炼钢过程中气体和夹杂物的冶金控制
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炼钢过程中气体和夹杂物的冶Baidu Nhomakorabea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 钢过程中气体和夹杂物的控制予以介绍。
一般来讲，钢的氢脆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。
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√PH2 ω（N）=KN2√PN2
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， 其分解反应如下式所示 H2O(g)=2〔H〕+〔O〕 根据上式，可得出 ω(H)=√KH2PH2O/ωO
研究认为，钢的氢脆倾向除与形变速度、工 作温度及钢的强度水平有关外，还受下列因 素的影响: (1)钢中氢浓度 随着钢中氢浓度的增加，钢 的塑性降低或发生脆断所需时间减少。 (2)钢中微量有害元素 铁素体钢、马氏体钢 中的硫、磷在氢的共同作用下，使钢的脆 性更加明显。此外，Sb, Sn, As, Bi等有害微量 元素也会促进氢脆断裂。
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。
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。
Triano在1955年提出的应变时效型氢脆的 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。
(3)钢的组织 一般来说，奥氏体、珠 光体组织的氢脆倾向比马氏体组织小， 高碳马氏体组织比低碳马氏体组织的氢 脆敏感性要大。
3.使钢产生白点 白点是热轧钢坯和大型锻件中较为常 见的冶金质量缺陷，是钢内部产生破坏 的一种形式。由于白点经常引起事故发 生，所以目前对于它的研究和防止仍然 是钢铁材料研究的一个重要课题。
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，此时裂纹停止长大。一旦氢原子在应力 作用下又扩散聚集到裂纹尖端时，此处位错又 被钉扎，应力集中加剧，以致裂纹又开始扩展 长大……如此循环下去，裂纹不断扩展，到一 定程度后试样突然脆断。
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 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。
(二)氢对钢质量的影响 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:
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 钢过程中气体和夹杂物的控制予以介绍。
一般来讲，钢的氢脆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。
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√PH2 ω（N）=KN2√PN2
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， 其分解反应如下式所示 H2O(g)=2〔H〕+〔O〕 根据上式，可得出 ω(H)=√KH2PH2O/ωO
研究认为，钢的氢脆倾向除与形变速度、工 作温度及钢的强度水平有关外，还受下列因 素的影响: (1)钢中氢浓度 随着钢中氢浓度的增加，钢 的塑性降低或发生脆断所需时间减少。 (2)钢中微量有害元素 铁素体钢、马氏体钢 中的硫、磷在氢的共同作用下，使钢的脆 性更加明显。此外，Sb, Sn, As, Bi等有害微量 元素也会促进氢脆断裂。
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。
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。
Triano在1955年提出的应变时效型氢脆的 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。
(3)钢的组织 一般来说，奥氏体、珠 光体组织的氢脆倾向比马氏体组织小， 高碳马氏体组织比低碳马氏体组织的氢 脆敏感性要大。
3.使钢产生白点 白点是热轧钢坯和大型锻件中较为常 见的冶金质量缺陷，是钢内部产生破坏 的一种形式。由于白点经常引起事故发 生，所以目前对于它的研究和防止仍然 是钢铁材料研究的一个重要课题。
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，此时裂纹停止长大。一旦氢原子在应力 作用下又扩散聚集到裂纹尖端时，此处位错又 被钉扎，应力集中加剧，以致裂纹又开始扩展 长大……如此循环下去，裂纹不断扩展，到一 定程度后试样突然脆断。
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 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。
(二)氢对钢质量的影响 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: