē)用鋼、焊管管坯鋼的牌號，試制和大規模生產(chǎn)的鋼，都必須嚴格遵守合金元素和雜質(zhì)元素的含量比例。眾所周知，鋼水中能形成的微粒類(lèi)型及其形成和溶解的溫度范圍，主要取決于鋼水的化學(xué)成分。最近幾年，隨著(zhù)冶金企業(yè)技術(shù)裝備優(yōu)化和工藝發(fā)展，觀(guān)察到硫、氮和碳含量降低的趨勢。此外，由于收得率波動(dòng)，鋼中碳化物和氮化物形成元素（鈦、釩、鈮及其他）含量不穩定。所有這些造成顆粒類(lèi)型和析出溫度范圍的改變。例如，低碳鋼中硫和氮含量降低，不可避免地要造成硫化錳和氮化鋁微粒的析出溫度更低。在工藝參數不變條件下，這會(huì )導致形成微粒數量和彌散度的變化，導致性能變化（尤其是冷軋鋼，這些微粒對組織和性能的影響很關(guān)鍵）。在許多企業(yè)觀(guān)察到鋼的機械特性與要求水平的差異主要與這些有關(guān)。由此可見(jiàn)，在許多情況下，硫和氮含量低于規定極限是不理想的，或者需要調整熱軋和退火工藝參數，控制鋼材過(guò)剩相微粒的析出。因此根據上道工序結果，提出鋼后道工序工藝過(guò)程調整方案，貫穿鋼材生產(chǎn)的模型和流程的課題無(wú)疑十分迫切。
　　為了解決鋼包冶金實(shí)踐中形成的問(wèn)題，通常采用多段流程：鋼水預處理、合金化和調整化學(xué)成分，多次取鋼樣、測定氧化度和溫度，從而最終保證規定成分的精度。
　　鋼包冶金采用的材料范圍，無(wú)論是類(lèi)型、成分，還是應用的方法，都已最大程度的擴大。采用較便宜的鐵合金和綜合成分的中間合金，重點(diǎn)成分的含量較低，可用性和經(jīng)濟性是需要考慮的重點(diǎn)。但是，只有發(fā)展冶金過(guò)程的模型和理論知識基礎上才能夠達到。
　　以上只研究了鋼中對鋼的使用性能有影響的非金屬夾雜物。除了創(chuàng )造其形成的有利條件外，必須保證顯著(zhù)降低非金屬夾雜物，特別是對鋼的工藝性和使用性產(chǎn)生強烈不良影響的非金屬夾雜。
　　國內外冶金企業(yè)生產(chǎn)結果證實(shí)，鋼包中進(jìn)行的過(guò)程越來(lái)越清楚地表現出相互影響的作用，這使得保證鋼水中非金屬夾雜物的固定形式及規定濃度變得最復雜。成品鋼材所有非金屬夾雜物，通常是多成分、多相的混成物，其化學(xué)成分在鋼水預處理、連鑄、熱軋過(guò)程中常發(fā)生有規律的變化。特別是高的腐蝕活性，可以造成應力腐蝕斷裂。發(fā)現出現局部腐蝕速度達到20mm/a～25mm/a，有時(shí)是50mm/a～80mm/a。許多情況下，鋼的疲勞特性和機械特性的降低，或者成品鋼制品完全斷裂，是由不良的非金屬相引起。剛玉夾雜和鋁酸鹽夾雜，對軸承、鋼軌、簾線(xiàn)鋼和許多其他牌號鋼的工藝性和使用性，有非常不利的影響。
　　根據非金屬夾雜物的化學(xué)性質(zhì)（成分、組織）和尺寸對鋼的使用特性和缺陷率產(chǎn)生的不同影響。例如，鋼的耐蝕性主要取決于細小微粒（1～10靘）的存在，而許多情況下夾雜物尺寸是納米級別（小于0.1靘），那么在足夠大的非金屬夾雜物發(fā)生集聚時(shí)，超聲波檢測結果為表面缺陷。遺憾的是，目前為止這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有給予應有的重視，按實(shí)踐和理論觀(guān)點(diǎn)的解釋幾乎沒(méi)有。在許多情況下，無(wú)論是鋼水非金屬夾雜物的測定方法，還是允許的污染度，依然沿用俄羅斯的舊標準。這時(shí)常帶來(lái)沒(méi)有根據的或者甚至完全不準確的結果，因為那時(shí)采用的鋼水冶煉和處理的工藝方法，形成的非金屬夾雜是完全不同的化學(xué)成分和金相成分。特別是用傳統金相學(xué)方法鑒定為不變形硅酸鹽的非金屬夾雜物化學(xué)成分。局部X射線(xiàn)光譜分析法的詳細研究表明，則是鈣的鋁酸鹽類(lèi)。
　　據大量的工業(yè)試驗結果證明，以脫除夾雜物為基礎的方法更有效。例如，在許多情況下，形成一定數量非金屬夾雜物的鋼水出鋼后，在鋼水精煉階段，非金屬夾雜物含量出現最低值。隨后其數量增加，總體而言，在鋼包爐裝置以及在鋼水真空處理裝置中，鋼水成分調整不大。
