鋼中氫氣體知識問答

鋼中氫氣體知識問答（3）1.鋼中氫的來源？答：氫氣在爐氣中的分壓力很低，大氣中氫的分壓力為0.053Pa因此鋼中的氫主要由爐氣中的水蒸汽的分壓力來決定的（見圖3）。氫進入鋼液的主要途徑是：通過廢鋼表面的鐵銹（XFeO.rFe3O4.2H2O）；鐵合金中的氫氣；增碳劑、脫氧劑、復蓋劑、保溫劑、造渣劑（Ca（0H）2）、瀝青和焦油中的水份；未烤干的鋼包、中間包、中注管、湯道；鋼錠模的噴涂料；結晶器滲水以及大氣中的水份與鋼水或爐渣作用而進入鋼中。Q.310.W50027曲0=D001 Q.Q05 002Q>0?圖1.冶煉時鋼液中氫和氧的變化規(guī)律2.一般鋼中氫含量？答：氫以原子或離子（質子）的形式溶解于鋼中，在一定溫度下，鋼液中氫的濃度[H]與氫的分壓PH的平方根成正比。即：[H]=KVPH2當溫度為1600?。時K為0.0027，氫在鐵中的溶解度隨著溫度和壓力的下降而降低。氫在固體鐵中的溶解度與鐵的晶體結構有關，發(fā)生相變時，溶解度急劇變化.如鐵于1534?C由液態(tài)結晶為固態(tài)時氫的溶解度顯著下降；在1390?C由5-Fe轉變?yōu)楦蔉e時溶解度重又增加，而在910?C由Y-Fe轉變?yōu)閍-Fe時溶解度又顯著下降。氫在堿性電爐鋼中約4-11個ppm，酸性電爐鋼中約為3.5-8個ppm，轉爐鋼中約為3-6個ppm?，F(xiàn)今較為公認的鋼中氫含量詳見表1.

表1.一般鋼中氫含量熔煉爐熔煉方法鋼種鋼液中氣悴含量(10-6)(N)呼爐J礦性碳索結構鋼4-6 「40-60合金結構鋼6~840-60碳素結構鋼3-540-50合金結構鋼4-650-60堿性合金結構鋼4-S 「*70商合金樹8-11*150合全結構鋼3.5-5髙合金鋼5~83.鋼中氫對鋼性能的危害？答：氫溶入鋼中會降低鋼的塑性和韌性。研究表明，氫含量高不僅會導致鋼的伸長率和面縮率急劇降低，還易產(chǎn)生氫致裂紋缺陷。鋼在冷卻放置過程中，氫呈過飽和固溶體狀態(tài)，由于其具有極強的擴散能力，很可能聚集在某些部位，使鋼產(chǎn)品的局部壓力增高，產(chǎn)生白點，形成內裂，進一步誘發(fā)高碳鋼的疲勞損傷，嚴重影響其使用性能。另一方面，冷卻放置時，氫也能擴散到大氣中，從而降低鋼中的氫含量，減弱其危害。4.如何降低鋼中氫？答：溶解在鋼中的氫和氮以原子狀態(tài)存在，其溶解反應為：{}[]HH=2%21在一定溫度下達到平衡時:[]212%HHPHK=[]2%HHPKH?=上式說明氫在鋼中的溶解度與作用在鋼液面上的氫的分壓的平方根成正比，即稱西華特定律。降低鋼中氣體含量的措施為一、減少入爐原料帶入氣體；二、注意控制出鋼溫度、不宜高，并盡量縮短出鋼時間；三、鋼液中的氫會向熔池中上升的CO氣泡擴散，脫碳速度越大，排氣速度就越快；四、對于有重要用途的鋼種，為嚴格控制鋼中氣體含量，最有效的辦法是真空處理。5．鋼中氣體分析的取制樣方法？答：由于鋼中氣體元素對鋼材質量影響極大，快速準確地測定其含量，為冶煉工藝及時提供數(shù)據(jù)，以便控制其含量范圍對提高產(chǎn)品質量是必須的。一個測試數(shù)據(jù)的準確性如何，首先取決于試樣是否具有代表性和制樣方法是否合理。尤其是鋼中氫的測定，即使是同一爐取樣，在同一臺儀器上分析，其結果由于取制樣的問題會出現(xiàn)較大差異。為此70年代未和80年代初全國組織了二次攻關，并于84年要重慶特鋼鋼研所召開了現(xiàn)場技術表演會。國外的冶金分析工作者也進行了大量的研究以后，現(xiàn)定氫取樣方法可分為快速淬火法和封閉模法二大類。6何謂快速淬火法？