特殊钢的摇篮，高温合金的铸剑者——抚顺特钢
马氏体
2022-02-01 13:51
特殊钢，简称特钢，是指具有特殊的化学成分、采用特殊的生产工艺、具备特殊的组织和性能、能够满足特殊需要的钢材，简单来说就是两个字——高端。
不过话说回来，特殊钢与普通钢并没有特别严格而明确的区分。从成分上看，普通钢材主要是铁和碳的合金，也就是碳素钢，但高强、优质碳素钢也可以荣升特钢的行列。至于各类合金钢，比如不锈钢，以及之前提到过的硅钢、锰钢、殷瓦钢等，也都被归于特钢之中。从铁路到航空，从重大装备到国防军工，从我们身边的餐具工具到星辰大海的征途，都可以看到特钢的身影。虽然在我国10亿吨的钢铁年产量里，几千万吨的特钢产量占比并不高，但是特钢对各行各业的支撑作用是不可或缺的，特钢以其更高的生产难度，也代表着一个国家钢铁工业的水平。
值得一提的是，在我国的习惯中，高温合金也被归入特钢之中。
说到特钢，尤其说到高温合金，就不能不提大名鼎鼎的抚顺特钢。
抚顺特钢始建于1937年。从侵略者的铁蹄之下回归人民的怀抱之后，抚顺特钢为我国第一颗原子弹、第一颗氢弹、第一颗人造卫星、第一枚导弹、“神舟”系列载人飞船、“嫦娥”探月卫星、从我国第一代国产战斗机到当代最先进的战斗机等诸多国防军工、航空航天重大装备提供核心和关键特钢材料，被誉为我国特殊钢的摇篮，更是我国第一炉高温合金的诞生地。目前，抚顺特钢以“三高一特”（高温合金、超高强度钢、高档工模具钢、特种不锈钢）为核心产品，虽然年钢产量仅几十万吨，但超高强度钢在航空航天市场占有率高达95%以上，高温合金在航空航天市场占有率高达80%以上。
由于特钢具有特殊的成分和性能要求，特钢的冶炼加工过程与普通钢材也有所不同。好在抚顺特钢的官网上直观地给出了主要生产流程。略过与普通钢材类似的冶炼-连铸-轧制过程不表，今天就来看看，高精尖的特钢产品是怎样炼成的。
与普通钢铁厂不同，抚顺特钢没有高炉，直接以外购的炼钢生铁和返回钢（工业生产过程中产出的废钢，杂质含量少，所含成分清晰，用于冶炼新的合金钢时可以充分回收利用其中的合金元素，是优质的炼钢原料）作为原料，通过电弧炉冶炼和精炼得到优质的钢水。
对于成分复杂、生产批量小的特钢产品，通过模铸法（而非大批量生产所用的连铸法）铸造成钢锭。上图就是一块即将被送入加热炉的铸锭，侧面看起来一棱一棱的，因为其横截面为凹面多边形，可以增大钢锭的散热表面积，加大温度梯度和凝固速度，抑制偏析。
对于部分冶炼要求更高的特钢，在大气环境下的电弧炉炼钢已无法满足要求，因而要进行真空感应熔炼，即在真空条件下通过感应加热的方式熔炼金属原料，从而避免合金元素的氧化损失，充分脱除钢水中溶解的气体杂质。
冶炼完成的钢水在真空条件下铸成钢锭（上图是从铸锭的真空室中取出浇注完成的模具，下图红彤彤的就是刚刚经过浇注的模具）。
对于普通钢材，铸锭完成后就可以进行轧制了，但对于高端特钢，还需要经过重熔进行深度精炼提纯，所采用的方法主要有电渣重熔和真空自耗。
所谓电渣重熔，是把金属锭作为自耗电极，插入熔融的熔渣中进行熔炼。电流穿过高电阻的熔渣时产生大量热，将电极末端加热熔化。熔化产生的金属熔滴穿过熔渣滴入结晶器中的金属熔池，然后被水冷结晶器冷却凝固成锭。在此过程中，金属熔滴与高温高碱度的熔渣充分接触，产生强烈的冶金化学反应，脱除夹杂物和气体，使金属得到了精炼。
随着自耗电极不断被插入熔渣而熔融消耗，一支更纯净的铸锭在下方的结晶器中涅槃重生，能够被加工成各种高端产品（例如本号之前介绍过的，作为锻造坦克的炮管的原料）。除了暴露在大气环境下的电渣重熔，在有特殊要求的冶炼过程中，也有采用惰性气氛保护的加压电渣重熔。
另一种方法是真空自耗，看起来和电渣重熔有些相似，区别主要在于重熔在真空环境下进行，热源来自于自耗电极的电弧放电。在真空条件下，熔融金属中溶解的气体和低沸点金属杂质可被更彻底地脱除，而夹杂物发生分解或在熔池中上浮分离。由于电弧的能量高于熔渣的电阻加热，真空自耗可以用于难熔金属的重熔，除了高温合金外，也被广泛用于钛合金的熔炼。
既然要获得真空，那自然就得加上密封圈了。
从水冷结晶器的铜坩埚中，取出的真空自耗铸锭闪闪发亮。
