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钢铁中的15种残余元素的分类来源及作用

钢中的残余元素问题是冶金工业面临的重要问题之一。在炼钢过程中,炼钢原料(包括铁水、废钢及铁合金等)会将大量杂质元素带入炼钢炉中。其中一部分杂质元素可以去除,但仍有一部分杂质元素将留在钢中,这一部分杂质(非有意添加的合金元素)统称为残余元素。

这些残余元素是钢材质量产生不稳定的主要因素之一。某些残余元素易于偏析,即使其含量很低,也会对钢材性能产生很强的负面作用。

如轴承钢中的残余钛就是一个典型的案例。Ti易与N 反应产生高硬度夹杂物,极大影响轴承钢的使用寿命。





1、残余元素的分类




将已知的一部分钢中残余元素按其氧化势分为三类,如下表。它们在炼钢过程中分别表现为完全保留、部分保留和极少保留。






上表中,第一类元素的氧化势低于铁,在炼钢时不参与氧化反应,最终几乎全部积存在钢铁产品中。
第二类残余元素的氧化势与铁接近,在炼钢的吹炼过程中,仅有一部分被氧化除去,其去除程度与元素本身特性有关。
第三类元素氧化势高于铁,在钢水吹炼过程中,它们首先被氧化进入炉渣中除去,仅剩余极少一部分进入产品中。
因此,钢中的残余元素问题,实际上只有第一类和第二类所含的15种元素。其中8种元素为全保留元素,7种元素为部分保留元素。




2、钢中残余元素的来源





我国是一个共生铁矿较多的国家,共生铁矿中包括V、Ti、P、As、Sn、Sb、Re(稀土元素)等,在冶炼时带入钢材中。
除了原生铁矿带入铁水中的残余元素以外,钢水中的残余元素最大来源是废钢,主要分为:

(1)废钢中的合金钢。目前炼钢厂没有经济有效的技术,来分选合金钢与普碳钢,而在一些中、高合金钢中含有种类繁多的合金元素。在钢的再循环中,这些合金元素将作为残余元素进入钢中;

(2)废钢中的表面涂层或镀层。其中产生问题最多的是镀锡板,它是作为罐头盒进入废钢循环的,其他的镀层包括铜、镍和铬等;镀锌板也有广泛应用,但锌在炼钢中可基本去除而无需考虑;
(3)废钢原料中裹杂的有色金属。最重要的有汽车废钢,其中夹杂一些微型电机,主要杂质为铜。
市面上,残余元素含量最多的是铜,铜主要是由汽车废钢进入炼钢炉。据估计目前炼钢厂混合废钢中平均含铜量大约在0.3%左右,具体含量多少取决于合金钢的来源及所占比例。
钢中的残余Sb和As主要来源于原生铁矿,当含有这些杂质的废钢进入循环使用时,它们可以被稀释,但残量将在钢中逐渐积累。
钢中的H和N主要来源于炼钢时的车间气氛,其含量主要取决于不同的钢种成分和炼钢工艺。




3、残余元素在钢中的偏析





许多残余元素在钢中是以偏析的形式存在并发挥作用的。多数残余元素在钢中均有较强的偏析能力;这种元素的偏析过程,既可以发生于钢液的凝固过程,也可以发生于随后的固态相变,但需要很长的扩散时间。
在铸锭的冒口部分主要偏析元素是S、P、C,其次是Sb、N、As、H、Sn元素。偏析形成夹杂后,这一部分材料的硬度也高于铸锭的其它部份。
相对于凝固偏析,残余元素在固态相变、或加热时,会产生晶界偏析,如钢的第二类回火脆性主要是P、Sn、As、Sb晶界偏析引起的。




4、残余元素的作用简述





① 8种全保留元素

Ni、Co、W、Mo可以提高钢的淬透性,属于有益元素;
Cu一方面可以引起钢材高温热加工时的铜脆,但另一方面又可以提高钢材耐大气腐蚀的能力;
残余元素Sn、As、Sb属于有害元素,它不但在钢中加强铜脆,更重要的是它会导致合金钢的第二类回火脆性;
Sn是钢中极为有害的残余元素之一,Sn会大大降低钢及合金的高温力学性能。




② 7个部分保留元素

C、Mn、S、P是常规控制元素;
Cr能改善钢的抗氧化性能,增加钢的抗腐蚀能力和淬透性,但也会增加钢的回火脆性;
N有利于控制奥氏体的晶粒大小,但同时也会引起钢的应变时效;
钢中的H是一种有害无益的元素,会导致白点、低合金高强度钢内部产生裂纹等。



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