答：分爐外取樣和爐內取樣法兩種，均采用快速水淬急冷方式，將液態(tài)金屬迅速凝固通過相變點至常溫，使絕大部份氫來不及擴散析出，被固溶在試樣中。7何謂爐外取樣法？答：也叫二次取樣法，包括樣模法、洗耳球－石英管法、取樣槍－石英管法、針筒－石英管法、真空套管法。8何謂樣模法？答：我國于50年代初開始使用，當時試樣直徑為20mm，后經(jīng)多次試驗改進，1980年后定為直徑6mm，樣模制作材料有鑄鋼、鑄鐵、銅三種，其中銅的最好，是國際標準委員會推薦方法。取樣時首先將內壁用砂紙去銹，并將模預熱至300?C左右，用干凈樣勺從熔池內取出鋼水，扒開鋼渣（未脫氧的鋼液插入鋁條，其量視各冶煉期活度氧而定）注入樣模。澆注完后立即打開樣模將試樣置入＜20?C的冷水中攪動急冷至常溫后取出，擦干后放入液氮或干冰中冷藏待加工分析。何謂吸耳球石英管法？答：20世紀60年代后期開始使用，當時石英管內徑為14mm,后來衍變?yōu)閮葟?mm.它是將吸耳球與石英管用一根金屬管連接起來（連接處不能漏氣），取樣時擠扁吸耳球將石英管未端斜插入同樣模法一樣取得的鋼水樣勺內，慢慢放松吸耳球，使鋼水吸入石英管內至你所需要的長度后，停止放松吸耳球并保持現(xiàn)狀，隨即將石英管置入冷水中打碎，使試樣直接接觸冷水（同樣模法）急冷。何謂針筒法和取樣槍法？答：同吸耳球石英管法相似，均是將石英管置于針筒或取樣槍前端，插入同樣模法一樣取得的鋼水樣勺中，利用針筒內或取樣槍內活塞抽動形成的負壓，使鋼水吸入法石英管內后再置入冷水中（同吸耳球－石英管法）急冷。何謂真空吸管法？答：是用GG17硬質玻璃管（內徑6mm）在煤氣-氧氣火焰上封一頭，封口加厚，并將側面吹制成一薄壁泡，再用真空汞將管內真空度抽成0.001Mpa后封口，取樣時用一夾子夾往取樣管，將有薄壁泡端斜插入同樣模法一樣取得的鋼水樣勺內，待薄壁泡熔化，鋼水迅速進入取樣管后立即將取樣管移入冷水中（同樣模法）急冷。何謂真空套管法？它由一根內徑7mm玻璃管和一根內夕卜徑分別為5.6mm和6.5mm的奧氏體不銹鋼管構成，制作時先將鋼管用真空熱抽取法在850?C脫氣2小時，使殘留氫小于O.lppm，然后插入一頭已制成薄壁泡的玻璃管內，再抽真空到0.001Mpa封口，取樣時同真空吸管法。此方法取樣時鋼水凝固過程中析出的氫被不銹鋼管吸收，測定時不銹鋼管同試樣一起測定，減少了氫的損失。何謂爐內取樣法？答：也叫一次取樣法，它適合各種冶煉爐內上有渣層復蓋，內含不定量溶解氧的鋼水或包內、模內已脫過氧的鋼液取樣作各種氣體元素分析，由于省去了樣勺取樣暴露在大氣下的環(huán)節(jié)。避免了鋼水的二次氧化、二次氮化，碳與氧爐夕再反應等影響氣體變化的因素，所取試樣可作氫、氧、氮、碳、硫全分析，使測定結果更接近冶煉過程中氣體含量的真值。該方法取樣裝置是將兩根內徑分別為18mm和6mm的石英管在氫、氧火焰上焊接加工成兩頭縮孔開口（在18mm管內置鋁箔）的取樣管。用耐高溫水泥將其固定在耐火泥頭上，外用防渣帽保護組成取樣器。取樣時將取樣器置于取樣槍頭部斜插入溶池鋼液中。防渣帽熔化后，鋼液在靜壓力下自行進入取樣器內脫氧池后段上升至取樣管段，提槍出溶池迅速將取樣裝置前端置入冷水中拔下取樣器，打碎石英管使試樣急冷（同樣模法）。取樣要點（a）.槍管與鋼液面呈30-40?C夾角。（b）.插槍過渣層時要迅速，槍管斜入鋼液深度 50-60cm。（c）.取樣槍在鋼液中停留6-8秒，提槍時要穩(wěn)，不能抖動。（d）.脫氧劑鋁箔量為理論值的1.8倍。何謂封閉模法？答：該法適用于已脫氧的鋼水取樣，此種取樣器在取樣后鋼液冷卻凝固過程中放出的氫氣貯存在取樣器的兩層所夾的空間內，然后用專門的儀器測定取樣器空間的氫氣，再用惰氣熱抽取法測定試樣中的殘余氫，兩者相加為總氫量。實驗室如何制備氫等氣體分析試樣？