钢中氢的来源及控制

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氢在钢铁生产中的应用及趋势

氢在钢铁生产中的应用及趋势
随着环境保护意识的提高以及国内新能源产业的发展，氢能作为清洁能源受到越来越多的关注，同时在钢铁生产中的应用也越来越广泛。

本文将介绍氢在钢铁生产中的应用及趋势。

1. 调节钢液成分
碳在钢液中扮演着关键作用，但含碳过多或过少都会对钢铁的性质产生不良影响。

而加入适量的氢气可以在炼钢过程中调节钢液的碳含量，保证钢铁的质量，同时还可以减少钢液中的氧和氮含量，提高钢的韧性和强度。

2. 替代燃料
传统的炼钢方式通常采用燃烧煤炭或焦炭，这会产生大量的二氧化碳和氮氧化物等有害气体。

而根据实验结果，使用氢气替代燃料可以大幅度减少这些有害气体的排放，从而减轻环境污染程度。

3. 纯化钢铁
1. 炼钢转型
由于氢气的清洁、高效和可再生性特点，未来将有越来越多的钢铁企业转向使用氢气代替传统燃料，以应对环保压力和资源短缺问题。

预计到2050年，炼钢业中氢气的使用量将会快速增长。

2. 智能化升级
随着新科技的快速发展，钢铁企业正在智能化升级，引入先进的技术设备来提高生产效率、降低生产成本和保证产品质量。

在这一进程中，氢气无疑将扮演着越来越重要的角色。

3. 循环发展
综上所述，随着氢能的发展和应用，其在钢铁生产中的应用也将会越来越广泛，同时也会引领整个产业的升级和转型，打造更加环保、可持续的钢铁生产新模式。

钢中氢的危害及去除

钢中氢的危害及去除近期我公司由连铸坯生产的中厚板,其探伤合格率较低,其中发现探伤不合的炉次中多数氢含量偏高，在铸坯冷凝析出过程中形成氢致裂纹，从而造成板材内部连续组织的破坏，致使探伤不合。

溶解于钢中的氢在液态钢中溶解度比固态钢中溶解度高，在钢水凝固过程中会析出，由于氢原子半径小，析出的氢原子在晶界或夹杂物界面扩散和聚集成氢分子，易造成缩孔、铸坯裂纹、皮下气泡以及中心疏松、偏析等, 而未来得及析出的氢气会降低钢的强度、断面收缩率、延伸率和冲击韧性等性能。

因此, 把钢中的氢含量降低到最低限度是减少铸坯缺陷, 提高钢的各项性能及探伤合格率的重要手段。

本文结合120tVD脱氢工艺进行了研究，通过考察影响VD精炼脱氢的主要因素，并结合实际，对工艺参数进行了优化，取得了良好的脱氢效果，提高了探伤合格率。

1真空脱氢原理氢在钢液中的溶解服从平方根定律，氢的溶解反应见下式。

[H]/%(wt)=K■P■■（1）因此，降低体系的压力，从而使气体的分压降低，就能减小钢液中的溶解的氢气。

氢在钢液中的溶解度很小，形成气泡的析出压力远小于其所受的外压力，所以溶解在钢液中的氢气就不能依靠形成气泡的形式排出，而是通过向钢液表面吸附转变为气体分子，再向气相中排出[1]。

当钢液中有CO或氩气泡时，溶解的氢气原子也可以向其中扩散，变为气体分子，随气泡排出,从而达到脱氢的目的。

2影响VD炉脱氢的因素VD炉精炼过程中影响脱氢效果的主要因素有：钢液原始始氢含量、吹氩流量、真空度及其保持时间、渣层厚度和黏度等。

2.1原始氢含量的影响从热力学角度来看, 真空前氢含量越高, 越有利于提高脱氢率。

但是初始氢含量太高,将增加VD的脱氢负担, 增加脱氢时间, 因此必须控制钢液的初始氢含量。

原始氢含量主要受炉气和原材料中水分的影响。

钢液中的氢含量主要取决于炉气中水蒸气的分压，并且已脱氧钢液比未脱氧钢液更容易吸氢，所以在炼钢还原期、出钢和精炼过程中，因为钢中氧已很低，如果使用未经烘烤的铁合金或未经充分干燥的钢包，以及炉盖漏水等情况出现时，就不可避免的会增加氢的含量。

