特種冶金生產(chǎn)流程的發(fā)展趨勢(shì)

姜周華，康從鵬，劉福斌，董艷伍，耿 鑫

（東北大學(xué) 冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819）

改革開(kāi)放40多年來(lái)，特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，中國(guó)鋼鐵業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與品種研發(fā)取得了顛覆性的變化，在產(chǎn)品研發(fā)方面，一些優(yōu)秀特殊鋼廠的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國(guó)際一流水平［1］.黨的十九屆五中全會(huì)中指出要把堅(jiān)持創(chuàng)新作為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)全局中的核心，材料產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)進(jìn)步和國(guó)防安全的物質(zhì)基礎(chǔ)，更需要堅(jiān)持科技自強(qiáng)自立［2］.本文以特種冶金面臨的形勢(shì)與需求為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)典型的特殊鋼冶金生產(chǎn)流程、典型特殊鋼品種及特鋼企業(yè)的特種冶金生產(chǎn)流程進(jìn)行介紹，最后對(duì)特種冶金生產(chǎn)流程的發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)，希望能對(duì)我國(guó)特種冶金生產(chǎn)流程的發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用起到一定的參考作用.

1 我國(guó)特種冶金的形勢(shì)與需求

特種冶金是生產(chǎn)高品質(zhì)特殊鋼、高溫合金及其他特種合金的主要冶煉工藝.特殊鋼是具備特殊性能、滿(mǎn)足特定要求的鋼鐵材料，一般具有合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、技術(shù)控制嚴(yán)格等特點(diǎn)［3］.當(dāng)前我國(guó)特殊鋼要重點(diǎn)解決“卡脖子”技術(shù)和關(guān)鍵材料，其中主要包括面向清潔能源、環(huán)保裝備、航空航天、海洋工程、現(xiàn)代交通和先進(jìn)（智能）制造等領(lǐng)域的國(guó)家重大需求［4］；重點(diǎn)突破高溫合金、不銹鋼和鎳基耐蝕合金、超高強(qiáng)度鋼、耐熱鋼和耐熱合金、工模具鋼、軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼、電工鋼等特殊鋼關(guān)鍵材料技術(shù)；形成具有國(guó)際先進(jìn)水平的高品質(zhì)特殊鋼與高溫合金材料體系和生產(chǎn)工藝流程，獲取一批自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)特殊鋼產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化升級(jí)，大幅提升節(jié)能減排技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)特殊鋼及特種合金的全面國(guó)產(chǎn)化和規(guī)模應(yīng)用.

2 典型的特殊鋼冶金生產(chǎn)流程

典型的特殊鋼冶金生產(chǎn)流程主要包括普特結(jié)合鋼鐵生產(chǎn)流程、專(zhuān)用特殊鋼生產(chǎn)流程、特種冶金生產(chǎn)流程等，以上生產(chǎn)流程及典型的產(chǎn)品在表1和圖1中給出.普特結(jié)合鋼鐵生產(chǎn)流程中電弧爐（EAF）的原料主要來(lái)自循環(huán)廢鋼和利用鐵礦石直接還原法得到的塊鐵，轉(zhuǎn)爐（BOF）的原料主要來(lái)自高爐鐵水和循環(huán)廢鋼.專(zhuān)用特殊鋼生產(chǎn)流程中包含了電弧爐—精煉（LF，VD）—連鑄（CC）/模鑄（IC）—熱連軋及轉(zhuǎn)爐—精煉（LF，RH）—連鑄（CC）—熱連軋.