答：對氫試樣的制備為避免氫損失，對脆性試樣可以采用打斷方式，對于直徑較小的可以用剪線鉗剪斷，一般日常分析可用流水冷卻的砂輪切片機切割，用銼刀或砂布研磨（不能產(chǎn)生熱量）去除表面黑皮再用四氯化碳、丙酮洗滌后冷風吹干，再分析。對氧試樣由于其表面積直接影響分析結果，不能用屑樣，棒狀、塊狀試樣表面應用銼刀或碳化硅砂布研磨出新表面，為使其不被氧化，應避免試樣發(fā)熱，然后用丙酮清洗，干燥后分析。氮、碳、硫試樣可在塊狀試樣上車、鉆成屑樣，但如試樣上有氧化物、銹、脫碳層、油脂等必須用切削研磨、酸洗、脫脂等方法去除。簡述金屬中氣體分析用標準物質的研制概況？答：為了有效地檢定分析儀器的精確度，提高分析數(shù)據(jù)的準確可靠性。我國首先由上鋼一廠中試室研制出了三種鋼中氧標準物質，填補了國內空白。此后北京鋼研總院、上鋼五廠也相繼研制出數(shù)種定氧標鋼，1980年上海新光金屬廠研制出鋼中氫標準樣品，1984年起上海鋼研所根據(jù)冶金部要求研制鋼中氫一級標準樣品，現(xiàn)在經(jīng)各有關單位的通力合作已研制出數(shù)個牌號的系列化鋼中氫、氧、氮氣體標準樣品。碳硫分析專用標鋼生產(chǎn)也已形成系列化生產(chǎn)，含量和制作工藝也由原來的選擇現(xiàn)成材料到有目的的冶煉制作標鋼，低含量標鋼也能生產(chǎn)，如含量為1.3ppm、S值為O.lppm的氫標樣，形狀從柱狀到球狀，重量固定可免稱量，可以說取得了一定的成績，為氣體分析的準確性提供了保證。簡述國內分析儀器的研制概況？答：國內儀器有的是科研單位自行根據(jù)需要研制的。有的是和儀器廠家共同研制，由儀器廠生產(chǎn)的。其主要方法如下：氫的測定是：主要有惰性氣體加熱（熔融）色譜法、真空熱抽取色譜法、真空脈沖氣相色譜法、惰氣脈沖色譜法、懸浮熔融色譜法、熔融金屬氫在線、平衡分壓測定法。表2我國生產(chǎn)的金屬中氣體分析儀器主要技術指標儀器型號戊生產(chǎn)單檢測定元素靈敏度分析范圍加熱方式分析時間檢測育法顯示方式儀器精度KLS-4O5蘇磁儀器廠OO.5ppmO.QOO5-O.2%04憾脈沖爐3分鐘庫化滴定直讀:i2ppiiiMHS-806需磁儀器廠HOJ-20ppini-2O0ppin脈沖爐3分鐘熱導直讀GXH-902北京分析儀器廠O脈沖爐2分鐘紅外直讀±5%MS-755湘江儀器廠KO.NH:0.000[-0.1%0:0.001-3.5%脈沖爐氣和色譜峰高測定

N^OGl-lfl.O^GHM-20I佛山分析仗器廠OIppm0-l-00()ppm脈沖爐紅外直讀±4ppmSQM-I大遼電子儀器二廠HOH:0.005-0.j0%0:0.001-50%脈沖爐H:2分鐘0:5分鐘氣相色譜蠅高測定SQH-1扎連電丫儀器二廠HD.02-l.0mVl<X)g脈沖爐<5分鐘熱導蠅高測雄CS4538徳陽科隸器J'C.S均為0.001%CzOJ-5.00%Sio.oi-i.oo%高藏30秒直讀QL-CS商富?麒麟分析儀器廠C.SC:0.()2-6.0^S10.003-Q.2%電弧爐40杪滴定1RQ-1北京鋼錢惡院O0.0001%O.DO(}2-15.00%脈沖爐2價鐘紅外直讀LSH-1」匕衍鋼研總院H0.1ppm0-1-1Qppjn1.5分鐘熱導直讀±2%H1R-944尢錨離喊析儀器廠CSO.IKXJI%CjO.OOOI-6.00%Si0.000i-035%高頻30杪紅外直逮<±2%HRSJ-103茁磁枝器廠C.S均対0:0.0005-3.5%SiU.0005-0.35^高頻30秒紅外直讀HCS-I40匕海鶴凱像器盛司C.S溝為.0,0001%0:0.000-3.5%SiO-O.35%高頻紅外直讀C:0.5%S:2%HCS-(MOt：海徳凱儀器盤詔OSOJKKJOt%CiO.005-3.5%S(}.005-035^餐式爐<60#紅外直讀C^l%呂^3%QCY2H0.0IppmO^-SOppm高瓢4分鐘熱導世讀±0.1ppm上述國產(chǎn)儀器中，由于種種原因，有些儀器已停止生產(chǎn)，有的尚在繼續(xù)生產(chǎn)，但都為我國金屬中氣體分析在不同歷史時期做出了貢獻簡述國外金屬中氣體儀器概況？