特殊鋼是鋼鐵工業的一個重要領域，特殊鋼的品種繁多，性能各異，質量要求高，應用范圍廣，國家的經濟建設、國防建設乃至人們的日常生活都與特殊鋼有密切關系，因而通常把特殊鋼品種、質量、產量作為衡量一個國家鋼鐵工業科學技術和工業化水平的重要尺度。

 

　　由于早期特殊鋼大都采用電爐冶煉，習慣上形成了特殊鋼廠就是電爐鋼廠，特殊鋼一定要用電爐冶煉。這主要是由于早期電爐煉鋼的特點和特殊鋼本身產品特點決定的。然而電爐冶煉也存在著冶煉周期長、生產效率低、電價昂貴、成本高和爐容小等去點。

 

　　隨著社會廢鋼資源的積累，直接還原技術的開發，電力工業的發展，電爐煉鋼技術（大容積電爐、超高功率電爐等）、鐵水預處理和爐外精煉技術的飛速發展，轉爐鋼廠越來越多地生產特殊鋼，而電爐鋼廠也越來越多地生產普通鋼。

 

　　本文論述了特殊鋼市場需求、轉爐生產特殊鋼在技術經濟上的優勢和目前國內外轉爐生產特殊鋼概況，指出首鋼開發生產轉爐特殊鋼具有技術、經濟、市場上的優勢。

 

 

　　近幾年來，我國特殊鋼產量呈上升趨勢，并處于發展階段。近年我國特殊鋼及其鋼材的產量情況如表1。

 

表1      近幾年我國特殊鋼鋼材的產量         單位：萬噸
 

 

　　從以上可以看出，合結鋼、軸承鋼、不銹鋼及彈簧鋼是合金鋼的主要品種，它們占合金鋼總產量的比例達到了97%，是推動特殊鋼產量增長的主要動力。目前國外采用轉爐生產特殊鋼比較成熟的鋼種有不銹鋼（有的國家不將其計入特殊鋼）、軸承鋼及彈簧鋼等。首鋼目前不具備生產不銹鋼的設備和條件，因此下面僅針對軸承鋼、彈簧鋼及合金結構鋼進行有關市場戰略分析。

 

　　2003年我國特鋼企業軸承鋼鋼材產量為134.3萬噸。其中，華東地區為69.8萬噸，占53%，居位；東北地區為30.5萬噸，占23%，居第二位；而華北地區僅產0.5萬噸。

 

　　2003年我國特鋼企業彈簧鋼鋼材產量為43.3萬噸。其中，華東地區為25.1萬噸，居全國首位；中南地區為12.4萬噸，居全國第二；華北地區僅為3406噸。

　　下面分別示出我國特鋼企業軸承鋼鋼材、彈簧鋼鋼材、合金結構鋼鋼材產量分布情況。

 

　　從圖1可以看出，華北地區軸承鋼及彈簧鋼產量很低，遠遠落后于其它地區。由此可以看出，華北地區生產特殊鋼的企業少，規模小，競爭對手弱。同時，特殊鋼的產量又在連年增長，所以首鋼生產特殊鋼的競爭對手少，極具生產特殊鋼的優勢。

 

　　華北地區實際上有一些生產特殊鋼的企業。承德建龍以主要生產棒材而建設的，年產能力50萬噸，其中生產特殊鋼棒材20萬噸。邢鋼主要以生產線材為主，目前正積極地為打入汽車用為主的特殊鋼線材市場開展研發。

 

　　特殊鋼主要應用范圍較廣，在發達工業國家70%以上用于汽車和機械制造業。其中直接或間接用于汽車消費的特殊鋼鋼材量可達總量的50%（直接用量占其總量的25-27%）以上，其它為機械工業用。

 

　　我國特鋼產品的主要流向則是機械制造業（包括農機）30%；汽車行業20%；石油、化工行業10-15%，鐵路20%，其他行業15-20%。

 

