每年生產(chǎn)超過(guò)15億噸的鋼材，以生產(chǎn)各種產(chǎn)品，如縫紉針和摩天大樓的結(jié)構(gòu)梁。碳鋼是一種主要合金元素為碳的鋼，其性能取決于碳的百分比。碳鋼由鐵和碳組成，是最常見(jiàn)的鋼種，約占美國(guó)鋼鐵總產(chǎn)量的85％。由于碳對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響，產(chǎn)品的碳含量在0-2％范圍內(nèi)并且賦予金屬碳類特性。碳鋼還可含有少量的錳，硅和銅。低碳鋼是低碳鋼的商業(yè)術(shù)語(yǔ)，其中碳含量在0.04-0.3％范圍內(nèi)。它是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范未涵蓋的一般分類。
鋼鐵的生產(chǎn)工藝流程
碳鋼和低碳鋼分三個(gè)階段制造：
- 初級(jí)煉鋼
- 二次煉鋼
- 鑄件
接下來(lái)是各種精加工技術(shù)，這些技術(shù)直接影響最終產(chǎn)品的特性。
1.初級(jí)煉鋼
鋼可以由100％回收材料制成，也可以由回收材料和純鋼組合制成。原生鋼在高爐中由鐵礦石，焦炭（由煤炭生產(chǎn)）和石灰生產(chǎn)。將原料添加到爐子頂部，爐子在3000°F下運(yùn)行。當(dāng)鐵礦石熔化并與燃燒的焦炭混合時(shí)，碳被釋放到熔融產(chǎn)物中。石灰將雜質(zhì)吸收到表面的爐渣中，可以從鋼水中撇去。該階段的產(chǎn)物含有約4％的碳并且仍然存在一些雜質(zhì)。熔融的原始鋼被轉(zhuǎn)移到已經(jīng)含有回收廢金屬的堿性氧氣爐（BOF）中。將純氧吹入鋼水中以氧化多余的碳，形成碳含量高達(dá)1.5％的成品。
再循環(huán)廢鋼可以在電弧爐中不添加原始鋼進(jìn)行再加工。高功率電弧在高達(dá)3000°F的溫度下熔化金屬。當(dāng)廢鋼熔化時(shí)，可以將更多批廢料添加到爐中直至其容量。一旦達(dá)到鋼水平浴，就以與BOF相同的方式吹入氧氣。在這兩種情況下，將鋼水從爐中取出進(jìn)入鋼包或鋼水浴中進(jìn)行進(jìn)一步處理，同時(shí)除去含有雜質(zhì)的表面爐渣。
2.二次煉鋼
市場(chǎng)對(duì)更高質(zhì)量鋼產(chǎn)品和一致性能的需求推動(dòng)了二次煉鋼工藝的發(fā)展。通過(guò)添加或去除單個(gè)組分或通過(guò)操縱溫度在電弧爐中改變鋼組成。
- 攪拌電磁場(chǎng)用于在鋼包中引起湍流。該方法容易分離漂浮在表面上的非金屬夾雜物，同時(shí)確保鋼的均勻混合物和組成。
- 鋼包爐鋼包作為二次電極爐，可實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制和合金成分的測(cè)量注入。
- 鋼包注射惰性氣體注入鋼水浴的底部。隨著氣體加熱并通過(guò)鋼水上升，實(shí)現(xiàn)了攪拌效果。
- 脫氣去除氫氣，氧氣和氮?dú)猓瑫r(shí)還降低產(chǎn)品的硫含量。用于對(duì)鋼水進(jìn)行脫氣的各種技術(shù)包括真空，惰性氣體注入和溫度控制。
- 成分調(diào)整（密封氬氣鼓泡吹氧 - CAS-OB）通過(guò)將氬氣注入密封的鋼浴中來(lái)實(shí)現(xiàn)攪拌。通氣管布置防止?fàn)t渣受到干擾，同時(shí)氫含量減少并且氧化物夾雜物漂浮到表面。通過(guò)噴槍將氧氣供入浴中，并通過(guò)通氣管添加鋁，從而提高溫度控制水平和準(zhǔn)確的最終組成。
脫氧鋼
二次煉鋼的一個(gè)關(guān)鍵方面是去除氧氣。當(dāng)鋼水開(kāi)始凝固時(shí)，鋼中存在氧氣，導(dǎo)致與碳反應(yīng)釋放出一氧化碳?xì)怏w。控制脫氧可用于改變成品的特性，因此可用于改變用于不同應(yīng)用的鋼的適用性。
- 磨鋼碾磨鋼是非脫氧鋼或部分脫氧鋼。在凝固過(guò)程中產(chǎn)生高水平的一氧化碳，導(dǎo)致良好的表面質(zhì)量，但存在許多氣孔。
