钢中氢_氮_氧的来源及其控制对策
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( Purity - steel) ,在对钢的纯净度上出现了质 净钢”
图2 日本商业生产纯净钢 [ H] 、 [N ] 、 [O ] 的计划
4 影响钢中氢 、 氮、 氧的因素与其控制 4. 1 钢中氢 、 氮、 氧的来源
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 。
Sources and Control Measures of Hydrogen , Nitrogen and Oxygen in Steel
Gao 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 con2 tents , N change in oxygen - blowing process and the relationship between C and O have been dis2 cussed 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 measure
表3 三种炼钢炉终点钢水中 [ H] 、 [N ] 、 [O ] 的含量 (w) × 10 - 6 冶炼方法 平炉 电炉 转炉
[ H] 3～8 4～7 3～5 [N ] 40～60 70～140 20～40 [O ] ( C = 0. 10 %) 400～600
图4 全程吹氧时钢中含氮量的变化
1. 氮流量 0. 25Nm3/ min・ t 终点 w(C) - 0. 065 % ; 2. 氮流量 0. 2Nm3/ min・ t 终点 w(C) - 0. 037 % ; 3. 氮流量 0. 19Nm3/ min・ t 终点 w(C) - 0. 048 % ; 4. 氮流量 0. 13Nm3/ min・ t 终点 w(C) - 0. 032 % ; 5. 氮流量 0. 09Nm3/ min・ t 终点 w(C) - 0. 079 % ;
2000 年 4月 炼 钢 Apr. 2000 Steelmaking Vol . 16 No. 2 ・38 ・ 第 16 卷 第 2 期
钢中氢 、 氮、 氧的来源及其控制对策
高海潮
( 马鞍山钢铁股份有限公司)
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
[ H] [N ] 30～40 30～40 10～40 T[O ]
Βιβλιοθήκη Baidu
≤ 2 ≤ 2 ≤ 1. 6
≤ 40
40～60
≤ 15 < 20 ≤ 30 10～30
(D ≤ μ 40 m) 20～30 (D ≤ μ 20 m)
< 1. 5 <2
≤ 25 ≤ 40 10～20 ≤ 35 ≤ 35
≤ 20 ≤ 10 ≤ 30 < 30
http://www.cnki.net
高海潮 : 钢中氢 、 氮、 氧的来源及其控制对策 钢产量的 1/ 10 。以 4 大钢铁企业为例 。由于各家 产品不同 , 工艺不同 , 精炼装置的不同 , 氢 、 氮、 氧 波动幅度较大 。即便以我国先进的拥有真空处理 装备的炼钢厂与国外相比 , 在这方面仍有较大差 距 ( 见表 1 、 表 2) 。
[N ] ≤ 14 、 T[ O ] ≤ 5、 [ H] ≤ 0. 5 , 总含量 ≤ 51. 5 × - 6 ( ) 10 见图 1 、 图2 。
≤ 2 1. 5～3. 3 1. 5～3. 5
≤ 25 25～55 40～50
表2 国外钢中氢 、 氮、 氧控制的先进水平及现状 (w) × 10 - 6 品 种 车轮轮箍 重轨 耐蚀结构钢 超低碳薄板 优硬线材 汽车钢板 中厚钢板 合金钢棒材 管线钢 冷墩钢
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的飞跃 。通常这种钢是指 [ S ] 、 [ P]、 [ H] 、 [N] 、 T - 6 [O ] 含量 (w) 总和 ≯ 100 × 10 。当然还有一种观
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
炼 钢 2000 年第 2 期 ・40 ・ 当进入钢中的气体量超过冶炼过程脱碳沸腾的脱 气量时 ,钢中气体的含量就增加 [4 ] 。各种不同的 炼钢炉 ,终点钢水中都含有一定量的氢 、 氮、 氧 ,实 测和统计情况见表 3 。
图3 冶炼时钢液中氢和氧的变化规律
图5 吹炼终点时钢液中碳含量与氧含量之间的关系
1. 氧气顶吹转炉 ( 圆点) 2. 平炉金属中氧含量范围 3. 钢液中的碳 - 氧平衡线
4. 1. 2 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 ; 平炉治炼时间长增加了氮含量 ; 转 炉复吹控制不当 ,氮氩切换不及时也会增加氮的
