铸钢工业的发展

    铸钢工业的发展与炼钢技术的进步是不可分割的。在掌握液态炼钢技术之前，虽然可用“炒钢”技术制成钢质器件，但不可能制造铸钢件。液态炼钢技术实用化的初期，钢液是倾注于砂型中形成的，尽管当时所用的工艺十分简陋，但所制品仍应认为是铸钢件。
    关于铸钢工业的发展概况，以20世纪40年代为界可分为以下两个阶段。
    1.铸钢件的出现和铸钢工业的形成(1845～1940)
    从铁器时代开始到首次炼出液态的钢，其间经历了大约2000年。从炼铁到炼钢，虽然只是含碳量和熔点(相差300。C以上)有所差别，而技术上却有很大难度，其主要障碍是缺乏足够耐高温的熔炼设备和相应的耐火材料。
    有的文献提到，液态炼钢最早出现于印度，但有可靠记载的是l850年英国人Benjamin Huntsman的工作，他在坩埚及耐火材料方面做了重要的改进，从而炼出了钢，但其具体情况不详。
    正式生产铸钢件，最早是在19世纪中叶，几乎同时在欧洲几个国家出现。瑞士的冶金学家J＆#8226;C＆#8226;Fischer于1845年首先用坩埚炼钢制成铸钢件。
    1851年前后，德国威斯特法伦地区Bochum钢厂的Jacob Mayer用坩埚炼出的钢铸成了教堂用的钟。此后几年中，铸造的钢钟曾在欧洲的几次国际性展览会上展出，由于其响声清脆而且售价只及青铜铸钟的一半，曾引起了颇大的轰动。所以有人认为，首次制成有实用价值的铸钢件者，当推Jacob Mayer。
    炼钢成为工业化生产的真正起点，应该是以转炉和平炉投入生产为标志。英国的HenryBessemer经多年的研究工作之后，于l855年制成了侧吹转炉并炼出了钢。到1856年8月，Bessemer正式公布其发明，立即受到了各国冶炼行业的关注。于是按Bessemer的姓氏，将这种炼钢炉命名为“贝氏炉”。
    平炉的发明基本上与转炉在同一时期。初期平炉的研制大约完成于l845年，但是，到了1857年在平炉上引用了热交换器，从而大幅度提高了冶炼温度，这样才具有工程实用价值。发明平炉的是德国的Wilhelm Siemens和法国的Pierre Mar—tin，故欧洲多称之为西门子一马丁炉。
    电弧炼钢炉的出现是铸钢工业发展史上的一个重大的技术进步。采用电弧炉炼钢，除钢的冶炼质量大有提高以外，更重要的是安排生产方面灵活性优于转炉和平炉。多年来，电弧炼钢炉一直是铸钢工业中应用最广泛的冶炼设备。
    发明电弧炼钢炉的最早专利是WilhelmSiemens于1878年获得的，但他的发明未能推广使用，后经法国的Paul Heroul*和Girod Kelles等先后加以改进，才具有实用价值。Herouh研制的电弧炉，1894年起用于冶炼碳化钙，l899年开始用于炼钢。现今炼钢用的电弧炉基本上都是Heroult型或以其为基础的改进型，故常称之为Heroult电炉。
    20世纪20年代，德国的w．I．Rohn开展了真空熔炉的研究工作。20世纪30年代中期，他所在的公司建造了世界上第一座真空感应电炉、容量为3t。但是，由于当时技术装备方面的限制未能得到推广使用。
    钢液的炉外真空处理，是炉外精炼技术的重要方面，20世纪初，E．T．Lake即提出在真空室中铸造钢锭。1940年，前苏联的Jl．M．HOBIIb,和A．M．CAMAPHH提出，将装有钢液的盛钢桶置于专用容器中，然后抽真空，让钢液在真空条件下保持，以降低其中的氧、氮和氢的含量，但是经过若干年后，才进行生产性试验和实际应用。
    2.20世纪40年代以后铸钢工业的技术进步
    1．铸钢及其合金材料方面的发展  由于对合金化和微合金化的研究不断深入，各种合金钢及特殊钢在铸钢生产中所占的比重日益增长，这是现代铸钢工业的重要技术进步之一。
