钢铁中氧氮氢的测定
作者:日本三级头仪器 来源: 日期:2020-4-13 11:26:19 人气:0

钢铁中氧氮氢的测定

一、日本三级头综述

     十年前,我国的钢产量已经突破1亿吨大关,成为世界第一产钢大国。随着2008年8月,第29届夏季奥运会在我国的举办,各地基础建设项目趁此契机大幅增多,对钢铁产品的需求量大增。同时,近年来我国钢铁的绝对产量也逐年大幅增加。比如山东某新建钢厂,03年才开始建厂房,至今短短5年的时间,年产量已经超过千万吨!首钢北京本部虽然生产逐年减少,但首钢唐山、日本三级头首钢秦皇岛、日本三级头首钢迁安等各分部已经形成规模生产,产量比原来的首钢还要高出很多。单纯的钢铁产量上“世界一流”早已不是梦想。但与世界主要发达产钢国家相比,我国钢铁产品整体上在品种结构、日本三级头产品质量、日本三级头技术装备等方面还有不少的差距。在中高档小汽车用钢板等项目上,我国钢铁产品质量要提高的还有很多。

     在市场经济激烈的竞争压力下,各钢铁厂都在努力追求高附加值的钢铁产品。随着现代铁水预处理技术的发展,脱磷、日本三级头脱硫、日本三级头脱硅在生产上已经实现了最经济成本。在磷、日本三级头硫的危害下降的同时,氢、日本三级头氧、日本三级头氮对钢的危害愈加显露出来。钢中氢的致裂,氮的发脆,全氧与钢中夹杂物的紧密关系,在分析钢的缺陷时已经形成共识。为此,各钢铁厂几乎都配备了氧氮氢分析仪,即使一些规模相对不算太大的特钢厂,也配备了进口氧氮氢分析仪。氧氮氢仪器的增加,凸显了成熟的氧氮氢分析技术人员比较缺少。在不少特钢厂,操作人员对氧氮氢的知识需要从零学起。于是编写此文,献给在生产现场的操作人员。


                一、日本三级头为什么要测试钢铁中氧氮氢含量:

即氧氮氢对钢铁产品的危害或作用。

1、日本三级头氧的危害:

    氧和氢一样,都会对钢的机械性能产生不良影响。不仅是氧的浓度,而且含氧的夹杂物的多少、日本三级头类型及其分布等也有很重要的影响。这类夹杂物是指金属氧化物、日本三级头硅酸盐、日本三级头铝酸盐、日本三级头含氧硫化物以及类似的夹杂化合物。炼钢需要脱氧,因为凝固期间,溶液中氧和碳反应会生成一氧化碳,可以造成气泡。另外,冷却时氧可以作为FeO、日本三级头MnO以及其他氧化夹杂物从溶液中析出,从而削弱其热加工或冷加工性,以及延展性、日本三级头韧性、日本三级头疲劳强度和钢的机械加工性能。氧与氮和碳还能引起老化或者硬度在室温下自发的增加。对于铸铁,当铸块正凝固时,氧化物与碳可以发生反应,因此造成产品的孔隙和产品的脆化。

2、日本三级头氮的危害或作用:

    氮不能一概而论的归结为有害气体元素,因为有些特种钢是有目的的加入氮。

所有的钢均含有氮,其存在量取决于钢的生产方法,合金元素的种类、日本三级头数量及其加入方式,钢的浇铸方法,以及是否有目的的加入氮。有些牌号的不锈钢,适当增加N的含量,可以减少Cr的使用量,Cr相对很贵,此方法可以有效降低成本。

钢铁中的氮大部分是呈金属氮化物的形态。

例如:在存放一些时间后,钢发生应变时效,就不能被深冲加工(比如深冲加工为汽车保护板),因为钢会出现撕裂,不能沿各个方向被均匀地拉伸。这是由于晶粒大以及Fe4N沉积在晶粒界面上造成的。

再如:在不锈钢中,晶粒界面上形成氮化铬(Cr2N)会耗尽界面上含有的铬,并引起所谓的粒间腐蚀现象。加入钛,优先形成氮化钛,就能防止这种有害的影响。

3、日本三级头氢的危害:

当钢中氢含量大于2ppm时,氢在所谓“鳞片剥落”现象中起重要作用。在滚轧和锻造后的冷却过程中出现内裂和断裂现象时,这种剥落现象一般更加明显,而且在大的断面或者高碳钢中更经常发现这种现象。由于内应力的存在,这种缺陷会造成发动机使用过程中大转子发生崩裂。

