我国非合金结构钢发展概述

刘春明，周春林，，高剑辉，王 健，戴云阁

（1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.承德钢铁集团有限公司，河北 承德 067002）

我国非合金结构钢发展概述

刘春明1，周春林1，2，高剑辉2，王 健1，戴云阁1

（1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.承德钢铁集团有限公司，河北 承德 067002）

介绍了我国非合金结构钢的发展、分类、技术标准、以及技术标准的国内外对比情况.着重对非合金结构钢的生产技术进步和生产实践进行了概述.

非合金结构钢;标准;冶炼;精炼;连铸

碳素结构钢和优质碳素结构钢均俗称为碳素钢，属于非合金钢类.钢中除含碳、锰、硅外不含其他有意加入的合金元素，钢中磷、硫和其他有害杂质含量较低，纯洁度和化学成分均匀性较高.碳素结构钢以规定最低强度为主要特征，并具有一定的综合力学性能和工艺性能，一般不要求进行热处理;优质碳素结构钢除要求保证化学成分外，还要保证力学性能，要按用途所需保证低倍组织和其他一些规定的要求［1，2］.

1 我国非合金结构钢发展概述

1.1 非合金结构钢的发展

碳素结构钢和优质碳素结构钢是自炼钢工业出现以来最先发展的基础钢类，已有约200余年生产历史.它用途广泛、生产量大、品种规格多、价格便宜.随着钢铁冶炼技术发展，先进的生产工艺不断被广泛采用.如今，像铁水预处理、复吹转炉、超高功率电弧炉、炉外精炼、连铸等已成为其主要的生产工艺.

我国的碳素结构钢和优质碳素结构钢的生产起步较晚，1952年分别制定第一个碳素结构钢和优质碳素结构钢部颁标准.上世纪50年代可以说是起步阶段，60年代发展比较缓慢，70年代以后步入快速发展阶段，逐步形成了品种、规格多样化，产量、质量和综合成材率不断提高，消耗不断下降的多层次生产局面.产品基本上可以满足国内需要，产品标准已全面向国际标准看齐.

1.2 非合金结构钢的类别和用途［3，4］

非合金结构钢是基础钢类，既有通用钢材，又有专用钢材，是国民经济各部门必不可少的基础材料.由于它具有良好的加工性能，适合热轧、热锻、冷轧、冷拔、冷冲等各种压力加工方式，因此品种规格包括各种型钢、板带、钢管、线材、钢丝及金属制品等，产品规格已基本系列化.按质量等级，有普通质量非合金钢和优质非合金钢之分.优质碳素结构钢按成分、冶金质量可分类如下:低碳钢—碳含量（质量分数）小于0.25%;中碳钢—碳含量（质量分数）0.25% ～0.60%;高碳钢—碳含量（质量分数）大于0.60%;普通锰含量钢—Mn质量分数分别为 0.25% ～0.50%、0.35% ～0.65%、0.50% ～0.80%;较高锰含量钢—Mn质量分数分别为 0.70% ～1.00%、0.90% ～1.20%;优质钢—硫、磷含量（质量分数）分别不大于0.035%;高级优质钢—硫、磷含量（质量分数）分别不大于0.030%;特级优质钢—硫含量（质量分数）不大于0.020%，磷含量（质量分数）不大于0.025%.

低碳钢强度不高、塑性好，不同钢号可分别用于制作包括深冲专用钢板在内的保证冲压性能的各类薄板、线材和钢丝以及机械上的渗碳和（或）氮零件、冲压件及无缝管等型材;中碳钢（用量最大的是45#钢）主要用于制作各种轴、辊、拉杆、齿轮等机器的运动零部件，其中厚板也可作为制作代替低合金模具钢的塑料模具的材料;高碳钢可作钢丝、弹簧、垫圈、工具等高强度件.

2 非合金结构钢技术标准变迁及其对比

2.1 标准的变迁

我国最早的碳素结构钢［5］的标准是1952年制定的重工业部标准“4－52”—《普通碳素钢钢号和一般技术条件》.至今对该标准已做了5次修订.目前使用的标准为“GB/T 700－88”.标准的名称改为《碳素结构钢》，去掉了普通二字，意味着标准内容有了根本变化.该标准为非等效采用国际标准ISO630.1987年，其他技术要求也有了很大改变，与国际标准基本一致.