特種冶金在歐美一般指特種熔煉，在俄羅斯指特種電冶金，是制備高端特殊鋼和合金的冶煉工藝.相比普特結(jié)合與專(zhuān)用特殊鋼生產(chǎn)流程，特種冶金的生產(chǎn)從流程到設(shè)備更加靈活多，如圖1所示，包括初始熔煉、二次熔煉、終端熔煉等部分［5］.初始熔煉主要起到精煉、提純、化學(xué)成分控制、制備二次熔煉母材的作用，具體是將回收和加工的碎料及初始料進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉（VIM）或真空感應(yīng)脫氣澆注（VIDP），一部分澆注的鋼錠會(huì)進(jìn)行擠壓、鍛造、軋制來(lái)獲得產(chǎn)品，另一部分則進(jìn)行二次熔煉；二次熔煉主要起到宏觀和微觀結(jié)構(gòu)控制的目的，涵蓋了霧化制粉、真空電弧熔煉（VAM）殼式精密鑄造、感應(yīng)冷坩堝熔模鑄造（ISM）、真空電弧熔煉（VAR）、電渣重熔（ESR）、電子束熔煉（EB）、等離子熔煉（PAM）等多種熔煉工藝；終端熔煉包括粉末冶金、激光噴涂、定向凝固（DS）及單晶（SC）等工藝.

表1 典型特殊鋼冶金生產(chǎn)流程及其產(chǎn)品Table 1 Metallurgy production process for typical special steels and products

圖1 特種冶金生產(chǎn)流程及其產(chǎn)品Fig.1 The production process of melting and remelting and products

3 典型特殊鋼品種的特種冶金生產(chǎn)流程

特種冶金具有純凈化（有效去除雜質(zhì)與夾雜物）、均質(zhì)化（減少偏析）、近終型、全規(guī)格（從小型至大型）等特點(diǎn)，適用于制造服役于高溫、高壓、高速、重載、腐蝕等苛刻環(huán)境條件下的產(chǎn)品［3］.這些產(chǎn)品往往含有較高的合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)，普通的模鑄和連鑄工藝往往會(huì)使鑄錠中產(chǎn)生較大的夾雜物，并且在凝固時(shí)偏析嚴(yán)重，極易析出脆性相影響產(chǎn)品質(zhì)量，特種冶金成為生產(chǎn)該類(lèi)產(chǎn)品的主要手段.如表2所示，本文以超超臨界火電用耐熱鋼合金、工模具鋼和高溫合金為例對(duì)典型特殊鋼品種的特種冶金生產(chǎn)流程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹.

表2 典型特殊鋼品種的特種冶金生產(chǎn)流程Table 2 Special melting and remelting production process of typical special steel varieties

3.1 超超臨界火電用耐熱鋼合金的生產(chǎn)流程

中國(guó)的超超臨界火電用耐熱鋼合金的生產(chǎn)已被列入國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，從2003年起步至今，超超臨界火電用耐熱鋼合金的生產(chǎn)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步［6］.目前600℃以下超超臨界鍋爐和汽輪機(jī)用耐熱鋼合金的生產(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化［7］.但由于國(guó)內(nèi)電渣重熔過(guò)程對(duì)B元素的控制技術(shù)不過(guò)關(guān)，多年來(lái)620℃超超臨界火電用耐熱鋼合金特大型鋼錠FB2轉(zhuǎn)子鍛件都是國(guó)外進(jìn)口.目前國(guó)內(nèi)剛剛開(kāi)始試生產(chǎn)，其產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)電爐冶煉→LF→真空脫氣→ESR→均質(zhì)化處理→開(kāi)坯→鍛造成型→均勻化退火→性能熱處理→粗加工→探傷→性能檢驗(yàn)→精加工→入庫(kù)等一系列流程.

3.2 工模具鋼生產(chǎn)工藝流程

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外工模具鋼的產(chǎn)量、生產(chǎn)技術(shù)、工藝裝備、質(zhì)量、品種等方面都取得了比較迅速和穩(wěn)定的發(fā)展，不僅推動(dòng)了國(guó)外優(yōu)質(zhì)的工模具鋼在國(guó)內(nèi)的推廣和普及，還推動(dòng)了國(guó)內(nèi)工模具的優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展［8］.