　　為獲得鋼水中非金屬夾雜物數量、類(lèi)型、尺寸的最佳指標，制訂完全適合預測非金屬夾雜物的方法，是現代冶金最迫切需要解決的問(wèn)題之一。這要求既有非金屬夾雜物本身的知識，又具備冶金工藝的應用知識。如果以前僅認為非金屬夾雜物的類(lèi)型用金相顯微鏡按夾雜物的外形確定鋼水中夾雜物的尺寸和數量。那么現在，補充知識變得很需要，尤其是關(guān)于非金屬夾雜物的組織、金相、化學(xué)成分、體積分數及在鋼水范圍中的分布特點(diǎn)。只有解決了合理預測鋼水非金屬夾雜物性質(zhì)（化學(xué)、金相成分、組織、尺寸）及數量的問(wèn)題，才可以實(shí)現制造鐵基高級優(yōu)質(zhì)金屬材料的目標。
　　為此必須展開(kāi)以下方面的研究：
　　根據冶金工藝現有發(fā)展水平，在全面分析模擬和計算鋼包精煉、合金化、鋼水成分、連鑄坯和下道工序基礎上，準確測定各種用途鋼水中非金屬夾雜物的主要類(lèi)型（化學(xué)、金相成分）、性質(zhì)及其形成機理。
　　修正鋼水非金屬夾雜物鑒定的現有方法并建立新的方法，能完全適合鋼水中存在非金屬夾雜物的類(lèi)型和數量。
　　在綜合研究非金屬夾雜物對鋼的工藝特性和使用特性影響的基礎上，確定各種類(lèi)型非金屬夾雜物含量對各種用途鋼水的合理范圍。
　　在理化、統計和計算機模擬和現代化計算方法基礎上，確定各種用途鋼的冶煉、處理和后道工序的最佳制度和參數，保證非金屬夾雜的要求含量。
　　根據多年研究，目前已經(jīng)能夠建立鋼水鋼包處理、連鑄主要過(guò)程、關(guān)鍵工藝參數的模型，既能控制非金屬夾雜物的總量，又能控制存在類(lèi)型，并找到最佳值。這提供了開(kāi)發(fā)高效工藝的可能性，為生產(chǎn)眾多品種的大批高級優(yōu)質(zhì)鋼打下基礎。例如，現代化的超低碳鋼、高強汽車(chē)板鋼、具有高的耐局部腐蝕和耐寒性指標的管鋼、大口徑鋼管用焊管管坯鋼、雙金屬、具有物理、理化性能的鋼和合金及其他材料。
　　因此，鋼冶金學(xué)和材料學(xué)現代化發(fā)展趨勢的研究，以及世界鋼生產(chǎn)的實(shí)踐證明，要建立能在生產(chǎn)過(guò)程中完全適用，又能在成品鋼中控制鋼性能的模型（流程）。到目前為止，這種模型分為兩類(lèi)。一類(lèi)以統計數據為基礎，評定該設備、車(chē)間或工藝鏈的工作，因此應用范圍不大。另一類(lèi)，是基于冶金過(guò)程的物理、理化基本規律。近幾年由于計算機的廣泛普及，使這些方法具有通用性，提供了高精度設計材料。根據每一爐次的具體特點(diǎn)，控制工藝過(guò)程的可能性，從而能獲得巨大經(jīng)濟效益。
　　巴爾金中央黑色冶金科學(xué)研究所，在多年的基礎研究上，用高水平的科學(xué)方法建立了鋼水鋼包處理、連鑄和熱軋過(guò)程的理化模型，適用于控制冶金生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際任務(wù)。模型與現有模擬系統具有優(yōu)勢，能夠用于解決現代化冶金任何范圍的問(wèn)題。適合于優(yōu)化現有牌號鋼的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝，開(kāi)發(fā)新鋼種及其生產(chǎn)工藝，而且還適合于控制工藝參數。據實(shí)踐證明，模型利用率在許多情況下相當高。特別是在降低各組牌號鋼的鑄坯和軋材的缺陷率，提高鋼對局部腐蝕的耐蝕性以及耐寒指標等方面。
　　在分析國內外冶金實(shí)踐的基礎上，完成的模型利用率的評價(jià)表明，可以節約如下材料和能源費用：
　　節約脫氧劑、鐵合金和中間合金達20%；
　　提高爐襯工作壽命5%～15%；
　　節約材料和能源資源7%～15%；
　　提高設備操作強度5%～15%；
　　降低因表面缺陷、超聲波檢查結果鋼材的去除率1/2～4/5；
　　排除連續鑄鋼裝置的事故，取消鑄坯及其軋材表面處理的必要性；
　　保證性能的穩定性，并降低軋材因機械性能引起的去除率達80%～90%；
　　降低開(kāi)發(fā)新鋼種和工藝費用50%～70%，提高各種用途鋼材的質(zhì)量。更多鋼材信息敬請關(guān)注福建晨升鋼鐵！