钢中有害元素

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周期系Ⅴ A族元素，原子序数33，原子量74.92，俗 名砒，有灰，黄，黑三种同素异构体， 熔点717℃，613℃升华 砷在钢中常以Fe2As, Fe3As2, FeAs及固溶体形式存在， 易发生偏析现象，砷与磷，锑同族，对钢性能影响 有类似之处，砷能提高钢的抗拉强度和屈服点，增 强抗腐 蚀和抗氧化性能，但砷含量较高时（如大于0.2%）， 则使钢的脆性增加，延伸率，断面收缩率及冲击韧 性降低，并影响焊接。

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一类元素的氧化势低于铁：即在炼钢时 的氧化反应将不涉及这些元素。 结果这些残余元素将全部积存在最终的钢 铁产品中。 第二类残余元素的氧化势与铁接近，在炼 钢的吹炼过程中，其中一部分将被氧化除 去在钢水中残存的部分将取决于它们在钢 水和炉渣的成分，两者确定了残余元素在 钢水和炉渣中的分配因数。第三类元素的 氧化势要高于铁,在钢水吹炼过程中，它们 首先被氧化进入渣相中除去,一般不能进入 钢水。因此,钢中的残余元素问题，实际上 只有第一类和第二类所含的l5种金属或非 金属元素,其中8种元素为全保留元素,7种 元素为部分保留元素
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在不配高炉除尘灰的前提下，目前非主流 矿配比仍可以保证高炉入炉锌负荷低于首 钢内控标准。 但是在配2％高炉除尘灰的情况下，即便非 主流矿完全不配，高炉入炉锌负荷仍处于 首钢内控标准上限。 因此，面临固废和非主流矿不可兼顾，要 想使用非主流矿就得把高炉除尘灰(旋风灰) 停配，要回吃固废，就得停配非主流矿。

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高炉冶炼中锌全部被还原，其沸点低 (905℃)，不熔于铁水。很容易挥发。 挥发的锌在炉内又被氧化成ZnO，部分ZnO 沉积在炉身上部炉墙上，形成炉瘤，部分 渗入炉衬的孔隙和砖缝中，引起炉衬膨胀 而破坏炉衬。 矿石中的含锌质量分数应小于0．1％。

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砷在矿石中含量较少。
与磷相似，在高炉冶炼过程中全部被还原 进入生铁。
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铅、锡、锑、铋和砷有一些共同的特点： 第一,它们的熔点与钢的熔点相比是比较低 的,当钢已经处于固态时,他们仍处于液态,因 此,通常称它们为低熔点元素。 第二,它们在钢中的含量超过一定限度时,都 会明显降低高温机械性能,增加钢的高温脆 性,降低钢的强度和韧性,使钢变脆。 第三, 它们往往共生于一体,造成严重的偏析, 很少单独存在,因而对钢的破坏作用更大。
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炼铁中的碱金属、锌等，均成为炉渣、除 尘灰、污泥等成分而产出。 因此，铁水中碱金属、锌元素的含量较低。

高炉中的铅含量，容量愈大的高炉，其铁 水中的铅的产出相对量愈高。而对于小高 炉而言，约有20%的含量进入铁水中。
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K、Na、Zn进入炉内首先在高温区挥发,上 升后冷凝沉积于炉身上部炉墙、矿石及焦 炭孔隙中,破坏炉墙内衬同时降低原燃料强 度; Pb作为重金属会沉积入炉缸、破坏炉底碳 砖、引起炉底碳砖上涨。
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碱金属来源主要来焦炭，其次是烧结矿和 球团矿； 铅的主要来源，烧结矿和球团矿带入。

