1 前言 现代钢铁公司（以下简称“现代钢铁”）粗钢年产能2400万吨，其中电弧炉炼钢产能1200万吨。该公司在国内外拥有8家生产基地，规模化生产板材、棒材等多种钢材产品。 本文以该公司建筑结构用钢的代表性产品——H型钢为核心，按照制造及技术开发的顺序，首先阐述合金元素的影响，其次介绍炼钢工艺、轧制工艺及冷却技术，最后详细阐述高附加值H型钢产品的特点与相关技术。
2 高端H型钢开发的合金设计及工艺技术 2.1合金元素对高强度、高性能特性的影响 为满足韩国工业标准（KS）、日本工业标准（JIS）、美国材料试验协会标准（ASTM）及欧洲标准（EN）规定的高强度、高性能要求（如低温保证、抗震耐火等），需根据目标性能添加适宜的合金元素。此外，建筑结构应用中焊接性能至关重要，为确保焊接质量，需对碳当量进行限制。在此情况下，合金元素的添加受到约束，因此需筛选合适的合金元素，在保证目标性能的同时避免强度下降。 相较传统钢筋，近期开发的抗震耐火H型钢具有优异的高应变率和延伸率，能抵御地震产生的突发冲击力，防止建筑结构突然坍塌，强化了结构安全性；同时具备抗震与耐火双重性能，可在火灾发生时避免因材料劣化导致的快速坍塌。抗震性能优异意味着钢材的塑性变形能力强，需增大屈服强度与抗拉强度的之间的差值，即降低屈强比。提高高温屈服强度的方法之一是利用贝氏体或马氏体等低温相变组织来增强高温强度。然而，这里存在一个矛盾：抗震性能要求低屈强比，需控制屈服强度处于较低水平，而耐火性能则要求提高屈服强度。 要提升抗震性能，需通过合金添加或组织控制进一步提高抗拉强度相对于屈服强度的比值。一般而言，增加碳含量时，抗拉强度的提升幅度大于屈服强度，有利于保证低屈强比。此外，形成铁素体-马氏体等双相组织，或在铁素体-珠光体显微组织中提高铁素体比例，也可获得低屈强比。 耐火钢材在火灾中长时间保持结构稳定性，因此需要较高的高温屈服强度；而抗震性能则要求钢材具备低屈强比特性，以确保建筑在地震时拥有充足的塑性变形能力。Cr、Mo是用于提升高温强度的合金元素，含Cr-Mo的钢材相比普通铁素体-珠光体钢具有更高的高温强度。众多文献报道，Cr、Mo含量的增加会引发贝氏体相变和连续屈服行为，既有利于获得低屈强比，又能显著提升高温强度，这是由于Cr、Mo通过相变强化和析出强化两个方面，同时改变了常温与高温下的钢材强度，具体表现为淬透性提高和冷却速率加快，从而促进贝氏体相变。但Mo是价格昂贵的元素，会增加钢材的制造成本。 近年来，多种适用于材料开发的计算机模拟技术应运而生，并广泛应用于高强度、多功能型钢的合金设计。其中最具代表性的CALPHAD法，基于实验数据库计算合金体系中各相的吉布斯自由能，实现相平衡分析，其优势在于能在短时间内完成多元系合金的相平衡图计算。 从1462℃开始，奥氏体（γ相）逐渐形成。当温度降至780℃以下时，奥氏体开始向铁素体（α相）转变；在720℃时，γ→α转变已近乎完成，同时会生成渗碳体（Fe3C）。可以看出，Si含量的变化会使相变温度（A1点、A3点）升高，并起到缩小奥氏体区域的作用。借助这一规律，可对钢材的球化工艺条件进行设计。 JMatPro与Thermo-Calc同样基于CALPHAD法，二者应用领域虽有部分重叠，但核心目标不同。Thermo-Calc的热力学计算功能更为全面，而JMatPro则能在基础热力学计算结果的基础上，进一步计算多种热物理性能与力学性能。特别是基于KIRKALDY模型，JMatPro可计算时间-温度-转变（TTT）曲线和连续冷却转变（CCT）曲线，经大量实验验证，具有极高的可靠性。