钢中氢的来源及控制对策
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。
分析冶金化工设备的氢腐蚀及其抑制措施
分析冶金化工设备的氢腐蚀及其抑制措施氢腐蚀是指在金属材料表面与氢环境相连时，由于氢进入了金属晶体内并产生氢化反应而引起的腐蚀现象。
氢腐蚀常常会在冶金化工设备中出现，造成不良影响，因此需要采取相应的抑制措施。
氢的渗透是导致氢腐蚀的关键因素。
在冶金化工设备中，渗透氢主要来源于原料、反应物、介质中的水分以及设备表面的腐蚀产物。
渗透氢进入金属晶体后，与空穴和空腔结合形成氢原子，进一步与金属结构中的微观缺陷相结合，产生氢化反应。
针对氢腐蚀，常见的抑制措施包括以下几种：1. 选用合适的材料对于易受氢腐蚀影响的设备部件，应选用抗氢腐蚀性能较好的材料。
例如，在强酸环境下应选用高合金不锈钢、镍基合金或钦钢等材料。
2. 控制环境条件尽可能避免设备在高温、高压和酸性、碱性等腐蚀性环境下运行，以减少设备受到氢腐蚀的影响。
同时，在操作时应严格控制反应物、原料和介质中的水分含量，减少渗透氢的来源。
3. 表面处理采用表面处理技术可以提高设备表面的抗氢腐蚀性能。
例如，在镀铜等金属材料表面涂覆氧化铬或氢氧化铝等抗氢腐蚀涂层。
4. 加入抑制剂在工业生产中，可以加入一定的抑制剂来降低设备的氢腐蚀率。
抑制剂可以分为两类：氧化还原型和吸附型。
氧化还原型抑制剂通过与渗透氢结合，抑制氢化反应的进行，例如硝酸等氧化剂。
吸附型抑制剂则是通过吸附在金属表面形成一层保护膜来抑制氢的渗透。
5. 定期保养定期保养设备可以有效降低氢腐蚀的影响。
例如，清洗设备内部的沉积物和腐蚀产物，更换老化的设备部件等。
总之，氢腐蚀是冶金化工设备中常见的问题，需要采取有效的抑制措施来降低其影响。
选用合适的材料、控制环境条件、表面处理、加入抑制剂和定期保养等是降低氢腐蚀的有效手段。
钢中氢的来源及控制
钢中氢的来源及控制对策
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。
表4 转炉吹炼过程辅料加入时机与钢水[H]含量的关系
项目 后吹过程加辅料
辅料水分含量 /%
3.0～5.5
试验炉次 30
辅料加入量/Kg 290
出钢后[H]含量/ppm 3.57
后吹过程未加辅料
/
28
0
2.5
钢中氢的来源及控制对策
4.1.2 耐材的影响 转炉补炉后耐材干燥程度对钢液[H]含量有直接影响，2008年因转炉补炉后耐 材未彻底干燥导致6炉钢[H]〉8.0ppm引发铸坯皮下气孔判废。 4.1.3 合金的影响 试验过程中发现，使用电解法生产的合金对钢液氢含量影响较大，在相同的生 产工艺条件下使用金属锰的炉次比未使用的炉次高1ppm，结果如表5。
897..64811~~~32243..4.18602 34544..6.31.9072546485
钢中氢的来源及控制对策
3.2 各工位钢液[H]测试 转炉炼钢+LF炉+连铸各工位各工位钢液[H]测试结果见表3，从表3可以看出： 转炉冶炼、LF精炼、浇注过程均存在钢液增[H]现象，转炉冶炼过程增[H]量 占 中 间 罐 总 量 的 66.4% 、 LF 占 25.95% 、 浇 注 过 程 占 7.57% 。 中 间 罐 [H]〉 5.0ppm的炉次占44.8%，个别炉次含量高达9.8ppm。
浅谈钢中氢的危害和防止措施
圆点 ， ２为典型 的开放型气孔截面形貌。 图
钢中自点从发 现这种 缺 陷到现在 已有 ９ ０多年 了， 但对其形成机理仍 不十分清楚 。 目前 ， 较为普
遍的观点是 ， 白点的产生与钢 中的氢 有关 ， 即在 由奥
性能 ； 破坏钢 材 的连续性 ， 钢材易 于脆断 ； 使 由于 白
点 严 重破 坏 了 金 属 基 本 的 连 续 性 ， 且 又 有 成 群 出 而
现的特点 ， 一个炉号的钢中有 白点存 在时 ， 用该炉号 钢锭锻造 的大多数工件都有 ， 通常是 全炉报废 ， 对钢 材危害极 大， 因此又把 白点称为钢材的癌症 。
增大 ， 气泡有 向薄弱处或 者表 面移动 的趋势 。气 泡