- 加蓋鋼加蓋的鋼材遵循與最初加工相同的模式，但大約一分鐘后，模具被加蓋以抑制一氧化碳的形成。
- 半死鋼半鎮(zhèn)靜鋼在倒入模具之前已經(jīng)部分脫氧，并且通常具有0.15-0.3％的碳含量。
- 殺鋼已殺死的鋼已經(jīng)完全脫氧，因此在凝固過(guò)程中根本不會(huì)形成一氧化碳。成品具有均勻的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有氣孔。將鋁作為主要脫氧劑加入鋼包或模具中以“殺死”一氧化碳的形成;?然而，存在不希望向成品中添加鋁的應(yīng)用。鋁的替代物是錳和硅或硅化鈣的鐵合金。
3.鑄造
傳統(tǒng)的鑄造方法涉及通過(guò)起重機(jī)提升鋼包，使得鋼水可以鑄造成安裝在軌道車(chē)上的單個(gè)模具。鑄錠模具略微變細(xì)，以便在凝固后除去鑄錠。將錠料轉(zhuǎn)移到浸泡坑中，在那里將它們重新加熱以進(jìn)行熱軋。
鑄造機(jī)能夠?qū)撍B續(xù)鑄造成更適合下游加工的形狀。鋼包被提升到高架平臺(tái)，在那里它們將鋼水排放到中間包中，中間包供給鑄造機(jī)。將熔融鋼從中間包送入帶有可移動(dòng)底板的水冷模具中。當(dāng)鋼皮凝固時(shí)，板緩慢下降，允許更多的鋼水進(jìn)入模具。鋼在連鑄機(jī)中形成板坯，大方坯或坯料。在拉直并在機(jī)器末端切割之前，通過(guò)輥?zhàn)永瓌?dòng)固化產(chǎn)品。此過(guò)程可以持續(xù)數(shù)天或數(shù)周而不會(huì)中斷。
碳鋼精加工
在碳鋼制造過(guò)程完成后，使用軋制，熱處理，表面處理或下游二次加工完成。
產(chǎn)品滾動(dòng)
必須將實(shí)心鑄錠軋制成更有用的形狀和尺寸，如連續(xù)鑄造生產(chǎn)的那些。鋼被壓縮并通過(guò)旋轉(zhuǎn)輥拉動(dòng)。當(dāng)鋼材進(jìn)入機(jī)器時(shí)，輥?zhàn)右员蠕摬母斓乃俣刃D(zhuǎn)，因此將鋼材向前推并壓縮鋼材。
熱成型
將鋼加熱至再結(jié)晶溫度以上以破壞鑄態(tài)微觀結(jié)構(gòu)。這樣可以在鋼中產(chǎn)生更均勻的晶粒尺寸和均勻的碳分布。
冷成型
冷成型在重結(jié)晶溫度以下進(jìn)行。這個(gè)過(guò)程通過(guò)應(yīng)變硬化提高了高達(dá)20％的強(qiáng)度，同時(shí)改善了光潔度并允許更嚴(yán)格的公差。鋼材以軋制，坯料或板坯的形式從軋制過(guò)程中出現(xiàn)，取決于最終尺寸。綻放是一種非常厚的矩形板坯，坯料具有相似的厚度但寬度較窄，而板坯是更薄更寬的產(chǎn)品。
半成品在軋機(jī)中進(jìn)一步加工成中間產(chǎn)品，以便為下游公司的制造和最終加工做好準(zhǔn)備。
冷成型產(chǎn)品和應(yīng)用
| 制品 | 應(yīng)用 |
|---|---|
| 花開(kāi) | 結(jié)構(gòu)應(yīng)用 |
| 欄桿 | 護(hù)欄 扶手 自定義欄桿 |
| 滾動(dòng)的酒吧 | 機(jī)器制造 施工 |
| 板（厚度超過(guò)1/4英寸） | 重型制造 鍋爐 橋梁 工業(yè)船舶 油箱 船 |
| 床單（厚度低于1/4英寸） | 車(chē)身 家用電器 辦公設(shè)備 飲料罐 |
| 圓形/方形桿 | 施工框架 支撐 軸 軸 |
一旦鋼材離開(kāi)軋機(jī)，下游公司就會(huì)采用不同的二次加工技術(shù)來(lái)防止腐蝕并改善金屬的性能。這樣做的主要技術(shù)是熱處理。
熱處理
熱處理鋼的目的是通過(guò)改變產(chǎn)品中碳的分布和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)來(lái)控制其機(jī)械性能。當(dāng)操縱鋼的機(jī)械性能時(shí)，延展性的增加導(dǎo)致硬度和強(qiáng)度的降低，反之亦然。
正火
將鋼加熱至高于臨界溫度約130°F的溫度。保持溫度直至整個(gè)產(chǎn)品均勻加熱，然后空氣冷卻。這是最常見(jiàn)的熱處理形式，賦予鋼材高強(qiáng)度和高硬度。