目前國(guó)內(nèi)工模具鋼的生產(chǎn)流程主要包括EAF→LF/VD→IC→（ESR）→鍛造或開(kāi)坯→軋制，或者（返回料）→AIM（中頻爐）→ESR→鍛造或開(kāi)坯→軋制等工藝.傳統(tǒng)的熔煉和澆鑄工藝存在合金成分偏析、碳化物粗大和不均勻分布等缺點(diǎn)［9］，因此，有些企業(yè)對(duì)高端工模具鋼的生產(chǎn)會(huì)采用粉末冶金工藝來(lái)達(dá)到傳統(tǒng)熔鑄工藝無(wú)法達(dá)到的效果，例如粉末等靜壓成型、噴射成型技術(shù).

噴射成型技術(shù)是一種新的金屬成型工藝，又被稱(chēng)為噴射沉積、噴射鑄造等.具體流程是將合金原料熔化后，注入中間包內(nèi)，合金溶液由中間包下部的導(dǎo)液管流出后，經(jīng)霧化噴嘴射出的高速氣體霧化，形成細(xì)小的金屬液滴；這些細(xì)小的液滴在強(qiáng)有力的高速氣流作用下加速飛行并快速冷卻，在半固態(tài)的狀況下沉積到霧化艙下方在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向下移動(dòng)的沉積器上，最終凝結(jié)成錠坯.噴射成型具有快速凝固的特點(diǎn)，可使生產(chǎn)的工模具鋼具有晶粒細(xì)小、碳化物分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)真空熔鑄工藝所難以實(shí)現(xiàn)的［10］.

3.3 高溫合金的特種熔煉方法和工藝流程

經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，我國(guó)已形成了生產(chǎn)裝備比較先進(jìn)、具有一定規(guī)模的高溫合金生產(chǎn)基地［11］，按其制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末高溫合金等.

變形高溫合金一般采用真空熔煉和重熔→等溫開(kāi)坯和鍛造流程制備.如圖2所示，寶武特冶采用兩聯(lián)（VIM+VAR或 VIM+ESR）或三聯(lián)（VIM+ESR+VAR）冶煉工藝進(jìn)行高溫合金的生產(chǎn)［12］.目 前，已 對(duì) 航 空 用 GH4169 系 列、GH4065A，GH720Li及燃?xì)廨啓C(jī)用GH738、重型燃機(jī)用GH706等產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)工藝開(kāi)發(fā)或批量生產(chǎn).

鑄造高溫合金一般采用母合金熔煉→CA精鑄、熱控凝固和定向凝固的生產(chǎn)方式，具體工藝流程如圖3所示.

粉末高溫合金是用粉末冶金工藝制成的高溫合金，其產(chǎn)品具有組織均勻、無(wú)宏觀偏析，屈服強(qiáng)度高、疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn).粉末高溫合金的冶金生產(chǎn)流程如下：真空感應(yīng)熔煉制備棒坯→棒料加工→棒料真空退火→REP制粉→粉末篩分→靜電除夾雜→粉末檢測(cè)→裝套脫氣封焊→HIP成型→機(jī)加工→熱處理→毛坯→超聲探傷檢驗(yàn)→組織性能檢測(cè).

圖2 寶武特冶變形高溫合金生產(chǎn)流程Fig.2 The production process of deformed superalloy in Baowu special metallurgy

圖3 鑄造高溫合金生產(chǎn)流程Fig.3 Production process of cast superalloy

4 典型特鋼企業(yè)的特種冶金生產(chǎn)流程

4.1 寶武特冶公司特種冶金生產(chǎn)流程

寶武特冶公司的產(chǎn)品涉及航空航天、核電、火電、風(fēng)電、石油化工、環(huán)保、電子儀表、工模具制造等領(lǐng)域.如圖4所示，在其特種冶金生產(chǎn)流程中，包含 VIM+ESR，VIM+VAR，AIM+ESR，AIM+VAR，VIM+VAR+ESR，VIM+ESR+VAR，EAF+（AOD）+LF+ESR等工藝［12］，涉及棒材、鍛件、模塊、扁材、環(huán)、餅等產(chǎn)品的生產(chǎn).