钢氢含量测量

钢氢含量测量钢材中的氢含量测量是一个重要的工艺环节，对于保证钢材质量和使用性能具有关键作用。

本文将介绍钢氢含量测量的原理、方法和应用。

一、钢氢含量测量的原理钢材中的氢含量会对其强度、韧性、脆性等性能产生重要影响，因此需要对钢材中的氢含量进行准确测量。

钢氢含量测量的原理主要基于氢气在钢材中的扩散和释放过程。

当钢材中存在氢气时，氢气会通过扩散进入钢材内部，并在应力作用下造成氢脆。

因此，通过测量钢材中的氢含量可以评估钢材的抗氢脆性能。

1. 氢脆试验法：这是一种常用的测量钢氢含量的方法。

该方法通过将钢材暴露在一定条件下，利用氢气的扩散和释放过程来评估钢材的抗氢脆性能。

常用的氢脆试验方法包括氢致开裂试验、氢脆敏感性试验等。

2. 氢解吸法：该方法通过测量钢材中氢气的解吸过程来评估钢材的氢含量。

常用的氢解吸方法有热解吸法、电解吸法等。

这些方法都是基于钢材中的氢气在一定条件下的解吸特性来进行测量。

3. 氢扩散法：该方法通过测量钢材中氢气的扩散过程来评估钢材的氢含量。

常用的氢扩散方法有电化学氢扩散法、氢扩散系数测定法等。

这些方法都是基于钢材中的氢气在一定条件下的扩散特性来进行测量。

三、钢氢含量测量的应用钢氢含量测量在钢铁行业中具有重要应用价值。

主要包括以下几个方面：1. 钢材质量控制：通过测量钢材中的氢含量，可以评估钢材的抗氢脆性能，从而控制钢材的质量。

这对于保证钢材的使用性能和延长使用寿命具有重要意义。

2. 工艺优化：钢氢含量测量可以帮助钢铁企业优化生产工艺。

通过测量不同工艺条件下的钢氢含量，可以评估工艺对钢材氢脆性能的影响，从而优化工艺参数，提高钢材的质量和性能。

3. 产品开发：钢氢含量测量可以为新产品的开发提供参考依据。

通过测量不同材料组成和处理工艺下的钢氢含量，可以评估材料的适用性和性能，为产品开发提供重要参考。

4. 故障分析：钢氢含量测量可以帮助企业进行故障分析和质量问题的解决。

通过测量故障产品的氢含量，可以确定是否存在氢脆问题，从而找出故障原因并采取相应措施进行改进。

氢脆原因机理及常见控制手段

一、氢脆产生的机理因热处理、机加工、电镀、电焊、酸洗、磷化、材料腐蚀等因素导致氢原子渗入钢和其他金属如铝、钛合金中，由于在每一个铁离子的立方晶格中只能容纳一个氢原子，所以它虽自由的移动和扩散，但不可能有二个氢原子相遇形成氢分子，但被吸收的氢原子具有向应力集中的部位扩散和移动的能力，这时，如果在应力集中部位由于位错而产生晶格缺陷时，氢原子进入晶格间隙，相互汇合形成氢分子，从而致使钢的组织破坏，形成钢的氢脆。

而由于氢原子向应力集中的部位扩散和积聚需要时间，这就是为何氢脆主要的表现特征为延迟断裂。

二、造成产品氢脆的几大因素1、原材料钢的强度越高越容易导致氢脆。

高强度钢的韧性会随着其强度的增高而下降，因此这种材料对缺口、氢脆以及应力腐蚀很敏感,尤其是氢脆性会使这些材料在其设计载荷能力以下发生破坏。

也就是说材料在渗氢的情况下，在低于其屈服强度的应力条件下，容易发生早期脆性断裂，而且材料强度级别越高，渗氢程度越严重，所受应力越大，氢脆风险性也越大。

美国对氢脆敏感的SAE4340钢做过实验，当其抗拉强度低于1250MPa 时，吸收了1〜IOPPM的氢而不会发生氢脆，但经过热处理后，强度达到1760MPa〜1920MPa时，仅吸收了0.03〜0.05PPM的氢，就会发生显著的氢脆断裂。

而采用抗拉强度小于780MPa的普通钢，即使吸收了10~30PPM的氢，也未发现有氢脆断裂现象。

2、机械加工在电镀前的加工过程中，如轧制成型、机械加工、钻孔、磨削中，由于润滑剂的选用不当造成分解会导致氢渗入金属中。

硬化热处理后经机械加工、磨削、冷成型冷矫直处理的制件对氢脆损伤特别敏感。

同时如在冷轧、冲裁、压弯、磨削等机加工过程中使得零件表面产生加工裂纹，会导致零件裂纹处渗氢后很难经烘烤将氢析出。

同时裂纹处又是应力集中区，很容易造成零件在裂纹处延时断裂。

下图所示为一款65Mn材料的组合螺母，因表面有严重的机加工裂纹，导致在电镀后采用GBT/3098.17进行氢脆测试过程中发生氢脆断裂。

焊接过程气体对金属的作用-氢详解

- 形成气孔 - 产生冷裂纹
控制氢的措施
- 限制焊接材料中的含氢量
焊接材料存放时间与吸水量有关
- 清除焊丝和焊件表面的杂质焊丝和焊件坡口附近表面的铁锈、油污、吸附
水等是增加焊缝含氢的原因之一。
- 冶金处理降低气相中氢的分
压，可减少氢在液态金属中的溶解度。通过调整材料使氢形成比较稳定的氢化物（HF、OH）。
- 脱氢处理将焊件加热到一定温
度，促使氢扩散外逸。
金属通过渣进入金属，其溶解度取决于气相中水和氢的分压、熔渣的碱度、氟化物的含量。
氢通过气相进入金属，溶解度取决氢的状态。如为分子态，溶解度符合平方根定律
SH KH2 pH2
实际上，电弧焊气相中氢不完全是以分子态存在，还有相当多的原子氢和离子等。电弧焊时氢的溶解度比用平方根定律计算出来的标准溶解度高得多。
合金元素对氢在Fe中溶解有很大影响。
氢在固态钢中的溶解度与组织有关。在奥氏体的溶解度 >铁素体+珠光体
焊缝金属中的氢及其扩散
扩散氢：以H、H-、H+形式存在，与金属形成间隙固溶体可自由扩散。残余氢：聚集到陷阱（晶格缺陷、显微裂纹、非金属夹杂）中，结合成分子，不能自由扩散。
随放置时间的增加，扩散氢↓，残余氢↑，总的含氢量↓。
氢对焊接质量的影响
-氢脆氢脆：氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象。
氢脆是由于溶解在晶格中的氢引起的，变形导致位错运动堆积，形成显微空腔，氢在空腔聚集结合成分子，产生很高的压力，金属变脆。
- 白点白点：碳钢或低合金钢焊缝，如含氢量高，常在其拉伸或弯曲断口出现银白色圆形局部脆断点。
甘油法或水银法可测定熔敷金属扩散氢。熔敷金属的扩散氢含量：指焊后立即按标准方法测定并换算为标准状态下的含氢量。真空加热法可测量残余氢含量