[ P] ≤ 15 、 [ S] ≤ 5、 [N ] ≤ 15 、 T[O ] ≤ 10 、 [ H] ≤ 0. 7 ,
总含量 ≤ 65. 7 × 10 - 6 ; 日本报告 : 到 2000 年 , 在批 量生产的超纯净钢中 , 上述几种有害元素的含量 可控制在 (w) / × 10 - 6 ,[ C] ≤ 16 、 [ P] ≤ 12 、 [ S] ≤ 4、
含量 ( 见图 4) ; 铁合金 、 废钢铁和渣料中的氮也会 随炉料带入钢水 。
4. 1. 3 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 。( 见图 5) 。
第一产钢大国 。但与世界主要发达产钢国家相 比 ,在品种结构 、 产量质量 、 技术装备 、 能源消耗 、 生产成本等方面还有不少的差距 ,因此 ,我们还没 有成为世界钢铁强国 [1 ] 。 世界上发达的钢铁工业国家都经历了同样的 发展历程 。即先是粗钢在量上按年份绝对增长 , 到达一定高峰后调整结构 , 转而追求品种质量 。 当品种质量占据市场的绝对份额后 , 由于激烈的 竞争 ,相继在高附加值的精品上下功夫 。人们在 20 世纪 50 年代前 ,主要致力于脱磷 、 脱硫 、 脱氧 。 ( 脱磷 、 随现代铁水预处理技术的发展 “三脱” , 脱 [2 ] 硫、 脱硅) 在生产上已实现了最经济成本 。人们 可以把普通钢的硫磷比一般标准 ≯ 0. 040 %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 。钢中氢的 致裂 , 氮的发脆 , 全氧与钢中夹杂物的紧密关系 ,
80 × 10 - 6 以外 , 到目前为止 , 根据已有的资料 , 还
没有见到将钢中氢 、 氮、 氧作为有害元素控制的新 标准发布或颁布 。 我国有炉外精炼装置 , 经真空处理的钢不足
联系人 : 高海潮 ,高级工程师 ,安徽省马鞍山市 (243000) 马鞍山钢铁股份有限公司第一炼钢厂
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
造还原渣 < 100 ( C = 0. 10 %) 300～500
4. 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 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 、 沥青和焦油 复盖剂 、 保温剂 、 造渣剂 ( Ca ( OH) 2 ) 、 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 日本商业生产纯净钢 [ C] 、 [ P] 、 [ S] 的计划
表 1、 表 2 是我们收集到的资料 ,以及对国内 外产品的检验报告 ,经整理列出的一些代表钢种 , 仅供参考 。
3 结净钢或纯净钢的出现及发展
中国的钢铁市场是国际市场的一部分 。中国 钢铁企业不能生产的或实物质量上尚存不足的产 品 ,还得从国外大量进口 , 这个量每年仍有 1 000 ～1 500 万 t 。要实现从量变到质变 , 值得一提的 ( Clean - steel ) 或 是国外生产的所谓 “洁净钢” “纯
1 前 言
1996 年 ,我国的钢产量突破 1 亿 t ,成为世界
在分析钢的缺陷时已形成了共识 。20 世纪 50 年 代后 ,人们着手深入研究对钢的脱氢 、 脱氮 、 脱氧 。 到目前为止从某种意 义上讲 ,对氢 、 氮、 氧的控制 和要求 ,即反映出整条工艺路线的综合水平又反映 出一个工厂所能生产高附加值产品档次的高低。
2 我国钢中氢 、 氮、 氧的控制与外国先进
水平的现状
对钢中氢 、 氮 、 氧要求 ,我国已有一些部门和 行业标准 ,也包括企业内控标准 ,在一些特殊用途 的钢上做出了规定 。如马钢快速客车轮钢中含氢 (w) ≤ 3. 5 × 2× 10 - 6 ,重载货车轮钢中含氢 (w) ≤ - 6 10 ;特钢企业生产的轴承钢对全氧提出明确的 要求 。但在我国的国家标准 ( G B ) 中 , 除了众所周 知的对优质碳素结构钢提出过钢中含氮的 (w) ≯
表1 我国钢中氢 、 氮、 氧控制的先进水平及现状 (w) × 10 单位 宝钢 武钢 太钢 马钢
[ H] 0. 7～1. 5 [N ] 10～27 T[O ] 12～28 43～75 25～33 22～38
- 6
・39 ・
点就是还得强调夹杂物的形态与尺寸 。对不同的 钢号有不同的要求 ,比如滚珠轴承钢 ,要求夹杂物 μ μ D < 15 m ,轮胎钢帘线要求夹杂物 D < 10 m 。除 此之外 ,随炼钢技术的不断提高 ,超纯净钢的概念 也出现在世界冶金的论坛上 [3 ] 。德国预测 : 钢水 中可能达到的元素含量为 (w) / × 10 - 6 : [ C ] ≤ 20 、
