煉鋼—精煉—連鑄工藝生產高碳鋼的質量控制

范樹璐

摘 要：高碳鋼，是指碳含量約為0.60%到1.70%的特種鋼材，在工業生產體系中有著不可或缺的位置。因此，在智能化、自動化、機械化的高碳鋼連鑄過程中實現質量控制是鋼鐵企業求發展的重中之重。本文對高碳鋼的成分進行詳述，在把握高碳鋼成分的基礎上對煉鋼過程的質量控制進行分析，以鋼鐵制造企業有一定的參考意義。

關鍵詞：煉鋼；精煉；連鑄；質量管理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.001

高碳鋼廣泛用鑄造各種精密工具、刀具、機械，在工業生產體系中有著不可或缺的位置。所謂高碳鋼，是指碳含量約為0.60%到1.70%的特種鋼材。高碳鋼不僅堅硬，還有良好的淬火和回火性能。日常生活中的大錘、撬棒就屬于高碳鋼鑄造工具的一種，鉆頭、鉸刀等切割工具也是由高碳鋼鑄造而成。所不同的是，前者碳含量約為0.75%，后者含碳量約為1%。

作為高碳鋼生產大國，國內的大部分鋼鐵企業都把高碳鋼的質量控制放在首位，尤其是連鑄技術出現以后，如果在智能化、自動化、機械化的生產過程中實現質量控制更是煉鋼工藝的重中之重。本文首先對高碳鋼的成分進行詳述，在把握高碳鋼成分的基礎上對煉鋼過程的質量控制進行分析，以鋼鐵制造企業有一定的參考意義。

1 高碳鋼添加成分綜述

在煉鋼過程中，加入適量的碳元素固體而基本不加其他化合金屬，經過熱處理與冷拔之后，經過硬化而成形的鋼坯就是高碳鋼。這種鋼材無論是硬度還是強度都強于一般鋼種，且彈性較好，磨損及切口極限很高，還具有一定的削切性能，因此，被大范圍使用。要確保高碳鋼的質量，首先須從高碳鋼的化學添加成分入手，各化學元素在高碳鋼中起到的性能俱不相同，常用添加化學元素具體性能如下：碳元素C（提高強度）、硅元素Si（提高強度）、錳元素Mn（提高強度）、硫元素S（增大脆性、降低韌性、熱脆性）、磷元素P（增大脆性、降低韌性、冷脆性）。

煉鋼過程是一系列物理反應、化學反應的綜合，因此，煉鋼過程中，除了要注意各種化學元素的配比，還要注意空氣中的主要氣體元素對高碳鋼性能的影響。空氣中主要氣體在煉鋼過程中的來源、存在形式及相應的影響如下：氫元素（電離水可得，氫氣溶解于表皮，表面氣孔、增大脆性）、氮元素（電離空氣可得，氮化物溶解于鋼水，內部晶核、增大脆性）、氧元素（電離、還原可得，氧化物溶解與鋼水、表皮，內部氣孔、降低韌性）。

綜上分析可得，各種化學元素通過主動或被動添加與煉鋼過程中，都會對高碳鋼的性能有所影響，因此，高碳鋼質量的控制首先是添加化學元素的控制，這就需要機械操作人員在實際工作過程中根據實際情況而定，不可盲目操作。

2 高碳鋼連鑄過程的質量控制

鋼絲是四大鋼材中的一種，應用極為廣泛。作為高碳鋼的一種，本文以鋼絲連鑄過程為例，簡述連鑄過程的質量控制。

20世紀70年代，鋼絲鑄造技術以模鑄生產方式為主，這種方式操作較為簡單，但是生產效率不高；80年代后，鋼水預處理工藝開始逐步應用，使得煉鋼效率大為提升。此后，連鑄小方坯技術逐漸問世，成熟的高碳鋼絲質量也大為提高。

2.1 鋼水預處理質量控制

鋼水成分對鋼絲質量影響巨大，對鐵水進行預處理就是為了提高成品鋼絲質量。鋼水預處理工作的核心為脫硫，提高鋼絲韌性。當前企業廣泛采用的脫硫方法為噴吹法，通過嚴格噴水而后的鋼水質量極高，可使含硫量降低至0.01%以下。

2.2 轉爐冶煉質量控制

轉爐冶煉過程其實就是煉鋼過程的主體，目前國內企業主要通過以下兩種方法進行該過程質量控制。

（1）高拉碳補吹法。這種方法主要對鋼絲中的碳元素和硫元素、磷元素進行控制，從而取得最佳的煉鋼效果。生產過程的前期材料可用高純度鐵水或者鐵水與專業廢鋼的結合物，主要注意吹煉過程中的碳含量。碳含量的多寡通過道爐測溫進行取樣而判斷，為了使碳含量的配比最為科學化，需要進行多次倒爐多次取樣。值得注意的是，這種方法雖然可以保證碳含量科學化，卻因為多次倒爐導致溫度損失很大，提高了生產成本。另外，在多次倒爐后不利于溫度控制，且氧化鐵含量低，使出爐后的精煉工序開展困難。

（2）低拉碳增碳法。相比于高拉碳控制過程，低拉碳過程較為簡單。低拉碳增碳法放碳過程只有兩次，即在鋼水注入前一次性加入所需碳量，一般約為0.07%-0.15%，連鑄后再次加入碳粉。這種方法操作簡單，要求爐溫較高，脫磷效果較好，且對后期的精煉有較大的促進作用。不足的是這種方法是成品剛韌性受到影響，所以要求操作人員有極高的操作水平、觀測水平。

2.3 脫氧過程質量控制

鋼水凝固后，鋼水中經過電離反應產生的氧元素會以氧化鐵的形式分布在成品晶界上，使陳品高碳鋼的可塑性受到影響。此外，氧化鐵和伴生物硫化鐵共同作用于成品高碳鋼會發生熱脆現象，因此，脫氧過程也是高碳鋼連鑄工藝質量控制必不可少的步驟。

一般鋼鐵企業都通過化學方式進行脫氧，所不同的是有鋁脫氧和無鋁脫氧。有鋁脫氧是指通過硅鐵，錳鐵，和少量鋁熱劑進行反應，達到脫氧效果。無鋁脫氧是指只用硅鐵和錳鐵進行反應，達到脫氧效果。在具體操作過程中，究竟用那種方式脫氧還需視具體情況而定。

2.4 精煉過程質量控制

精煉是高碳鋼連鑄過程的最后一步，通過精煉，高碳鋼的性能進一步優化并固定，此過程進行質量控制同樣必不可少。

一般的精煉或者二次精煉都才用鋼包吹爐法，目的在于控制爐渣堿度。一般的低堿度數值為1，高堿度數值為2-3，主要依據為檢測爐渣中氧化鈣、二氧化鋅等堿性物質的含堿度。

3 結語

高碳鋼連鑄過程中的質量控制是涉及的步驟比較多，本文僅僅列舉其中較為重要的幾步，除以上列出的部分之外，硬線鋼絲的拔拉過程中的斷口分析、鋼質分析、化學成分分析也需要操作人員仔細注意；鐵水雜物處理工藝及用來提高鑄坯內部質量的電磁攪拌技術等過程也需要進行嚴格的質量控制。

總而言之，高碳鋼連鑄過程的質量控制是一個多多益善、精益求精的過程，在這個過程中，不僅要做到事無巨細，還要求合理重視成本因素，不能顧此失彼，在提高質量的基礎上實現生產成本優化，確保過程中無安全事故，以促進合理生產，提高效率。