２ １ 年第 ４期 ００
南钢 科技 与管理
３ ７
内壁呈现涟漪状 ， 无氧化 ， 也不 会 出现脱碳 现象。这 是 由于气泡形 成于凝 固过程 中， 内壁 与外界 空气 隔 绝所致 （ 如图 １ 所示 ） 。即使气泡上浮 的速度大 于钢 水凝 固的速度 ， 有时也会产生气孔 ， 因为在结 晶器壁 钢水 弯月面处 ， 气体排 除仍然 困难 ， 种情况下产生 这 的气孔 大多 为 开放 型。此类 气 孔截 面 呈冰 糖 葫芦
关键词 ： 气泡 气孔 白点 延迟裂纹 氢
Ｄｉｃ ｓｏ ｎ Ｈａ ｍ ｆ Ｈｙ ｏ ｅ ｏ Ｓ ｅ ｌａ ｄ Ｐｒ ｖ ｎｔｖ ｅ ｓ ｒ ｓ ｓ ｕｓ ｉ ｎ ｏ ｒ ｏ ｄｒ ｇ ｎ ｔ ｔ ｅ ｎ ｅ ｅ ｉ ｅ Ｍ ａ ｕ ｅ
控制钢中氢含量的工艺措施
１０‘４％；当真空度继续到１００ Ｐａ时，中包钢水［Ｈ］比 真空度５０ Ｐａ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６７ Ｐａ时，脱氢效果不明显，考 虑成本问题，真空度为６７ Ｐａ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
ｍｏｌｔｅｎ ｓｔｅｅｌ
ｂｅｆｏｒｅ Ｖａｃｕｕｍ ｔｒｅａｔｉｎｇ ｂｙ ＶＤ
ｆＩｌｍａｃｅ强ｄ ａｆｔｅｒ
ｓｅａｓｏｎｓ
真空厦／Ｐａ
ｂｒｅａｋｉｎｇ—ｅｍｐｔｙ ｓｏｆｔ—ｂｌｏｗｉｎｇ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
总第２２１期 ２０１４年第５期
ＨＥＢＥＩ
河北冶全
ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ
Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．２２ｌ ２０１４．Ｎｕｍｂｅｒ ５
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
Ｈａｏ Ｙａｎｙｉｎｇ １一，Ｃｈｅｎｇ Ｇｕｏｇｕａｎｇ
１，Ｗａｎｇ Ｑｉａｎｇ
（１．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
钢中氢、氮、氧的来源及其控制对策
钢中氢、氮、氧的来源及其控制对策高海潮摘要：比较了国内外钢中氢、氮、氧的水平，叙述了国外对纯净钢要求不断提高的过程,分析了钢中氢、氮、氧的来源，讨论了氢和氧的变化规律、吹氧过程中氮的变化以及碳和氧的关系,提出了减少钢污染的有效方法，总结出净化钢液的主要技术措施。
关键词：纯净钢来源钢污染控制措施Sources and Control Measures of Hydrogen,Nitrogen andOxygen in SteelGao Haichao（Ma Anshan Iron & Steel Co.Ltd.）Abstract：The contents of hydrogen, nitrogen and oxygen in steel produced in our country and other countries are compared in this paper. The requirements for clean steel are increased. The analysis on sources of H,N,O in steel have been carried out. The rule of changes in H and O contents, N change in oxygen-blowing process and the relationship between C and O have been discussed herein. The effective measures of decreasing steel pollution are put forward, and the main technology for mloten steel cleaning is then concluded.Keyworks：clean steel source steel pollution control measure1 前言1996年，我国的钢产量突破1亿 t，成为世界第一产钢大国。
