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去除钢气体

钢中气体的危害性和来源

本章所指钢中气体主要是氢气和氮气，它特别钢生产的大敌。溶解于钢中的氢气的析出是造成缩孔、白点、发裂、钢锭上涨、不同类型气泡等缺陷的主要缘由；溶解于钢中而未及析出的氢气会降低钢中的强度极限、断面收缩率、延长率和冲击韧性，其中后三者的降低更为严峻。

钢中的氮气可使钢材产生时效脆化，使钢中的冲击韧性降低，且与磷一样能引起钢的冷脆；此外氮还与钢中钛、硼、钒、铝等元素形成氮化物夹杂使钢的性能降低。但氮与钢中镍一样，有保持γFe的作用，常用氮局部地代替贵重的镍以冶炼奥氏体不锈钢，所以就此而言氮有显著的经济意义。

综上所述，除个别状况外，钢中氢和氮在大多数和状况下对钢的性能是有害的，所以应当实行各种方法将它们降低到尽可能低的程度。

冶炼和浇注过程中气体主要经由以下途径进入钢中，即氢气通过废

钢和废铁外表的铁锈(?FeO??FesO

4Z

HO);铁合金中的氢气、增碳剂、

2

造渣材料〔Ca(OH)〕、木耙〔含水15%〕、沥青和焦油中的水分；未

2

烤干的钢桶、浇道、中注管和锭模涂油〔碳氢化合物〕以及大气中的水分与钢水或炉渣作用而进入钢中。

氢气通过占空气体积3/4的氮在电弧作用下离解而溶入钢中此外铁合金、废钢、废铁和渣料中的氮也会随炉料而带入钢水中。

气体的溶解与去除规律

气体溶解的热力学

氢和氮在铁水中的溶解听从众所周知的平方根定律，即：

1

2H2

1

H

?[H] a(H)?[H]f K

H H 2

PN?[H] a(N)?[N]f K

PN

(2-1)

PH〔2-2〕

PH

2 2 N H 2

式中KH，KN—氢和氮向钢水中溶解的平衡常数；

PH2，PN2—与铁水平衡的氢、氮分压力。

不同温度下铁中氢和氮的溶解度如表2-1所列[1]。表2-1不同温度下铁中氢和氮的溶解度

铁的状态0.1MPa(1atm)1gK ?1g[H]

铁的状态

0.1MPa(1atm)

1gK ?1g[H],PPm

1MPa

H

P2

a(?)?Fe

??Fe

液体铁

H

?1453?1.687

T

?1462?1.831

T

?1740?2.321

T

1gK ?1g[H],PPm

?1453?2.184

T

?14222.328

T

?1740?2.818

T

H

P2

a(?)?Fe

??Fe

N

?3030?3.787

T

?450?2.046

T

?3030?4.284

T

?4502.543

T

?

188

T

?2.75

?

188

T

3.247

液体铁

考虑不同元素对氢、氮在铁水中溶解度的影响后，相应的活度系

数可用式2-3计算，而ej

H

和ej

N

可由表2-2查得。

? ? ? ? (2-3)1gfH??ej[%i];1gfn??

? ? ? ? (2-3)

H N

当汽水与钢水接触时也会向钢中增氢，其反响[4]：

HO=2[H] +[O] △G°202322-150.013T

2 PPm

PH2O[%O]

P

H2O

[%O]f

O

(2-4)

H ? ?

PPm f

H

钢水与湿空气接触时，其吸氢的反响为：

HO?2[H]

2

PPm

? 1 △G°319453-147.124T

2o2

PHO

PHO

2

Po2

[H]

PPm

?K1/2?

f

H

从以上两式看出P 愈高，[%O]或P 愈低，钢中[H]愈高。

H2O O2

在脱氧良好的条件下，溶解于钢中的氮还可与钢中Ti，V，Al，B等形成氮化物以使其溶解度增加，其生成反响和相关的热力学数据如表2-3所列。

HN元素ejejN表2-2 1600

H

N

元素

ej

ejN

和ej

的值[3]

Al

H

0.013

-0.028

B

0.05

0.094

C

0.06

0.13

Co

0.0018

0.011

Cr

-0.0022

-0.047

Cu

0.0005

0.009

Mn

-0.0014

-0.02

Mo

0.0022

-0.011

Nb

-0.0023

-0.06

Ni

0.0

0.01

O

-0.19

0.05

P

0.011

0.045

S

0.008

0.007

Si

0.027

0.047

Ta

-0.02

-0.032

Ti

-0.019

-0.53

V

-0.0074

-0.093

W

0.0048

-0.0015

反应lgK

反

应

lgK?A?B

T

1g[Ti][N]??16586?5.9

T

1g[Zr][N