　　隨著我國工業經濟的發展，國外一些企業正紛紛進入我國市場。由于在特殊鋼領域生產和產品的技術含量較高，因此高水平的國外企業具有很強的優勢且較容易地進入國內市場。如日本的大同特鋼、愛知制鋼及神戶制鋼等公司相繼到我國建合資企業。日本神戶制鋼公司已做出至2010年在我國汽車懸架彈簧用鋼市場領域要占有40%市場份額的目標。為實現該目標先后建立神鋼線材加工（佛山）有限公司（2006年4月投產）和位于江蘇江陰的一家合資公司（公司名稱待定，2006年10月投產）等兩家公司。前者原料全部采用日本神戶制鋼公司生產的進口光亮棒鋼，而后者則以前者產品為原料。由于神戶制鋼公司具有豐富的為汽車行業提供產品的經驗，質量也屬上乘，因此會很快打開市場。國內特殊鋼企業的產品若想替代它們尚需時日。

 

　　3、轉爐生產特殊鋼的優勢

 

　　目前，特殊鋼生產工藝流程主要有三種：   

 

　　（1）電爐流程：電爐→二次精煉→連鑄（模鑄）→軋制

 

　　（2）轉爐流程：高爐→鐵水預處理→轉爐→二次精煉→連鑄（模鑄）→軋制。

 

　　（3）特種冶金：真空感應熔煉、電渣重熔、真空電弧重熔、電子束熔煉、等離子熔煉等→鍛造或軋制。

　　

　　由于早期特殊鋼大都采用電爐冶煉，習慣上形成了特殊鋼廠就是電爐鋼廠，特殊鋼一定要用電爐冶煉，而電爐一定要生產特殊鋼才夠水平，才可以有好的經濟效益。這主要是由于早期電爐煉鋼的特點和特殊鋼本身產品特點決定的。電爐煉鋼是依靠電能感應的物理熱進行冶煉的，可在爐內熔化大量合金和廢鋼鐵，這樣電爐鋼在合金化等方面較轉爐煉鋼有一定的優越性。但其缺點是冶煉周期長、生產效率低、電價昂貴、成本高和爐容小等。又由于特殊鋼產品有合金含量高、多品種、小批量和附加值高等特點，因此早期用電爐冶煉特殊鋼，達到了揚長避短之目的，但同時人們也一直認為轉爐主要是用來冶煉普通鋼的。

 

　　隨著社會廢鋼資源的積累，直接還原技術的開發，電力工業的發展，電爐煉鋼技術（大容積電爐、超高功率電爐等）、鐵水預處理和爐外精煉技術的飛速發展，電爐鋼廠越來越多地轉向生產普通鋼，而轉爐鋼廠越來越多地生產特殊鋼。

 

　　3.2轉爐特殊鋼生產

 

　　隨著我國經濟的發展，鋼材消費結構正在發生變化，特殊鋼的市場需求將會逐漸擴大，為轉爐生產特殊鋼提供了市場機遇。現在轉爐流程在特殊鋼的生產領域已經占據了一定的地位，尤其在用量大、適于連鑄生產的鋼種領域，如不銹鋼、軸承鋼和彈簧鋼等，并取得了很好的效果。

 

　　傳統轉爐冶煉過程一般包括脫碳、脫硅、脫磷及脫硫操作。由于無法進行時間較長的還原操作，因此難以實現良好的脫氧、脫硫、大量合金化以及成分的微調，所以以前不能生產出質量要求較高的鋼種，一般只用來生產普通鋼。但隨著鐵水預處理技術和爐外精煉技術的出現和快速發展，使轉爐生產特殊鋼成為可能。通過鐵水預處理可以使鐵水中的磷含量達到100ppm、硫含量達到十幾個ppm的水平，再經過爐外精煉脫氣、脫硫、脫氧及夾雜物變性處理可以使鋼水達到很高的純凈度，并得到合理的夾雜物形態。此外，轉爐與鐵水預處理和爐外精煉技術相結合，可以生產出一些電爐流程難以生產的品種，例如汽車行業以及其它行業所需的深沖鋼。總之，轉爐流程生產特殊鋼已越來越受到業內人士的關注。