钢中氢的来源及控制对策

钢中氢的来源及控制对策
2.试验条件 2.试验条件
2.1 试验工艺及主要设备参数 80tLD-CB（冶炼周期31min）→80tLF（冶炼周期35—55min）→240×1400mm断面弧形板坯铸机（中包容量15t，浇注周期35min）。 2.2 试验方案为了检测钢液中真实的氢含量，采用浸入式直读测氢仪(Multi—LabHydris System) 对“转炉炼钢+LF炉+连铸”各工位钢液在线测氢及对原辅料进行详细的水分分析，详细的测试方案见表1。
5.1 措施 [H]在钢液中的溶解遵循sivert定律（式1），在温度为1600℃，氢分压为 1atm 条件下可算出 [H] 的溶解度为 0.00268% （即 27ppm ）。由此在 1600℃条件下，式（1）可改写为式（2），[H]在钢液中的溶解随氢分压的增加而增加[1]。 1670 − −1.68 （1）（2） [ H %] = 0.00268 PH T [ H %] = 10 PH
表1 钢液测氢试验方案 1
名称转炉速补料转炉用辅料及合金出钢结束 LF用辅料及合金 LF精炼过程连铸中间罐、结晶器覆盖剂中间罐 N2、O2、Ar气体检测内容水分含量、用量、补炉后烘烤时间水分含量及用量、加入时机钢液测氢水分含量及用量钢液测氢水分含量及用量钢液测氢水分含量
钢中氢的来源及控制对策
5.1.2 加强耐材烘烤要求转炉补炉后烘烤时间不小于2h，加强钢包及中间罐的烘烤效果，防止耐材干燥不彻底导致钢水增[H]。 5.1.3 提高转炉吹炼操作水平通过优化枪位控制及加料时机，促进转炉渣的早化、化透。提高转炉的脱磷率，减少冶炼过程化渣剂的消耗量。并严格控制后吹过程中辅料的加入量，严禁在此期间配加镁球。

控制钢中氢含量的工艺措施

３．２钢液温度对钢中氢的影响
１０‘４％；当真空度继续到１００Ｐａ时，中包钢水［Ｈ］比真空度５０Ｐａ时增加了０．８５
ｘ
１０“％。说明提高真
空度，有利于溶解在钢液中的自由氢原子从钢液中排除，当真空度小于６７Ｐａ时，脱氢效果不明显，考虑成本问题，真空度为６７Ｐａ合适。
３．４保持真空时间对钢中氢的影响
表１不同季节ＶＤ炉真空
霹＊苌幂面导
处理前和破空软吹后钢液平均［Ｈ］×１０“％
Ｔａｂ．１
Ａｖｅｒａｇｅ［Ｈ】ｉｎ
ｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌ
ｂｅｆｏｒｅＶａｃｕｕｍｔｒｅａｔｉｎｇｂｙＶＤ
ｆＩｌｍａｃｅ强ｄａｆｔｅｒ
ｓｅａｓｏｎｓ
真空厦／Ｐａ
ｂｒｅａｋｉｎｇ—ｅｍｐｔｙｓｏｆｔ—ｂｌｏｗｉｎｇｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
总第２２１期２０１４年第５期
ＨＥＢＥＩ
河北冶全
ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ
ＴｏｔａｌＮｏ．２２ｌ２０１４．Ｎｕｍｂｅｒ５
控制钢中氢含量的工艺措施
郝彦英１’２，成国光１，王
０５００３１１
强１’２
（１．北京科技大学冶金与生态学院，北京１０００８３；２．河北钢铁集团石钢公司技术中心，河北石家庄摘要：氢是钢中的有害元素，过高的氢含量可引起钢的氢裂、白点缺陷。分析了季节、钢液温度、真空度、保真空时间、钢包顶渣对钢中氢含量的影响，提出了控制钢中氢的技术措施。实施后，钢中氢含量下降
Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈｅｂｅｉ
ＳＴＥＥＬ
１一
ＨａｏＹａｎｙｉｎｇ１一，ＣｈｅｎｇＧｕｏｇｕａｎｇ
１，ＷａｎｇＱｉａｎｇ
（１．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｙａｎｄＥｃｏｌｏｇｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