隨著改革開放和科研生產(chǎn)的需要，從70年代后期，我國陸續(xù)引進了一些美國LECO公司、日本堀場制作所、德國斯創(chuàng)林、萊寶、埃爾特等公司的氣體分析儀，這些儀器自動化程度和分析精度高，其主要技術指標見表3。表3國外金屬氣體分析儀器主要技術指標從生產(chǎn)虹位卿i/L索靈敏度分析池制JJII熱方式井折時間檢測方法顯詬方式TC-I36衣疋IJ7COO.MIppni0-?0.]-2000ppinN?0.]-5D0Oppn脈沖40秒0:^1卜N:赳導直讀±1%KO-LO&j屮:LECOO0.1ppm0.1-23%呱沖30桂匕外直讀±3%TN-1I4覽IWLECONCkIppm(Kl-5rji>)ppin臟沖40我熱導±3%RH-IET1ft.01ppmLl-20ppni3分鐘±0.!ppn

其WL&CDRH-2其國IJECOH0-01ppm0-01-WJppjn曲應爐2.5-3分鐘熱導宜讀lO.OJjJjJiuDH-1D3關屈LECOLLO.UlppinU-UlJUppm電咀爐5-A±U.[ppmEMGA-I.3WII木堀場CXN.H(].IppniO：n-2CHMlppmN:(]-2O4MlppmH：n-2CH>pprn脈沖殺導O:±2.5%N:±2.5%H:2%Q-XMAT73O就羸StnohldnO.N1ppm0;0-0*j05%N:0-OJ%U灼掙h如秋宜讀±1%H-TMA.25L曲惟SirollkinLLU.OIppiiiD-L5ppjn電咀護和陸沖90秒1%H：A20O201ft1>HLLU.OIppiiiU-faUppjn電咀爐3-Q分鐘±2J%Rl?L-HLLO.UlppanCk-2U|jpjn和秒熱導2%X()A2CKn西楷L-HO.NCl.01ppmN:l-4(MM]pprnO：l-2(KKlppni晾沖0^0砂NJOH-0割外±1%HHAC200(2OQ2)法H0,005ppmn.oi-imDJ-KXX)<15迪導宜1*E54GA620WII木加場O.NOJpprnO；0-iCHMppjnN：0-200ppni+IF#N渤導豐r印IppjnEMGA62IW日班Hi場HCLOIppm脈沖J井40#熱導im打印(>.C>4ppniEMIA-52C>V日木孵c.sCL1ppjnrfrG.D%sin.(ra>■40#負讀打氐C^0?5%S^l.5$tEM1A-B20V1」臨堀場c.sChOIppmcae.o%1g高頻40P>纖外食讀打印匕15%S<0.75%RH-^02莫國匸E￡DHn.ooipfiIBr.^.noi-innppmH:CL02-」000ppm斗廿蹲rm打甫±1%RH-4MXMLECOHO.OLppin0J-]000ppjn際沖a井?卩±2%rC-43fi^.RLiE￡DO.N(LIppni0:0J1000pp.niN(l.}ihl-5DDpprn<H)：10-5000pptii1尿沖40秒0:^1'外訊嶽導直讀打印□士燼Nil%CS-J-44L獎田LBCOC.S0.0IppniGJjeOCMld莎(H)?0.00-6.0%軸杪站卜直體打印甸為±0.5%茫U4I：國LECOcsd.l)1ppniC(L)JU.tJU-U.5'As^.oo-n.35^40秒纖外Ti?