 

　　轉爐與電爐生產特殊鋼的主要區別之一是原料不同。廢鋼的添加數量取決于鐵中硅、碳和磷的含量以及廢鋼的預熱溫度。

 

　　轉爐吹煉的技術特點是：

 

　　（1）反應速度快，吹氧時間僅12-16min，生產周期短、節奏快；

 

　　（2）采用“自熱法”升溫，熱效率高、成本低、升溫速度快；

 

　　（3）渣-鋼反應接近平衡。

 

　　此外，采用轉爐生產特殊鋼，必須適應轉爐煉鋼的技術特點。在保證鋼材質量的前提下，特殊鋼生產必須適應轉爐高效率、快節奏的生產方式，充分發揮轉爐反應速度快、渣鋼反應接近平衡以及鋼中氣體含量低的技術優勢。特殊鋼的需求是多品種、小批量。轉爐生產特殊鋼，必須適應轉爐的冶金特點，發揮轉爐煉鋼的技術優勢。應在保證轉爐高效快節奏的生產條件下，以盡可能低的成本生產高純凈度的特殊鋼。

 

　　基于轉爐原料中金屬雜質含量低，冶煉過程沒有電弧區鋼液增氮過程，加上脫碳效果好，利于生產低碳、低氮和低金屬雜質鋼種。目前，在工業化國家優特鋼材的消費中，汽車工業占50% 左右，機械工業占24%左右，所以汽車工業是特殊鋼的主要市場。發展轉爐特殊鋼生產，必須瞄準國內汽車工業市場。表3給出了滿足汽車工業需求，適宜轉爐冶煉的特殊鋼品種（不銹鋼除外）。

 

表3  適宜轉爐冶煉的特殊鋼品種
 

 

　　注：鋼中全氧T[O]均為質量分數

 

　　由于鐵水預處理和二次精煉技術的發展，使得轉爐流程在特殊鋼生產方面發揮了重要作用。轉爐與鐵水預處理及二次精煉設備相結合，特別是轉爐冶煉是采用金屬雜質含量低的鐵水作原料，而且冶煉時沒有電爐冶煉過程中電弧區鋼液吸氮問題，轉爐流程不僅可以生產出過去只能靠電爐生產的軸承鋼、不銹鋼等鋼種，而且可生產出一些電爐流程難以生產的品種，如含碳、氮總量低于50ppm，含銅、鎳、鉻、鉬、錫總量低于0.14%的深沖鋼板。

　　

　　二十世紀八十年代中后期，原本由電爐冶煉的高碳鉻軸承鋼，由于高爐廠家的參與，開始了轉爐也生產軸承鋼的時代。由于低含氧量鋼已正常生產，各廠家爭先試驗由爐外精煉、脫氣和連鑄組合的高純凈化工藝。1986年首次報道了采用鐵水預處理→轉爐→鋼包精煉工藝流程生產高潔凈軸承鋼。并進行了一系列相關的研究，推動了轉爐煉特殊鋼的發展。

 

　　3.3轉爐生產特殊鋼的優勢

 

　　鐵水預處理及二次精煉技術的發展，使得轉爐流程在特殊鋼生產方面發揮了重要的作用。轉爐流程生產特殊鋼技術首先是由日本開發的。日本于1957年引進氧氣轉爐技術，1961年使用轉爐生產特殊鋼28萬噸，占當時特殊鋼產量的10%；1967年生產156萬噸，占23%；1971年生產528萬噸，占51%；1985年產量達1200萬噸，近年來一直保持在1000萬噸以上的水平，占特殊鋼產量的70%左右。兩種生產流程煉鋼工藝比較見表2.2。

 

 

　　（1）電爐流程的優缺點

 