该软件不仅能预测钢材相变过程中冷却速率对相变相比例和力学性能的影响，还能分析从凝固到常温过程中密度、弹性模量、热导率、比热容等性能的变化，并可预测硬度。因此，它不仅为合金开发者提供支持，也能为从事铸造、成型等涉及相变的工艺分析工程师提供必要信息。 图1显示，当冷却速率低于0.2℃/s时，奥氏体转变为铁素体和珠光体；冷却速率达到1.0℃/s左右时，开始形成低温转变组织——贝氏体；冷却速率接近10℃/s时，发生马氏体相变。 将形核与长大模型结合到单纯的热力学平衡计算中，对析出行为进行动力学分析的技术近年来也得到了广泛应用，代表性软件为MatCalc。图2是利用MatCalc对耐火抗震实验合金进行的动力学计算结果，模拟了实际工艺条件下各相及析出物的生成与析出过程。 从析出物角度分析，在生产过程中900℃以上的高温区域会生成主要析出物，其中MX1在液相中即开始存在，这与Thermo-Calc的计算结果一致，但MX2的生成温度与Thermo-Calc的计算结果存在差异，MatCalc计算显示MX2的生成温度高出70-80℃。这可能是因为MatCalc将MX1限定为纯氮化物，而Thermo-Calc将其视为碳氮化物，因此MatCalc中碳的活度被设定得相对更高。 2.2面向碳中和的型钢制造工艺 韩国钢铁企业主要采用电弧炉熔化废钢来生产型钢。从钢铁资源循环的角度来看，电弧炉方式更具优势；在全球聚焦减缓全球变暖的背景下，电弧炉生产的H型钢不仅实现了环保生产，也为绿色建筑建造提供了可能。电弧炉生产过程中的二氧化碳（CO2）排放量仅为高炉生产的五分之一。这一优势从全球碳中和视角出发，既助力环保钢铁产品生产与绿色建筑建设，又能强化未来国家竞争力。 特别是现代钢铁生产的H型钢，碳排放量仅为0.555kgCO2e/kg，与获得韩国环保产品认证的同类型钢产品（平均碳排放量1.76kgCO2e/kg，参照韩国环境部 2024 年第四次修订的《低碳产品标准》）相比低约69%，目前该产品已获得韩国环境部的低碳产品认证。此外，现代钢铁同时拥有高炉-转炉和电弧炉炼钢工艺，在资源循环中发挥核心作用，无论与国内外任何钢铁企业相比，都具备强劲的竞争力，能够充分履行社会责任。 2.2.1电弧炉炼钢 电弧炉炼钢是利用电弧炉熔化废钢生产钢水。在欧盟27国的粗钢总产量中，电弧炉粗钢占比已达42%。废钢作为炼钢的主要原料，其成本占钢铁制造成本的70%以上，地位至关重要。电弧炉炼钢将电极插入炉内的原料中，通过电极与废钢之间产生的高温电弧热熔化原料。现代电弧炉为优化熔化过程，不断增加化学能的利用。冶炼所需化学能来自纯氧燃烧系统，以及增碳剂、泡沫碳等含碳原料。 电弧炉完成熔化和一次精炼后，将钢水出钢至钢包中，通过添加铁合金、调整剂等进行成分微调与脱硫处理，这一过程称为二次精炼，电弧炉炼钢中主要采用钢包精炼法。二次精炼的核心目标包括：实现钢水混匀与成分均质化，精准调控化学成分至容许偏差区间，完成脱氧处理，脱除氢、氮等气体元素，并促使非金属夹杂物上浮分离，降低钢中氧化物夹杂水平。精炼炉还会提升电弧炉输送来的钢水温度，并将C、Mn、Si、P、S等五种主要元素，以及Cr、Mo、Nb等合金元素调整至标准要求。钢水的成分与温度是决定产品质量和形状的关键因素，将钢水温度稳定在1550-1600℃，有助于提升后续连铸工艺的稳定性与生产效率。 通过二次精炼获得的高合金、高纯净度钢水，将通过连铸工艺加工为中间产品，即半成品，为最终钢材产品的生产奠定基础。钢水将流经水冷铜结晶器，离开结晶器时铸坯外壁已形成初生凝固坯壳，再经过多组拉矫辊的处理，最终完全凝固成型。半成品根据断面形状和尺寸分为小方坯、大方坯和梁坯。