特种冶金生产流程的发展趋势

姜周华，康从鹏，刘福斌，董艳伍，耿 鑫

（东北大学 冶金学院，沈阳 110819）

改革开放40多年来，特别是进入21世纪后，中国钢铁业的产品结构与品种研发取得了颠覆性的变化，在产品研发方面，一些优秀特殊钢厂的产品已经达到国际一流水平［1］.党的十九届五中全会中指出要把坚持创新作为我国现代化建设全局中的核心，材料产业作为我国国民经济建设、社会进步和国防安全的物质基础，更需要坚持科技自强自立［2］.本文以特种冶金面临的形势与需求为出发点，对典型的特殊钢冶金生产流程、典型特殊钢品种及特钢企业的特种冶金生产流程进行介绍，最后对特种冶金生产流程的发展趋势作出预测，希望能对我国特种冶金生产流程的发展和技术应用起到一定的参考作用.

1 我国特种冶金的形势与需求

特种冶金是生产高品质特殊钢、高温合金及其他特种合金的主要冶炼工艺.特殊钢是具备特殊性能、满足特定要求的钢铁材料，一般具有合金元素质量分数高、生产工艺复杂、技术控制严格等特点［3］.当前我国特殊钢要重点解决“卡脖子”技术和关键材料，其中主要包括面向清洁能源、环保装备、航空航天、海洋工程、现代交通和先进（智能）制造等领域的国家重大需求［4］；重点突破高温合金、不锈钢和镍基耐蚀合金、超高强度钢、耐热钢和耐热合金、工模具钢、轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、电工钢等特殊钢关键材料技术；形成具有国际先进水平的高品质特殊钢与高温合金材料体系和生产工艺流程，获取一批自主知识产权的关键技术，推动特殊钢产业结构调整与优化升级，大幅提升节能减排技术水平，实现高品质特殊钢及特种合金的全面国产化和规模应用.

2 典型的特殊钢冶金生产流程

典型的特殊钢冶金生产流程主要包括普特结合钢铁生产流程、专用特殊钢生产流程、特种冶金生产流程等，以上生产流程及典型的产品在表1和图1中给出.普特结合钢铁生产流程中电弧炉（EAF）的原料主要来自循环废钢和利用铁矿石直接还原法得到的块铁，转炉（BOF）的原料主要来自高炉铁水和循环废钢.专用特殊钢生产流程中包含了电弧炉—精炼（LF，VD）—连铸（CC）/模铸（IC）—热连轧及转炉—精炼（LF，RH）—连铸（CC）—热连轧.

特种冶金在欧美一般指特种熔炼，在俄罗斯指特种电冶金，是制备高端特殊钢和合金的冶炼工艺.相比普特结合与专用特殊钢生产流程，特种冶金的生产从流程到设备更加灵活多，如图1所示，包括初始熔炼、二次熔炼、终端熔炼等部分［5］.初始熔炼主要起到精炼、提纯、化学成分控制、制备二次熔炼母材的作用，具体是将回收和加工的碎料及初始料进行真空感应熔炼（VIM）或真空感应脱气浇注（VIDP），一部分浇注的钢锭会进行挤压、锻造、轧制来获得产品，另一部分则进行二次熔炼；二次熔炼主要起到宏观和微观结构控制的目的，涵盖了雾化制粉、真空电弧熔炼（VAM）壳式精密铸造、感应冷坩埚熔模铸造（ISM）、真空电弧熔炼（VAR）、电渣重熔（ESR）、电子束熔炼（EB）、等离子熔炼（PAM）等多种熔炼工艺；终端熔炼包括粉末冶金、激光喷涂、定向凝固（DS）及单晶（SC）等工艺.

表1 典型特殊钢冶金生产流程及其产品Table 1 Metallurgy production process for typical special steels and products

图1 特种冶金生产流程及其产品Fig.1 The production process of melting and remelting and products

3 典型特殊钢品种的特种冶金生产流程

特种冶金具有纯净化（有效去除杂质与夹杂物）、均质化（减少偏析）、近终型、全规格（从小型至大型）等特点，适用于制造服役于高温、高压、高速、重载、腐蚀等苛刻环境条件下的产品［3］.这些产品往往含有较高的合金质量分数，普通的模铸和连铸工艺往往会使铸锭中产生较大的夹杂物，并且在凝固时偏析严重，极易析出脆性相影响产品质量，特种冶金成为生产该类产品的主要手段.如表2所示，本文以超超临界火电用耐热钢合金、工模具钢和高温合金为例对典型特殊钢品种的特种冶金生产流程进行简要介绍.

