炼钢过程中气体和夹杂物的冶金控制

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1、第二章炼钢过程中气体和夹杂物的冶金控制钢中的气体和夹杂物是影响钢的冶金质量的主要因素。在生产实际中，由于气体和夹杂物而引起钢材(件)报废的情况屡见不鲜。所以在炼钢过程、钢液浇注以及最后的热加工中总是采取各种措施来降低钢中气体、有害杂质元素含量和改善非金属夹杂物形态及分布。尽管如此，任何钢中总是含有一定数量的气体和夹杂物，因此必须对其产生、危害及控制进行研究，以提高钢材的纯洁度和使用性能。在材料科学迅猛发展的今天，为了提高钢及合金的质量，有些国家不仅严格控制钢中硫、磷、氮、氢、氧等元素，进而也控制有害金属杂质铅、锡、砷、锑、铋等微量元素。并普遍采用“精料”、“精炼”。下面就炼钢过程中

2、气体和夹杂物的控制予以介绍。第一节钢中气体对钢质量的影响一、氢、氮在钢中的溶解规律钢中气体包括氢、氮、氧，但主要是指溶解在钢中或以某种形式存在于钢中的氢和氮。由于他们在钢中的溶解度很小，可以把钢看成是稀溶液，因此其活度系数近似等于1，故在钢中氢、氮溶解度与其在气相中的分压符合西华特平方根定律，即ω（H）=KH2√PH2ω（N）=KN2√PN2式中，KH2,KN2分别为氢、氮的平衡常数。上式表明，给定的温度下，钢液中溶解的氢、氮的浓度与钢液上氢、氮的分压的平方根成正比。氢、氮在钢液中的溶解反应为吸热过程，随着温度升高，溶解度也增大，由此可见，出钢温度过高会增加氢、氮在钢中的溶解量，从

3、而降低钢的质量和性能。钢液中其他溶质元素对气体的溶解度也有影响，凡与气体有较强亲和力的元素(如V、Mn,Ti,Nb等)，将增加气体在钢液中的溶解度，而与铁的亲和力大于气体与铁的亲和力的元素(如C,Si等)，会降低气体在钢液中的溶解度。一般来讲，（H）（N）在钢中的溶解度随温度下降而变小，在转变温度和熔点处跳跃式地变化。图4-1是一个大气压下，两种气体在钢中的溶解度随温度变化的曲线。二、钢中氢的行为及去除(一)钢中氢的来源钢中的氢主要来源于炼钢原料、耐火材料和炉气中的水分。当高温钢液与含有大量水蒸气的炉气相接触时，水蒸气在高温作用下分解并被钢液吸收，使钢液中氢、氧含量同时增加，其分解

4、反应如下式所示H2O(g)=2〔H〕+〔O〕根据上式，可得出ω(H)=√KH2PH2O/ωO从上式中可看出，当炉气中水的蒸汽压PH2O增大时，ωH必定增大;而当ωO高时，不利于水蒸气的分解。因此，在炼钢末期和电弧炉炼钢的还原期，钢液最易于从炉气中吸氢。此外，钢中含氢量与钢的冶炼方法、钢种成分也有关系。在三种主要炼钢方法(碱性平炉、碱性电弧炉、氧气顶吹转炉)中，电弧炉钢中的氢含量最高，这主要是因为电弧区的高温(高于3000℃)使炉气中的水蒸气易于分解且被钢液吸收。而氧气顶吹转炉使用工业纯氧进行吹炼，炉气中水蒸气分压低，加之其熔池脱碳反应激烈，故使钢中氢含量最低。(二)氢对钢质量的影响

5、氢的原子半径小(0.053nm)，进入钢中后，相当容易移动。由于氢在铁中移动的激活能只为碳在铁中移动激活能的1/10，以致钢中的氢容易在应力(主要指外加应力、残余应力、原子之间相互作用力等)作用下，向钢中一些危险区域扩散，以不同形式危害钢的性能。钢中氢的危害主要表现在以下几个方面:1.降低钢的塑性一般来说，钢的塑性随其含氢量的增加而降低，但降低的程度一方面取决于钢的成分和结构，另一方面则与加荷速度、试验温度等试验条件有关。2，使钢产生氢脆氢脆属于应变时效型脆性，亦称滞后破坏，表现为在应力作用一定时间后，钢突然发生脆性断裂，其断口特点是平滑，在多数情况下沿晶界断裂。一般来讲，钢的氢脆

6、随钢的强度增高而加剧，高强度钢和超高强度钢含氢时脆性将明显增加。研究认为，高强度钢平均含氢量不到10-4%就可能产生氢脆。图4--2中表明，在低于屈服强度的恒定静载荷持续作用下，经过一定时间的孕育期后，、在试样表面缺陷处或缺口根部产生裂纹源，随着时间的延长，裂纹不断扩展长大，到一定程度后导致试样突然断裂。由于图4-2中的断裂曲线与疲劳曲线相似，因此这种氢脆也称为静疲劳。图4-2中有一个下临界应力值(门槛值)，试样在低于此值的应力作用下，加载时间再长也不会产生脆性断裂。下临界应力的大小与试样表面缺口形状有关，缺口愈尖锐，下临界应力也愈低。Triano在1955年提出的应变时效型氢脆的

7、解释，目前已为较多的人所接受，其概念如下:含氢试样受载后，在其缺口尖端处产生应力集中。氢原子在应力作用下向这里扩散聚集，使缺口尖端处的位错周围形成柯氏气团，对位错产生钉扎作用，导致位错难以运动，表现为缺口尖端处被局部硬化。在外加应力作用下，如果试样缺口尖端处的基体不能通过位错运动产生局部塑性变形而使应力集中松弛的话，此处就会萌生裂纹并由此扩展长大。尔后，当裂纹尖端扩展到贫氢区后，由于贫氢区的位错在应力作用下易于运动，所以裂纹尖端的基体可以通过塑性变形使应力集中有所松弛