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。
钢中氢的来源及低成本控制对策
钢中氢的来源及低成本控制对策1钢中氢、氧、氮的来源在常压下进行钢的冶炼，气体除铁水中已溶解的外，还可以通过各种原辅料及炉气进入钢液。
当进入钢中的气体量超过冶炼过程脱碳沸腾、氩气搅拌、真空脱气的脱气量时，钢中气体的含量就增加。
1.1氢的来源氢气在炉气中的分压力很低，大气中氢的分压力为0.053 Pa。
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1)。
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；增碳剂、脱氧剂、覆盖剂、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；结晶器保护渣、结晶器渗水以及大气中的水份与钢水（钢包下水口与长水口之间等）或炉渣作用而进入钢中。
图1列出了冶炼时钢液中氢和氧的变化规律。
图1冶炼时钢液中氢和氧的变化规律铁合金中溶解有一定量的氢，其含量取决于其冶炼方法、操作水平、合金成分以及破碎程度等，通常在较宽的范围内波动。
表1列出了资料上介绍的一些铁合金中的氢含量范围。
表1一些铁合金中的氢含量范围1.2氧的来源氧在各种炼钢炉冶炼终点时都以一定量存在于钢水中，氧是我们供给的这是不言而喻的。
因为炼钢过程首先是氧化过程，脱［P］、脱［S］、脱［Si］、脱［C］都需要向铁水供氧。
但随着炼钢过程的进行，尽管工艺操作千变万化，可是炼钢炉内熔池中钢液的［C］、［O］的关系却有着共同的规律性。
即随着［C］的逐步降低，［O］却在逐步增高，［C］和［O］有着相互对应的平衡关系。
1.3氮的来源氮气在炉气中的分压力很高，大气中氮的分压力大体保持在7.8×104 Pa。
因此钢中的氮主要是钢水裸露过程中吸入并溶解的。
电炉炼钢，包括二次精炼的电弧加热，加速了气体的解离，故［N］含量偏高；铁合金、废钢铁和渣料中的氮也会随炉料带入钢水。
2炼钢生产防止氢污染的主要技术措施（节源：基础工作）从管理上降低钢中原始氢含量，既是最经济的、符合降成本需要的，也是企业实现环境友好、资源节约的需要。
钢中氢的来源及控制对策 ppt课件
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钢中氢的来源及控制对策
4.2.2 大吹氩时间与增氢量的关系 随大吹氩时间增加，炉气中的水分分解后进入钢液的氢量增加，结果如 图3，该阶段增[H]量占LF总增[H]量的16.66%。 4.2.3 LF加热时间对增氢的影响 在其它工艺一致的条件下，随加热时间的延长，钢液[H]增加。该阶段 增[H]的主要因素是炉气中的水被电弧电离后溶入钢水。 4.2.4 钙处理工艺与增氢量的关系 (1) 喂SiCa线速度与增氢量的关系 SiCa喂入量相同的前提下，增氢量随喂线速度增加有由大变小，再变大 的趋势，结果如图4所示。当喂线速度为180m/min左右时，增氢量最小。
表1 钢液测氢试验方案
名称
检测内容
转炉速补料
水分含量、用量、补炉后烘烤时间
转炉用辅料及合金
水分含量及用量、加入时机
出钢结束
钢液测氢
LF用辅料及合金
水分含量及用量
LF精炼过程
钢液测氢
连铸中间罐、结晶器覆盖剂
水分含量及用量
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
中间罐
钢液测氢
N2、O2、Ar气体
水分含量
钢中氢的来源及控制对策
3.试验结果
3.1 原辅料水分 炼钢过程辅料及合金水分含量分析结果见表2，从分析结果可以看出：转炉速补料、化 渣剂等部分材料水分较高，部分试样水分接近20%，部分石灰制品水分含量〉1.2%。