表2 典型特殊钢品种的特种冶金生产流程Table 2 Special melting and remelting production process of typical special steel varieties

3.1 超超临界火电用耐热钢合金的生产流程

中国的超超临界火电用耐热钢合金的生产已被列入国家中长期发展规划，从2003年起步至今，超超临界火电用耐热钢合金的生产已经取得了长足的进步［6］.目前600℃以下超超临界锅炉和汽轮机用耐热钢合金的生产基本实现了国产化［7］.但由于国内电渣重熔过程对B元素的控制技术不过关，多年来620℃超超临界火电用耐热钢合金特大型钢锭FB2转子锻件都是国外进口.目前国内刚刚开始试生产，其产品需要经过电炉冶炼→LF→真空脱气→ESR→均质化处理→开坯→锻造成型→均匀化退火→性能热处理→粗加工→探伤→性能检验→精加工→入库等一系列流程.

3.2 工模具钢生产工艺流程

近年来，随着国内外工模具钢的产量、生产技术、工艺装备、质量、品种等方面都取得了比较迅速和稳定的发展，不仅推动了国外优质的工模具钢在国内的推广和普及，还推动了国内工模具的优质高效发展［8］.

目前国内工模具钢的生产流程主要包括EAF→LF/VD→IC→（ESR）→锻造或开坯→轧制，或者（返回料）→AIM（中频炉）→ESR→锻造或开坯→轧制等工艺.传统的熔炼和浇铸工艺存在合金成分偏析、碳化物粗大和不均匀分布等缺点［9］，因此，有些企业对高端工模具钢的生产会采用粉末冶金工艺来达到传统熔铸工艺无法达到的效果，例如粉末等静压成型、喷射成型技术.

喷射成型技术是一种新的金属成型工艺，又被称为喷射沉积、喷射铸造等.具体流程是将合金原料熔化后，注入中间包内，合金溶液由中间包下部的导液管流出后，经雾化喷嘴射出的高速气体雾化，形成细小的金属液滴；这些细小的液滴在强有力的高速气流作用下加速飞行并快速冷却，在半固态的状况下沉积到雾化舱下方在旋转的同时向下移动的沉积器上，最终凝结成锭坯.喷射成型具有快速凝固的特点，可使生产的工模具钢具有晶粒细小、碳化物分布均匀等优点，这是传统真空熔铸工艺所难以实现的［10］.

3.3 高温合金的特种熔炼方法和工艺流程

经过60多年的发展，我国已形成了生产装备比较先进、具有一定规模的高温合金生产基地［11］，按其制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金等.

变形高温合金一般采用真空熔炼和重熔→等温开坯和锻造流程制备.如图2所示，宝武特冶采用两联（VIM+VAR或 VIM+ESR）或三联（VIM+ESR+VAR）冶炼工艺进行高温合金的生产［12］.目 前，已 对 航 空 用 GH4169 系 列、GH4065A，GH720Li及燃气轮机用GH738、重型燃机用GH706等产品实现工艺开发或批量生产.

铸造高温合金一般采用母合金熔炼→CA精铸、热控凝固和定向凝固的生产方式，具体工艺流程如图3所示.

粉末高温合金是用粉末冶金工艺制成的高温合金，其产品具有组织均匀、无宏观偏析，屈服强度高、疲劳性能好等优点.粉末高温合金的冶金生产流程如下：真空感应熔炼制备棒坯→棒料加工→棒料真空退火→REP制粉→粉末筛分→静电除夹杂→粉末检测→装套脱气封焊→HIP成型→机加工→热处理→毛坯→超声探伤检验→组织性能检测.

图2 宝武特冶变形高温合金生产流程Fig.2 The production process of deformed superalloy in Baowu special metallurgy

图3 铸造高温合金生产流程Fig.3 Production process of cast superalloy

4 典型特钢企业的特种冶金生产流程

4.1 宝武特冶公司特种冶金生产流程

宝武特冶公司的产品涉及航空航天、核电、火电、风电、石油化工、环保、电子仪表、工模具制造等领域.如图4所示，在其特种冶金生产流程中，包含 VIM+ESR，VIM+VAR，AIM+ESR，AIM+VAR，VIM+VAR+ESR，VIM+ESR+VAR，EAF+（AOD）+LF+ESR等工艺［12］，涉及棒材、锻件、模块、扁材、环、饼等产品的生产.

图4 宝武特冶公司特种冶金生产流程图Fig.4 Special melting and remelting production flow chart of Baowu special metallurgical company

4.2 抚顺特殊钢股份有限公司特殊钢冶金生产流程

目前，抚顺特殊钢股份有限公司主打的产品有高温合金、超高强度钢、工模具钢、不锈钢、钛合金、合金结构钢、轴承钢等，其生产流程包括了熔炼→精炼→真空冶炼→电渣重熔→（真空电弧重熔）→锻造→轧制→冷拉或板材轧制→热处理→机加工→无损检测等，具体生产流程如图5所示［13］.

4.3 奥地利博乐公司特殊钢生产流程

作为全球工模具钢的代表企业，奥地利博乐公司主要生产冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢、高速工具钢等.如图6所示，其特殊钢生产流程包括了熔炼→二次冶金→浇铸→特殊熔炼和重熔→热成型→热加工/机加工→测试等环节［14］.

图5 抚顺特殊钢股份有限公司特殊钢冶金生产流程Fig.5 Special melting and remelting production process of Fushun special steel Co.Ltd.