打印±n"，H□.1ppniO^-l^ppinfio#熱導±2%比利時H-niat2500德國斯創(chuàng)林H(LOippm0.1-1OOOppm脈沖90秒熱導直讀±1%ON-mat8500徳囲捕創(chuàng)林O.X0.Ippin0:0.000k20%Nj0.000i-20%脈沖40秒O:紅外N熱導直讀±1%CS-]viaL6250徳國斯創(chuàng)林C.S0.IpptnC:0.0001-6%S:0.0001-0.35%高頻40秒紅外直讀±0.5%CS800徳拘埃爾待C.S0.Ippm均為0.0001-100%髙頻45秒紅外直讀±0.5%上述進口儀器其原理與國產(chǎn)儀器類似，但在設計上有其獨到之處，如日本堀場EMGA系列儀器采用了測量石墨坩堝的阻值，調節(jié)加熱功率來控制試樣熔融溫度，以保證分析條件的實施。德國斯創(chuàng)林用光導纖維連接熱敏元件控制石墨坩堝溫度，均對提高分析精度有益。美國LECO公司的EF-500型爐子除了用電流與功率控制外，還直接用溫度控制，且大部分新型儀器均有故障內診功能，為使用者提供了方便。這些進口儀器在國產(chǎn)儀器的推陳出新時都值得借鑒。這些儀器雖然結構較復雜，但分析工作者通過摸索、總結、交流，都能讓其發(fā)揮作用，有的還挖掘開發(fā)出新的功能，如對LECO公司定氫儀擴展為氫氮聯(lián)測，使其一機多用，節(jié)約了另購儀器的外匯。目前是否有已制定的相關國家標準方法？答：目前有關鋼中氣體的分析標準還沒有健全。為了使金屬中氣體分析測定方法統(tǒng)一和規(guī)范化，世界各國均在制定國家標準，我國在濕法化學分析如氮、碳、硫的國家標準均已制定了，但儀器分析金屬中氣體元素的國家標準尚不齊全，只有碳、硫、氧的標準，氫、氮均無國家標準，有待今后有關單位共同協(xié)作將其完善。20金屬中氣體元素分析方法進展？答：隨著科技技術的發(fā)展，對材料的要求越來越高，為了提高鋼材質量，冶煉工藝上對氣體元素必須加以控制，原來的事后分析其周期已遠遠不能滿足生產(chǎn)上的需要，必須研究新方法，縮短分析周期，及時反饋分析數(shù)據(jù)指導冶煉工藝?，F(xiàn)在用直讀光譜臨線分析鋼中碳、硫周期已大大縮短。由于光柵加工工藝的提高和遠紫外光電倍增管的問世，90年代后用165.7nm的譜線代替193.09nm的譜線測定碳檢測限由5ppm達到1ppm，用149.47nm的譜線代替174.27nm的譜線測定鋼中氮檢測限也已達到5ppm，可以說是新突破。鋼中氧的測定用130.22nm譜線檢測限為15ppm。另外利用ZrO2固體電解質在線測定鋼液中活度氧含量，已有成熟的商品儀器，靈敏度達0.1ppm。利用平衡分壓法在線測定鋼液中氫含量、氮含量，利用碳氧平衡的數(shù)學模型在線測定鋼液中碳含量，比利時電測－騎士公司均已有商品儀器推出。我國北京鋼研總院也研制出了鋼液中在線測氫儀，填補了國內空白，達到國際先進水平，是冶金分析方法的一個新突破。在線分析雖然受到缺乏合適耐高溫電解質的限制，但它是我們冶金分析工作者方法研究的方向，希望通過各方的共同努力，取得更大的進展。21.鋼中氫隨時間變化，如何確保檢驗結果的準確性？答：氫在鋼中不穩(wěn)定，鞍鋼股份有限公司技術中心楊玉等，利用RH600氫分析儀測定鋼中氫含量前，在車削試樣時要使用冷卻液冷卻，使試樣溫度低于50弋，保證鋼中的氫不擴散，確保測量的準確性。冷卻液選擇水+酒精。檢測過程中，盡量選用與實際值相近的氫標準樣品校正儀器，以提高測量的準確度，減小偏差，使結果更精確。實驗結果表明，軋制后一天內鋼中氫擴散到大氣中的很少，鋼中氫含量基本不變，2—3d內鋼中的氫含量大幅度下降，3d后氫含量基本不變。22簡述