铸铁中氢大于2ppm时,容易出现孔隙或一般的多孔性,这种氢造成的多孔性将造成铁的脆化。

“氢脆”主要出现在马氏体钢中,在铁氧体钢中不十分突出,而在奥氏体钢中实际上尚不清楚。另外,氢脆一般与硬度和含碳量一起增加。


二、日本三级头钢铁中氧氮氢的存在形式:

1、日本三级头氧的存在形式:

    氧是以化合态和游离态共存的,一般游离态很少,主要是以Fe2O3 、日本三级头Fe3O4、日本三级头FeO以及金属氧化物夹杂、日本三级头硅酸盐、日本三级头铝酸盐、日本三级头含氧硫化物以及类似的夹杂化合物的形式存在,仪器测试总氧含量,一般用T[O]表示。

2、日本三级头氮的存在形式:

钢中一部分氮是呈金属氮化物或者碳氮化物的形态;如今特种合金钢中所加入的大多数元素,在适当条件下能形成氮化物。这些元素包括锰、日本三级头铝、日本三级头硼、日本三级头铬、日本三级头钒、日本三级头钼、日本三级头钛、日本三级头钨、日本三级头铌、日本三级头钽、日本三级头锆、日本三级头硅和稀土等?悸堑叫矶嗟化物形成元素具有几种简单的或者复杂的氮化物,此时钢中可能会形成多达70多种氮化物。另一部分的氮是以氮原子的形式固溶在钢中。极少数情况下,氮以分子形式夹杂于气泡中或者吸附在钢的表面。

3、日本三级头氢的存在形式:

钢中氢是以氢原子的形式存在的,在高温时,两个氢原子很容易就形成一个氢分子。氢原子很活泼,自然放置状态就会形成氢分子缓慢释放。


三、日本三级头钢铁中氧氮氢的来源:

1、日本三级头氧的来源:

   氧在各种炼钢炉冶炼终点时都以一定量存在钢水中,氧是生产过程中供给的,因为炼钢过程中首先是氧化过程,脱[P]、日本三级头脱[S]、日本三级头脱[Si]、日本三级头脱[C]都需要向铁水供氧。但随着炼钢过程的进行,尽管工艺千变万化,可是炼钢炉内熔池中钢液的[C]、日本三级头[O]的关系却有共同的规律性。即随着[C]的逐步降低, [O]却在逐步增高,[C]和[O]有着相互对应的平衡关系。


2、日本三级头氮的来源:

   氮气在炉气中的分压力很高,大气中氮的分压力大体保持在7.8Χ104Pa,因此钢中的氮主要是钢水裸露过程中吸入并溶解的。电炉炼钢,包括二次精炼的电弧加热,加速了气体的解离,故[N]含量偏高;平炉冶炼时间长增加了氮含量;转炉复吹控制不当,氮氩切换不及时也会增加氮的含量;铁合金、日本三级头废钢铁和渣料中的氮也会随炉料带入钢水。


3、日本三级头氢的来源:

    氢气在炉气中的分压力很低,大气中氢的分压力为0.053Pa。因此钢中的氢主要由炉气中的水蒸汽的分压力来决定的。氢进入钢液的主要途径是:通过废钢表面的铁锈(xFeOyFe3O4 H2O);铁合金中的氢气;增碳剂、日本三级头脱氧剂、日本三级头覆盖剂、日本三级头保温剂、日本三级头遭渣剂(Ca(OH)2)、日本三级头沥青和焦油中的水份;未烤干的钢包、日本三级头中间包、日本三级头中注管;钢锭模的喷涂料;结晶器渗水以及大气中的水份与钢水或炉渣作用而进入钢中。


四、日本三级头氧氮氢的仪器测试原理:

1、日本三级头氧的测定:

生产现场基本上都在使用红外测氧仪测定氧含量。样品由进样器掉进光谱纯石墨坩埚中,样品在高温坩埚中熔化,样品中的氧与热坩埚表面的碳起反应,绝大部分生成一氧化碳,极微量生成二氧化碳。由气泵将气体送入催化剂炉子,CO转换为 CO2,然后通过红外池检测CO2,经过电脑处理换算成氧的含量。

红外池检测原理,是根据某些气体能够吸收红外线,而每种气体只吸收红外线中特定波长,吸收光谱决定于气体分子中原子类型、日本三级头结构和排列顺序。对于CO2只能吸收波长为4.24微米的红外线。检测过程示意图。