梁坯作为生产H型钢的专用半成品，还可用于制造大型棒材、钢板桩等产品。 2.2.2轧制与冷却工艺 型钢轧制通常遵循以下流程：将在加热炉中加热至1200℃以上的梁坯，依次通过开坯机、粗轧万能轧机、立辊轧机加工成H形轮廓，最后通过精轧万能轧机完成最终轧制，此时的温度称为终轧温度。根据产品性能要求，轧制完成后可在淬火-自回火（QST）工艺中进行连续表面加速冷却。影响钢材性能的关键因素包括梁坯加热温度和终轧温度，这两个参数会改变钢材的显微组织。此外，QST冷却后的产品表面，会利用芯部的余热实现返温和自回火效应，在表面形成硬化层，芯部形成细晶粒组织，从而影响常温力学性能和高温强度。通常而言，轧制后经空冷处理的钢材，显微组织由铁素体和珠光体组成，而轧制后进行表面加速冷却，可在钢材表面及内部获得低温组织，从而生产出低合金、高强度、多功能的钢材产品。
3 建筑结构用高端H型钢发展现状 2017年11月，现代钢铁正式推出韩国首个抗震专用钢材品牌H-CORE。目前现代钢铁拥有H型钢、热轧用离心铸造高速钢轧辊、工程机械履带钢、不等边不等厚角钢、平行槽钢、工业锅炉管、油井管、汽车用热冲压件、车门防撞梁、压力容器用钢管等12种韩国产业通商资源部认定的“世界一流商品”，其中包括H型钢在内的5种产品通过电弧炉生产。 H型钢因强度高、冲击吸收能力强、焊接性能优异，广泛应用于高层建筑、工厂、体育馆等大型建筑的柱体和梁体；同时也可用作地铁、桥梁等土木工程的临时设施、基础桩材料，还可应用于海洋平台上部框架结构。现代钢铁持续开发并供应符合各国标准（KS、JIS、ASTM、EN、AS/NZS）的不同尺寸、形状和钢种的H型钢产品。 近年来，随着建筑结构向超高层化发展，现代钢铁开发了塑性变形能力和焊接性能增强的抗震H型钢；针对原油、天然气等开采、运输及储存设施的需求，开发了保证-20℃冲击韧性的H型钢，并进一步推出了可在极低温环境下保持性能的低温冲击韧性保证H型钢；此外，为应对自然与人为灾害，还开发了可安全应用的抗震耐火H型钢。现代钢铁在韩国率先开发的代表性产品包括Slim梁、建筑结构用抗震H型钢、海洋平台专用H型钢、抗震耐火H型钢等。 3.1高强度抗震H型钢 SHN系列钢材是现代钢铁在韩国率先开发的建筑结构用轧制H型钢，其力学性能基于美国建筑结构用轧制H型钢标准（ASTM A992）进行强化，以满足抗震性能要求。现代钢铁于2005年开发建筑结构用轧制H型钢（SHN490），并于2009年纳入韩国工业标准（KS）；目前已实现翼缘厚度达70mm的SHN275、SHN355钢种的量产，而最高强度等级的SHN460于2021年纳入韩国KDS设计标准。 建筑结构用抗震H型钢通过严格控制化学成分，具备优异的焊接性能，其塑性变形能力和低温冲击韧性均优于普通结构用H型钢。为实现这些特性，在设计与制造过程中，现代钢铁降低了碳含量，添加了微合金元素，并采用热机械控制工艺（TMCP），以确保强度与韧性的平衡。抗震H型钢的优越性在梁-柱节点评估中得到体现：在相同抗震测试条件下，其最大转角比普通结构用H型钢高出25%以上。SHN系列钢材已应用于乐天世界大厦、首尔IFC、韩国第二南极科考站等多个超高层建筑及极地建筑项目。 3.2轧制非对称H型钢 Slim楼板专用非对称H型钢的下翼缘长于上翼缘，是专为Slim楼板工艺设计的产品，该工艺可降低钢结构层高。将深型组合桁架安装在非对称钢梁的下翼缘上，可使楼板结构（楼板上部至钢梁底部）的高度缩减至380mm（见图3（a））。 与传统钢结构工艺（见图3（b））相比，该工艺可降低层高25-40cm，每10层左右可增加1层使用空间，同时减少外墙材料、防火涂层等成本支出。