钢中氢的来源及控制对策
3.2 各工位钢液[H]测试 转炉炼钢+LF炉+连铸各工位各工位钢液[H]测试结果见表3，从表3可以看出： 转炉冶炼、LF精炼、浇注过程均存在钢液增[H]现象，转炉冶炼过程增[H]量 占 中 间 罐 总 量 的 66.4% 、 LF 占 25.95% 、 浇 注 过 程 占 7.57% 。 中 间 罐 [H]〉 5.0ppm的炉次占44.8%，个别炉次含量高达9.8ppm。
炼钢过程中气体和夹杂物的冶金控制
白点主要见于大中型锻件或钢坯。这 些钢件的尺寸愈大，对白点的敏感性也 愈大。把对白点敏感性大的钢锻轧成小 截面的型材及锻件时，很少发现白点。 例如在截面有效厚度小于50mm的钢中 一般不出现白点。 钢件在锻轧后的冷却速度对白点的产 生也起着重要的作用。对白点有敏感性 的钢锻轧后，以较快速度冷却则最易使 白点形成。
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。
2)采用钢包吹氢脱氢工艺对钢液进行 处理。
三、钢中氮的行为及去除 氮在钢中的作用并不像氢那样完全无 益，因为对于某些钢(例如奥氏体不锈钢) 来讲，氮可以作为合金元素提高钢在某 些方面的性能。尽管如此，由于氮是强 烈提高钢冷脆性的一个元素。所以对钢 中的氮也必须给予足够的重视。
(一)钢中氮的来源 钢中的氮主要来源于炼钢过程中的炉气和金 属原料(如含Cr, V, Al, Ti较高的废钢和铁合金)。 目前主要采用的炼钢方法中，以氧气转炉炼钢 法生产的钢材氮的质量分数最低，所以使用的 氧气越纯净，钢液中氮就越少。例如要使钢中 氮的质量分数小于0.003%，则氧气纯度必须大 于99%。而电沪冶炼的钢材一般含氮都较高， 因为高温电弧不但使炉气和原料中的氮分子易 于分解，而且也容易被熔池吸附。
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。
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
3
Hydris – Direct measurement of hydrogen Hydris – 直接测量氢
Schematic of the measuring system showing the gas flow through the pneumatic unit and the immersion probe. 测量系统展示气体流经气动单元 和浸没探头简图
脱氢处理才实现。
1
Hydrogen sampling methods 氢的取样
• Silica tube 石英管
• Hydris
2
Loss of hydrogen in pin sample 针样品中氢的损失
Hydrogen diffuses out of the sample unless it is kept in very low temperature. 氢会从样品中扩散出去，除非 它能保持在非常低的温度下。
Low hydrogen steels e.g. Line pipe grades for severe weather applications require a hydrogen level of less than 3ppm, which can only be achieved via a tank or RH degasser. 低氢钢 ，例如某些气候下应用的管线钢要求氢含量低于3ppm, 只能通过真空罐或RH
23
Nitrogen control in steelmaking 炼钢过程中氮的控制
• • • • • • • Hot metal nitrogen content 铁水中氮含量 Hot metal ratio 铁水比 Partial pressure of N2 in blowing oxygen 氧气中的氮含量 BOF lining life 转炉炉衬寿命 BOF blowing practice 转炉吹炼工艺 Ore consumption 铁矿石消耗 Scrap melting 废钢熔化情况