氢在钢中的溶解度

氢在钢中的溶解度概述氢在钢中的溶解度是指氢气在钢材中的溶解程度。

在某些情况下，钢材中的氢气可以对钢材的性能和可靠性产生负面影响。

了解氢在钢中的溶解度对于理解氢脆性、氢腐蚀以及氢诱发的应力开裂等问题非常重要。

氢在钢中的溶解氢气可以通过吸附、溶解和扩散等方式存在于钢材中。

其中，氢在钢中的溶解是最主要的方式。

钢材中的氢气可以溶解在钢的晶格中，形成固溶体。

氢在钢中的溶解度取决于多种因素，包括温度、压力、合金成分以及钢的微观结构等。

影响因素温度温度是影响氢在钢中溶解度的重要因素。

一般来说，随着温度的升高，氢在钢中的溶解度会增加。

这是因为高温会增加氢气的动能，使其更容易克服钢材表面的吸附力，进而溶解到钢的晶格中。

压力压力也会对氢在钢中的溶解度产生影响。

高压可以增加氢气与钢材之间的接触面积，有利于氢气的吸附和溶解。

因此，较高的压力通常会导致较高的氢溶解度。

合金成分钢材的合金成分对氢在钢中的溶解度起着重要作用。

一些合金元素，如镍、铬和钼等，可以促进氢在钢中的溶解，从而提高氢溶解度。

这是因为这些合金元素与氢之间会发生化学反应，形成稳定的化合物，有利于氢的溶解。

微观结构钢材的微观结构也对氢在钢中的溶解度产生影响。

一般来说，细小的晶粒和高密度的晶界对氢的扩散具有较高的阻碍作用，从而降低氢在钢中的溶解度。

此外，钢材中的缺陷和孔隙也会影响氢的溶解度。

氢在钢中的行为氢在钢中的存在可以导致多种问题，如氢脆性、氢腐蚀以及氢诱发的应力开裂等。

氢脆性氢脆性是指钢材在存在氢气的条件下变得易于断裂的性质。

氢脆性是由于氢在钢中的存在导致钢材的塑性降低所致。

氢会聚集在钢材中的缺陷和应力集中区域，导致局部应力集中，从而引发断裂。

氢腐蚀氢腐蚀是指钢材在存在氢气的条件下发生腐蚀的现象。

氢可以与钢材中的金属元素发生化学反应，形成氢化物，导致钢材的腐蚀。

氢腐蚀对钢材的性能和可靠性产生负面影响，降低了钢材的寿命。

氢诱发的应力开裂氢诱发的应力开裂是指钢材在受到应力的作用下，由于氢的存在而引发的裂纹扩展。

钢中氢气体知识问答(3)

1.钢中氢的来源？答：氢气在炉气中的分压力很低，大气中氢的分压力为0.053Pa。

因此钢中的氢主要由炉气中的水蒸汽的分压力来决定的(见图3)。

氢进入钢液的主要途径是：通过废钢表面的铁锈(XFeO.rFe3O4.2H2O)；铁合金中的氢气；增碳剂、脱氧剂、复盖剂、保温剂、造渣剂(Ca(OH)2)、沥青和焦油中的水份；未烤干的钢包、中间包、中注管、汤道；钢锭模的喷涂料；结晶器渗水以及大气中的水份与钢水或炉渣作用而进入钢中。

图1. 冶炼时钢液中氢和氧的变化规律2.一般钢中氢含量？答：氢以原子或离子(质子)的形式溶解于钢中，在一定温度下，钢液中氢的浓度[H]与氢的分压P H的平方根成正比。

即：[H]=K √ P H2当温度为1600 ︒C时K为0.0027，氢在铁中的溶解度随着温度和压力的下降而降低。

氢在固体铁中的溶解度与铁的晶体结构有关，发生相变时，溶解度急剧变化.如铁于1534︒C由液态结晶为固态时氢的溶解度显著下降；在1390︒C由δ－Fe转变为γ－Fe时溶解度重又增加，而在910︒C由γ－Fe转变为α－Fe时溶解度又显著下降。

氢在碱性电炉钢中约4-11个ppm，酸性电炉钢中约为3.5-8个ppm，转炉钢中约为3-6个ppm。

现今较为公认的钢中氢含量详见表1.表1. 一般钢中氢含量3.钢中氢对钢性能的危害？答：氢溶入钢中会降低钢的塑性和韧性。

研究表明，氢含量高不仅会导致钢的伸长率和面缩率急剧降低，还易产生氢致裂纹缺陷。

钢在冷却放置过程中，氢呈过饱和固溶体状态，由于其具有极强的扩散能力，很可能聚集在某些部位，使钢产品的局部压力增高，产生白点，形成内裂，进一步诱发高碳钢的疲劳损伤，严重影响其使用性能。

另一方面，冷却放置时，氢也能扩散到大气中，从而降低钢中的氢含量，减弱其危害。

4. 如何降低钢中氢？答：溶解在钢中的氢和氮以原子状态存在，其溶解反应为：{}[]H H =2%21在一定温度下达到平衡时: []212%H H P H K =[]2%H H P K H ⋅=上式说明氢在钢中的溶解度与作用在钢液面上的氢的分压的平方根成正比，即称西华特定律。

