試論鋼鐵生產(chǎn)的全程強化
鄭新文
摘要：鋼鐵行業(yè)要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級換代，鋼鐵材料的強化是一個繞不開的課題。按照金屬強化理論，沿著鋼鐵生產(chǎn)流程這條線索，在鋼鐵生產(chǎn)各個工序環(huán)節(jié)，實際都可采用強化措施。
關鍵詞：鋼鐵材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)鋼強化
1．前言
由于產(chǎn)能過剩、價格低迷，鋼鐵業(yè)急需產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，更期待行業(yè)的“鳳凰涅粲”，從近期的“控產(chǎn)量”到長遠的“提品質(zhì)”成為全行業(yè)的必行之路。對每一個步履艱難的鋼鐵企業(yè)來說，要想圖生存、求發(fā)展，就應實現(xiàn)“人無我有，人有我強”的產(chǎn)品，也即注重新材料研發(fā)和現(xiàn)有品種材料強化。
材料強化狹義是指提高材料強度，廣義則指全面提高材料力學性能。材料強化的原理和機制經(jīng)過幾代材料學科技人員的不斷鉆研都已較為明晰。鋼鐵材料的強化，通常關注點都是在成型加工環(huán)節(jié)的熱處理強化上，實際應該是鋼鐵材料生產(chǎn)加工全過程：冶煉、爐外精煉、連鑄、壓力加工及材料成型，每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都有可以提升品質(zhì)、實現(xiàn)材料強化的措施。
2．鋼鐵材料冶煉環(huán)節(jié)（煉鋼）的鋼強化
鋼鐵材料冶煉，本質(zhì)上說就是一個調(diào)整成分的過程。煉鋼的基本任務體現(xiàn)在調(diào)整成分方面，概括為四脫（碳、硫、磷、氧）、二去（氣體、夾雜）、合金化，即控制適當?shù)暮剂�、合理的合金元素種類及恰當?shù)暮浚浞秩コ泻﹄s質(zhì)。
成分是決定性能的物質(zhì)基礎，在“存利去害”的基礎上要進一步實現(xiàn)材料強化，就要走合金化的途徑，合金元素一般通過以下強化手段起作用：
(1)非碳化物及弱、中強碳化物形成元素：如硅、錳、鉻、鎳，可通過固溶強化機制強化鐵素體基體實現(xiàn)強化。
(2)中強、強碳化物形成元素：如鉻、鎢、鉬、釩、鈦、鋯、鈮，穩(wěn)定的碳化物在鋼結晶過程中通過抑制晶粒長大，實現(xiàn)細晶強化。
(3)中強、強碳化物形成元素在鋼中形成細小碳化物顆粒，產(chǎn)生彌散強化效果。
3．爐外精煉環(huán)節(jié)的鋼強化
爐外精煉實質(zhì)是煉鋼過程的一個延續(xù)，是在特定設備中通過渣洗、真空、攪拌、噴吹、加熱五大手段來實現(xiàn)凈化鋼質(zhì)（去除氣體、夾雜）、調(diào)整成分（合金化）、溫度控制的一個工藝環(huán)節(jié)，目前已被鋼企普遍采用。
由于工藝、設備的針對性，鋼質(zhì)凈化及成分控制更加有效。這對成品鋼材的品質(zhì)、性能的提升構筑了堅實的物質(zhì)基礎。
4．連鑄環(huán)節(jié)的鋼強化