    近几十年来，低合金高强度钢在铸钢工业的应用增长很快。加入少量合金元素，配合适当的热处理，可在保证良好的综合力学性能的条件下使钢的抗拉强度、屈服强度提高1倍或者更多；对于强度有一定要求的结构件，用低合金高强度铸钢代替铸造碳钢，可使结构的重量减轻、可靠性提高。而且，由于许多国家根据自己的资源条件开发多种低合金高强度铸钢，因此，目前已有多种由不同合金元素形成的合金钢体系可供设计选用。
    低碳微合金化铸钢也是铸钢材料发展的一个分支，其特征，合金元素的质量分数一般在0．1％以下，合金元素主要是V、Nb、Ti、B和稀土合金等。
    对于各种有特殊性能要求的高合金钢，如抗磨钢、耐热钢或热强钢、耐蚀钢和低温条件下使用的钢，或基于进一步改善其性能，或着眼于降低成本，各工业国都进行了大量的研究工作，并有了许多重大的改进和发展。铸造低碳马氏体不锈钢ZG06Crl3Ni4Mo(CA--6NM)的研制成功和在水电工程中的广泛应用，是20世纪70年代以来新型铸钢合金材料最成功的范例之一。大型火电机组采用W(Cr)一9％～l2％和加Nb、V等合金元素的含氮抗蠕变不锈钢(C12A)，超低碳含氮双相不锈钢，高氮奥氏体不锈钢和耐热钢等。新型铸造合金材料都是建立在纯净铸钢的基础上，纯净铸钢是指不含宏观氧化物夹杂(≠>10／-m)，有很低的气体、硫、磷和各类夹杂物含量。对纯净碳钢和低合金钢而言，一般钢液中应控制叫(S+O<150×10_4％的水平。
    纯净铸钢是与钢液精炼工艺相伴而生的，精炼工艺的发展是20世纪40年代以来铸钢工业又一重要技术进步。
    2．冶炼和精炼技术的发展  近30年来，由于电力工业的发展和电弧炉用于铸钢生产的灵活性，电弧炉已成为铸钢工业中的主要冶炼设备。电弧炉向大型化发展以后，原采用平炉的铸钢厂已改用电弧炉生产。
    超大功率电弧炉从20世纪70年代起受到重视。由于其加速熔化过程，并在氧化期造成活跃的沸腾，可以提高生产率，节约电能，提高冶炼质量，因而很快就得到推广。国外新的电弧炉系列配用的变压器容量已由过去的每吨钢300～500kV＆#8226;A提高到900kV＆#8226;A以上。
    炉外精炼是炼钢技术的一项重要进展，其工艺特点是精炼过程移到熔炼炉外的设备中完成，不仅可以提高钢的质量，而且可以缩短炉内冶炼的时间，提高熔炼炉的生产率；另外，现代工业对产品质量要求越来越高，又促进了炉外精炼技术的发展。近几十年内，铸钢用精炼技术的发展可归结为如下工艺。
    1)氩气净化(Argon Gas Injection)。氩气净化是通过陶瓷透气砖向钢液中吹入氩气实现净化钢液的目的。透气砖可安装在盛钢桶的底部，其优点是除搅动功能外，由于具有较小分散的气泡，还有除气作用，降低气体和夹杂物的含量。
    2)钙线射入净化(Ca Wire Injection)。钙线射人工艺也称喂线工艺，是20世纪80年代初，日本、法国和美国研制成功的炉外净化技术。是采用薄钢带包覆金属Al、si—Ca和Al—Ca等合金射入精炼炉中以降低钢中氧和硫的含量，改变夹杂物含量、形状和组成，从而提高钢液的纯净度和改善铸钢的塑性和韧性，还兼有微量合金成分调正的功能。能准确控制钢中A1等含量，提高合金收得率，一般Al的收得率可达50％～80％。
    3)AOD精炼工艺(Argon Oxygen Decarbur—ization)。AOD精炼工艺是氧气和惰性气体(氩气)的混合气体从炉体侧面通过特殊的喷枪直接吹入熔池之中(液面之下)进行精炼。AOD工艺适用于低碳、超低碳不锈钢和其他特殊合金钢的精炼。现在，全世界75％以上的不锈钢是采用AOD工艺生产的。AOD工艺于1973年开始用于铸造生产(美国ESC0公司)。全世界现有l00多台AOD炉，其容量1～160t。用于铸造生产的一般容量小于20t。AOD工艺的初始目标是不锈钢精炼，现在已扩大到生产工具钢、硅钢、低合金钢和碳钢。l978年ESC0公司成为第一家应用AOD进行低合金钢精炼。