影响钢中氢含量的原因分析

炼钢氢真空脱气
平的试验结果和措施。
ＡｎｌｓｎＣａｓｓｆｒＩｆｅｃｎｄｏｅａｙｉｏｕｅｏｎｕｎｉｇＨｙｒｇｎｓｌ
ＣｏｔｎｎＬｉｕｄＳｅｌｎｅｔｉｑｉｔｅ
elworksof可阳hanheavyindustrycasti璎产飞辞一forgingcompanyumitedabstmctnefactorsirdluencinghydrogencontentinliquidsteel心ervacuumdegassing吮atmemwereailaiyzed龃dtlletestingresuhsofstablecontrolforhydrogencontentinliquidstee王inlowerlevelanditscounte册easureswereputforwardke唧ordssteelmakinghydrdgenvacuumdeg豁sing1前言随着炼钢技术的发展和对产品质量要求的不断提高人们可以把普通钢的硫磷比一般标准0040再降至更低的水平这样磷硫的危害在下降的同时氢氮氧对钢的危害则愈加显露出来
维普资讯
炼警学论钢会妻辑连铸文专
柳钢科技ｐ粥玟
１３７
影响钢中氢含量的原因分析
张庆坤
（汉重工铸锻有限责任公司特殊钢厂）武
摘要
关键词
分析影响经真空脱气处理后钢液中氢含量的因素，提出稳定控制钢中氢含量在较低水
１前言
随着炼钢技术的发展和对产品质量要求的
司标准的内控条件，以保证锻件的热处理性能；而且要尽量提高钢水的纯净度，提高钢锭的内在质量。以保证锻件超声波及磁粉探伤的要求；还要降低钢中的气体（别是氢）含量，以防特

不锈钢的氢脆

不锈钢的氢脆氢脆现象指的是：氢气在一定的温度和压力下，渗入钢材内部，与钢材中的碳元素发生化学反应，生成甲烷；甲烷在金属内部，由于体积比碳原子的大，在局部形成应力，当钢材中大量的碳元素与氢反应，生成甲烷后，应力积集，会在钢材内部产生晶间裂纹。

此时金属表现为脆性增加，韧性减少，听检测的人员说，测壁厚表现为壁厚增加。

这种现象在一定的温度和压力下在含碳的金属材料中发生。

主要控制方法：控制温度（主要影响原因）、压力（次要影响原因）1楼的解释好像是氢的内部脱碳腐蚀。

氢脆简单说是在高温下，含氢介质中的氢滲入钢材中，在停工中快速降温，钢中溶解的氢未释放出来，在低温引起的破坏叫氢脆。

氢脆一般是指高碳或合金材料，包括不锈钢制作的高压低温容器发生的一种破坏现象。

原因是氢原子熔入材料中形成白点，低温下发生放射状裂纹，叫氢脆。

高压容器都要防止氢蚀。

氢高温临氢设备及与含水硫化氢溶液接触的设备中，会有加入氢或析出氢的工艺过程的存在会引起设备的氢损伤，氢损伤有如下几种：氢鼓泡氢原子渗入钢材，在钢中遇到裂缝、夹杂及空隙等处，氢原子聚集结合成氢分子，因而体积膨胀，压力增加使钢材产生鼓泡。

可使用无夹杂或分层的净洁钢防止氢鼓泡。

氢脆由氢本身引起钢材脆化现象。

氢原子渗入钢材后，使钢材晶粒结合力下降，而造成钢材的延伸率和断面收缩率的下降或出现延迟破坏现象。

若氢气由钢材中释放出去，钢材的机械性能仍可恢复。

氢脆为暂时的，可通过钢材加热使氢脆消除。

.表面脱碳钢材与高温氢接触后，形成表面脱碳。

表面脱碳不形成裂纹，其影响是强度及硬度略有下降，而延伸率增高。

.氢腐蚀(内部脱碳)高温高压下的氢渗入钢材之后和不稳定碳化物形成甲烷。

钢中甲烷不易逸出，而使钢材产生裂纹及鼓泡，并使强度和韧性显著下降。

其腐蚀反应是不可逆的，是永久性脆化。

防止表面脱碳和内部脱碳的办法是要按“纳尔逊曲线”合理选用碳钢或铬钼钢。

氢腐蚀高温、高压下，渗入钢中的氢原子与钢中的C及Fe3C反应生成甲烷，造成材料内裂纹及鼓泡的现象。

高强度钢零件环境氢脆的成因和预防措施

高强度钢零件环境氢脆的成因和预防措施摘要：氢脆是溶于金属中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过金属的强度极限，在金属内部形成细小的裂纹的现象。

氢脆只可防，一但产生，就消除不了。

在材料的冶炼过程和零件的制造与装配过程中进入金属内部的微量氢在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。