图2 日本商业生产纯净钢 [ H] 、 [N ] 、 [O ] 的计划
4 影响钢中氢 、 氮、 氧的因素与其控制 4. 1 钢中氢 、 氮、 氧的来源
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 。
Sources and Control Measures of Hydrogen , Nitrogen and Oxygen in Steel
Gao 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 con2 tents , N change in oxygen - blowing process and the relationship between C and O have been dis2 cussed 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 measure
表3 三种炼钢炉终点钢水中 [ H] 、 [N ] 、 [O ] 的含量 (w) × 10 - 6 冶炼方法 平炉 电炉 转炉
[ H] 3～8 4～7 3～5 [N ] 40～60 70～140 20～40 [O ] ( C = 0. 10 %) 400～600
图4 全程吹氧时钢中含氮量的变化
1. 氮流量 0. 25Nm3/ min・ t 终点 w(C) - 0. 065 % ; 2. 氮流量 0. 2Nm3/ min・ t 终点 w(C) - 0. 037 % ; 3. 氮流量 0. 19Nm3/ min・ t 终点 w(C) - 0. 048 % ; 4. 氮流量 0. 13Nm3/ min・ t 终点 w(C) - 0. 032 % ; 5. 氮流量 0. 09Nm3/ min・ t 终点 w(C) - 0. 079 % ;
2000 年 4月 炼 钢 Apr. 2000 Steelmaking Vol . 16 No. 2 ・38 ・ 第 16 卷 第 2 期
钢中氢 、 氮、 氧的来源及其控制对策
高海潮
( 马鞍山钢铁股份有限公司)
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
[ H] [N ] 30～40 30～40 10～40 T[O ]
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≤ 2 ≤ 2 ≤ 1. 6
≤ 40
40～60
≤ 15 < 20 ≤ 30 10～30
(D ≤ μ 40 m) 20～30 (D ≤ μ 20 m)
< 1. 5 <2
≤ 25 ≤ 40 10～20 ≤ 35 ≤ 35
≤ 20 ≤ 10 ≤ 30 < 30
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高海潮 : 钢中氢 、 氮、 氧的来源及其控制对策 钢产量的 1/ 10 。以 4 大钢铁企业为例 。由于各家 产品不同 , 工艺不同 , 精炼装置的不同 , 氢 、 氮、 氧 波动幅度较大 。即便以我国先进的拥有真空处理 装备的炼钢厂与国外相比 , 在这方面仍有较大差 距 ( 见表 1 、 表 2) 。
[N ] ≤ 14 、 T[ O ] ≤ 5、 [ H] ≤ 0. 5 , 总含量 ≤ 51. 5 × - 6 ( ) 10 见图 1 、 图2 。
≤ 2 1. 5～3. 3 1. 5～3. 5
≤ 25 25～55 40～50
表2 国外钢中氢 、 氮、 氧控制的先进水平及现状 (w) × 10 - 6 品 种 车轮轮箍 重轨 耐蚀结构钢 超低碳薄板 优硬线材 汽车钢板 中厚钢板 合金钢棒材 管线钢 冷墩钢
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的飞跃 。通常这种钢是指 [ S ] 、 [ P]、 [ H] 、 [N] 、 T - 6 [O ] 含量 (w) 总和 ≯ 100 × 10 。当然还有一种观
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
炼 钢 2000 年第 2 期 ・40 ・ 当进入钢中的气体量超过冶炼过程脱碳沸腾的脱 气量时 ,钢中气体的含量就增加 [4 ] 。各种不同的 炼钢炉 ,终点钢水中都含有一定量的氢 、 氮、 氧 ,实 测和统计情况见表 3 。
图3 冶炼时钢液中氢和氧的变化规律
图5 吹炼终点时钢液中碳含量与氧含量之间的关系
1. 氧气顶吹转炉 ( 圆点) 2. 平炉金属中氧含量范围 3. 钢液中的碳 - 氧平衡线
4. 1. 2 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 ; 平炉治炼时间长增加了氮含量 ; 转 炉复吹控制不当 ,氮氩切换不及时也会增加氮的
