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鋼材鋼鐵中的15種殘余元素的分類來源及作用

2023年09月24日 仁成精密鋼管廠1333???3??? 鋼鐵知識 百度已收錄 № 18447
鋼中的殘余元素問題是冶金工業面臨的重要問題之一。在煉鋼過程中，煉鋼原料(包括鐵水、廢鋼及鐵合金等)會將大量雜質元素帶入煉鋼爐中。其中一部分雜質元素可以去除，但仍有一部分雜質元素將留在鋼中，這一部分雜質(非有意添加的合金元素)統稱為殘余元素。

這些殘余元素是鋼材質量產生不穩定的主要因素之一。某些殘余元素易于偏析，即使其含量很低，也會對鋼材性能產生很強的負面作用。

如軸承鋼中的殘余鈦就是一個典型的案例。Ti易與N 反應產生高硬度夾雜物，極大影響軸承鋼的使用壽命。





1、殘余元素的分類




將已知的一部分鋼中殘余元素按其氧化勢分為三類，如下表。它們在煉鋼過程中分別表現為完全保留、部分保留和極少保留。




上表中，第一類元素的氧化勢低于鐵，在煉鋼時不參與氧化反應，最終幾乎全部積存在鋼鐵產品中。
第二類殘余元素的氧化勢與鐵接近，在煉鋼的吹煉過程中，僅有一部分被氧化除去，其去除程度與元素本身特性有關。
第三類元素氧化勢高于鐵，在鋼水吹煉過程中，它們首先被氧化進入爐渣中除去，僅剩余極少一部分進入產品中。
因此，鋼中的殘余元素問題，實際上只有第一類和第二類所含的15種元素。其中8種元素為全保留元素，7種元素為部分保留元素。




2、鋼中殘余元素的來源





我國是一個共生鐵礦較多的國家，共生鐵礦中包括V、Ti、P、As、Sn、Sb、Re(稀土元素)等，在冶煉時帶入鋼材中。
除了原生鐵礦帶入鐵水中的殘余元素以外，鋼水中的殘余元素最大來源是廢鋼，主要分為：

(1)廢鋼中的合金鋼。目前煉鋼廠沒有經濟有效的技術，來分選合金鋼與普碳鋼，而在一些中、高合金鋼中含有種類繁多的合金元素。在鋼的再循環中，這些合金元素將作為殘余元素進入鋼中;

(2)廢鋼中的表面涂層或鍍層。其中產生問題最多的是鍍錫板，它是作為罐頭盒進入廢鋼循環的，其他的鍍層包括銅、鎳和鉻等;鍍鋅板也有廣泛應用，但鋅在煉鋼中可基本去除而無需考慮;
(3)廢鋼原料中裹雜的有色金屬。最重要的有汽車廢鋼，其中夾雜一些微型電機，主要雜質為銅。
市面上，殘余元素含量最多的是銅，銅主要是由汽車廢鋼進入煉鋼爐。據估計目前煉鋼廠混合廢鋼中平均含銅量大約在0.3%左右，具體含量多少取決于合金鋼的來源及所占比例。
鋼中的殘余Sb和As主要來源于原生鐵礦，當含有這些雜質的廢鋼進入循環使用時，它們可以被稀釋，但殘量將在鋼中逐漸積累。
鋼中的H和N主要來源于煉鋼時的車間氣氛，其含量主要取決于不同的鋼種成分和煉鋼工藝。




3、殘余元素在鋼中的偏析





許多殘余元素在鋼中是以偏析的形式存在并發揮作用的。多數殘余元素在鋼中均有較強的偏析能力;這種元素的偏析過程，既可以發生于鋼液的凝固過程，也可以發生于隨后的固態相變，但需要很長的擴散時間。
在鑄錠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。偏析形成夾雜后，這一部分材料的硬度也高于鑄錠的其它部份。
相對于凝固偏析，殘余元素在固態相變、或加熱時，會產生晶界偏析，如鋼的第二類回火脆性主要是P、Sn、As、Sb晶界偏析引起的。




4、殘余元素的作用簡述





① 8種全保留元素

Ni、Co、W、Mo可以提高鋼的淬透性，屬于有益元素;
Cu一方面可以引起鋼材高溫熱加工時的銅脆，但另一方面又可以提高鋼材耐大氣腐蝕的能力;
殘余元素Sn、As、Sb屬于有害元素，它不但在鋼中加強銅脆，更重要的是它會導致合金鋼的第二類回火脆性;
Sn是鋼中極為有害的殘余元素之一，Sn會大大降低鋼及合金的高溫力學性能。




② 7個部分保留元素

C、Mn、S、P是常規控制元素;
Cr能改善鋼的抗氧化性能，增加鋼的抗腐蝕能力和淬透性，但也會增加鋼的回火脆性;
N有利于控制奧氏體的晶粒大小，但同時也會引起鋼的應變時效;
鋼中的H是一種有害無益的元素，會導致白點、低合金高強度鋼內部產生裂紋等。




來源：GNR代表處

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