氢气在炼钢和冶金中的应用
氢气在炼钢和冶金中的应用随着人们对环境保护和能源利用的重视，氢能作为一种清洁、可再生、高效的能源被广泛关注。
除了作为燃料电池的原料和储能介质外，氢气在炼钢和冶金中也有着广泛的应用。
本文将从氢气在炼钢和冶金中的应用历史、原理、技术和前景等方面进行探讨。
一、氢气在炼钢和冶金中的历史氢气在炼钢和冶金中的应用可以追溯到19世纪，当时人们发现氢气可以减少钢铁中的杂质，从而提高钢的质量。
20世纪初，德国和日本等国家开始广泛应用氢气来减少钢中的碳、氮、硫等元素的含量。
20世纪50年代，美国和欧洲也开始采用氢气来炼钢和冶金。
目前，氢气在炼钢和冶金中的应用已经达到了比较成熟的阶段，在全球范围内得到了广泛应用。
二、氢气在炼钢和冶金中的原理氢气在炼钢和冶金中的作用主要有两个方面。
一方面，氢气可以通过还原反应减少钢中的杂质含量，从而提高钢的质量。
另一方面，氢气可以通过加氢反应来改善冶金过程中的反应条件，从而提高反应速率和效率。
1.还原作用在炼钢过程中，钢铁中的杂质元素，如氧、氮、碳、硫等，会对钢的性能产生负面影响。
氢气可以通过与这些元素进行还原反应，将它们从钢中去除。
例如，氢气加热的作用可以将钢中的氢化氮和氢化碳还原成氮气和碳，从而减少钢中的杂质含量，提高钢的质量。
2.加氢作用在冶金过程中，一些反应需要高温和高压条件才能进行，这些条件大大限制了反应速率和效率。
氢气可以通过与反应物进行加氢反应，降低反应的活化能，从而促进反应的进行。
例如，氢气可以与炉料中的金属氧化物（如铁、铜、锌等）发生还原反应，生成金属和水蒸气。
这样可以降低反应的温度和能量，从而提高反应效率和节约能源。
三、氢气在炼钢和冶金中的技术氢气在炼钢和冶金中的应用需要借助一些技术手段来实现，主要包括氢气制备技术、氢气燃烧技术和氢气输送技术等。
1.氢气制备技术氢气可以通过多种方式制备，如水热裂解、重整、蒸汽重整等。
在炼钢和冶金中，由于需求量大且对纯度要求高，通常采用蒸汽重整或天然气重整来制备氢气。
钢中氢气体知识问答（3）
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。
钢中氢气对特殊钢性能影响的研究
钢中氢气对特殊钢性能影响的研究摘要：炼钢过程中，通常会从大气中带入一些气体，或是反应中产生一些气体，这些都会对钢材性能产生有害影响,成为造成钢材显微缺陷的主要因素。
本文主要通过对特殊钢中的H2的来源、氢脆缺陷的研究，来探讨钢中H2对特殊钢性能的影响并提出相应对策。
关键词：特殊钢，氢气，性能，影响Abstract ：Steelmakingprocess,usuallymixthesomegasfrom atmosphere,orproducesomegasfromthereaction,thesewillproduceharmfuleffectsonsteel performanceandcauseamicroscopicdefectofthemainfactorsofsteel.Thispapermainlyresearchfromthesourceofthespecialsteelofhydrogenandhydrogenbrittlenessdefect to discusses steelofhydrogeninfluenceontheperformanceofthespecialsteelandputforwardthecorrespondingcountermeasures.Keywords: Special Steel, hydrogen, performance, research1特殊钢概述钢铁分为普钢和特钢，与普通钢比较，特殊钢具有更好的强韧性、物理性能、化学性能、生物相容性和工艺性能。
中国特殊钢包括优质碳素结构钢、弹簧钢、轴承钢、高速工具钢、耐热钢和不锈钢等，通常用在动力设备、飞机的涡轮盘、坦克发动机的曲轴、汽车的发动机等中，承受旋转载荷、反复冲击载荷、高温低温载荷或者在腐蚀环境下工作，因此，对特殊钢的缺陷有着严格的要求，一旦缺陷超标，将可能发生恶性事故，后果十分严重，因此特殊钢缺陷分析与对策在生产和事故分析中十分重要。