[ P] ≤ 15 、 [ S] ≤ 5、 [N ] ≤ 15 、 T[O ] ≤ 10 、 [ H] ≤ 0. 7 ,
总含量 ≤ 65. 7 × 10 - 6 ; 日本报告 : 到 2000 年 , 在批 量生产的超纯净钢中 , 上述几种有害元素的含量 可控制在 (w) / × 10 - 6 ,[ C] ≤ 16 、 [ P] ≤ 12 、 [ S] ≤ 4、
含量 ( 见图 4) ; 铁合金 、 废钢铁和渣料中的氮也会 随炉料带入钢水 。
4. 1. 3 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 。( 见图 5) 。
第一产钢大国 。但与世界主要发达产钢国家相 比 ,在品种结构 、 产量质量 、 技术装备 、 能源消耗 、 生产成本等方面还有不少的差距 ,因此 ,我们还没 有成为世界钢铁强国 [1 ] 。 世界上发达的钢铁工业国家都经历了同样的 发展历程 。即先是粗钢在量上按年份绝对增长 , 到达一定高峰后调整结构 , 转而追求品种质量 。 当品种质量占据市场的绝对份额后 , 由于激烈的 竞争 ,相继在高附加值的精品上下功夫 。人们在 20 世纪 50 年代前 ,主要致力于脱磷 、 脱硫 、 脱氧 。 ( 脱磷 、 随现代铁水预处理技术的发展 “三脱” , 脱 [2 ] 硫、 脱硅) 在生产上已实现了最经济成本 。人们 可以把普通钢的硫磷比一般标准 ≯ 0. 040 %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 。钢中氢的 致裂 , 氮的发脆 , 全氧与钢中夹杂物的紧密关系 ,
80 × 10 - 6 以外 , 到目前为止 , 根据已有的资料 , 还
没有见到将钢中氢 、 氮、 氧作为有害元素控制的新 标准发布或颁布 。 我国有炉外精炼装置 , 经真空处理的钢不足
联系人 : 高海潮 ,高级工程师 ,安徽省马鞍山市 (243000) 马鞍山钢铁股份有限公司第一炼钢厂
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
造还原渣 < 100 ( C = 0. 10 %) 300～500
4. 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 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 、 沥青和焦油 复盖剂 、 保温剂 、 造渣剂 ( Ca ( OH) 2 ) 、 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 日本商业生产纯净钢 [ C] 、 [ P] 、 [ S] 的计划
表 1、 表 2 是我们收集到的资料 ,以及对国内 外产品的检验报告 ,经整理列出的一些代表钢种 , 仅供参考 。
3 结净钢或纯净钢的出现及发展
中国的钢铁市场是国际市场的一部分 。中国 钢铁企业不能生产的或实物质量上尚存不足的产 品 ,还得从国外大量进口 , 这个量每年仍有 1 000 ～1 500 万 t 。要实现从量变到质变 , 值得一提的 ( Clean - steel ) 或 是国外生产的所谓 “洁净钢” “纯
1 前 言
1996 年 ,我国的钢产量突破 1 亿 t ,成为世界
在分析钢的缺陷时已形成了共识 。20 世纪 50 年 代后 ,人们着手深入研究对钢的脱氢 、 脱氮 、 脱氧 。 到目前为止从某种意 义上讲 ,对氢 、 氮、 氧的控制 和要求 ,即反映出整条工艺路线的综合水平又反映 出一个工厂所能生产高附加值产品档次的高低。
2 我国钢中氢 、 氮、 氧的控制与外国先进
水平的现状
对钢中氢 、 氮 、 氧要求 ,我国已有一些部门和 行业标准 ,也包括企业内控标准 ,在一些特殊用途 的钢上做出了规定 。如马钢快速客车轮钢中含氢 (w) ≤ 3. 5 × 2× 10 - 6 ,重载货车轮钢中含氢 (w) ≤ - 6 10 ;特钢企业生产的轴承钢对全氧提出明确的 要求 。但在我国的国家标准 ( G B ) 中 , 除了众所周 知的对优质碳素结构钢提出过钢中含氮的 (w) ≯
表1 我国钢中氢 、 氮、 氧控制的先进水平及现状 (w) × 10 单位 宝钢 武钢 太钢 马钢
[ H] 0. 7～1. 5 [N ] 10～27 T[O ] 12～28 43～75 25～33 22～38
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点就是还得强调夹杂物的形态与尺寸 。对不同的 钢号有不同的要求 ,比如滚珠轴承钢 ,要求夹杂物 μ μ D < 15 m ,轮胎钢帘线要求夹杂物 D < 10 m 。除 此之外 ,随炼钢技术的不断提高 ,超纯净钢的概念 也出现在世界冶金的论坛上 [3 ] 。德国预测 : 钢水 中可能达到的元素含量为 (w) / × 10 - 6 : [ C ] ≤ 20 、