图6 博乐公司特殊钢生产流程Fig.6 The production process of special steels in Böhler Company

5 特种冶金生产流程的未来发展趋势

5.1 高合金特殊钢和特种合金板带生产流程

对高合金特殊钢和特种合金板带而言，通过EAF→AOD→VOD→VCC（立式连铸）或以VIM→IC→ESR（扁锭）工艺生产板坯，将板坯进行粗轧后制成中板，或再将中板投入炉卷轧机后进入冷轧线，最后产出钢板或冷轧钢卷.

5.2 低成本生产高端特殊钢新工艺

为了降低生产成本，最近国内外相继开发了两条低成本生产高端特殊钢的工艺路线：一种是EAF+AOD+ESR，该工艺主要生产40%Ni以下的铁镍基耐蚀合金；另一种是EAF/BOF+LF+VD/RH+CC+VAR/ESR，该工艺主要针对生产超高强度钢、高端塑料模具钢、高端轴承钢等.

5.3 半连续电渣重熔实心和空心钢锭技术

传统的半连续电渣重熔实心钢锭技术路线为初炼→精炼→模铸→电渣重熔→初轧/锻造→圆坯/方坯→热连轧，此传统工艺路线存在生产效率低、成材率低、电耗高等缺点.目前，创新流程包含了初炼→精炼→连铸→半连续电渣→圆坯/方坯→热连轧工艺，在精炼后直接采用连铸+半连续电渣的方式大大提高了生产效率，具有连续化、高效化、低成本化等优点［15］.此外，连续电渣重熔还有利于碳化物、夹杂物、宏观偏析的控制，有利于提高热加工塑性［16-18］，为后续锻造工艺实施提供基础.

对空心钢锭的制备流程而言，传统流程往往采用电渣重熔实心锭→冲孔→多次加热锻造成型→管材的方法制备，该流程存在浪费材料、难冲孔、组织和晶粒难以控制等诸多问题.而采用电渣重熔空心钢锭→热锻造成型→管材的创新流程则具有减工序、提质量、降成本的优点［19］，这种生产空心钢锭的创新技术具有很好的发展潜力.

5.4 高端特殊钢产品的生产流程

以高端工模具钢、高氮不锈钢、高温合金、耐蚀合金、精密合金等高端特殊钢产品为例，表3给出了其生产流程及典型的钢种牌号.对高氮不锈钢而言，在一定条件下，钢中氮的溶解度会随着熔炼压力的升高而升高［20-21］.目前，东北大学特殊钢冶金研究所采用加压感应熔炼+加压电渣重熔双联工艺制备高氮不锈钢，取得了良好的效果.母材电极采用加压感应熔炼，底吹氮气和加压气相渗氮共同作用，共同促进氮合金化过程，较高的氮分压能显著提升钢液氮的溶解度.在浇注阶段，采取分阶段控制压力的方法确保钢液凝固过程中氮不会以气体的形式逸出.将熔炼后的电极进行加压电渣重熔，对钢中的夹杂物进行去除，提高洁净度，改善凝固组织［22］.加压双联工艺制备高氮不锈钢的核心在于氮合金化、纯净度提升和凝固组织调控任务的再分配，该生产技术已经取得多项专利［23-24］.

图7是作者设想的未来高端特殊钢生产的典型流程.其主要特点是：①采用中频感应炉熔化铁合金和返回合金废钢，保证LF的精炼效率，避免长时间加热熔化合金，同时避免返回合金废钢加入电弧炉熔化时造成合金元素的大量烧损；②高合金钢和镍质量分数小于40%的镍基合金采用电弧炉→精炼→立式连铸生产流程，而不采用操作成本昂贵的真空感应熔炼；③立式连铸可以是板坯或是圆坯，是电渣重熔或真空电弧重熔很好的自耗电极.

表3 高端特殊钢产品的生产流程Table 3 Production process of high-grade special steel products

图7 未来高品质特殊钢生产的典型流程Fig.7 Typical process of special steel production in the future

6 总结与展望

（1）充分发挥炉外精炼的纯净化作用，代替真空感应炉，实现特种冶金产品的质优价廉.

（2）非真空感应炉（中频炉）仍然是特种冶金生产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）“炉外精炼+立式连铸+特种熔炼”是高端特殊钢生产的发展趋势.“连铸坯+真空自耗炉”在生产民用特冶产品（工模具钢、轴承钢、不锈钢等）中将大有可为.

（4）航空超高强度钢生产流程中真空感应原材料的提纯工艺（纯净铁和中间合金）是超纯熔炼的关键.

（5）特种冶金流程的自动化和智能化是必然发展趋势，对产品质量的提升和稳定至关重要.

（6）基于导电结晶器的电渣重熔、加压电渣、真空电渣、旋转电极电渣、真空感应熔炼中的陶瓷过滤和中间包冶金、冷坩埚熔炼、悬浮熔炼等新技术将进一步促进特种冶金生产流程的变革与发展.