“GB/T700－88”标准有 Q195、Q215、Q235、Q255和Q275共5个牌号，采用国际标准ISO630以钢材屈服点（σs）表示强度级别的牌号表示法;取消历来按甲类钢、乙类钢、特类钢的分类方法，改为按质量等级分为A、B、C、D四个等级.其中Q235有A、B、C、D 四个等级，Q215和Q255有A、B两个等级，Q195和Q275不分等级.A、B等级属于普通质量非合金钢，C、D等级属于优质非合金钢.钢材一般以热轧状态交货，经双方协议也可以正火处理状态交货（A级钢材除外）.

我国最早的优质碳素结构钢［6］的标准为1952年制定的“重5－52”—《质量结构碳素热轧各种条钢分类及技术条件》.随后对标准进行了6次修改，现行标准为“GB/T699－1999”.以前的标准都是参照原苏联标准“ΓOCT1050”，最近的两次修订还参照了美国ASTM、日本JIS、德国DIN和英国BS等相应标准.

“GB/T699－1999”标准包括31个牌号.残余元素铬、镍、铜要求为:w（Cr）≤0.25%、w（Ni）≤0.30%、w（Cu）≤0.25%;力学性能的变化范围:抗拉强度（σb）由 295 MPa增大到1 130 MPa，屈服强度（σs）由 175 MPa增加到980 MPa;延伸率（δ5）由35%减小到6%，断面收缩率（ψ）由60%减小到30%;低倍组织按钢的质量等级，一般疏松、中心疏松、偏析分别不大于3.0、2.5和2.0级;取消了断口检验和非金属夹杂物检验的合格级别、改为按供需双方协议.

2.2 标准的对比

我国碳素结构钢标准GB/T700与国际标准ISO630比较，其适用范围大致相同.在化学成分、残余元素、力学性能等方面的差异见表1（表1中化学成分、残余元素含量都用质量分数/%表示）.比较可见，两者水平相近，略有差异［7］.

我国优质碳素结构钢标准与美国、日本、德国和俄罗斯标准的对比可参见文献［8，9］，这里不作介绍.

表1 GB/T 700与ISO630标准中主要技术要求对比表Table 1 Comparison between main technical requests in two standards GB/T 700 and ISO630

续表1Tab le 1

3 非合金结构钢生产技术的发展和进步

3.1 生产工艺流程的完善和优化

随着对钢质量要求和技术标准水平的提高，以及生产技术的进步，非合金结构钢生产工艺流程不断得到完善和优化.目前，采用的先进生产工艺流程为:

铁水预处理—复吹转炉炼钢—二次精炼—连铸—连轧

超高功率电炉炼钢—二次精炼—连铸—连轧

上述流程都是以新技术、新工艺和新装备为基础的，而且实现了高度的连续化、自动化、专业化和高效率，从而使钢的纯洁度、化学成分稳定性和均匀性大幅度提高，相应地提高了钢的综合性能.

连铸、连轧、酸洗、精整、冷轧、热处理等工序的连续化，不仅可以大大缩短生产周期，节约能源、提高效益，而且也提高了钢材质量.控轧、控冷、高精度轧制、在线精整和在线检测技术是生产优质钢的发展趋势和强化手段，对提高钢的性能、尺寸精度、改善表面质量、提高收得率和生产效率都是至关重要的技术.

3.2 部分工序的技术进步概述

3.2.1 铁水预处理［10，11］

采用铁水预处理工艺，是现代化炼钢厂的重要标志.国外先进钢铁厂一般均采用全量铁水脱硫预处理，日本绝大多数钢厂采用全量铁水“三脱”（脱 Si、P、S）预处理.近年来，我国铁水预处理迅速推广，积累了丰富经验，不少钢厂已达到了国际先进水平.如武钢二炼钢KR法脱硫，经多年实践，在粉剂消耗、搅拌头寿命、处理温降和处理成本等方面均已超过蒂森克虏伯钢厂.表2列出了国内典型铁水预脱硫工艺方法及冶金效果情况［12］.