锌的来源，是生产烧结矿、球团矿的精矿 粉，不法商贩将瓦斯灰回收来的金属料加 入精矿粉中，使原料Zn含量大大提高。
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烧结前分布开炉期， 烧结矿中锌65％由高炉除尘灰带入； 钠81％由焦化废水带入； 钾42％由烧结除尘灰带入，21％由熔剂带入， 17％由高炉除尘灰带入，合计64％的钾元素由 循环回收物带入，外排烧结电除尘灰是降低钾 富集的主要手段； 氯53％由焦化废水带入，26％由烧结除尘灰带 入，13％氯来源于高炉除尘灰，仅有6％的氯 来自于新生烧结原料(包括矿粉、熔剂和燃料)， 可见，氯绝大部分是由循环回收物带入。
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热加工钢锭或钢坯时的高温加热期间，钢 锭及钢坯表面形成氧化铁皮，钢中残存的 Cu,As,Sb,Sn的氧化位能比铁低而不氧化。 这些元素不断聚集在氧化皮下的金属中。 如果这些残存元素的含量超过其在钢中的 溶解限时，就会在氧化铁皮和金属界面间 形成熔融的液相。会产生表面热脆裂纹， 最终在钢材表面留下网状分布的微裂纹。
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锌98％留在烧结矿，由于锌65％来源于高炉除尘灰，如果高炉 除尘灰不外排，则锌的富集主要源于高炉除尘灰的再利用； 钠14％进入烧结矿，84％随烟气带走或黏结到箅条，可见焦化 废水中钠几乎都随烟气带走，仅25进入烧结除尘灰； 钾52％留在烧结矿，43％进入烧结除尘灰，5％黏结到箅条或其 他，钾元素由于很少以其他方式排出。因此，如果烧结除尘灰 不采取外排则富集速度会很快； 氯63％随烟气排出或黏结到箅条，27％进入烧结除尘灰，10％ 保留于烧结矿。 铁矿粉中的钾、钠大多以长石或闪石类形式赋存，烧结矿中钾、 钠绝大多数富集于玻璃质，以硅酸盐形态存在[2]。
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有害元素主要来源于循环回收物， 65％锌来源于高炉除尘灰， 80％钠来自焦化废水， 63％钾由循环带入， 90％Cl以上由循环带入。 从排出情况看，98％锌保留于烧结矿，80％钠以上 从烟气排出或黏结于箅条、管道等，52％钾留在烧 结矿、43％进入烧结除尘灰，63％Cl从烟气排出或 黏结于箅条等、27％进入烧结除尘灰。 因此，锌和钾富集最快，必须采取措施切断循环链 (高炉灰和烧结电除尘灰)。

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计算表明：碱金属70％由炉料带入，其中 烧结矿带入为首要因素；85％～90％锌由 炉料带入，烧结矿带入为首，占60％左右。 从排出情况分析，高炉稳定生产情况下碱 金属从炉渣排出比例升高，可达80％左右； 锌排出率较低，不到60％，主要分布于干 法灰和旋风灰，建议适当放开边缘煤气有 利于排锌。

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周期系Ⅴ A族元素，原子序数51，原子量121.8， 密度6.684g/cm3, 熔点630.74℃， 沸点1750℃，
锑对钢的性质有恶劣影响，一般使钢的强度降 低，脆性增加，但如在钢中加入一定量的锑， 会不同程度的提高钢的抗腐蚀能力及耐磨性。

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周期系Ⅴ A族元素，原子序数83，原子量208.98， 密度9.8g/cm3, 熔点271.4℃，沸点1560±5℃， 由于铋在钢中含量几乎不熔，在冶炼过程中，绝大 部分以蒸汽逸出，故铋在钢中含量极微。它易偏析 于晶间，相间，它在晶间浓度甚至可为在合金整体 浓度的8100倍，它的存在因而引起钢的脆性，它能 使不锈钢热态韧性降低，如含铋量较多，还会降低 钢的塑性，影响钢的高温强度，致使不锈钢挤压材 产生裂纹。如作特殊用途加入少量铋入钢中，则可 显著改善钢的切削加工性能。

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高炉炼铁原料中的有害元素主要有铅、 锌、碱金属等。

锌在高炉内循环富集已严重影响高炉顺行 和热制度稳定。
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在高炉内铅是易还原元素，但铅又不溶解 于铁水，其密度大于铁水，所以还原出来 的铅沉积于炉缸铁水层以下，渗入砖缝破 坏炉底砌砖，甚至使炉底砌砖浮起。 铅又极易挥发，在高炉上部被氧化成PbO， 粘附于炉墙上，易引起结瘤。一般要求矿 石中的含铅质量分数低于0．1％。
石钢京诚装备技术有限公司质量 部（内部资料）
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钢中五种有害的元素是指： Pb-铅，Sn-锡，As-砷，Sb-锑，Bi-铋。