　　① 電爐煉鋼配以LF/VD二次精煉生產特殊鋼的優勢在于使用化學性質為中性的電弧作為熱源，冶煉過程中加熱與化學反應相互獨立，從而保證了工藝的靈活性。又由于允許加入較多數量的合金，因而在生產高合金鋼方面具有更明顯的優勢。采用電爐煉鋼工藝適合于生產小批量、多品種、合金含量較高的鋼種。

 

　　② 由于電爐加熱鋼水時會使熔池增碳，而電爐冶煉過程成分控制較為容易，故其優勢鋼類為中、高碳鋼和高合金鋼。由于電弧區鋼液吸氮，因而難以生產氮含量低的產品。

 

　　③ 電弧加熱爐料時，產生物理熱大部分被包圍在加熱的爐料中，而且帶走的熱損失少，所以熱效率比轉爐煉鋼法要高。但使用小容量的電弧爐生產特殊鋼的首要問題在于無法配置有效的二次精煉手段；其次是裝備水平難以提高，影響了成分和溫度的精確控制；第三是由于出鋼量小，爐間成分波動范圍大。

 

　　④ 采用電爐冶煉消耗高、生產成本高。

 

　　⑤ 電爐由于采用的原料是廢鋼，因此殘余元素較多，影響鑄坯成分和質量。

 

　　（2）轉爐流程的優勢

　　轉爐生產雖然存在工藝靈活性較差和不適合冶煉冶煉高合金鋼尤其是合金工具鋼等缺點，但與電爐生產相比存在如下優勢：

　　

　　① 鐵水的純凈度和質量穩定性均優于廢鋼。

 

　　② 采用鐵水預處理工藝，進一步提高鐵水純凈度：[S]≤50ppm，[P]≤100ppm。

 

　　③ 氧氣轉爐煉鋼配以RH二次精煉的工序優勢在于極高的生產速率和優異的純凈度，因而適于低碳/超低碳、低殘余元素的鋼種，尤其是批量很大、合金含量較低的鋼種。

 

　　④ 轉爐的終點控制水平高，渣鋼反應比電爐更接近平衡。

 

　　⑤ 轉爐鋼水的氣體含量低，N≤20ppm，H≤3ppm。

 

　　⑦ 轉爐冶煉周期短，生產效率高，成本低，易于與精煉、連鑄形成高效化生產。

 

　　⑧ 轉爐與LF爐匹配，可靈活生產高、中碳及含有一定合金量的低合金鋼。

 

　　4、轉爐特殊鋼生產現狀

 

　　世界特殊鋼生產主要集中在瑞典、日本、美國、德國、法國、英國、意大利和韓國，這些國家特殊鋼產量約占世界特殊鋼產量的60%。其中，特殊鋼產業總體水平Z高的國家首推日本和德國，其它一些發達國家在某些特殊鋼品種居領先地位，如瑞典SKF公司的軸承鋼、Sandvik公司工模具鋼在上具有很高的知名度；法國的不銹鋼冷軋薄板、精密合金，奧地利的工具鋼，美國和英國的高溫合金也都處于一流水平。

 

　　用轉爐生產特殊鋼（不銹鋼除外）的國家主要集中在日本、德國及韓國，主要企業有：日本的神戶制鋼、住友金屬、川崎制鐵公司、德國的蒂森鋼公司和韓國的浦項鋼鐵公司等。其中日本和德國用轉爐生產軸承鋼采用完全不同的生產工藝。它們主要的技術差別在于對煉鋼終點碳的控制。日本采用全量鐵水“三脫”預處理工藝，轉爐采用少渣冶煉、高碳出鋼技術，生產低磷低氧鋼。德國采用轉爐低碳出鋼，保證轉爐后期脫磷效果，依靠出鋼時增碳生產軸承鋼。

 

　　目前我國特殊鋼生產企業有29家，這些特鋼企業承擔著我國51%以上的特殊鋼生產任務，并且其規模、技術、人才、產品品種及質量方面在我國優特鋼行業都占據著主導地位。這29家特鋼均采用電爐生產特殊鋼。此外，我國的一些普鋼企業和為數眾多的鋼材深加工企業也生產特殊鋼產品，其產能和產量約占特殊鋼行業總量的49%，其中普鋼企業所生產的產品大多是不銹鋼產品。