氢损伤 1(2)
定义： 氢与材料交互作用引起的材料力学 性能 受损的现象。 现象： 金属材料的韧性和塑性性能下降， 易使材料 开裂或脆断。
分类：氢腐蚀、氢鼓泡、氢裂。
一、氢的来源、存在形式与传输
1、氢的来源 内氢：冶炼、铸造、电镀、酸洗、焊接、阴极充氢等工艺 过程中引入的。 外氢：材料使用过程中，由外界环境引入的。
该理论认为，腐蚀环境使金属表面形成蚀孔，小 孔成为应力集中点，在金属受拉应力时该处发生滑 移变形，产生滑移台阶，暴露出的新鲜金属表面产 生溶解。当受压应力时，不能复原，从而形成裂纹 源，交变应力往复，裂纹不断扩展。
铁和铁基合金的腐蚀疲劳在易产生点蚀的介质中 更易引发CF。
2、滑移带优先溶解理论
该理论认为，金属在交变应力作用下产生驻留滑移带。 在划移带的挤出、挤入处，具有较高的活性，首先遭到腐 蚀，导致腐蚀疲劳裂纹形核，在交变应力和电化学的共同 作用下，加速了裂纹的扩展。 3. 吸附电化学理论 该理论认为在交变应力作用下，由于滑移所生成的显 微凹坑和表面处位错的堆积产生微裂纹。腐蚀介质的作 用使金属表面发生了表面活性粒子的吸附，在微裂纹中 产生楔入作用。这种楔入吸附引起金属强度降低，在交 变应力作用下产生吸附疲劳。 若在产生氢的腐蚀中，氢容易扩散渗入金属，在特定 条件下氢可导致疲劳，在塑性变形时氢沿滑移面很快地 扩散渗入金属，引起脆化，最后造成脆性断裂。
2、氢鼓泡（Hydrogen Blistering） 氢鼓泡是指过饱和的氢原子在缺陷位置（如夹杂、气孔、 微缝隙处）析出后，形成氢分子，在局部区域造成高氢压 （106MPa），引起表面鼓泡或形成内部裂纹，使钢材撕裂 开来的现象，称氢诱发开裂（HIC）或氢鼓泡（HB）。
3、氢化物脆裂 （ Hydrogen Embrittlement） 氢化物脆裂脆（HE）是指由于氢扩散到金属中以固溶态 （氢以H-、H、H+的形态，固溶于金属中）存在，或生成氢 化物而导致材料断裂的现象。
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。
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钢中氢的来源及控制对策
4.2.2 大吹氩时间与增氢量的关系 随大吹氩时间增加，炉气中的水分分解后进入钢液的氢量增加，结果如 图3，该阶段增[H]量占LF总增[H]量的16.66%。 4.2.3 LF加热时间对增氢的影响 在其它工艺一致的条件下，随加热时间的延长，钢液[H]增加。该阶段 增[H]的主要因素是炉气中的水被电弧电离后溶入钢水。 4.2.4 钙处理工艺与增氢量的关系 (1) 喂SiCa线速度与增氢量的关系 SiCa喂入量相同的前提下，增氢量随喂线速度增加有由大变小，再变大 的趋势，结果如图4所示。当喂线速度为180m/min左右时，增氢量最小。
4.分析与讨论
4.1 转炉冶炼过程中对[H]的影响 4.1.1 后吹过程原辅料水分对氢的影响 转炉后吹过程中即：脱碳速度减弱，氧含量增加，炉温升高，炉内动力学 热力学条件均有助于钢液增[H]的发生。当向炉内加入水分含量较高的原 辅料将导致氢的平衡分压增加，[H]向钢中扩散速率增加，钢水[H]含量增 加[2]，结果如表4。从表4可以看出：后吹过程中未加辅料炉次出钢后[H] 平均含量为2.5ppm，比后吹过程中加辅料的炉次低1.07ppm。
表1 钢液测氢试验方案
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
表3 炼钢过程不同工序[H]含量
工序名称
出钢结束
LF升温后
LF合金化 后
钙处理前
精炼结束
中间罐
[H]含量 7.8 ~ 2.1 8.4 ~ 2.6 8.6 ~ 2.8 9..1 ~ 3.2 9.1 ~ 3.4 9.8 ~ 4.0
/ppm
3.606
4.155
4.376
4.74
4.94
5.328
.
