砷的冶金物理化学属性及其对钢热轧过程的影响.pdf

上海钢研年第期 砷的冶金物理化学属性及其对钢热札过程的影响 徐萝明 宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司制造管理部 上海 摘要 本文对钢中的来源 在炼钢过程中的属性及 对钢的热 塑性影响进行了综述 从理论上探讨了热 札过程中的变化特点 通过完善札制工艺 解决了 岌 的低碳钢热塑性差导致热札开裂的技术难题 关键词 低碳钢砷热塑性晶界偏析 劝 梦 盯 初 巧 用 盯 卿 脚 钢中的属性 的物理化学属性及其用途 砷是元素周期 表第族元素 原子序数 原子量 俗名砒 有灰 黄 黑三种同素 异构体 密度克厘 米 熔 点 在 升华 砷在 钢 中常以 等固熔体形式存在 易发生偏析现象 砷与磷 锑 同族 对钢性能影 响有类 似之处川 工业用途的 砷主要来源于处理硫化矿物时 的副产品 也 有独立的砷矿床 如雄黄 雌黄矿 等 一般先制成 三氧化二砷白砒 由三氧化二砷 再炼 成金 属 砷 砷的用途广泛 用高纯金属嫁和高纯砷在高 温下化合可制得砷 化稼半导体材料 砷和铜 铅等金属可制成合金 能增加其抗腐蚀性及抗磨 性 用于制造火车头 的火箱板 汽车的散热器 以及 轴承等 砷的化合物用于农药杀虫 其次是用作 除草剂 木材 防腐 剂等 在工业中如制革 印染 玻璃 颜料 医药等都有一定的用量 钢 中的来源 钢铁产品中的砷主要来源于铁矿石 再生生 铁和废钢 我国南方相 当多的铁矿含砷量较高 如广东 福建 江西 云南 广西 等 特别是广东的 兴宁和兴全矿 砷含量高达 川 铁矿石中 的砷与各种硫化物矿石伴生 以和形 式出现 再生生铁中含有砷时 将会打乱正常的 冶炼节奏 产生严重 的后 果 砷的另外一个来源 是社会废钢 由于废旧钢铁来之不同渠道 一些包 装容器内残存的有害物质 如锡 砷 锑 铅 秘 等 有害元素 这些元素在原材料检验时无法分辩 由于砷的氧化位能比铁低 所以在炼钢过程中不 但不易去除 而且会有所富集 并随着废钢的循环 使用 逐渐累积在钢中 在钢铁冶炼过程中的特性 通过对比化学元素生成氧化物的标准生成自 由能 发现 等元素的氧化物的标准生成 自 由能比铁高 也即在钢铁冶炼过程中 比铁难 氧化 梁桂生 等人对从铁矿烧结至转炉冶 炼全过程进行了跟踪分析 其结果是 在高炉 年第期 上海钢研 令 么 口令 全甲 宜 还原过程中的人铁率 一 巧 转炉冶炼 过程中 原始平均 而成品钢水平 均达到 巧 因此 在转炉顶 吹炼钢过程中 砷的走 向是个浓缩过程 浓缩度高达 在 转炉冶炼过程中的浓缩现象证实了的氧化位 能比铁低 刘守平等人采用实验室手段对钢液 真空 处理过程中挥发脱砷进行了研究 发现钢液真空 处理时可以实现挥 发脱砷 脱砷过程可分为砷在 钢液内部传质 砷在钢液表面蒸发 砷在气相中传 质三个环节 加强钢液内部砷的传质 增大钢 液 气相接触界面及提高钢液真空处理温度都可提高 挥发脱砷的速度 该作者也采用硅钙合金对钢液 和铁水脱砷进行了研究 结果表明 硅钙合金 和熔剂 对铁液和钢液脱砷率分别达到 一 和 一 这两项研究表明 对 钢液脱砷 只能采用非常规的冶炼手段 这些手段 尚未在工业化生产 中进行验证即使能脱除砷一 定含量的 其冶炼代价也很大 的延伸率和压缩率的变化趋势 其结论是 在 以下 对试验钢的热塑性影响不大 但是 在 以上 随着含量增加 试验钢的热塑 性显著降低 二 众 令 二 一八曰 厂十斗仁阳 护一 了 胜且宙且 掌 并母喇 试验温度 图拉伸应力下钢 的延伸率与温度的 关系 求 等录刹 对低碳钢热塑性的影响 对钢的危害 砷是钢铁产品中的 五害 元素之一 其含量 一般较低 但是对钢铁产品的性能影 响很大 对钢的危害体现在以下几个方面易在 钢的界面处产生偏聚 导致 回火脆 现象在 热加工 时使 钢材产生表而 热脆 裂纹等缺 陷对钢的硬度有不利影 响当钢中砷 含量大于时 会导致成分严重偏析 改变 晶粒组织结构 破坏金属 的连续性使钢的 冷脆性增加 延伸率 断面收缩率及冲击韧性降 低 并使钢的焊接性能变差 因此 有特殊用途的 钢如石油钻杆钢 大型发 电机转子钢 核工业用钢 等甚至要求不含砷 汽车行业用钢材则需严格控 制砷的含量 一般用途低碳钢中的成分应控制在 一 特殊情况下砷对钢材性能也 有有利的一面 如能提高钢的抗拉强度和屈 服强 度 增强抗腐蚀和抗氧化性能 对钢的热塑性的影响 曹仁焕川等人 在中 添 加 采用 试验机在拉 伸应力和压缩应力下 研究了对试验钢热塑性的影响 图 一 描述 了不同含量下 一 试验钢 日 一一 告 艺 二 令令令 二 心心心 又 试验温度 