                                                                                              1   红外光源  日本三级头

     2  切光马达

     3  切光器   

     4  气体进口  

     5  气体出口    

     6  CO2 滤光片  

     7  红外检测器  

     8   红外检测器  

     9  CO2滤光片

   10  O2  光径    

    11   O2 光径     

   12  前置放大器  


红外光源 ( 1 ),是通过电子加热,并且发出宽带红外光。光束被旋转的叶片( 切光器 )( 3 ),间断切断,产生交变光。切光马达 ( 2 ),是由石英振荡器控制。因此,红外光的切光频率是相当稳定的。红外光通过有样品气和载气混合气流通过的测量池 ( 10,11 )时,被吸收。 而红外光被吸收的强度与气体浓度有关,红外光束通过测量池后,经过滤光片( 6,9 ),只有红外光中窄带通过。所选择的中频带波长,是对气体测量呈最大吸收的波长,通过滤光片后,光束强度是根据红外池中气体浓度来决定的,最后红外光束照射到红外检测器 (7,8 )上,得到与光强成正比关系的电信号。


2、日本三级头氮和氢的测定:

    氮和氢一般都用热导池检测。我公司ONH-851氢的检测是先把氢转换成水蒸汽,用红外检测池检测水蒸汽的浓度,达到检测氢的目的。(红外检测法如上述。)

热导池,是通过测量热导率来检测热导变化的,而不是测量热传导吸收。它有一个很好的参比电阻,这个参比电阻是纯载气。

为了检测精度,要求检测气和载气的热导系数尽可能相差越大越好。热导系数跟气体的分子量有关。出于经济性和安全性考虑,根据下图中气体的热导系数,一般测氮时,用高纯氦气做载气;测氢时,用高纯氮气做载气。


某些永久气体的热导系数 ( 温度0℃ ;单位:(卡/厘米·秒·℃)×105

名      称

热 导 系 数

氢  H2

39.7

氦  He

33.6

氩  Ar

3.90

氮  N2

5.66

氧  O2

5.70

一氧化碳 CO

5.45

二氧化碳CO2

3.37

日本三级头

 

1 热导池        2 测量通道      3 参比通道     4 热敏电阻     

                                     5 前置放大器   6 电子单元     


测量池 ( 1 )中有两个通道,测量通道 ( 2 )通入分析气流,参比通道 ( 3 ) 通入纯载气。

每个通道有两个热敏电阻 ( 4 ),检测每个通道的热敏变化。热敏电阻连接在惠斯登电桥上,检测输出信号。信号通过放大器 ( 5 ), 传输到电子单元 ( 6 ),无需调节,自动回零。恒温的环境,保证测量池不受影响。




五、日本三级头测试样品的制备:


    经我公司无数次实践,“取氢真空试管”取出的样品,可以测试氧、日本三级头氮、日本三级头氢三元素含量。详细内容请阅读文章《钢铁中氧氮氢测定样品的制备——钢铁生产现场实用》。


六、日本三级头钢铁中氧氮氢含量的现状:


    国内各钢厂家氧氮氢的含量根据牌号和用途不同,含量有些差距。因为涉及商业利益,暂不对国内各厂家具体数据详细介绍。但是钢的发展方向,是朝着“纯净钢”方向发展已经在行业诖锍晒彩。

     上世纪90年代“纯净钢”概念的出现,国外所谓的洁净钢(Clean-steel)或者纯净钢(Purity-steel),通常这种钢是指[C]、日本三级头[P]、日本三级头[S]、日本三级头 [N]、日本三级头T[O]、日本三级头 [H]含量总和小于100ppm,对钢的纯净度要求上出现了质的飞跃。随着炼钢技术的不断提高,超纯净钢的概念也已经提出十年以上。

    在世界上,德国和日本无疑代表着钢铁生产技术的最高水平。根据相关资料,列表如下,供各钢厂参考。

国内外生产、日本三级头预测的最佳纯净度:(单位ppm)

元素

[C]

[P]

[S]

[N]

T[O]

[H]

总含量

德国批量生产

≤20

≤15

≤5

≤15

≤10

≤0.7

≤65.7

日本批量生产

≤16

≤12

≤4

≤14

≤5

≤0.5

≤51.5

日本预计

≤6

≤2

≤1

≤14

≤5

≤0.2

≤28.2

宝钢—中间包

——

20

25

23

27

1.3

96.3

宝钢—坯样

——

31

27

10

11

1

80


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