工艺方法 处理容器L脱硫剂脱硫剂消耗kg·t －1 min 处理温降脱硫率ηS /%最低硫10－6 纯处理时间℃铁损kg·t －1注武钢二炼CaO基喷吹法 280混铁车 CaO基 4.3 75 60 18.4 25.5 － 宝钢一炼CaC2基喷吹法 280混铁车 CaC2基 10.8 76 50 20.9 37.4 － 宝钢一炼CaC2+CaO机械搅拌法·KR法 100铁水罐 CaO 4.69 92.5 ≤20 5 28 30 7.85 81.79 40 － 31 － 攀枝花Mg+CaO喷吹法 140铁水罐 50%CaO+50%CaC2混合喷吹 350混铁车 20%Mg+80%CaO 0.88 90 40 － － 10－13武钢三炼Mg+CaO复合喷吹 300铁水罐 Mg+CaO（1:3）Mg 0.31 CaO1.05 79.22 21.3 ＜10 － － 宝钢Mg+CaC2复合喷吹 300铁水罐 Mg+CaC2（1:3）Mg 0.32 CaC2 1.05 80 28 ＜10 － － 宝钢复合喷吹 160铁水罐 Mg+CaO（1:2－3）Mg+CaO Mg 0.447 CaO1.48 90 ≤50 7.55 8－14 － 本钢纯Mg喷吹 100铁水罐 Mg 0.33 ≥95 ≤10 5－8 8.12 7.1武钢一炼

3.2.2 转炉冶炼［12，13］

近年来，我国钢铁工业大力推进结构优化，转炉向高效率快节奏、进一步提高钢水纯洁度、实现生产和管理智能化、降低消耗和污染的方向发展.主要体现在:

（1）提高供氧强度，实现高效吹炼.如果供氧（以下氧气体积是指标准态下的体积）强度从3.5 m3/（t·min）提高到 5.0 m3/（t·min），每炉钢吹氧时间将会缩短3～4 min.例如，2002年10月太钢转炉改造氧枪，每炉钢吹氧时间从19 min缩短到了14 min，取得了明显效果.本钢150 t转炉供氧强度从 2.3 m3/（t·min）提高到3.7 m3/（t·min），冶炼周期从 50 min 缩短到30 min.据唐钢、南钢和三明等钢厂研究，将供氧强度提高到4.0 ～4.5 m3/（t·min），可缩短供氧时间1.6～3 min.

（2）稳定终点操作、提高控制精度，降低钢中氧含量.目前，转炉动态智能控制炼钢技术发展很快，除副枪、声纳化渣、质谱仪在线分析转炉烟气等手段外，在线对炉渣检测、烟气分析动态控制技术发展也很快.对提高转炉控制精度、实行全自动吹炼都有帮助.我国马钢近年引进的转炉烟气分析动态控制系统，由烟气系统采集、处理和分析的LOMSA系统和二级动态控制模型DYNACON两部分组成，对中、小转炉动态控制起到推动作用［14］.

（3）快速出钢技术.太钢在转炉上安装了出钢口气动挡渣系统，现在出钢时间缩短在4 min左右.

（4）溅渣护炉、提高炉龄.由于采用溅渣护炉技术，炉龄大幅度提高，对降低生产成本、提高效率起到明显作用.据报导，鞍钢新钢二炼钢7号炉2004年3月炉龄达到21 050炉，炉龄突破2万次大关.同期，武钢二炼钢厂1号转炉炉龄创造30 368 炉的世界新记录［15］.

3.2.3 炉外精炼

目前，国内大多数钢厂增加了炉外精炼设备，掌握了 CAS、LF、VD、RH 等设备的精炼工艺［16，17］，并逐步形成了系统完整的纯净钢生产工艺.以2002年为例，我国的铁水预处理比达到26.3%，钢水精炼比达到25.1%，钢水吹氩喂丝比达到92%［18］.对于碳素钢，采用深脱硫工艺（铁水深脱硫—转炉控硫—LF脱硫—RH脱气—连铸防止回硫），其成品硫的质量分数可以达到0.000 5%.对生产纯净钢来说［19］，国内在优化深度脱氧工艺、优化钢包吹氩、LF采用预熔渣并充分发挥渣的去夹杂能力、提高真空精炼效率、优化Ca处理工艺等技术方面都取得很好效果和经验.

3.2.4 连铸

据2002年底统计，我国现有连铸机年生产能力可达2.9亿t，合计有连铸机551台.表3为国内各种类型连铸机统计.2002年我国连铸比为93.7%，超过世界89.7%的平均连铸比水平，达到发达国家水平［20］.

表3 国内连铸机统计Table 3 Statistic of domestic continuous casting machine

“九五”期间我国把发展高效连铸技术作为主要科技攻关内容，并取得了显著成绩.所谓高效连铸技术，通常是指以高拉速为核心技术，以高质量、无缺陷高温铸坯为基础，实现高连浇率、高作业率的连铸系统技术［21］.