在連鑄機里，合格鋼水結晶直接得到尺寸合適的鋼坯稱連鑄。連鑄鋼坯的鑄態(tài)組織的構成、比例，晶粒大小、雜質(zhì)的分布、中心疏松情況除了對后續(xù)軋鋼過程的進行會產(chǎn)生影響外，還對成品鋼材的性能會產(chǎn)生影響。連鑄環(huán)節(jié)的鋼強化應該落實在鑄態(tài)組織的控制上，而鑄態(tài)組織是可以通過不斷的改良設備、優(yōu)化工藝（澆注溫度、澆注速度、冷卻制度）、精細操作而愈加合理的。
連鑄環(huán)節(jié)里有細晶強化的參與，后面涉及的加工環(huán)節(jié)中，鑄造工藝的鋼強化可依此參照。
5．壓力加工環(huán)節(jié)的鋼強化
鋼鐵材料在冶煉完成后，絕大多數(shù)是通過軋鋼生產(chǎn)來實現(xiàn)初步的成型過程的�，F(xiàn)代軋鋼生產(chǎn)依成品的要求，按軋制時材料變形溫度的不同可分為熱軋和冷軋。在軋制過程中有效的利用各種強化機理，也是實現(xiàn)鋼鐵材料強化的重要途徑。
5.1熱軋過程中的鋼強化
熱軋時可由控制軋制、控制冷卻工藝技術實現(xiàn)鋼強化。控制軋制工藝主要用于含有微量元素的低碳鋼種，鋼中常含有鈮、釩、鈦，其總量一般小于0.1%。通過控制工藝參數(shù)，如加熱溫度、變形程度、終軋溫度來改善鋼性能。其中的機理包括：碳化物的合理分布、奧氏體晶粒大小的控制、再結晶過程的控制等主要幾方面。
控制冷卻工藝是指利用軋后鋼材余溫，采用風冷、噴水、穿水等冷卻方法，用不同的冷卻速度來控制最終組織類型，來滿足鋼材使用性能要求的一種工藝。是使用前不進行熱處理的大型結構類鋼件提高力學性能的有效手段。機理與鋼熱處理強化的固態(tài)相變理論一致。
5.2冷軋過程中的鋼強化
要求尺寸規(guī)格精確、表面光潔的鋼材產(chǎn)品，如板帶類鋼材，通常采用冷軋生產(chǎn)。在保證尺寸、板型、表面質(zhì)量的前提下，應該說冷軋時提高鋼材性能也是有文章可做的，冷軋時的塑性變形由于是在再結晶溫度以下進行的，隨著變形過程的進行，出現(xiàn)晶粒碎化（細晶強化）、大量位錯產(chǎn)生（位錯強化）、亞晶細化、形成變形織構等，金屬的強度、硬度增加，而塑性和韌性相應下降即產(chǎn)生了加工硬化。與此同時金屬內(nèi)部缺陷被壓合、金屬內(nèi)部夾雜物分布改變、偏析改善，金屬的致密度得以提高、也可以提高材料綜合機械性能。對于強韌配合問題可通過退火工藝改善。其他壓力加工工藝過程中的鋼強化可依此參熙。
6．鋼鐵材料加工成型時的強化簡述
鋼鐵材料成型主要方法有：鑄造、壓力加工（鍛造、擠壓、拉拔、沖壓）、焊接、切削加工。在材料成型環(huán)節(jié)中，除了前述方法外，還廣泛應用了熱處理工藝來提高性能。熱處理是指金屬材料固態(tài)下通過加熱、保溫、冷卻來改善組織、性能的工藝。按工序位置及工序目的不同可以分為預備熱處理及最終熱處理，前者是為加工的順利進行做組織和性能準備的，主要采用退火和正火工藝，最終熱處理則是用來提高加工產(chǎn)品性能的，主要采用淬火+回火工藝，部分心表性能要求不同的零部件可以采用表面熱處理工藝。通過熱處理強化，可以針對工件的使用要求，實現(xiàn)顯著的性能提高。
7．綜述
不管是鋼鐵材料的生產(chǎn)階段還是加工階段，我們都有方法和措施來實施鋼的強化。對于碳鋼，可以采取細晶強化、位錯強化、熱處理相變強化；對于合金鋼則要充分利用固溶強化、第二相強化（含彌散強化）、熱處理強化。只要能讓成分組成及組織結構更趨于合理都可達到目的。選好切入點，把握好細節(jié)，可以說強化無處不在。
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