经过重熔获得的纯净铸锭还不能直接用于生产。接下来，由快锻机进行锻造，犹如“揉面”般对铸锭进行充分的变形，使金属内部组织更加均匀致密。
抚顺特钢拥有多台快锻机，上图是其中的3150吨快锻机。与普通的自由锻压机相比，快锻机的锻造速度更快，能够对难锻造的金属材料（塑性较差、高温强度较高、锻造温度范围狭窄等）进行“趁热打铁”式的锻造。例如在加工“奋斗者号”载人潜水器的钛合金球壳时，也是先用快锻机把钛锭锻造成厚的钛板坯料，再进行轧制。
抚顺特钢生产的特钢产品大多以长条状的棒材、型材、线材等形式交货，因此要用精锻机把钢锭锻造成长条形。由于精锻机是用多个锻锤从四周对钢锭进行均匀锻打，钢材中不容易出现裂纹，可以一次把粗短的钢锭锻造成长棒，生产效率高。此外，在精锻过程中，金属变形放热使钢材降温速度较慢，可以降低锻造前的钢锭加热温度，缓解加热导致的表面氧化和晶粒长大，能够获得更好的组织和性能（本号此前介绍的坦克炮管的生产过程中，也是靠精锻机进行锻造的）。
后续再通过热轧、冷轧、冷拔等不同的工艺，得到不同断面尺寸和形状的钢材。
最后，经过热处理、表面机械加工、探伤检测等工序，便得到各种成分和规格的特钢产品，交付给各行各业使用。
抚顺特钢生产的高温合金属于变形高温合金，即供锻造使用的高温合金，而非铸造成型的高温合金叶片。
在下游的锻造企业，特钢棒料被裁切开，重新加热后锻造成各种产品。
位于四川德阳的中国第二重型机械集团有限公司8万吨模锻液压机正在锻造高强钢飞机起落架。
就是这样一家为国之重器提供关键材料的特钢企业，却在过去一段时期里因为种种原因陷入困境。2002年，抚顺特钢被大连钢铁（始建于1905年）托管并重组，2004年再与亏损停产的北满特钢（位于黑龙江省齐齐哈尔市，是一五期间156项重点工程中唯一新建的特钢企业，为国防军工提供了大量关键特钢材料）重组为东北特殊钢集团。
然而，到了2016年，东北特钢陷入破产的境地，抚顺特钢甚至被查出在那段时间存在严重的财务造假行为，已资不抵债。
2017年，我国最大的民营钢铁企业沙钢集团（位于江苏省苏州市张家港市，因张家港古名“沙洲”，故称沙钢，以超过4000万吨的钢铁年产量排在宝武、鞍钢、河钢之后，位列国内第四、世界前五）重组东北特钢，将抚顺和大连两个特钢生产基地纳入麾下，而北满特钢被另一家民营钢铁龙头企业北京建龙重工集团（年钢产量超3500万吨）重组。
对于这三家历史悠久、功勋卓著的特钢企业而言，虽有先进技术，却因经营管理问题而陷入困境，让人扼腕叹息。经过混合所有制改革，引入高水平民营钢铁企业的先进经验和管理团队，三家企业起死回生，迅速扭亏为盈。更重要的是，建国之初勒紧裤腰带建立起的特钢产业基础、几十年积累下来的人才团队与研发生产经验，得到保留与传承；堪称军工基石的关键性特钢材料，仍然牢牢掌握在中国自己手中。在“特钢更特”的发展理念指引下，相信重获新生的抚顺特钢，能够继续担当起为国家提供高精尖特钢材料的重任，助力国防科工向更高更快更远的未来迈进。
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参考资料：
抚顺特钢官网.http://www.fs-ss.com/gongyiluxian/
中央电视台. 《交易时间》20150515公司直击 抚顺特钢：专注军工核电市场 抢占特钢高地
http://tv.cctv.com/2015/05/15/VIDE1431673566356548.shtml
辽宁卫视. 《辽宁新闻》20151128从“一降一升”看抚顺特钢调结构
https://news.cctv.com/2015/11/28/VIDE1448708279581809.shtml
辽宁卫视. 《辽宁新闻》20160824抚顺特钢：高端产品规模化战略见成效
http://news.cctv.com/2016/08/24/VIDEgoS9SKBAJGKar873vs56160824.shtml
朱觉. 电渣重熔与真空自耗比較. 钢铁, 1966(01):14.
佟雪菲. 抚钢发展困境,化解历程及其对钢铁行业的启示. 冶金经济与管理, 2021(2):39-42.