本文分析了高强度钢零件环境氢脆的成因和预防措施。

关键词：高强度钢零件；环境氢脆；预防措施钢中的氢是影响物理性能和力学性能的有容元素，里与拉应力共同作用时, 在零件加工或使用中存在着氢脆及氢裂的危险性。

在室温环境中, 绝大多数金属间化合物存在由空气中的水汽或其他含氢气氛诱发的脆化现象, 这种由环境中氢原子诱发的合金脆性统称为环境氢脆。

1 概述1.1 碳钢和低合金钢（合金元素总量小于5%的合金钢）。

钢暴露在氢气中，拉伸试验发现塑性降低并早期断裂，同时也出现静载荷下的延滞断裂。

裂纹拓展速率随氢压的增大而增高。

当温度在室温附近时，氢致开裂最敏感。

用稀有气体稀释氢不能防止氢脆。

但在氢气中加入少量氧可完全阻止氢脆，因为氧可以优先吸附在金属表面防止氢的吸附及向内部扩散。

随着钢的强度增高，氢脆敏感性增加。

当应力强度因子高时出现穿晶断裂，应力强度因子低时出现沿晶断裂。

1.2 不锈钢。

奥氏体不锈钢对应力腐蚀开裂很敏感，但对氢脆则几乎不敏感。

其主要原因是，奥氏体钢具有面心立方结构，氢不能在其中扩散渗透，氢含量极低，不致引起塑性降低。

铁素体不锈钢如处于退火态，硬度很低，氢脆抗力较大。

但如果经过冷变形或焊接，则对氢脆很敏感。

当屈服强度增高时，氢脆敏感性增高。

冶金组织是影响氢脆的第二位的因素。

在这种钢中介质的影响是很难预测的。

几乎任何能放出氢的介质都能在这种钢中引起氢脆。

1.3 马氏体时效钢。

马氏体时效钢是以无碳（或微碳）马氏体为基体的，时效时能产生金属间化合物沉淀硬化的超高强度钢。

与传统高强度钢不同，它不用碳而靠金属间化合物的弥散析出来强化。

2. 炼钢过程中氢和氮的控制

20
Solubility of nitrogen in liquid iron alloys at 1600 oC 氮在1600℃液态铁合金中的溶解度
21
Analytical tolerances (%) at AM IH #2 SP
Element Nitrogen Sulfur Range < 0.0050 < 0.005 0.005 - 0.007 0.007 - 0.010 0.010 - 0.020 < 0.050 0.05 - 0.40 .01 - .10 .10 - .20 .20 - .50 ARL Spectrometer ( 3 s ) 0.0015 ( LECO 0.0009 ) 0.0007 0.0010 0.0012 0.0018 0.0027 0.007 0.0052 0.009 0.015
6
0 2
4
6
8 10 12 14
Source of hydrogen 氢的来源
• Hydrogen 氢气 • Moisture 水分 Scrap 废钢 Lime 石灰 Ferroalloys 铁合金 Coal 煤 Gases – O2, N2, Ar 气体 - 氧气，氮气，氩气 Ladle and tundish fluxes and refractory 钢包和中间包保护渣和耐材 Mold powders 结晶器保护渣 Atmosphere 空气
Control of H in Steelmaking 煉钢过程中氫的控制
蔡焕堂
Hunan Valin Steel Company
0
Problems associated with H2 in steel
炼钢中与氢相关的问题

氢在钢中的溶解度

氢在钢中的溶解度
摘要：
1.氢在钢中的溶解度概述
2.氢在钢中的溶解度对钢性能的影响
3.影响氢在钢中溶解度的因素
4.控制氢在钢中溶解度的方法
正文：
氢在钢中的溶解度是一个非常重要的话题，因为它直接影响到钢的性能和质量。

钢中的氢主要以氢气的形式存在，它可以在钢的晶粒内部或晶界处溶解。

首先，氢在钢中的溶解度对钢的性能有着重要的影响。

当氢溶解在钢中时，它会与钢中的碳形成碳氢化合物，这些化合物会降低钢的强度和硬度，导致钢的性能下降。

此外，氢还会导致钢的晶粒变大，从而影响钢的韧性和塑性。

其次，影响氢在钢中溶解度的因素有很多。

比如，钢中的碳含量就是一个重要的因素。

通常来说，碳含量越高，氢在钢中的溶解度就越大。

此外，钢的加热温度和冷却速度也会影响氢在钢中的溶解度。

如果加热温度过高或冷却速度过快，就会导致氢在钢中的溶解度增加。

最后，为了控制氢在钢中的溶解度，我们需要采取一些有效的方法。

其中，最重要的方法就是控制钢的加热温度和冷却速度。

此外，我们还可以通过调整钢的化学成分，比如增加钢中的锰含量，来降低氢在钢中的溶解度。

氢脆现象的原因和处理措施

氢脆钢材中的氢会使材料的力性能脆化，这种现象称为氢脆。

氢脆主要发生在碳钢和低合金钢。

钢中氢的来源主要为下列四个方面：（1）冶炼过程中溶解在钢水中的氢，在结晶冷凝时没有能及时逸出而存留在钢材中；（2）焊接过程中由于水分或油污在电弧高温下分解出的氢溶解入钢材中；（3）设备运行过程中，工作介质中的氢进入钢材中；（4）钢试件酸洗不当也可能导致氢脆。

含氢的钢材，当应力大于某一临界值时，就会发生氢脆断裂。

氢对钢材的脆化过程是一个微观裂纹在高应力作用下的扩展过程。

脆断应力可低达屈服极限的20%。

钢材的强度愈高（所承受的应力愈大），对氢脆愈敏感。

容器中的应力水平，包括工作应力及残余应力是导致氢脆很重要的因素。

氢脆是一种延迟断裂，断裂迟延的时间可以仅几分钟，也可能几天。

氢脆断裂只发生在100~150C的温度范围内，很低的温度不利于氢的移动和聚集，不易发生氢脆，而较高的温度可以使氢从钢中逸出，减少钢中的氢浓度，从而避免脆化。

焊后保温及热处理就是利用高温下氢能从钢中扩散逸出的原理，用来降低焊缝中氢含量，它是改善焊接接头力学性能的有效措施。

氢对钢铁材料的危害性较大，由于氢而导致材质劣化的现象统称为氢损伤。

氢损伤的形式有很多种，除了氢脆以外，还有因氢在钢板分层处聚集引起的氢鼓泡；氢在钢材中心部位聚集造成的细微裂纹群，称为白点；以及钢在高温高压氢（对碳钢，温度大于250℃．氢分压大于2MPa）作用下的氢腐蚀。

