鑄鋼工業的發展

    鑄鋼工業的發展與煉鋼技術的進步是不可分割的。在掌握液態煉鋼技術之前，雖然可用“炒鋼”技術制成鋼質器件，但不可能制造鑄鋼件。液態煉鋼技術實用化的初期，鋼液是傾注于砂型中形成的，盡管當時所用的工藝十分簡陋，但所制品仍應認為是鑄鋼件。
    關于鑄鋼工業的發展概況，以20世紀40年代為界可分為以下兩個階段。
    1.鑄鋼件的出現和鑄鋼工業的形成(1845～1940)
    從鐵器時代開始到首次煉出液態的鋼，其間經歷了大約2000年。從煉鐵到煉鋼，雖然只是含碳量和熔點(相差300。C以上)有所差別，而技術上卻有很大難度，其主要障礙是缺乏足夠耐高溫的熔煉設備和相應的耐火材料。
    有的文獻提到，液態煉鋼最早出現于印度，但有可靠記載的是l850年英國人Benjamin Huntsman的工作，他在坩堝及耐火材料方面做了重要的改進，從而煉出了鋼，但其具體情況不詳。
    正式生產鑄鋼件，最早是在19世紀中葉，幾乎同時在歐洲幾個國家出現。瑞士的冶金學家J＆#8226;C＆#8226;Fischer于1845年首先用坩堝煉鋼制成鑄鋼件。
    1851年前后，德國威斯特法倫地區Bochum鋼廠的Jacob Mayer用坩堝煉出的鋼鑄成了教堂用的鐘。此后幾年中，鑄造的鋼鐘曾在歐洲的幾次國際性展覽會上展出，由于其響聲清脆而且售價只及青銅鑄鐘的一半，曾引起了頗大的轟動。所以有人認為，首次制成有實用價值的鑄鋼件者，當推Jacob Mayer。
    煉鋼成為工業化生產的真正起點，應該是以轉爐和平爐投入生產為標志。英國的HenryBessemer經多年的研究工作之后，于l855年制成了側吹轉爐并煉出了鋼。到1856年8月，Bessemer正式公布其發明，立即受到了各國冶煉行業的關注。于是按Bessemer的姓氏，將這種煉鋼爐命名為“貝氏爐”。
    平爐的發明基本上與轉爐在同一時期。初期平爐的研制大約完成于l845年，但是，到了1857年在平爐上引用了熱交換器，從而大幅度提高了冶煉溫度，這樣才具有工程實用價值。發明平爐的是德國的Wilhelm Siemens和法國的Pierre Mar—tin，故歐洲多稱之為西門子一馬丁爐。
    電弧煉鋼爐的出現是鑄鋼工業發展史上的一個重大的技術進步。采用電弧爐煉鋼，除鋼的冶煉質量大有提高以外，更重要的是安排生產方面靈活性優于轉爐和平爐。多年來，電弧煉鋼爐一直是鑄鋼工業中應用最廣泛的冶煉設備。
    發明電弧煉鋼爐的最早專利是WilhelmSiemens于1878年獲得的，但他的發明未能推廣使用，后經法國的Paul Heroul*和Girod Kelles等先后加以改進，才具有實用價值。Herouh研制的電弧爐，1894年起用于冶煉碳化鈣，l899年開始用于煉鋼�，F今煉鋼用的電弧爐基本上都是Heroult型或以其為基礎的改進型，故常稱之為Heroult電爐。
    20世紀20年代，德國的w．I．Rohn開展了真空熔爐的研究工作。20世紀30年代中期，他所在的公司建造了世界上第一座真空感應電爐、容量為3t。但是，由于當時技術裝備方面的限制未能得到推廣使用。
    鋼液的爐外真空處理，是爐外精煉技術的重要方面，20世紀初，E．T．Lake即提出在真空室中鑄造鋼錠。1940年，前蘇聯的Jl．M．HOBIIb,和A．M．CAMAPHH提出，將裝有鋼液的盛鋼桶置于專用容器中，然后抽真空，讓鋼液在真空條件下保持，以降低其中的氧、氮和氫的含量，但是經過若干年后，才進行生產性試驗和實際應用。
    2.20世紀40年代以后鑄鋼工業的技術進步
    1．鑄鋼及其合金材料方面的發展  由于對合金化和微合金化的研究不斷深入，各種合金鋼及特殊鋼在鑄鋼生產中所占的比重日益增長，這是現代鑄鋼工業的重要技術進步之一。
