每年生产超过15亿吨的钢材，以生产各种产品，如缝纫针和摩天大楼的结构梁。碳钢是一种主要合金元素为碳的钢，其性能取决于碳的百分比。碳钢由铁和碳组成，是最常见的钢种，约占美国钢铁总产量的85％。由于碳对微观结构的影响，产品的碳含量在0-2％范围内并且赋予金属碳类特性。碳钢还可含有少量的锰，硅和铜。低碳钢是低碳钢的商业术语，其中碳含量在0.04-0.3％范围内。它是标准规范未涵盖的一般分类。
钢铁的生产工艺流程
碳钢和低碳钢分三个阶段制造：
- 初级炼钢
- 二次炼钢
- 铸件
接下来是各种精加工技术，这些技术直接影响最终产品的特性。
1.初级炼钢
钢可以由100％回收材料制成，也可以由回收材料和纯钢组合制成。原生钢在高炉中由铁矿石，焦炭（由煤炭生产）和石灰生产。将原料添加到炉子顶部，炉子在3000°F下运行。当铁矿石熔化并与燃烧的焦炭混合时，碳被释放到熔融产物中。石灰将杂质吸收到表面的炉渣中，可以从钢水中撇去。该阶段的产物含有约4％的碳并且仍然存在一些杂质。熔融的原始钢被转移到已经含有回收废金属的碱性氧气炉（BOF）中。将纯氧吹入钢水中以氧化多余的碳，形成碳含量高达1.5％的成品。
再循环废钢可以在电弧炉中不添加原始钢进行再加工。高功率电弧在高达3000°F的温度下熔化金属。当废钢熔化时，可以将更多批废料添加到炉中直至其容量。一旦达到钢水平浴，就以与BOF相同的方式吹入氧气。在这两种情况下，将钢水从炉中取出进入钢包或钢水浴中进行进一步处理，同时除去含有杂质的表面炉渣。
2.二次炼钢
市场对更高质量钢产品和一致性能的需求推动了二次炼钢工艺的发展。通过添加或去除单个组分或通过操纵温度在电弧炉中改变钢组成。
- 搅拌电磁场用于在钢包中引起湍流。该方法容易分离漂浮在表面上的非金属夹杂物，同时确保钢的均匀混合物和组成。
- 钢包炉钢包作为二次电极炉，可实现精确的温度控制和合金成分的测量注入。
- 钢包注射惰性气体注入钢水浴的底部。随着气体加热并通过钢水上升，实现了搅拌效果。
- 脱气去除氢气，氧气和氮气，同时还降低产品的硫含量。用于对钢水进行脱气的各种技术包括真空，惰性气体注入和温度控制。
- 成分调整（密封氩气鼓泡吹氧 - CAS-OB）通过将氩气注入密封的钢浴中来实现搅拌。通气管布置防止炉渣受到干扰，同时氢含量减少并且氧化物夹杂物漂浮到表面。通过喷枪将氧气供入浴中，并通过通气管添加铝，从而提高温度控制水平和准确的最终组成。
脱氧钢
二次炼钢的一个关键方面是去除氧气。当钢水开始凝固时，钢中存在氧气，导致与碳反应释放出一氧化碳气体。控制脱氧可用于改变成品的特性，因此可用于改变用于不同应用的钢的适用性。
- 磨钢碾磨钢是非脱氧钢或部分脱氧钢。在凝固过程中产生高水平的一氧化碳，导致良好的表面质量，但存在许多气孔。
- 加盖钢加盖的钢材遵循与最初加工相同的模式，但大约一分钟后，模具被加盖以抑制一氧化碳的形成。
- 半死钢半镇静钢在倒入模具之前已经部分脱氧，并且通常具有0.15-0.3％的碳含量。
- 杀钢已杀死的钢已经完全脱氧，因此在凝固过程中根本不会形成一氧化碳。成品具有均匀的结构，没有气孔。将铝作为主要脱氧剂加入钢包或模具中以“杀死”一氧化碳的形成; 然而，存在不希望向成品中添加铝的应用。铝的替代物是锰和硅或硅化钙的铁合金。
3.铸造
传统的铸造方法涉及通过起重机提升钢包，使得钢水可以铸造成安装在轨道车上的单个模具。铸锭模具略微变细，以便在凝固后除去铸锭。将锭料转移到浸泡坑中，在那里将它们重新加热以进行热轧。
铸造机能够将钢水连续铸造成更适合下游加工的形状。钢包被提升到高架平台，在那里它们将钢水排放到中间包中，中间包供给铸造机。将熔融钢从中间包送入带有可移动底板的水冷模具中。当钢皮凝固时，板缓慢下降，允许更多的钢水进入模具。钢在连铸机中形成板坯，大方坯或坯料。在拉直并在机器末端切割之前，通过辊子拉动固化产品。此过程可以持续数天或数周而不会中断。
碳钢精加工
在碳钢制造过程完成后，使用轧制，热处理，表面处理或下游二次加工完成。
产品滚动
必须将实心铸锭轧制成更有用的形状和尺寸，如连续铸造生产的那些。钢被压缩并通过旋转辊拉动。当钢材进入机器时，辊子以比钢材更快的速度旋转，因此将钢材向前推并压缩钢材。
热成型