对于板坯、大方坯和小方坯连铸而言，其高效化的技术内容各有特点.以板坯为例，其高效化技术包括:提高钢水质量技术，低过热度恒温浇铸工艺技术，高拉速结晶器关键技术，高效连铸机二冷技术，提高铸坯质量技术，振动参数和结构优化技术，中间包热喷涂技术，高拉速连铸保护渣及其空心颗粒制造技术，自动控制和检测系统技术等.

又如小方坯高效化改造技术，按技术集成的观点，它包括核心技术和重要技术二方面:（1）高效连铸的核心技术——结晶器及其相关技术.包括增加结晶器长度，提高冷却强度，采用连续锥度/多锥度结晶器，结晶器液面有效控制技术，结晶器冷却技术，铸坯支撑和强化冷却技术，振动机构类型及液压振动技术等.（2）高效连铸的重要技术.包括钢包技术，中间包技术，二次冷却技术，连续矫直技术，保护渣技术，低过热度浇铸技术，系统物流管制技术等.

高效连铸是一项系统的整体技术，它不仅是一个技术问题，也是钢铁工业优化结构，提高效率、提高质量和降低成本的手段，是增强市场竞争力的重要措施.

4 我国非合金结构钢生产实践

4.1 中高碳钢生产

4.1.1 钢的化学成分与性能的关系

钢的性能与成分密切相关，这在生产实践中也有体验.据介绍，生产中发现45#钢断面收缩率（ψ）偏低，ψ 一次合格率仅为93%［22］.对76 炉钢进行统计、回归分析，得出性能与C、Mn间有如下关系:

从上述关系式可见，若碳增加或下降0.01%，则ψ下降或提高0.67%.实践证明，45#钢最佳碳含量范围控制在0.43%～0.46%，出钢时尽量少加碳粉、多加生铁块或矿石作为调节碳的手段，可使性能平均合格率提高到98%以上.其他厂对45#钢性能异常原因进行化学和金相检验，也发现45#钢强度偏高、断面收缩率偏低的主要原因是钢中碳含量偏高［23］.

某厂对45#钢数据进行统计分析，得到了机械性能与化学成分的多元回归模型［24］.采用该模型进行操作控制和性能预测，对提高生产水平和产品质量起到很大作用.性能与成分 C、Mn、Si、S、P间的回归关系如式（3、4、5）所示.控制化学成分可使机械性能 σb、σs、δ5的平均值分别比标准约提高15.2%、5.4%和16%.

式（3）、（4）和（5）中的 C%，Mn%，Si%，S%，P%均为质量分数.

长治钢厂探讨了45#钢在不同热处理工艺制度下对力学性能的影响，并着重对机械性能与化学成分的关系进行了多元回归分析.研究显示［25］，45#钢在 850 ±30 ℃ 内，保温时间长短对性能无多大影响，决定45#钢机械性能的主要因素是化学成分，特别是碳含量.研究还得出了化学成分 C、Si、Mn、P、S 与 σb、σs、δ5%、ψ%的多元回归方程式，用于指导生产操作和性能预测.

4.1.2 生产流程

对于中高碳钢特别是45#钢，国内企业积累了丰富的生产经验.邯钢一炼钢20 t转炉对45#钢试验了3种生产流程:1）双渣法—连铸敞开浇铸—轧钢;2）转炉单渣法—LF精炼、喂丝—连铸敞开浇铸—轧钢;3）铁水预处理—转炉单渣法—LF精炼—连铸全封闭保护浇铸—轧钢.生产实践表明，第3种生产流程可以确保45#钢生产命中率，显著提高了产品质量［26，27］.

长治钢厂 20 t转炉经验表明［28，29］，采用LD—脱氧合金化（增碳）—钢包喂丝、底吹氩精炼—连铸全保护浇铸流程生产45#钢方案可行.生产中应加强冶炼操作、确保终点控制，确保增碳剂回收率.

合肥第二炼钢厂采用20 t LD—30 t钢包（增碳）—顶吹氩—喂线（Si－Ca线）—连铸流程生产45#钢，产品完全满足 GB/T699 －88 要求［30］.工艺上要确保转炉中拉碳（0.20% ～0.35%）、钢包内适量增碳、喂C线微调碳操作，可使45#钢成分命中要求范围.此外，保证钢水质量、严格控制浇铸温度、拉速和冷却强度是保证获得优质铸坯的关键.

25 t转炉实践表明，采用转炉—LF—连铸流程生产45#钢，应尽量降低转炉出钢温度.对108炉钢统计，45#钢成分命中率达到99.1%，铸坯合格率达到99.31%，力学性能符合要求［31］.