 

　　我國具有轉爐生產能力的一些企業如寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼、攀鋼、邯鋼、本鋼、太鋼、萊鋼、沙鋼、石鋼、八鋼、重鋼和青鋼等，它們分別采用轉爐生產了一些特殊鋼種，比如軸承鋼、彈簧鋼、非調質鋼、齒輪鋼和易切削鋼等。試制或生產的品種主要集中在軸承鋼、彈簧鋼和齒輪鋼方面。

 

　　國內用轉爐生產軸承鋼的企業主要有首鋼、武鋼、本特、太鋼、萊鋼等鋼廠；生產彈簧鋼的企業主要是寶鋼、鞍鋼、邯鋼、石鋼、重鋼等；生產齒輪鋼的企業有寶鋼、首鋼和攀鋼等企業。由于各企業轉爐生產特殊鋼大多處于研發階段，并且涉及各企業的核心技術機密，其公開發布一般較滯后，因此，本文僅對國內外公開發布的轉爐生產特殊鋼的工藝流程及相關動態進行概述。

　　

　　隨著用戶要求的日益提高和市場競爭的激烈化，我國應該在提高特殊鋼質量及降低生產成本上下功夫，以便在國內外市場中處于不敗之地。我國冶金企業應在以下幾方面積極開展工作：   

 

　　（1）進一步提高鋼水清潔度，以達到穩定降低氧含量的目的。進一步改進鋼包的材質，開發新的渣系和脫氧劑，進行攪拌功能的研究。    

 

　　（2）鑒于一些特殊鋼鋼種連鑄工藝已在世界范圍采用，故我國應以冶煉→精煉→連鑄→連軋“四位一體”為方向，盡快開展特殊鋼連鑄工藝的研究、（包括鑄坯斷面的確定等），保護渣研制等工作，以進一步提高成材率，達到節能降耗的目的。   

 

　　（3）積極采用連軋工藝，以實現無扭、無張力高精度軋制，提高尺寸精度。   

 

　　（4）加強產品檢驗手段，確保成品質量。   

 

　　（5）采用在線檢測、自動化控制和在線自動打包機以保證外觀質量。

 

　　5、首鋼發展轉爐特殊鋼的分析

 

 

　　隨著我國汽車工業和現代制造業的發展，特殊鋼的需求將穩步提高。目前華北地區軸承鋼、齒輪鋼和彈簧鋼的產量較低，首鋼生產特殊鋼具有地域上的優勢，應該說可以占領這一領域。特別是后兩個鋼種，其生產是可行的。

 

　　另外，京津地區是汽車工業和機械加工業比較發達的地區。首鋼可根據目前特殊鋼產品市場的情況，優先研究、發展及完善市場用量較大的一些鋼種，優先、重點打入和占領汽車用鋼市場。

 

　　5.2 技術

 

　　利用轉爐生產軸承鋼、齒輪鋼和彈簧鋼的技術國外在二十世紀八十年代就已開始研究，目前有些生產廠家已經能夠進行規模生產。生產上述鋼種所采用的基本技術如下：

 

　　（1）鐵水預處理工序  

 

　　為了生產出高純凈度的軸承鋼、齒輪鋼和彈簧鋼，首先應加強鐵水預處理生產工序的技術研究，實現鐵水三脫預處理，降低鐵水中的硫、磷和硅的含量，以減少轉爐生產工序的操作難度。

 

　　（2）復吹轉爐冶煉工序

 

　　加強復吹轉爐終點控制技術的研究，精確控制轉爐吹煉終點的化學成分和溫度，避免鋼水過氧化，實現低氧鋼冶煉是生產純凈鋼的技術關鍵。所以應當在硫磷含量符合要求時采用高拉碳工藝，依靠鋼中碳控制鋼水含氧量，這樣也可以減少加入增碳劑所帶來的鋼水污染問題。同時應該注重優化復吹工藝，強化底吹攪拌，促進鋼、渣平衡。冶煉時應采用大容量轉爐，這樣可以減少鋼水與耐火材料之間的接觸，提高鋼水純凈度，同時可以提高生產率，降低生產成本。