将钢加热至再结晶温度以上以破坏铸态微观结构。这样可以在钢中产生更均匀的晶粒尺寸和均匀的碳分布。
冷成型
冷成型在重结晶温度以下进行。这个过程通过应变硬化提高了高达20％的强度，同时改善了光洁度并允许更严格的公差。钢材以轧制，坯料或板坯的形式从轧制过程中出现，取决于最终尺寸。绽放是一种非常厚的矩形板坯，坯料具有相似的厚度但宽度较窄，而板坯是更薄更宽的产品。
半成品在轧机中进一步加工成中间产品，以便为下游公司的制造和最终加工做好准备。
冷成型产品和应用
| 制品 | 应用 |
|---|---|
| 花开 | 结构应用 |
| 栏杆 | 护栏 扶手 自定义栏杆 |
| 滚动的酒吧 | 机器制造 施工 |
| 板（厚度超过1/4英寸） | 重型制造 锅炉 桥梁 工业船舶 油箱 船 |
| 床单（厚度低于1/4英寸） | 车身 家用电器 办公设备 饮料罐 |
| 圆形/方形杆 | 施工框架 支撑 轴 轴 |
一旦钢材离开轧机，下游公司就会采用不同的二次加工技术来防止腐蚀并改善金属的性能。这样做的主要技术是热处理。
热处理
热处理钢的目的是通过改变产品中碳的分布和内部微观结构来控制其机械性能。当操纵钢的机械性能时，延展性的增加导致硬度和强度的降低，反之亦然。
正火
将钢加热至高于临界温度约130°F的温度。保持温度直至整个产品均匀加热，然后空气冷却。这是最常见的热处理形式，赋予钢材高强度和高硬度。
退火
将钢的温度升至固溶状态1小时，然后以每小时70°F的速度冷却。柔软且韧性的钢材，无内应力。
淬火
与标准化相似的过程，但通过在水，盐水或油中淬火钢来加速冷却。所得到的产品非常硬，比标准化钢硬4倍 - 但非常脆，使其易于破裂和开裂。因此，在称为回火或应力消除的过程中，淬火到预定温度之后通常接着控制冷却速率降至室温。通过设计热处理过程中的温度和冷却速率参数，可以精确控制钢的性能。
表面处理
生产的钢中约三分之一用表面涂层处理，以抑制腐蚀，改善可焊性和可涂漆性。
热浸镀锌
镀锌是将锌表面涂层施加到钢上的过程。在进入锌浴之前对钢进行加热，其中液态锌层覆盖产品的表面。涂层的厚度由气刀控制。为防止锌涂层开裂，在锌溶液中加入少量铝。
电解镀锌
将锌涂层施加到钢产品上的另一种方法是通过电解镀锌。通过控制电解质溶液中的电流将锌沉积在钢的表面上。该技术允许更好地控制涂层厚度。它还可用于在产品的任一侧或锌合金涂层上涂覆不同厚度的差异涂层，以优化所需的特性。
下游二次加工
下游公司进一步将其钢铁原材料加工成成品。使用不同的加工技术，例如加工，其涉及用机床均匀地去除表面金属。连接钢也很常见，并使用各种焊接技术。
碳钢类
碳钢可根据产品的化学成分和特性进行分类。低碳钢也属于低碳钢类，因为它含有相似的碳含量。普通碳素钢不含合金，可分为四类：
1.低碳钢或低碳钢
低碳钢含碳量为0.04-0.3％，是最常见的碳钢等级。低碳钢也被认为是低碳钢，因为它被定义为具有0.05-0.25％的低碳含量。低碳钢具有延展性，可高度成形，可用于汽车车身零件，板材和线材产品。在低碳含量范围的较高端，并且添加高达1.5％的锰，机械性能适用于冲压件，锻件，无缝管和锅炉板。
2.中碳钢
中碳钢的碳含量范围为0.31-0.6％，锰含量范围为0.6-1.65％。这种钢可以进行热处理和淬火，以进一步调整微观结构和机械性能。流行的应用包括轴，轴，齿轮，导轨和铁路车轮。
3.高碳钢
高碳钢的碳含量范围为0.6-1％，锰含量为0.3-0.9％。高碳钢的特性使其适合用作弹簧和高强度钢丝。除非焊接程序中包含详细的热处理程序，否则不能焊接这些产品。高碳钢用于边缘工具，高强度电线和弹簧。
4.超高碳钢
超高碳钢的碳含量范围为1.25-2％，被称为实验合金。回火可以生产出具有很高硬度的钢，这对于刀，轴或冲头等应用非常有用。
回收碳钢
金属回收是可持续生活的成功案例之一，并将人类活动对环境的影响降至最低。钢铁是地球上回收率最高的材料，超过所有其他材料的总和。
再生钢的来源包括钢厂，二级制造商和钢铁产品在产品生命周期结束时的废钢。通常没有足够的再生钢来满足制造需求，因此在成品生产中几乎总是将原始钢和再生钢组合在一起。
回收钢也很经济，因为它降低了成品的成本。出于这个原因，钢铁工业一直积极参与促进和建立回收网络，使废旧产品易于回收利用。