发生氢腐蚀时，钢的组织发生脱碳，渗碳体分解，沿晶界出现大量微裂纹，钢的强度、韧性丧失殆尽。

无损检测不能检测和判定清脆。

其余种类的氢损伤检测：氢鼓泡一般用肉眼便可观察到；白点可应用超声波检测方法测出来；氢致表面裂纹可应用磁粉或渗透方法检测出来；氢腐蚀可通过硬度试验和金相方法检测和判定。

氢在钢中的溶解度

氢在钢中的溶解度钢是一种由铁和碳组成的合金，具有高强度和耐腐蚀性能。

然而，钢材在生产、加工和使用过程中，常常会与氢接触，导致氢在钢中的溶解。

氢在钢中的溶解度是指单位体积的钢中可以溶解的氢的质量。

了解氢在钢中的溶解度对于预防氢脆性破坏以及钢材的使用寿命具有重要意义。

氢在钢中的溶解度受多种因素的影响，其中包括温度、压力、氢气浓度、钢的化学成分和结构等。

首先，温度是影响氢在钢中溶解度的重要因素之一。

一般来说，随着温度的升高，钢中氢的溶解度会增加，因为高温可以提供更多的能量，促使氢原子从气相迁移到固相中。

但是，在一定范围内，溶解度也受到反应速率的影响，过高的温度可能会导致氢的释放，从而降低溶解度。

压力也会对氢在钢中的溶解度产生影响。

根据亨利定律，气体在液体中的溶解度与压力成正比。

因此，增加氢气的压力可以促使其在钢中的溶解度增加。

这也是为什么在高压氢气环境中，钢材更容易吸收氢气。

氢气浓度是另一个影响氢在钢中溶解度的因素。

当氢气浓度较高时，其分压也相应增大，从而增加了氢在钢中的溶解度。

因此，在与高浓度氢气接触的环境中，钢材更容易吸收氢气。

钢的化学成分和结构也会对氢在钢中的溶解度产生影响。

一些合金元素，如镍和铬，可以降低氢在钢中的溶解度。

这是因为这些元素与氢形成化合物，减少了氢在钢中的自由状态。

对于钢材的生产和使用，了解氢在钢中的溶解度至关重要。

过高的氢含量可能导致氢脆性破坏，使钢材失去原有的强度和韧性。

因此，在生产过程中，需要采取措施减少氢的吸收，如控制温度、压力和氢气浓度。

此外，也可以通过添加合金元素来降低氢在钢中的溶解度。

在使用过程中，应定期检查钢材中的氢含量，并及时采取措施处理含氢问题，以延长钢材的使用寿命。

氢在钢中的溶解度受温度、压力、氢气浓度、钢的化学成分和结构等多种因素的影响。

了解氢在钢中的溶解度对于预防氢脆性破坏以及延长钢材的使用寿命具有重要意义。

在钢材的生产和使用过程中，应注意控制氢的吸收，并采取相应的措施处理含氢问题。

转炉钢中h n o 的含量

转炉钢中H、N、O的含量一、引言转炉钢是指通过转炉炼钢法生产的钢种，具有低碳、低硫、低磷等优点，广泛应用于建筑、机械、汽车、船舶等领域。

在转炉钢的生产过程中，氢（H）、氮（N）和氧（O）是重要的杂质元素，对钢的性能产生重要影响。

本文将对转炉钢中H、N、O的含量及其影响因素进行深入探讨，旨在为控制转炉钢的质量提供理论支持。

二、H、N、O在转炉钢中的存在形式在转炉钢中，H、N、O主要以溶解状态存在，形成如NH₃、OH⁻、H₂等化合物，另外还有一些以固态氧化物形式存在的杂质。

这些杂质元素在钢中的存在形式和含量受到炼钢原料、冶炼工艺和操作条件等因素的影响。

三、转炉钢中H、N、O的含量及影响因素1.氢（H）的含量及影响因素：转炉钢中的氢含量一般在0.001%~0.005%之间。

氢的主要来源是炼钢原料中的水分和空气中水蒸气的冷凝。

此外，钢铁料中的含碳物质也是氢的来源之一。

为降低转炉钢中的氢含量，应严格控制炼钢原料的水分，并加强炉气氛围的保护，避免空气中的水分进入炉内。

2.氮（N）的含量及影响因素：转炉钢中的氮含量一般在0.002%~0.01%之间。

氮的主要来源是炼钢原料中的含氮物质和空气中的氮气。

氮在高温下易溶于钢液中，难以去除。

为降低转炉钢中的氮含量，应选用低氮原料，如低氮生铁、低氮废钢等。

同时，加强炉气氛围的保护，减少空气中的氮气进入炉内也是重要的措施。

3.氧（O）的含量及影响因素：转炉钢中的氧含量一般在0.001%~0.01%之间。

氧的主要来源是炼钢过程中空气中的氧气和水蒸气与钢液反应产生的氧化物。

为降低转炉钢中的氧含量，应加强炉气氛围的保护，减少空气中的氧气和水蒸气进入炉内。

同时，采用合适的造渣工艺和脱氧合金化工艺也是重要的措施。

四、H、N、O对转炉钢性能的影响H、N、O等杂质元素对转炉钢的性能产生重要影响，主要表现在以下几个方面：1.力学性能：H、N、O等杂质元素会降低转炉钢的强度和韧性，特别是对于高强度级别钢材的影响更为显著。