    近幾十年來，低合金高強度鋼在鑄鋼工業的應用增長很快。加入少量合金元素，配合適當的熱處理，可在保證良好的綜合力學性能的條件下使鋼的抗拉強度、屈服強度提高1倍或者更多；對于強度有一定要求的結構件，用低合金高強度鑄鋼代替鑄造碳鋼，可使結構的重量減輕、可靠性提高。而且，由于許多國家根據自己的資源條件開發多種低合金高強度鑄鋼，因此，目前已有多種由不同合金元素形成的合金鋼體系可供設計選用。
    低碳微合金化鑄鋼也是鑄鋼材料發展的一個分支，其特征，合金元素的質量分數一般在0．1％以下，合金元素主要是V、Nb、Ti、B和稀土合金等。
    對于各種有特殊性能要求的高合金鋼，如抗磨鋼、耐熱鋼或熱強鋼、耐蝕鋼和低溫條件下使用的鋼，或基于進一步改善其性能，或著眼于降低成本，各工業國都進行了大量的研究工作，并有了許多重大的改進和發展。鑄造低碳馬氏體不銹鋼ZG06Crl3Ni4Mo(CA--6NM)的研制成功和在水電工程中的廣泛應用，是20世紀70年代以來新型鑄鋼合金材料最成功的范例之一。大型火電機組采用W(Cr)一9％～l2％和加Nb、V等合金元素的含氮抗蠕變不銹鋼(C12A)，超低碳含氮雙相不銹鋼，高氮奧氏體不銹鋼和耐熱鋼等。新型鑄造合金材料都是建立在純凈鑄鋼的基礎上，純凈鑄鋼是指不含宏觀氧化物夾雜(≠>10／-m)，有很低的氣體、硫、磷和各類夾雜物含量。對純凈碳鋼和低合金鋼而言，一般鋼液中應控制叫(S+O<150×10_4％的水平。
    純凈鑄鋼是與鋼液精煉工藝相伴而生的，精煉工藝的發展是20世紀40年代以來鑄鋼工業又一重要技術進步。
    2．冶煉和精煉技術的發展  近30年來，由于電力工業的發展和電弧爐用于鑄鋼生產的靈活性，電弧爐已成為鑄鋼工業中的主要冶煉設備。電弧爐向大型化發展以后，原采用平爐的鑄鋼廠已改用電弧爐生產。
    超大功率電弧爐從20世紀70年代起受到重視。由于其加速熔化過程，并在氧化期造成活躍的沸騰，可以提高生產率，節約電能，提高冶煉質量，因而很快就得到推廣。國外新的電弧爐系列配用的變壓器容量已由過去的每噸鋼300～500kV＆#8226;A提高到900kV＆#8226;A以上。
    爐外精煉是煉鋼技術的一項重要進展，其工藝特點是精煉過程移到熔煉爐外的設備中完成，不僅可以提高鋼的質量，而且可以縮短爐內冶煉的時間，提高熔煉爐的生產率；另外，現代工業對產品質量要求越來越高，又促進了爐外精煉技術的發展。近幾十年內，鑄鋼用精煉技術的發展可歸結為如下工藝。
    1)氬氣凈化(Argon Gas Injection)。氬氣凈化是通過陶瓷透氣磚向鋼液中吹入氬氣實現凈化鋼液的目的。透氣磚可安裝在盛鋼桶的底部，其優點是除攪動功能外，由于具有較小分散的氣泡，還有除氣作用，降低氣體和夾雜物的含量。
    2)鈣線射入凈化(Ca Wire Injection)。鈣線射人工藝也稱喂線工藝，是20世紀80年代初，日本、法國和美國研制成功的爐外凈化技術。是采用薄鋼帶包覆金屬Al、si—Ca和Al—Ca等合金射入精煉爐中以降低鋼中氧和硫的含量，改變夾雜物含量、形狀和組成，從而提高鋼液的純凈度和改善鑄鋼的塑性和韌性，還兼有微量合金成分調正的功能。能準確控制鋼中A1等含量，提高合金收得率，一般Al的收得率可達50％～80％。
    3)AOD精煉工藝(Argon Oxygen Decarbur—ization)。AOD精煉工藝是氧氣和惰性氣體(氬氣)的混合氣體從爐體側面通過特殊的噴槍直接吹入熔池之中(液面之下)進行精煉。AOD工藝適用于低碳、超低碳不銹鋼和其他特殊合金鋼的精煉�，F在，全世界75％以上的不銹鋼是采用AOD工藝生產的。AOD工藝于1973年開始用于鑄造生產(美國ESC0公司)。全世界現有l00多臺AOD爐，其容量1～160t。用于鑄造生產的一般容量小于20t。AOD工藝的初始目標是不銹鋼精煉，現在已擴大到生產工具鋼、硅鋼、低合金鋼和碳鋼。l978年ESC0公司成為第一家應用AOD進行低合金鋼精煉。