    4)真空精炼工艺VOD(Vacuum Oxygen De—carburization)、VODC(Vacuum Oxygen Decar—
burization Converter)。VOD是真空氧脱碳精炼工艺，适用于精炼各种碳钢、合金钢和不锈钢。由于在真空条件下，可以精炼出纯净度更高的钢液，使钢液中的0、H、N气体和夹杂S等含量更低，该工艺需用真空设备。VODC是VOD和有氩气搅拌功能的转炉工艺相结合的精炼装置。
    5)LF(Ladle Furnace)。LRF是盛钢桶精炼炉，它具备三个功能：真空、炉底氩气搅拌和电极加热。LRF炉适用于冶金和重型机械制造工业中较大容量钢液的精炼，中国重型机械工业系统有容量30～170t的LF炉10多台，多应用于动力工程用大型纯净钢锭的精炼。
    6)VILF(Vacuum Induction Ladle Furnace)。VILF是真空感应加热盛钢桶精炼炉，是解决小容量LF加热的方法之一。El本大同特殊钢公司5t的VILF炉主要生产碳钢件。
    7)PLF(Plasma Ladle Furnace)。PLF等离子体盛钢桶精炼炉，是美国Maynard铸钢公司于1993年首先引入此种精炼炉用于铸造生产。密封的盛钢桶盖与采用氩气净化和等离子体极性调节相结合生产超纯净钢，该公司采用PLF炉生产含氧、氮、硫、磷极低的铸钢。
    8)ESC(Electr0—Slag Casting)。ESC是电渣精炼铸件，该工艺在俄罗斯应用最早，加拿大也有此项工艺研究和应用报道。ESC可以避免传统工艺的浇注过程钢流的氧化和夹杂的形成，以及随着凝固过程的进行出现缩孑L、皮下气孔和偏析等缺陷。因其熔化的钢液一直在渣的保护之下和凝固过程均在控制之下进行，熔化的钢液均透过渣层得到精炼。ESC是一种较为独特的纯净钢生产工艺。沈阳铸造研究所采用ESC法生产动力工程用不锈钢导叶获得成功，已投入商业化生产。
    近几年来，随着冶炼技术的不断进步，涌现了多种综合冶炼工艺，如密封钢吹氩成分微调法加氧枪，实现温度调节；喷流搅拌的盛钢桶快速精炼法，喷粉精炼法及用惰性气体喷吹碱土金属脱硫法等。
    3．造型工艺和造型材料方面的进步  20世纪40年代中期和后期在生产中采用的壳型工艺和水玻璃砂，以“化学硬化”的概念使广大铸造工作者耳目一新，是铸造工艺方面的两项突破性进展。此后，各种化学粘结剂不断推出，以不同方式硬化(自硬、加热硬化和吹雾硬化)的工艺及设备也逐渐趋于完善。结果，传统的粘土干砂型和油砂芯的使用范围越来越小，且有被化学硬化型取代的趋势。
    目前，铸钢工业所用工艺造型材料的基本情况大致可作如下概括。
    小型铸钢件有相当一部分仍用粘土湿型砂造型。其中用手工造型者已不多见，大都用机器造型，高压造型工艺也在铸钢件生产中得到了应用。一部分小型铸钢件用熔模或壳型铸造，生产成本虽然高得多，但铸件的尺寸精度有很大提高，按国际标准(IS08062)的分级，比用粘土砂型铸造可分别提高3～4级或2～3级。质量要求高的小型铸钢件，采用这些精铸工艺是合适的，目前其产量有不断增加的趋势。
    1)氨气净化(Argon Gas Injection)。氩气净化是通过陶瓷透气砖向钢液中吹入氩气实现净化钢液的目的。透气砖可安装在盛钢桶的底部，其优点是除搅动功能外，由于具有较小分散的气泡，还有除气作用，降低气体和夹杂物的含量。
    2)钙线射入净化(Ca Wire Injection)。钙线射人工艺也称喂线工艺，是20世纪80年代初，日本、法国和美国研制成功的炉外净化技术。是采用薄钢带包覆金属Al、si—Ca和Al一Ca等合金射入精炼炉中以降低钢中氧和硫的含量，改变夹杂物含量、形状和组成，从而提高钢液的纯净度和改善铸钢的塑性和韧性，还兼有微量合金成分调正的功能。能准确控制钢中A1等含量，提高合金收得率，一般Al的收得率可达50％～80％。