圖4 寶武特冶公司特種冶金生產(chǎn)流程圖Fig.4 Special melting and remelting production flow chart of Baowu special metallurgical company

4.2 撫順特殊鋼股份有限公司特殊鋼冶金生產(chǎn)流程

目前，撫順特殊鋼股份有限公司主打的產(chǎn)品有高溫合金、超高強(qiáng)度鋼、工模具鋼、不銹鋼、鈦合金、合金結(jié)構(gòu)鋼、軸承鋼等，其生產(chǎn)流程包括了熔煉→精煉→真空冶煉→電渣重熔→（真空電弧重熔）→鍛造→軋制→冷拉或板材軋制→熱處理→機(jī)加工→無(wú)損檢測(cè)等，具體生產(chǎn)流程如圖5所示［13］.

4.3 奧地利博樂(lè)公司特殊鋼生產(chǎn)流程

作為全球工模具鋼的代表企業(yè)，奧地利博樂(lè)公司主要生產(chǎn)冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼、高速工具鋼等.如圖6所示，其特殊鋼生產(chǎn)流程包括了熔煉→二次冶金→澆鑄→特殊熔煉和重熔→熱成型→熱加工/機(jī)加工→測(cè)試等環(huán)節(jié)［14］.

圖5 撫順特殊鋼股份有限公司特殊鋼冶金生產(chǎn)流程Fig.5 Special melting and remelting production process of Fushun special steel Co.Ltd.

圖6 博樂(lè)公司特殊鋼生產(chǎn)流程Fig.6 The production process of special steels in B?hler Company

5 特種冶金生產(chǎn)流程的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 高合金特殊鋼和特種合金板帶生產(chǎn)流程

對(duì)高合金特殊鋼和特種合金板帶而言，通過(guò)EAF→AOD→VOD→VCC（立式連鑄）或以VIM→IC→ESR（扁錠）工藝生產(chǎn)板坯，將板坯進(jìn)行粗軋后制成中板，或再將中板投入爐卷軋機(jī)后進(jìn)入冷軋線(xiàn)，最后產(chǎn)出鋼板或冷軋鋼卷.

5.2 低成本生產(chǎn)高端特殊鋼新工藝

為了降低生產(chǎn)成本，最近國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)了兩條低成本生產(chǎn)高端特殊鋼的工藝路線(xiàn)：一種是EAF+AOD+ESR，該工藝主要生產(chǎn)40%Ni以下的鐵鎳基耐蝕合金；另一種是EAF/BOF+LF+VD/RH+CC+VAR/ESR，該工藝主要針對(duì)生產(chǎn)超高強(qiáng)度鋼、高端塑料模具鋼、高端軸承鋼等.

5.3 半連續(xù)電渣重熔實(shí)心和空心鋼錠技術(shù)

傳統(tǒng)的半連續(xù)電渣重熔實(shí)心鋼錠技術(shù)路線(xiàn)為初煉→精煉→模鑄→電渣重熔→初軋/鍛造→圓坯/方坯→熱連軋，此傳統(tǒng)工藝路線(xiàn)存在生產(chǎn)效率低、成材率低、電耗高等缺點(diǎn).目前，創(chuàng)新流程包含了初煉→精煉→連鑄→半連續(xù)電渣→圓坯/方坯→熱連軋工藝，在精煉后直接采用連鑄+半連續(xù)電渣的方式大大提高了生產(chǎn)效率，具有連續(xù)化、高效化、低成本化等優(yōu)點(diǎn)［15］.此外，連續(xù)電渣重熔還有利于碳化物、夾雜物、宏觀偏析的控制，有利于提高熱加工塑性［16-18］，為后續(xù)鍛造工藝實(shí)施提供基礎(chǔ).

對(duì)空心鋼錠的制備流程而言，傳統(tǒng)流程往往采用電渣重熔實(shí)心錠→沖孔→多次加熱鍛造成型→管材的方法制備，該流程存在浪費(fèi)材料、難沖孔、組織和晶粒難以控制等諸多問(wèn)題.而采用電渣重熔空心鋼錠→熱鍛造成型→管材的創(chuàng)新流程則具有減工序、提質(zhì)量、降成本的優(yōu)點(diǎn)［19］，這種生產(chǎn)空心鋼錠的創(chuàng)新技術(shù)具有很好的發(fā)展?jié)摿?