退火
將鋼的溫度升至固溶狀態(tài)1小時(shí)，然后以每小時(shí)70°F的速度冷卻。柔軟且韌性的鋼材，無(wú)內(nèi)應(yīng)力。
淬火
與標(biāo)準(zhǔn)化相似的過(guò)程，但通過(guò)在水，鹽水或油中淬火鋼來(lái)加速冷卻。所得到的產(chǎn)品非常硬，比標(biāo)準(zhǔn)化鋼硬4倍 - 但非常脆，使其易于破裂和開(kāi)裂。因此，在稱為回火或應(yīng)力消除的過(guò)程中，淬火到預(yù)定溫度之后通常接著控制冷卻速率降至室溫。通過(guò)設(shè)計(jì)熱處理過(guò)程中的溫度和冷卻速率參數(shù)，可以精確控制鋼的性能。
表面處理
生產(chǎn)的鋼中約三分之一用表面涂層處理，以抑制腐蝕，改善可焊性和可涂漆性。
熱浸鍍鋅
鍍鋅是將鋅表面涂層施加到鋼上的過(guò)程。在進(jìn)入鋅浴之前對(duì)鋼進(jìn)行加熱，其中液態(tài)鋅層覆蓋產(chǎn)品的表面。涂層的厚度由氣刀控制。為防止鋅涂層開(kāi)裂，在鋅溶液中加入少量鋁。
電解鍍鋅
將鋅涂層施加到鋼產(chǎn)品上的另一種方法是通過(guò)電解鍍鋅。通過(guò)控制電解質(zhì)溶液中的電流將鋅沉積在鋼的表面上。該技術(shù)允許更好地控制涂層厚度。它還可用于在產(chǎn)品的任一側(cè)或鋅合金涂層上涂覆不同厚度的差異涂層，以優(yōu)化所需的特性。
下游二次加工
下游公司進(jìn)一步將其鋼鐵原材料加工成成品。使用不同的加工技術(shù)，例如加工，其涉及用機(jī)床均勻地去除表面金屬。連接鋼也很常見(jiàn)，并使用各種焊接技術(shù)。
碳鋼類
碳鋼可根據(jù)產(chǎn)品的化學(xué)成分和特性進(jìn)行分類。低碳鋼也屬于低碳鋼類，因?yàn)樗邢嗨频奶己俊Ｆ胀ㄌ妓劁摬缓辖穑煞譃樗念悾?/p>
1.低碳鋼或低碳鋼
低碳鋼含碳量為0.04-0.3％，是最常見(jiàn)的碳鋼等級(jí)。低碳鋼也被認(rèn)為是低碳鋼，因?yàn)樗欢x為具有0.05-0.25％的低碳含量。低碳鋼具有延展性，可高度成形，可用于汽車(chē)車(chē)身零件，板材和線材產(chǎn)品。在低碳含量范圍的較高端，并且添加高達(dá)1.5％的錳，機(jī)械性能適用于沖壓件，鍛件，無(wú)縫管和鍋爐板。
2.中碳鋼
中碳鋼的碳含量范圍為0.31-0.6％，錳含量范圍為0.6-1.65％。這種鋼可以進(jìn)行熱處理和淬火，以進(jìn)一步調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。流行的應(yīng)用包括軸，軸，齒輪，導(dǎo)軌和鐵路車(chē)輪。
3.高碳鋼
高碳鋼的碳含量范圍為0.6-1％，錳含量為0.3-0.9％。高碳鋼的特性使其適合用作彈簧和高強(qiáng)度鋼絲。除非焊接程序中包含詳細(xì)的熱處理程序，否則不能焊接這些產(chǎn)品。高碳鋼用于邊緣工具，高強(qiáng)度電線和彈簧。
4.超高碳鋼
超高碳鋼的碳含量范圍為1.25-2％，被稱為實(shí)驗(yàn)合金。回火可以生產(chǎn)出具有很高硬度的鋼，這對(duì)于刀，軸或沖頭等應(yīng)用非常有用。
回收碳鋼
金屬回收是可持續(xù)生活的成功案例之一，并將人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響降至最低。鋼鐵是地球上回收率最高的材料，超過(guò)所有其他材料的總和。
再生鋼的來(lái)源包括鋼廠，二級(jí)制造商和鋼鐵產(chǎn)品在產(chǎn)品生命周期結(jié)束時(shí)的廢鋼。通常沒(méi)有足夠的再生鋼來(lái)滿足制造需求，因此在成品生產(chǎn)中幾乎總是將原始鋼和再生鋼組合在一起。
回收鋼也很經(jīng)濟(jì)，因?yàn)樗档土顺善返某杀尽３鲇谶@個(gè)原因，鋼鐵工業(yè)一直積極參與促進(jìn)和建立回收網(wǎng)絡(luò)，使廢舊產(chǎn)品易于回收利用。
