钢冶金学和材料学发展前瞻性

　　在轻金属合金、聚合物、陶瓷、玻璃、复合材料广泛应用的材料行业，面临激烈的竞争压力。目前正开发铁基结构材料和功能材料。由于钢材具有高适用性和低价格面得到广泛应用，但同时也因密度较重和耐蚀性较低而限制了某些应用。因此，研究的主要目标在于最大限度避免不利影响的条件下，充分利用其优势，提高使用性能水平。例如，大批高级优质大口径钢管用焊管可在良好焊接条件下，提高强度、耐寒性以及其他机械性能指标。
　　为了达到这个目标，通常采用微合金添加剂的复杂方法。这种发展方向表现为由钢向铁合金的转变趋势。同时，在达到钢所需金相成分和组织状态中，关键环节是析出非金属过剩相和强化结构组分。
　　最近的研究成果表明，在明显降低尺度，特别是向纳米尺度范围（微粒小于0.1靘）转变条件下，增加过剩相微粒以及结构组分能够影响钢的组织性能。进行晶粒组织细化，提高钢的强度特性和硬度，以及许多物理和理化性能，例如磁饱和感应强度和耐蚀性等。同时应强调，目前，还没有查明达到特性强化的极限值。现有的评价表明许多性能可以提高好几倍。因此，创造条件形成钢的过剩相和结构组分固定的类型、数量和尺度微粒是最重要的，能够提高各种钢材机械、理化和使用特性的指标。
　　当然，实行上述的先进技术，包括许多工序，每道工序对形成最终综合性能都作了自己的贡献。但是在大多数条件下，是在炼钢环节中形成其特性。这就必须用更高的水平在许多传统方面发展炼钢工艺，建立新的优化方法和控制工艺。从铁水预处理开始，其中包括脱硫、脱硅，到连铸中间包处理。
　　要求降低钢水有害杂质的允许浓度，对于达到工艺性、塑性、韧性、耐寒性、耐总体和局部腐蚀及达到其他使用特性，显得越来越重要。到目前为止，钢的大规模生产中，许多杂质达到的含量，与太阳能电池用半导体硅的生产中杂质含量的允许范围已几乎可比。在两种条件下一些元素的允许浓度为极少数到几十ppm。
　　铁水脱硫是能极大降低钢水硫含量的有效手段。正是在这种情况下，良好脱氧的金属和渣相创造了脱硫有利条件。在现代化的钢包炉装置中，能实现钢水深脱硫达0.001%～0.002%以下。
　　研究表明，铁水用碳酸钠处理可有效脱除硫和氮的不良杂质。在转炉冶炼完成阶段和出钢时，添加碳酸盐材料（石灰石），减少含氮气体与熔体的接触时间，同样有利于钢水脱氮。按照钢水中氮含量的变化特性，整个转炉冶炼可分成两个时期：钢水脱氮期和氮含量增长期。出钢时氮吸入钢水的强度与钢流搅拌功率成反比。转炉钢水的含氮量与氧气吹炼中，氧浓度和炉料中废钢的比重成比例。无论在出钢时，还是在钢包处理期间，加铝脱氧和合金化，在极大程度上控制钢水氮的收入量。在氮进入中间包和结晶器时，无论是钢水的渗氮率，还是钢水的二次氧化度，主要取决于钢流防止与大气接触的保护措施。
　　钢水脱磷服从近似规律。在转炉冶炼期间氧化条件下进行脱磷。金属和渣氧化度提高（FeO含量增长)，以及渣碱度提高，有助于反应更强烈。它们导致磷氧化物的热力学活性降低。
　　另外，研究了在还原条件下提取磷的可能性，尤其是从高合金钢水中，证明只有在系统中氧和氮分压极低条件下能实现，而在冶金实际生产中暂时还没有达到。
　　钢中氢的问题，是到目前研究得不够和没有充分根据的问题。在许多冶金生产阶段，尤其在用配料干燥不够的条件下，不可避免地发生钢水渗氢，就可能导致氢脆化的问题。引起外部缺陷、脆化机理和断裂的极限浓度都不同。
　　利用钢水真空处理方法或钢材持久加热解决降低氢含量问题的方法，不总是有效。研究表明，氢含量较低的钢比氢含量较高的钢有更优的性能。要控制氢含量重要的是了解吸收氢的组成成分和动力状态。动力状态通常指基体和组织缺陷（氢的捕集器）之间氢的分布和相应的化合能。遗憾的是，目前几乎没有关于在具体生产工艺中以及钢材贮存和使用过程中或钢材载重及其他影响条件下，氢的动力状态及其变化的资料。