2Biblioteka Baidu





周期系第Ⅳ A族元素， 原子序数82， 原子量270.2 熔点，327.5℃， 沸点1740℃，, 钢中残余铅极微，因绝大部分铅在冶炼过程中以蒸 汽逸出钢液。由于铅和铁不生成固熔体，一般它是 以微小的球状形态而存在于钢中，易发生偏析，对 钢的性质有一定不良影响，铅能使钢的塑性略有降 低，使钢的冲击值有较大降低。如因特殊用途则是 在浇注过程中加入，钢中含少量铅可改善钢的切削 加工性能。

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烧结工序有害元素主要来源分为原料带入 和系统内部循环。
烧结工序有害元素分布与烧结机面积和电 除尘级数息息相关。烧结电除尘分1级、2 级、3级。 除尘灰中的残余元素逐级递增;电除尘灰中 残余元素随着配套烧结机产能及除尘电机 功率的增加而增大。

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5.1 ICP-AES法： 采用酸溶分解试样，用标准钢样配比法制 备标准溶液，
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钢中需要控制的残存元素具有三个特征： （1)钢铁冶炼的各个生产环节经常出现; (2) 一般冶炼工艺不易去除； （3） 对钢的性能产生有害作用 一般认为：Cu,Ni, Cr,Mo,Sn,As,Co,Sb,W不易去 除；同时Al,Pb,Ti,V,Zn,Zr和一些稀土元素也可 能对钢有不利作用。但它们一般不进入钢中， 而是进入粉尘，炉渣中。一些情况下的有害元 素，在另一些情况下如钢的成分对其有要求时， 又成为有价值的元素。
培训资料 9

P, As, Sn, Sb在晶界偏聚可造成晶界脆性， 是产生回火脆性，特别是回火脆性的因素。
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对钢中残余有害元素的控制可按 Cu+6×（Sn+Sb) ≤0.3%(德国曼内斯特无 缝钢管厂） 可降低或消除钢材表面网状裂纹（热脆）

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传统的观念，铁水是降低钢中残余有害元 素含量的最简单的措施，不仅可起到稀释 作用，还可提供大量的显热及潜热。 然而，由于炼铁原料的来源多，导致烧结 矿及球团矿的有害元素的含量难以控制。 因此铁中有害元素含量的分析与控制，愈 发得到注意。
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周期系第Ⅳ A族元素，原子序数50，原子量118.69， 熔点：白锡231.88℃， 灰锡231.99℃，脆锡231.99℃。 沸点：白锡2260℃，灰锡2270℃，脆锡2260℃。


锡可大大降低钢及合金的高温机械性能，对钢的加 工性能也十分有害。在钢中加入少量锡时能提高钢 的耐腐蚀性，其强度也有一定提高，而对塑性却影 响不大。
钢中含砷也会使钢材产生“冷脆”现象， 并降低钢材焊接性能。 要求矿石中的含质量分数小于0.07%。

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碱金属主要指钾和钠。一般以硅酸盐形式存在于矿石中。 冶炼过程中，在高炉下部高温区被直接还原生成大量碱 蒸气，随煤气上升到低温区又被氧化成碳酸盐沉积在炉 料和炉墙上，部分随炉料下降，从而反复循环积累。 其危害主要为：与炉衬作用生成钾霞石K2O· Al2O3· 2SiO2） 体积膨胀40%而损坏炉衬；与炉衬作用生成低熔点化合 物，粘结在炉墙上，易导致结瘤； 与焦炭中的碳作用生成插入式化合物（CK8、CNa8）体 积膨胀很大，破坏焦炭高温强度，从而影响高炉下部料 柱透气性。 因此要限制矿石中碱金属的含量。