    4)真空精煉工藝VOD(Vacuum Oxygen De—carburization)、VODC(Vacuum Oxygen Decar—
burization Converter)。VOD是真空氧脫碳精煉工藝，適用于精煉各種碳鋼、合金鋼和不銹鋼。由于在真空條件下，可以精煉出純凈度更高的鋼液，使鋼液中的0、H、N氣體和夾雜S等含量更低，該工藝需用真空設備。VODC是VOD和有氬氣攪拌功能的轉爐工藝相結合的精煉裝置。
    5)LF(Ladle Furnace)。LRF是盛鋼桶精煉爐，它具備三個功能：真空、爐底氬氣攪拌和電極加熱。LRF爐適用于冶金和重型機械制造工業中較大容量鋼液的精煉，中國重型機械工業系統有容量30～170t的LF爐10多臺，多應用于動力工程用大型純凈鋼錠的精煉。
    6)VILF(Vacuum Induction Ladle Furnace)。VILF是真空感應加熱盛鋼桶精煉爐，是解決小容量LF加熱的方法之一。El本大同特殊鋼公司5t的VILF爐主要生產碳鋼件。
    7)PLF(Plasma Ladle Furnace)。PLF等離子體盛鋼桶精煉爐，是美國Maynard鑄鋼公司于1993年首先引入此種精煉爐用于鑄造生產。密封的盛鋼桶蓋與采用氬氣凈化和等離子體極性調節相結合生產超純凈鋼，該公司采用PLF爐生產含氧、氮、硫、磷極低的鑄鋼。
    8)ESC(Electr0—Slag Casting)。ESC是電渣精煉鑄件，該工藝在俄羅斯應用最早，加拿大也有此項工藝研究和應用報道。ESC可以避免傳統工藝的澆注過程鋼流的氧化和夾雜的形成，以及隨著凝固過程的進行出現縮孑L、皮下氣孔和偏析等缺陷。因其熔化的鋼液一直在渣的保護之下和凝固過程均在控制之下進行，熔化的鋼液均透過渣層得到精煉。ESC是一種較為獨特的純凈鋼生產工藝。沈陽鑄造研究所采用ESC法生產動力工程用不銹鋼導葉獲得成功，已投入商業化生產。
    近幾年來，隨著冶煉技術的不斷進步，涌現了多種綜合冶煉工藝，如密封鋼吹氬成分微調法加氧槍，實現溫度調節；噴流攪拌的盛鋼桶快速精煉法，噴粉精煉法及用惰性氣體噴吹堿土金屬脫硫法等。
    3．造型工藝和造型材料方面的進步  20世紀40年代中期和后期在生產中采用的殼型工藝和水玻璃砂，以“化學硬化”的概念使廣大鑄造工作者耳目一新，是鑄造工藝方面的兩項突破性進展。此后，各種化學粘結劑不斷推出，以不同方式硬化(自硬、加熱硬化和吹霧硬化)的工藝及設備也逐漸趨于完善。結果，傳統的粘土干砂型和油砂芯的使用范圍越來越小，且有被化學硬化型取代的趨勢。
    目前，鑄鋼工業所用工藝造型材料的基本情況大致可作如下概括。
    小型鑄鋼件有相當一部分仍用粘土濕型砂造型。其中用手工造型者已不多見，大都用機器造型，高壓造型工藝也在鑄鋼件生產中得到了應用。一部分小型鑄鋼件用熔�；驓ば丸T造，生產成本雖然高得多，但鑄件的尺寸精度有很大提高，按國際標準(IS08062)的分級，比用粘土砂型鑄造可分別提高3～4級或2～3級。質量要求高的小型鑄鋼件，采用這些精鑄工藝是合適的，目前其產量有不斷增加的趨勢。
    1)氨氣凈化(Argon Gas Injection)。氬氣凈化是通過陶瓷透氣磚向鋼液中吹入氬氣實現凈化鋼液的目的。透氣磚可安裝在盛鋼桶的底部，其優點是除攪動功能外，由于具有較小分散的氣泡，還有除氣作用，降低氣體和夾雜物的含量。
    2)鈣線射入凈化(Ca Wire Injection)。鈣線射人工藝也稱喂線工藝，是20世紀80年代初，日本、法國和美國研制成功的爐外凈化技術。是采用薄鋼帶包覆金屬Al、si—Ca和Al一Ca等合金射入精煉爐中以降低鋼中氧和硫的含量，改變夾雜物含量、形狀和組成，從而提高鋼液的純凈度和改善鑄鋼的塑性和韌性，還兼有微量合金成分調正的功能。能準確控制鋼中A1等含量，提高合金收得率，一般Al的收得率可達50％～80％。