降低钢中氢、氧、氮气体含量的措施

降低钢中氢、氧、氮气体含量的措施一般洁净钢是指钢中的五大杂质元素( S、P、H、O、N) 含量较低，并对钢中的非金属夹杂物( 氧化物、硫化物) 进行严格控制的钢种。

其中降低钢中[H]、[O]、[N]含量一般措施有：1、[H]含量1）真空脱气降低PH2可以减小氢在钢中的溶解度，因此可以采取真空脱气的方式降低钢中[H]含量。

2）减少材料的水分钢水中的氢80%来源于原材料、耐火材料和大气中的水分。

应当重视钢包、中间包、铁合金、辅助材料特别是石灰等的烘烤。

此外，应当减少钢水同大气的直接接触：真空处理后的钢水应避免再度送电升温，并控制好氩气压力防止钢液裸露；同时浇注时做好保护工作。

2、[N]含量与降低钢中[N]含量的方法相近。

降低钢中[N]含量的控制中除对钢水真空处理和减少钢水同大气的接触外，重点对合金含量进行了控制。

操作中将降低钢中氮含量的元素（Si、Ni）提高到规格的上限，而将提高钢中氮含量的元素（Mn、Cr、Mo、V、Nb）尽量控制在一定的范围内以减少它的负面影响。

3、[O]含量1）对钢液进行炉外精炼精炼过程可以去除钢液中80%左右的夹杂物。

2）提高电炉终点C含量控制精度在电炉吹氧时尽量提高终点控制精度，减少过吹。

3）防止下渣采用出钢前流渣、偏心底出钢和炉内预留充足钢水的技术，防止下渣。

4）脱氧剂控制a、合理的加入顺序。

加入脱氧剂的顺序为：出钢前钢包内加小块度适量的Fe-Mn，出完钢后加入Fe-Si，到精炼工位炉外精炼时用喂丝机喂Al。

b、合适的Mn/Si 比。

Mn/Si ＞2.5时，生成典型的MnO-SiO2且容易上浮。

c、合适的Al含量区间。

当[Al]= 00.01-0.02%时，对应的T[O]最低。

d、终脱氧。

为强化脱氧，精炼完毕用Si-Ca进行终脱氧。

5）控制好炉渣控制好炉渣的成分、温度、渣量，以提高夹杂物溶解于渣相的能力。

6）合适的搅拌强度采用合适的搅拌强调，可以去除夹杂物，同时不至于把钢渣卷入钢水中。

高速工具钢的高温氢脆行为及预防措施

高速工具钢的高温氢脆行为及预防措施高速工具钢是一种常用的金属材料，广泛应用于制造切削工具、模具、轴承等领域。

然而，在高温环境下，高速工具钢可能会出现高温氢脆现象，造成材料的失效和事故发生。

本文将探讨高速工具钢的高温氢脆行为以及预防措施。

高温氢脆是指在高温下，材料由于吸收了氢气而失去韧性和强度的现象。

高速工具钢中的碳化物、氮化物等晶格缺陷是氢气吸附的理想位置，因此高速工具钢对高温氢脆非常敏感。

首先，高速工具钢的高温氢脆行为可以通过在高温下进行氢脆试验来研究。

实验表明，在高温条件下，高速工具钢容易发生氢脆现象，并且在氢气浓度较高的情况下，其氢脆性能更为显著。

此外，高速工具钢的晶界也是氢脆的敏感区域，晶界的存在增加了其氢脆性。

那么，如何预防高速工具钢的高温氢脆呢？以下是几种常用的预防措施。

首先，控制氢气的来源和含量是最基本的预防措施之一。

在高温工作环境中，尽量避免接触含有氢气的介质，如氢气、水蒸汽等。

如果无法避免，应采取措施降低氢气的含量，例如通过氢气的去除或者替代使用其他介质。

其次，提高高速工具钢的抗氢脆性能也是一种重要的防范措施。

可以通过改变材料的成分和热处理工艺来提高其抗氢脆性。

例如，选择具有较好的稳定性的碳化物和氮化物相，适当增加合金元素的含量，合理控制材料的加热、保温和冷却过程等。

此外，加强材料的表面保护也是必要的。

采用镀层、覆盖层或者淬火和回火处理等方法，都可以提高高速工具钢的表面硬度和耐腐蚀性，从而减少了氢气的吸附和腐蚀。

实施有效的质量控制和监测也是预防高温氢脆的重要手段。

通过对高速工具钢材料的性能检测和工艺参数的监测，可以及时发现问题并采取相应的纠正措施。

同时，建立有效的质量管理体系，规范化生产操作，确保产品的质量和安全性。

综上所述，高速工具钢的高温氢脆是需要引起重视的问题。

通过了解高温氢脆的行为规律，并采取相应的预防措施，可以有效地减少高温氢脆的发生，提高高速工具钢材料的性能和可靠性。