　　目前，为了保证高的综合机械特性，其中包括成品钢材的强度、塑性、其他使用性能，必须精确限制元素含量的允许范围。例如，在生产大口径钢管用焊管管坯钢时，在许多条件下必须达到碳当量指标精度达0.005～0.01。并且，应该使许多合金元素含量，例如钛、铌、钒及其他与碳、氮、硫含量精确地互相配合。在生产大多数现代高级优质汽车钢板时，也有这样的要求。为了获得钢规定的高使用性能，必须严格规定[Ti]、[Nb]、[N]、[C]的浓度，控制材料的纳米结构组分。
　　应该指出，不仅将来的汽车用钢、焊管管坯钢的牌号，试制和大规模生产的钢，都必须严格遵守合金元素和杂质元素的含量比例。众所周知，钢水中能形成的微粒类型及其形成和溶解的温度范围，主要取决于钢水的化学成分。最近几年，随着冶金企业技术装备优化和工艺发展，观察到硫、氮和碳含量降低的趋势。此外，由于收得率波动，钢中碳化物和氮化物形成元素（钛、钒、铌及其他）含量不稳定。所有这些造成颗粒类型和析出温度范围的改变。例如，低碳钢中硫和氮含量降低，不可避免地要造成硫化锰和氮化铝微粒的析出温度更低。在工艺参数不变条件下，这会导致形成微粒数量和弥散度的变化，导致性能变化（尤其是冷轧钢，这些微粒对组织和性能的影响很关键）。在许多企业观察到钢的机械特性与要求水平的差异主要与这些有关。由此可见，在许多情况下，硫和氮含量低于规定极限是不理想的，或者需要调整热轧和退火工艺参数，控制钢材过剩相微粒的析出。因此根据上道工序结果，提出钢后道工序工艺过程调整方案，贯穿钢材生产的模型和流程的课题无疑十分迫切。
　　为了解决钢包冶金实践中形成的问题，通常采用多段流程：钢水预处理、合金化和调整化学成分，多次取钢样、测定氧化度和温度，从而最终保证规定成分的精度。
　　钢包冶金采用的材料范围，无论是类型、成分，还是应用的方法，都已最大程度的扩大。采用较便宜的铁合金和综合成分的中间合金，重点成分的含量较低，可用性和经济性是需要考虑的重点。但是，只有发展冶金过程的模型和理论知识基础上才能够达到。
　　以上只研究了钢中对钢的使用性能有影响的非金属夹杂物。除了创造其形成的有利条件外，必须保证显著降低非金属夹杂物，特别是对钢的工艺性和使用性产生强烈不良影响的非金属夹杂。
　　国内外冶金企业生产结果证实，钢包中进行的过程越来越清楚地表现出相互影响的作用，这使得保证钢水中非金属夹杂物的固定形式及规定浓度变得最复杂。成品钢材所有非金属夹杂物，通常是多成分、多相的混成物，其化学成分在钢水预处理、连铸、热轧过程中常发生有规律的变化。特别是高的腐蚀活性，可以造成应力腐蚀断裂。发现出现局部腐蚀速度达到20mm/a～25mm/a，有时是50mm/a～80mm/a。许多情况下，钢的疲劳特性和机械特性的降低，或者成品钢制品完全断裂，是由不良的非金属相引起。刚玉夹杂和铝酸盐夹杂，对轴承、钢轨、帘线钢和许多其他牌号钢的工艺性和使用性，有非常不利的影响。
　　根据非金属夹杂物的化学性质（成分、组织）和尺寸对钢的使用特性和缺陷率产生的不同影响。例如，钢的耐蚀性主要取决于细小微粒（1～10靘）的存在，而许多情况下夹杂物尺寸是纳米级别（小于0.1靘），那么在足够大的非金属夹杂物发生集聚时，超声波检测结果为表面缺陷。遗憾的是，目前为止这个问题没有给予应有的重视，按实践和理论观点的解释几乎没有。在许多情况下，无论是钢水非金属夹杂物的测定方法，还是允许的污染度，依然沿用俄罗斯的旧标准。这时常带来没有根据的或者甚至完全不准确的结果，因为那时采用的钢水冶炼和处理的工艺方法，形成的非金属夹杂是完全不同的化学成分和金相成分。特别是用传统金相学方法鉴定为不变形硅酸盐的非金属夹杂物化学成分。局部X射线光谱分析法的详细研究表明，则是钙的铝酸盐类。