    3)AOD精煉工藝(Argon Oxygen Decarbur-ization)。AOD精煉工藝是氧氣和惰性氣體(氬氣)的混合氣體從爐體側面通過特殊的噴槍直接吹入熔池之中(液面之下)進行精煉。AOD工藝適用于低碳、超低碳不銹鋼和其他特殊合金鋼的精煉�，F在，全世界75％以上的不銹鋼是采用AOD工藝生產的。AOD工藝于1973年開始用于鑄造生產(美國ESC0公司)。全世界現有l00多臺AOD爐，其容量1～160t。用于鑄造生產的一般容量小于20t。AOD工藝的初始目標是不銹鋼精煉，現在已擴大到生產工具鋼、硅鋼、低合金鋼和碳鋼。l 978年ESC0公司成為第一家應用AOD進行低合金鋼精煉。
    4)真空精煉工藝VOD(Vacuum Oxygen De—carburization)、VODC(Vacuum Oxygen Decar—
burization Converter)。VOD是真空氧脫碳精煉工藝，適用于精煉各種碳鋼、合金鋼和不銹鋼。由于在真空條件下，可以精煉出純凈度更高的鋼液，使鋼液中的0、H、N氣體和夾雜S等含量更低，該工藝需用真空設備。VODC是VOD和有氬氣攪拌功能的轉爐工藝相結合的精煉裝置。
    5)LF(Ladle Furnace)。LRF是盛鋼桶精煉爐，它具備三個功能：真空、爐底氬氣攪拌和電極加熱。LRF爐適用于冶金和重型機械制造工業中較大容量鋼液的精煉，中國重型機械工業系統有容量30～170t的LF爐10多臺，多應用于動力工程用大型純凈鋼錠的精煉。
    6)VILF(Vacuum Induction Ladle Furnace)。VILF是真空感應加熱盛鋼桶精煉爐，是解決小容量LF加熱的方法之一。日本大同特殊鋼公司5t的VILF爐主要生產碳鋼件。
    7)P1．F(Plasma Ladle Furnace)。PLF等離子體盛鋼桶精煉爐，是美國Maynard鑄鋼公司于1993年首先引入此種精煉爐用于鑄造生產。密封的盛鋼桶蓋與采用氬氣凈化和等離子體極性調節相結合生產超純凈鋼，該公司采用PLF爐生產含氧、氮、硫、磷極低的鑄鋼。
    8)ESC(Electr0—Slag Casting)。ESC是電渣精煉鑄件，該工藝在俄羅斯應用最早，加拿大也有此項工藝研究和應用報道。ESC可以避免傳統工藝的澆注過程鋼流的氧化和夾雜的形成，以及隨著凝固過程的進行出現縮孔、皮下氣孔和偏析等缺陷。因其熔化的鋼液一直在渣的保護之下和凝固過程均在控制之下進行，熔化的鋼液均透過渣層得到精煉。ESC是一種較為獨特的純凈鋼生產工藝。沈陽鑄造研究所采用ESC法生產動力工程用不銹鋼導葉獲得成功，已投入商業化生產。
    近幾年來，隨著冶煉技術的不斷進步，涌現了多種綜合冶煉工藝，如密封鋼吹氬成分微調法加氧槍，實現溫度調節；噴流攪拌的盛鋼桶快速精煉法，噴粉精煉法及用惰性氣體噴吹堿土金屬脫硫法等。
    3．造型工藝和造型材料方面的進步  20世紀40年代中期和后期在生產中采用的殼型工藝和水玻璃砂，以“化學硬化”的概念使廣大鑄造工作者耳目一新，是鑄造工藝方面的兩項突破性進展。此后，各種化學粘結劑不斷推出，以不同方式硬化(自硬、加熱硬化和吹霧硬化)的工藝及設備也逐漸趨于完善。結果，傳統的粘土干砂型和油砂芯的使用范圍越來越小，且有被化學硬化型取代的趨勢。
    目前，鑄鋼工業所用工藝造型材料的基本情況大致可作如下概括。
    小型鑄鋼件有相當一部分仍用粘土濕型砂造型。其中用手工造型者已不多見，大都用機器造型，高壓造型工藝也在鑄鋼件生產中得到了應用。一部分小型鑄鋼件用熔�；驓ば�鑄造，生產成本雖然高得多，但鑄件的尺寸精度有很大提高，按國際標準(IS08062)的分級，比用粘土砂型鑄造可分別提高3～4級或2～3級。質量要求高的小型鑄鋼件，采用這些精鑄工藝是合適的，目前其產量有不斷增加的趨勢。