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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
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