 

　　（3）爐外精煉工序

 

　　爐外精煉是生產超純凈鋼的重要手段。采用不同的爐外精煉方法組合，可生產不同純凈度的鋼種。但與轉爐匹配時，在保證鋼水純凈度的前提下，要充分注意：

 

　　爐外精煉的生產節奏應與轉爐及連鑄相適應，保持高的生產效率和設備作業率；必須充分考慮爐外精煉的成本，努力降低精煉電耗、氬耗和耐火材料等消耗；

 

　　搞好擋渣出鋼、合成渣洗、吹氬攪拌、合金微調和鈣處理以及真空吹氧脫碳等基本工藝，對于轉爐冶煉特殊鋼尤為重要。

 

　　目前首鋼精煉設備為LF+VD，綜合國內外生產經驗可知生產軸承鋼時需采用LF+RH設備，因此建議首鋼增加一座RH爐，以擴大品種范圍。

 

　　（4）連鑄工序

 

　　鋼水澆注時應該合理設計水口或采用電磁制動，避免鋼水卷渣；充分凈化鋼水，防止浸入式水口堵塞；減少結晶器內鋼水液面波動等技術來控制鋼中大型夾雜物的生成。同時應采用低過熱度澆注技術，以減少偏析和中心疏松。

 

　　建議采用二冷末段電磁攪拌技術，以改善鑄坯表面質量，減少鑄坯疏松及成分偏析，提高等軸晶率等。并且中間包處安裝等離子加熱或感應加熱裝置，以保證適宜的澆注溫度。另外，還應采用凝固末端電磁攪拌、氣水霧化冷卻、輕壓下等技術，進一步減小中心偏析。

   

　　根據國內外生產特殊鋼的經驗，為了減少鑄坯中心偏析，通常采用立彎形大方坯連鑄機，Ф50mm以上的棒材采用一次成材；而生產小規格產品，需經初軋開坯。考慮到首鋼方坯連鑄機生產的方坯尺寸較小，所以產品規格相應地要小，才能保證所需的壓縮比以保證質量。今后在鋼鐵結構調整改造中，應采用大方（矩）坯鑄機，以確保特殊鋼棒材產品質量，擴大規格、品種。

    

　　有關研究表明，矩形坯理論上可明顯改善偏析傾向，所以可以優先考慮矩形坯連鑄生產。

   

　　（5）軋制工序

   

　　有關研究表明，特殊鋼軋制時采用控軋控冷技術，可實現晶粒細化，達到提高鋼材強韌性的目的。因此建議軋制時采用控軋控冷生產工藝。

   

　　（6） 后序工藝

    

　　特殊鋼材生產中，鋼坯、鋼材的探傷檢查和修磨處理、緩冷工藝設施以及鋼材的熱處理（如：正火、退后），是必不可少的工藝環節，是提高產品質量，增加技術含量和附加值的重要保證。這是目前國內轉爐鋼廠與特殊鋼企業在競爭中的重要弱勢。首鋼發展特殊鋼生產應予以充分重視。

   

　　轉爐生產特殊鋼有著良好的經濟效益。2006年首鋼生產特殊鋼線材140萬噸，比生產普通鋼線材平均每噸增加效益330元，生產特殊鋼棒材40萬噸，比生產普通鋼棒材平均每噸增加效益480元。

 

　　⑴ 特殊鋼用途廣泛，市場需求穩定增長，國內華北市場緊缺。

 

　　⑵ 轉爐生產特殊鋼，技術上可行，經濟上合理。

 

　　⑶ 首鋼轉爐生產特殊鋼具有技術、成本、市場上的優勢，首鋼應大力開發生產轉爐合金鋼。