鋼中氣體是鋼在熔煉、焊接或鋼的表面進行化學與電化學反應過程中所吸收介質中氧、氮、氫等氣體的總稱。鋼中氣體對鋼的性能產生有害影響，應嚴格控制其含量。
基本介紹
- 中文名：鋼中氣體
- 外文名：gases in steel
- 學科：冶金工程
- 領域：鋼鐵冶煉
- 種類：氧、氮、氫
- 危害：影響鋼的質量
鋼中氣體種類,鋼中的氧,鋼中的氮,鋼中的氫,鋼中氣體來源,氣體對鋼的危害,鋼液的脫氣作用,
鋼中氣體種類
鋼中的氧
煉鋼本身屬於氧化過程。儘管在煉鋼後期加入錳鐵、矽鐵、鋁等脫氧劑，仍然有部分的氧溶於固態的鋼中。以溶於鐵素體中和形成FeO、SiO2、MnO、Al2O3等氧化物(即鋼中非金屬夾雜物)兩種形態存在，降低鋼的抗拉強度、塑性與韌性。特別是以夾雜物形態存在時，使鋼的疲勞強度下降，鋼的冷熱加工性能變壞。所以沸騰鋼比鎮靜鋼或半鎮靜鋼的焊接性要差得多，容易產生氣孔和裂紋。焊接時，若所用熔劑脫氧不充分，會使焊縫的含氧量過高，焊縫中的夾雜物量增多，從而降低焊縫韌性。
鋼中的氮
煉鋼時鋼液吸收空氣中的氮。一部分溶於鐵素體，一部分成為非金屬夾雜物。當鋼中不含Al、Ti、Zr等元素時，大部分氮與鐵形成Fe4 N的針狀化合物。Fe4N的存在，使鋼的強度提高，但劇烈降低鋼的塑性與韌性。鋼中氮會使鋼產生時效脆性，這是由於氮在鐵素體中的溶解度隨溫度變化較大，當溶有氮的鋼件從較高的溫度快速冷卻時，氮來不及析出，在以後室溫下停留，發生時效析出Fe4N，使鋼的韌性劇降。在電弧焊時，若熔池保護不好，也會由於從空氣中吸收氮而產生時效脆性。
鋼中的氫
來源於煉鋼時濕度較大的爐料。氫在鋼中的溶解度隨溫度下降而明顯降低。氫以原子態存在時，溶入鐵的晶格間隙中。當鋼中溶氫每100 g超過3mL，便會以分子態存在，在鋼錠或鍛軋件內部橫截面上出現頭髮狀的裂縫，稱發裂，又因在平行於壓延方向的斷口上裂紋看起來像橢圓形銀白色斑點，故又稱白點。白點使鋼產生氫脆。在低碳鋼內不易形成白點，但中碳合金鋼，特別是中碳Ni-Cr-Mo鋼的氫脆敏感性最大。焊接中產生的冷裂縫與氫的效應和淬硬組織產生較大的組織應力有關。另外，在電弧焊時，潮濕環境和潮濕焊條也會在焊縫中帶入較多量的氫，在高應力或交變應力作用下，焊縫也會出現白點。焊縫的白點中一般總有夾雜或微裂紋存在，看上去又像眼睛，故又稱魚眼。
為了避免脆裂，對有可能產生白點的焊件、鍛軋件，需在650℃左右進行析氫擴散退火，讓氫從鋼內部擴散到介質中去，消除過飽和狀態，達到除氫目的。
目前，由於煉鋼技術的發展，採用了真空脫氣和真空澆鑄等技術，已可使鋼中氣體含量和危害降低到最小程度。火力發電機組的汽輪機主軸、葉輪、發電機轉子等鍛件及高壓鍋爐鋼管等已在製造時採用了真空脫氣和真空澆鑄等技術。
鋼中氣體來源
鋼中氫的來源是水汽、燃氣或燃油中碳氫化合物的燃燒產物(H2O)，用木耙扒渣時的燃燒產物(H2O)，砌制盛鋼桶、中間罐等使用的黏結劑中的水分以及補爐和打結爐襯的焦油瀝青等碳氫化合物都會增加鋼中的氫氣。鋼鐵料、合金劑、脫氧劑等的表面的含水量也是鋼中氫的來源。
氣體對鋼的危害
普通的煉鋼方法在高溫冶煉過程吸收了較多的氫和氮，在鋼凝固後溶解的氫和氮呈飽和狀態。一些鋼種含有與氮結合力強的元素還會生成氮化物。凝固時外層已凝固的鋼中的氣體向未凝的內部擴散(由於固相氣體溶解度低)，聚集在疏鬆的局部地區或中心的孔隙中。氫在鐵液中的擴散係數比氮的大一個數量級，氮比其他合金元素Cr、Cu、Co、Ni、Mo等的擴散係數又大一個數量級，因此鋼中氣體很易偏析，氫氣的偏析最大，對鋼品質的影響也最嚴重，是形成鋼中白點、發紋、氣孔等缺陷的主要原因。微孔隙中的氫在低溫時產生很大的氫氣分壓力，致使孔隙周邊鋼中溶解了大量的氫，故鋼的韌性顯著降低，再加上低溫時鋼本身的相變應力，使鋼產生不同方位的細微裂紋，在軋制、鍛造材的縱向斷口上呈現白點，這類鋼不能交付使用。冶煉和澆注常溫呈鐵素體組織的鋼(如變壓器鋼，[Si]≈4%)時，因固相(鐵素體)和液相氫的溶解度相差很大，易產生偏析聚集，嚴重時鋼錠(坯)易產生氣泡或上漲等現象，生產奧氏體組織的鋼時則很少產生氣泡和上漲現象。
鋼液的脫氣作用
普通方法冶煉時，常採用脫碳反應作為去氣的手段，轉爐、平爐、電爐操作中的脫碳對降低鋼中氣體含量起著非常積極的作用。一般轉爐和平爐的脫碳量很大，有較好的脫氣效果，在脫碳量較少的電爐操作中要規定合適的脫碳量，因為它影響著冶煉時間、耗電量和原材料的消耗，直接和產量、成本有關。對氣體含量要求嚴格的鋼種，還要經過真空處理、爐外精煉等工藝操作。脫氣反應有3個環節：(1)溶解的氣體由液相向氣—液界面傳質;(2)在氣—液界面上進行化學反應;(3)由氣一液界面向氣相傳質而逸出。