4.1.3 生产工艺

新钢100 t转炉采用“复吹转炉—钢包底吹氩、喂丝—LF精炼—方坯连铸”生产流程生产45#钢.生产中采用的技术措施包括:转炉双渣法和高拉补吹法冶炼、炉外增碳、挡渣出钢;连铸结晶器采用45#号钢专用保护渣、二冷配水冷却强度为0.8 L/kg，要求水雾化良好.拉速为2.5 m/min，钢水目标温度控制在1 515℃.采用这些措施后，45#钢成分命中率达到100%，力学性能符合要求，铸坯质量较好［32］.根据鞍钢的经验，复吹转炉只要掌握好中高碳钢操作要点，控制好降碳、升温速度，造出具有一定氧化性和流动性的高碱度炉渣，就一定能够炼好中高碳钢［33］.

马钢实践表明，转炉增碳法连铸生产45#钢高线，冶炼采用深吹加炉后增碳，通过优化操作工艺和脱氧制度，可以生产出满足连铸要求的钢水，最终产品成分均匀、通条性能稳定.冶炼工艺关键是早、中期造渣脱磷，中、后期造渣脱硫，控制好终点碳和脱氧操作，控制好终点温度、增碳剂加入量及其回收率［34］.

4.1.4 连铸工艺

50 t转炉增碳法连铸生产45#钢高线，连铸为R6 m六机六流全弧形铸机，铸坯断面为140 mm×140 mm，轧成φ6.5线材.45#钢连铸工艺关键技术为［35］:1）二冷采用两段法冷却制度，即早期强冷后期回温的冷却制度，有利于控制铸坯偏析和防止矫直裂纹及改善铸坯质量;2）合适的二冷比水量为0.8～0.9 L/kg;3）选用合适的低熔点保护渣;4）钢水低过热度有利于改善铸坯质量，控制目标过热度为10～15℃.

4.2 低碳钢生产

低碳钢生产容易产生脱氧不良、夹杂物排除不力问题.根据小方坯生产Q195实践，应严格以下关键操作［36］:1）转炉减少和控制下渣量，终脱氧剂用量控制在2.5～3.0 kg/t钢;2）精炼终点钢中酸溶Al的质量分数控制在0.005% ～0.020%之间，控制［S］≤0.01%;3）硅钙丝的喂入量控制在200 m/炉，软吹时间≥15 min，镇静时间≥10 min.采取上述措施后，低碳钢脱氧不良和纯净性低的问题得到了较好解决.

南钢炼钢厂方坯连铸浇铸过程存在水口堵塞现象，据研究是高熔点纯SiO2脱氧产物固结在水口造成的.改变钢水化学成分，适当提高w（Mn）/w（Si）比，有利于改善钢水流动性，减少了连铸堵水口现象，其内控成分见表4［37］.

表4 钢水控制成分及Mn/Si比（质量分数）Table 4 Controlling contents and ratio of Mn and Si in molten steel（mass fraction）%

5 结语

（1）我国非合金结构钢（碳素结构钢和优质碳素结构钢）经过多年生产和发展，技术标准已经全面向国际标准看齐，产品基本上可以满足国内市场需要.

（2）目前，我国非合金结构钢生产是以新技术、新工艺和新装备为基础，而且在连续化、自动化、专业化和高效率方面取得了飞速发展，从而使钢的纯净性、化学成分稳定性和均匀性大幅度提高，相应地提高了钢的综合性能.

（3）由于设备和技术水平的差异，国内企业之间以及与国外发达国家的企业相比非合金结构钢的生产品种和质量还有差距，一些企业还有待进一步改进和提高.

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Summarizing of development of domestic non－alloy structural steel

LIU Chun － m ing1，ZHOU Chun-lin1，2，GAO Jian-hui2，WANG Jian1，DAIYun-ge1
（1.School of Materialsand Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2.Chengde Iron and Steel Group Co.，Ltd，Chengde 067002，China）

This review introduces the development，the sorting and the technical standard of domestic non －alloy structural steel，and the comparison of domestic and overseas technical standard.And it greatly summarizes the progress of production technology and production practice.

non－alloy structural steel;standard;smelting;refining;continuous casting

TG 142.41

A

1671-6620（2011）04-0260-08

2011-09-13.

刘春明 （1961—），男，陕西渭南人，东北大学教授，博士生导师，E－mail:cmliu@mail.neu.edu.cn;周春林（1963—），男，安徽桐城人，承德钢铁集团有限公司高级工程师.