钢中氢的来源及控制对策
关键词 转炉炼Biblioteka 氢 来源 变化规律钢中氢的来源及控制对策
1.前前言言
氢在钢中的危害主要表现为引起“氢脆”， “白点”以及点状偏析、静载疲劳断裂等严重缺陷， “氢脆”将使钢的塑性下降，脆性增大，并且在低 于其极限强度的应力作用下造成钢结构或钢件的突 然脆性断裂[1]。在冶金生产中氢会导致铸坯形成气 泡、裂纹和针孔[2]。为了掌握炼钢过程中钢水氢含 量变化规律，重钢引进Hydris定氢仪，对“转炉炼 钢+LF炉+连铸”过程中[H]的来源进行研究，掌握了 炼钢过程钢液氢含量变化规律及控制增氢的措施。
钢中氢的来源及控制对策
Power Design
交流作者：高祝兵主任 重钢股份公司炼钢厂
2011.3 昆明
钢中氢的来源及控制对策
摘要
通过采用浸入式直读测氢仪对“转炉炼钢+LF炉+连 铸”过程中[H]的来源进行研究，试验结果表明：转 炉冶炼、LF精炼、浇注过程均存在钢水增[H]现象。 增氢原因有：原辅材料及合金水分、系统耐材水分、 耐材化学成分分解的碳氢化合物、钢液二次氧化导 致钢水增[H]。分析影响钢液增氢的主要因素及环节， 并提出了改进措施。
3.试验结果
3.1 原辅料水分 炼钢过程辅料及合金水分含量分析结果见表2，从分析结果可以看出：转炉速补料、化 渣剂等部分材料水分较高，部分试样水分接近20%，部分石灰制品水分含量〉1.2%。
表2 炼钢过程辅料及合金水分含量
名称 转炉速补料
试验炉数/炉
镁球及化渣剂
转炉用其它辅料综合水分含量
转炉及LF各类合金
表4 转炉吹炼过程辅料加入时机与钢水[H]含量的关系
项目 后吹过程加辅料
辅料水分含量 /%
3.0～5.5
试验炉次 30
辅料加入量/Kg 290
出钢后[H]含量/ppm 3.57
后吹过程未加辅料
/
28
0
2.5
.
钢中氢的来源及控制对策
4.1.2 耐材的影响 转炉补炉后耐材干燥程度对钢液[H]含量有直接影响，2008年因转炉补炉后耐 材未彻底干燥导致6炉钢[H]〉8.0ppm引发铸坯皮下气孔判废。 4.1.3 合金的影响 试验过程中发现，使用电解法生产的合金对钢液氢含量影响较大，在相同的生 产工艺条件下使用金属锰的炉次比未使用的炉次高1ppm，结果如表5。
221
LF用辅料综合水分含量
中包渣
结晶器保护渣
N2、O2、Ar气体
3
.
水分含量/% 5～19
3.2～19.2 1.04～1.47
＜0.05 1.1～1.6
＜0.40 ＜0.35 ≤4ppm
897..64811~~~32243..4.18602 34544..6.31.9072546485
钢中氢的来源及控制对策
数值
钢水升温结束后氢增量（PPm）
4.5
4
3.5
3
2.5
合金及其 它辅料综
2
合水分含
量/%水分
1.5
含量
1
[H]含量/%
0.5
0
时间
1月份 2月份 3月份 4月份 5月份 6月份
图1 出钢过程合金及其它辅料水分含量对[H]的影响
.
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 渣料水分总量（kg）
表5 合金对钢水[H]含量的影响
项目
试验炉次
加入量/Kg
使用金属锰的炉次
30
1100
使用低磷锰铁的炉次
30
1100
出钢后[H]含量/ppm 3.5 2.5
.
钢中氢的来源及控制对策
4.1.4 出钢过程合金及辅料水分含量对[H]的影响 合金及其它辅料水分含量对[H]的影响如图1所示，随着合金及其它辅料水分含 量的增加，钢液中[H]含量增加。 4.2 LF精炼过程对[H]的影响 4.2.1 各种渣料水分与增氢量的关系 LF精炼过程，随渣料中水分总量增加，化渣升温阶段氢含量量增加，结果如图 2，该阶段增[H]量占LF总增[H]量的47.12%。
3.2 各工位钢液[H]测试 转炉炼钢+LF炉+连铸各工位各工位钢液[H]测试结果见表3，从表3可以看出： 转炉冶炼、LF精炼、浇注过程均存在钢液增[H]现象，转炉冶炼过程增[H]量 占中间罐总量的66.4%、LF占25.95%、浇注过程占7.57%。中间罐[H]〉5.0ppm 的炉次占44.8%，个别炉次含量高达9.8ppm。
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钢中氢的来源及控制对策
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。