　　据大量的工业试验结果证明，以脱除夹杂物为基础的方法更有效。例如，在许多情况下，形成一定数量非金属夹杂物的钢水出钢后，在钢水精炼阶段，非金属夹杂物含量出现最低值。随后其数量增加，总体而言，在钢包炉装置以及在钢水真空处理装置中，钢水成分调整不大。
　　为获得钢水中非金属夹杂物数量、类型、尺寸的最佳指标，制订完全适合预测非金属夹杂物的方法，是现代冶金最迫切需要解决的问题之一。这要求既有非金属夹杂物本身的知识，又具备冶金工艺的应用知识。如果以前仅认为非金属夹杂物的类型用金相显微镜按夹杂物的外形确定钢水中夹杂物的尺寸和数量。那么现在，补充知识变得很需要，尤其是关于非金属夹杂物的组织、金相、化学成分、体积分数及在钢水范围中的分布特点。只有解决了合理预测钢水非金属夹杂物性质（化学、金相成分、组织、尺寸）及数量的问题，才可以实现制造铁基高级优质金属材料的目标。
　　为此必须展开以下方面的研究：
　　根据冶金工艺现有发展水平，在全面分析模拟和计算钢包精炼、合金化、钢水成分、连铸坯和下道工序基础上，准确测定各种用途钢水中非金属夹杂物的主要类型（化学、金相成分）、性质及其形成机理。
　　修正钢水非金属夹杂物鉴定的现有方法并建立新的方法，能完全适合钢水中存在非金属夹杂物的类型和数量。
　　在综合研究非金属夹杂物对钢的工艺特性和使用特性影响的基础上，确定各种类型非金属夹杂物含量对各种用途钢水的合理范围。
　　在理化、统计和计算机模拟和现代化计算方法基础上，确定各种用途钢的冶炼、处理和后道工序的最佳制度和参数，保证非金属夹杂的要求含量。
　　根据多年研究，目前已经能够建立钢水钢包处理、连铸主要过程、关键工艺参数的模型，既能控制非金属夹杂物的总量，又能控制存在类型，并找到最佳值。这提供了开发高效工艺的可能性，为生产众多品种的大批高级优质钢打下基础。例如，现代化的超低碳钢、高强汽车板钢、具有高的耐局部腐蚀和耐寒性指标的管钢、大口径钢管用焊管管坯钢、双金属、具有物理、理化性能的钢和合金及其他材料。
　　因此，钢冶金学和材料学现代化发展趋势的研究，以及世界钢生产的实践证明，要建立能在生产过程中完全适用，又能在成品钢中控制钢性能的模型（流程）。到目前为止，这种模型分为两类。一类以统计数据为基础，评定该设备、车间或工艺链的工作，因此应用范围不大。另一类，是基于冶金过程的物理、理化基本规律。近几年由于计算机的广泛普及，使这些方法具有通用性，提供了高精度设计材料。根据每一炉次的具体特点，控制工艺过程的可能性，从而能获得巨大经济效益。
　　巴尔金中央黑色冶金科学研究所，在多年的基础研究上，用高水平的科学方法建立了钢水钢包处理、连铸和热轧过程的理化模型，适用于控制冶金生产过程的实际任务。模型与现有模拟系统具有优势，能够用于解决现代化冶金任何范围的问题。适合于优化现有牌号钢的化学成分和生产工艺，开发新钢种及其生产工艺，而且还适合于控制工艺参数。据实践证明，模型利用率在许多情况下相当高。特别是在降低各组牌号钢的铸坯和轧材的缺陷率，提高钢对局部腐蚀的耐蚀性以及耐寒指标等方面。
　　在分析国内外冶金实践的基础上，完成的模型利用率的评价表明，可以节约如下材料和能源费用：
　　节约脱氧剂、铁合金和中间合金达20%；
　　提高炉衬工作寿命5%～15%；
　　节约材料和能源资源7%～15%；
　　提高设备操作强度5%～15%；
　　降低因表面缺陷、超声波检查结果钢材的去除率1/2～4/5；
　　排除连续铸钢装置的事故，取消铸坯及其轧材表面处理的必要性；
　　保证性能的稳定性，并降低轧材因机械性能引起的去除率达80%～90%；
　　降低开发新钢种和工艺费用50%～70%，提高各种用途钢材的质量。更多钢材信息敬请关注免费火烧云加速器！