    3)AOD精炼工艺(Argon Oxygen Decarbur-ization)。AOD精炼工艺是氧气和惰性气体(氩气)的混合气体从炉体侧面通过特殊的喷枪直接吹入熔池之中(液面之下)进行精炼。AOD工艺适用于低碳、超低碳不锈钢和其他特殊合金钢的精炼。现在，全世界75％以上的不锈钢是采用AOD工艺生产的。AOD工艺于1973年开始用于铸造生产(美国ESC0公司)。全世界现有l00多台AOD炉，其容量1～160t。用于铸造生产的一般容量小于20t。AOD工艺的初始目标是不锈钢精炼，现在已扩大到生产工具钢、硅钢、低合金钢和碳钢。l 978年ESC0公司成为第一家应用AOD进行低合金钢精炼。
    4)真空精炼工艺VOD(Vacuum Oxygen De—carburization)、VODC(Vacuum Oxygen Decar—
burization Converter)。VOD是真空氧脱碳精炼工艺，适用于精炼各种碳钢、合金钢和不锈钢。由于在真空条件下，可以精炼出纯净度更高的钢液，使钢液中的0、H、N气体和夹杂S等含量更低，该工艺需用真空设备。VODC是VOD和有氩气搅拌功能的转炉工艺相结合的精炼装置。
    5)LF(Ladle Furnace)。LRF是盛钢桶精炼炉，它具备三个功能：真空、炉底氩气搅拌和电极加热。LRF炉适用于冶金和重型机械制造工业中较大容量钢液的精炼，中国重型机械工业系统有容量30～170t的LF炉10多台，多应用于动力工程用大型纯净钢锭的精炼。
    6)VILF(Vacuum Induction Ladle Furnace)。VILF是真空感应加热盛钢桶精炼炉，是解决小容量LF加热的方法之一。日本大同特殊钢公司5t的VILF炉主要生产碳钢件。
    7)P1．F(Plasma Ladle Furnace)。PLF等离子体盛钢桶精炼炉，是美国Maynard铸钢公司于1993年首先引入此种精炼炉用于铸造生产。密封的盛钢桶盖与采用氩气净化和等离子体极性调节相结合生产超纯净钢，该公司采用PLF炉生产含氧、氮、硫、磷极低的铸钢。
    8)ESC(Electr0—Slag Casting)。ESC是电渣精炼铸件，该工艺在俄罗斯应用最早，加拿大也有此项工艺研究和应用报道。ESC可以避免传统工艺的浇注过程钢流的氧化和夹杂的形成，以及随着凝固过程的进行出现缩孔、皮下气孔和偏析等缺陷。因其熔化的钢液一直在渣的保护之下和凝固过程均在控制之下进行，熔化的钢液均透过渣层得到精炼。ESC是一种较为独特的纯净钢生产工艺。沈阳铸造研究所采用ESC法生产动力工程用不锈钢导叶获得成功，已投入商业化生产。
    近几年来，随着冶炼技术的不断进步，涌现了多种综合冶炼工艺，如密封钢吹氩成分微调法加氧枪，实现温度调节；喷流搅拌的盛钢桶快速精炼法，喷粉精炼法及用惰性气体喷吹碱土金属脱硫法等。
    3．造型工艺和造型材料方面的进步  20世纪40年代中期和后期在生产中采用的壳型工艺和水玻璃砂，以“化学硬化”的概念使广大铸造工作者耳目一新，是铸造工艺方面的两项突破性进展。此后，各种化学粘结剂不断推出，以不同方式硬化(自硬、加热硬化和吹雾硬化)的工艺及设备也逐渐趋于完善。结果，传统的粘土干砂型和油砂芯的使用范围越来越小，且有被化学硬化型取代的趋势。
    目前，铸钢工业所用工艺造型材料的基本情况大致可作如下概括。
    小型铸钢件有相当一部分仍用粘土湿型砂造型。其中用手工造型者已不多见，大都用机器造型，高压造型工艺也在铸钢件生产中得到了应用。一部分小型铸钢件用熔模或壳型铸造，生产成本虽然高得多，但铸件的尺寸精度有很大提高，按国际标准(IS08062)的分级，比用粘土砂型铸造可分别提高3～4级或2～3级。质量要求高的小型铸钢件，采用这些精铸工艺是合适的，目前其产量有不断增加的趋势。