5.4 高端特殊鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)流程

以高端工模具鋼、高氮不銹鋼、高溫合金、耐蝕合金、精密合金等高端特殊鋼產(chǎn)品為例，表3給出了其生產(chǎn)流程及典型的鋼種牌號(hào).對(duì)高氮不銹鋼而言，在一定條件下，鋼中氮的溶解度會(huì)隨著熔煉壓力的升高而升高［20-21］.目前，東北大學(xué)特殊鋼冶金研究所采用加壓感應(yīng)熔煉+加壓電渣重熔雙聯(lián)工藝制備高氮不銹鋼，取得了良好的效果.母材電極采用加壓感應(yīng)熔煉，底吹氮?dú)夂图訅簹庀酀B氮共同作用，共同促進(jìn)氮合金化過(guò)程，較高的氮分壓能顯著提升鋼液氮的溶解度.在澆注階段，采取分階段控制壓力的方法確保鋼液凝固過(guò)程中氮不會(huì)以氣體的形式逸出.將熔煉后的電極進(jìn)行加壓電渣重熔，對(duì)鋼中的夾雜物進(jìn)行去除，提高潔凈度，改善凝固組織［22］.加壓雙聯(lián)工藝制備高氮不銹鋼的核心在于氮合金化、純凈度提升和凝固組織調(diào)控任務(wù)的再分配，該生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)取得多項(xiàng)專(zhuān)利［23-24］.

圖7是作者設(shè)想的未來(lái)高端特殊鋼生產(chǎn)的典型流程.其主要特點(diǎn)是：①采用中頻感應(yīng)爐熔化鐵合金和返回合金廢鋼，保證LF的精煉效率，避免長(zhǎng)時(shí)間加熱熔化合金，同時(shí)避免返回合金廢鋼加入電弧爐熔化時(shí)造成合金元素的大量燒損；②高合金鋼和鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于40%的鎳基合金采用電弧爐→精煉→立式連鑄生產(chǎn)流程，而不采用操作成本昂貴的真空感應(yīng)熔煉；③立式連鑄可以是板坯或是圓坯，是電渣重熔或真空電弧重熔很好的自耗電極.

表3 高端特殊鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)流程Table 3 Production process of high-grade special steel products

圖7 未來(lái)高品質(zhì)特殊鋼生產(chǎn)的典型流程Fig.7 Typical process of special steel production in the future

6 總結(jié)與展望

（1）充分發(fā)揮爐外精煉的純凈化作用，代替真空感應(yīng)爐，實(shí)現(xiàn)特種冶金產(chǎn)品的質(zhì)優(yōu)價(jià)廉.

（2）非真空感應(yīng)爐（中頻爐）仍然是特種冶金生產(chǎn)流程中不可缺少的工序，尤其是用于熔化高合金的返回料.

（3）“爐外精煉+立式連鑄+特種熔煉”是高端特殊鋼生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì).“連鑄坯+真空自耗爐”在生產(chǎn)民用特冶產(chǎn)品（工模具鋼、軸承鋼、不銹鋼等）中將大有可為.

（4）航空超高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)流程中真空感應(yīng)原材料的提純工藝（純凈鐵和中間合金）是超純?nèi)蹮挼年P(guān)鍵.

（5）特種冶金流程的自動(dòng)化和智能化是必然發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提升和穩(wěn)定至關(guān)重要.

（6）基于導(dǎo)電結(jié)晶器的電渣重熔、加壓電渣、真空電渣、旋轉(zhuǎn)電極電渣、真空感應(yīng)熔煉中的陶瓷過(guò)濾和中間包冶金、冷坩堝熔煉、懸浮熔煉等新技術(shù)將進(jìn)一步促進(jìn)特種冶金生產(chǎn)流程的變革與發(fā)展.