Slim梁经H型钢轧制后，需通过火焰切割、打磨等额外加工工序制成，目前已应用于三星火灾海上保险公司清凉里办公楼等多个钢结构建筑项目。 3.3海洋平台用低温韧性保证H型钢 2013年2月，现代钢铁在韩国率先开发S355ML1O（EN 10225）钢种，翼缘厚度最大达24mm的产品通过了挪威船级社（DNV）的产品认证（PQ），并已向丹麦石油天然气公司（DONG）固定平台项目及马来西亚国家石油公司（PETRONAS）海上浮式液化天然气（FLNG）项目供应首批产品。此外，响应造船厂对高强度低温韧性保证H型钢国产化的需求，现代钢铁于2023年开发出屈服强度420MPa级的S420ML1O钢种，同样通过了翼缘厚度24mm以内的DNV船级社产品认证（PQ）。 海洋平台用H型钢需要在-40~-50℃的低温环境下保证母材及焊接接头的韧性，对从设计到生产的全流程技术要求极高。通常，自由氮会对母材及焊接接头的韧性产生不利影响，而轧制温度直接影响铁素体晶粒尺寸。因此，在设计阶段，需通过脱气处理、化学成分优化减少自由氮含量，并设定合理的轧制温度以满足规定的屈强比；在生产阶段，需在炼钢过程中降低碳含量及杂质（P、S），控制轧制过程中的温度偏差，并严格管理轧制形状，若为调整轧制形状进行矫正，矫正辊与钢材的接触部位会发生局部加工硬化，可能导致冲击韧性下降。 对开发的S420ML1O钢种的母材及焊接接头进行冲击韧性测试（温度-40℃），结果显示：母材平均冲击功达300J，表现优异；焊接接头采用药芯焊丝电弧焊（FCAW）工艺，平均冲击功达158J，与母材同样具备出色的冲击性能。 3.4建筑结构用抗震耐火H型钢 近年来，建筑结构日益向超高层化、大型化发展，同时受全球变暖影响，地震、台风等自然灾害的发生频率持续上升。从邻近的日本，到中国、美国、墨西哥、智利等国家，每年都因自然灾害造成大量人员伤亡和财产损失；韩国也因庆州、浦项地震，打破了“地震安全区”的认知。地震或火灾可能伴随次生灾害（如地震后的余震引发火灾），因此，现代钢铁前瞻性地开发了建筑结构用耐火抗震钢材，可在火灾与地震双重场景下防止建筑快速坍塌。 为同时满足抗震与耐火的对立要求，现代钢铁通过明确塑性变形能力提升与高温强度保持的作用机制，开发出强度高于普通钢材、且具备高应变率和优异延伸率的产品：既能抵御地震产生的突发冲击力，防止建筑突然坍塌，又能在火灾中避免因材料劣化导致的快速坍塌，实现抗震与耐火性能的双重保障。 如前所述，抗震性能要求低屈强比，需控制屈服强度处于较低水平；而耐火性能要求提高屈服强度，二者存在矛盾。为解决这一矛盾，现代钢铁通过计算机模拟技术进行热力学平衡计算及析出物动力学分析，优化合金体系，最大化固溶强化与析出强化效应，实现了贝氏体组织与微细析出物的精准控制，既提升了常温变形能力，又保证了高温屈服强度。通过这一技术，该公司减少了过去为保证耐火性能而大量添加的Cr、Mo的用量，通过优化合金体系，并结合轧制与冷却控制，使目标显微组织得以呈现，最终开发出屈服强度355MPa级、420MPa级的抗震耐火H型钢（见图4）。 除产品生产外，该公司还对该钢材作为建筑主要支撑构件（柱体）的实际应用效果进行了构件耐火性能测试。结果显示，其耐火时间较普通钢材延长120%以上，可在实际火灾中为人员疏散争取更多时间（见图5）。
4 结语 本文介绍了现代钢铁开发的代表性电弧炉产品——多功能H型钢的技术发展方向。基于多年积累的经验，现代钢铁将持续开发和生产建筑领域适用的低碳、高性能钢铁材料，为建筑行业提供绿色建筑解决方案。