图压缩应力下钢的压缩率与温度 的关系 作者进一步对试验钢进行了的面扫描图 像分析 发现在试样表层中的分布明显不均 匀 在试样表层 的氧化物内 明显低于基体 这表明试验钢在加热过程中铁被氧化成为氧化 物 而蚝不被 氧化 扩散到未氧化的基体中 去 使基体中含量增加 从而使基体和氧化物 中分布明显 不均匀 因此 当钢坯在高温 氧 化性气氛下长时间加热时 发生严重氧化的钢表 层中 向铁素体基体富集 从而引起钢表层的热 塑性降低 的研究也表明了同样的结 论 即含砷钢在氧化性气氛加热过程 中 不断 被排列到氧化层下的金属中 当含量超出在铁 中的溶解极限时 就会在氧化层和金属界面间形 成溶融的液相 在热加工拉应力作用下 这些液相 则会湿润晶界而产生表面热脆裂纹 对热轧影响的示例 我公司在今年月份采用常规热连轧工艺生 产 盘圆时 发现成品表面 上海钢研年第期 翘皮缺陷 沿轧制方向密集分布 随即对尚未进加 热炉的团坯料表面进行了检查 均符合人 炉轧制要求 经过试轧及中间坯取样 发现在粗 轧 中轧坯料表面均存在横 向裂纹 延至叼成 品时 裂纹经碾轧延伸表现为翘皮缺陷 对粗轧 中轧各机组中间坯及成品缺陷成因 进行高 低倍组织检验 检验结果 中间坯高倍检验 粗轧表面裂纹 深 内附氧化铁皮经中轧延伸后 必 表面裂纹深 不等 成分分析主要成分符合标准要求含 量 改善含钢热塑性的轧制对策 热轧工艺过程设计 综合元素的特点及热轧缺陷检验结果 对 热连轧裂纹 的原因分析如下 由于元素容易偏析于晶界 降低了晶 界表面能 弱化了晶界 增大了沿晶界脆性断裂 的 倾向 降低了钢的脆性断裂抗力 当钢坯在高温 氧化性气氛下长时间加 热时 发生严重氧化的钢表层中向铁素体基体 富集 从而引起钢表层的热塑性降低 同时与铁素体固溶 脆化了铁素体组 织钢坯经加热后恶化了钢的基体组织强度 降低 了钢的延性 为改善含砷钢的热塑性 依据以上分析裂纹 产生的机理 对原轧制工艺进行了优化和调整 设 计了如下工艺 降低加热温度 缩小各加热段上 下加热 温差控制范围 加热温度按下限控制 使加热温度 更均匀 加热炉工艺参数见表所示 按还原性气氛控制炉气 避免严重氧化的 钢表层中向铁素体基体富集 减缓表面 热 脆 采用高压水除磷 剥去钢坯表面氧化层 为避免热连轧过程轧件因快速 温升再次 产生氧化 采用低温轧制 试验工艺及工艺参数 试验 钢号 一 试 验规格 必和必 试验工艺 加热炉温度按表进行控制 采用低温控轧进行生产坯料出炉后高压除鳞进 轧机前 通过控冷水箱将红坯温度控轧在 一 轧后控冷维持在 一 进 无扭轧机 轧后控冷温度 一 进成 品减定径机组轧后控冷保持 一 吐丝进人输送辊道进行弱风冷却 试验结果 产品表面质量达到要求中间坯取样未发现 表面 热脆 裂纹 性能检测 全部符合技术条件要 求 随后根据规格组距分批进行生产 对含砷钢 巧 共计个炉号按调整后的工艺生 产 其产品的表面质量 冷顶锻检验 脱碳层控制 等技术指标全部合格 结论 具有不易氧化的特点 导致在常规 炼钢过程中难以去除必须从钢铁制造源头上控 制的来源 能与铁素体固溶 容易在晶界偏析 含砷钢在氧化性炉气中长时间加热后 容易在 钢的表层铁素体中富集 导致钢的表层热塑性降 低 热轧过程不可避免地产生裂纹 生产实践证明 优化加热炉气氛 加热温 度和加热时间 采用低温轧制工艺 可以解决 鉴 巧的低碳钢热塑性差导致热轧开裂的技术 难题 作者曾对含量 一 低碳钢 进行轧制 产品表面质量达到同钢号不含成品 水平 因高成品材冲击性能达不到技术条件 要求 故在此不作叙述 表调整前后的加热炉工艺参数表 炉温 工艺状况加热时间炉尾温度 加热 簇 加热均热开轧温度 原工艺 试验工艺 簇 落 一 一 年第期上海钢研 参考文献 印德俊等钢 中九害元素对钢 的危害性及其对策 特殊钢 一 梁桂生等钢铁冶炼过程中砷的走向研究江西冶 金 一 助 刘守平等钢液和铁水硅钙合金脱砷研究特殊钢 一 曹仁焕等 砷 锡 锑对 钢热塑性的影响特殊 钢 一 阅 卜 一阅卜 叫卜一闷卜司卜月卜日 月卜 一川卜一 月卜 一月 卜 月卜一月卜月 卜日月卜明卜 月卜 月卜 月卜朴 月 月卜一月卜 一月卜一月卜 月 卜 一司卜 司卜日闷卜 一阅 卜一叫 卜 月卜一月卜闷 卜叫卜月卜一司 月 卜月 卜 一月 卜日月卜一司 卜 上接第页 林天辉 梁莉莉 张 文彪等上 海 钢 研 一 姜志伟 周怀春 娄春等华中科技大学学报自然 科学版 侧又 一 娄春工业仪表 与 自动化装置 一 刘国权 宋晓艳 陈雨来等中国体视学与图像分 析 一 仁刘国权中国体视学 与图像 分析 一 月 卜一司 月卜 月 明卜 一月 月卜月卜阅 卜月 卜 一月 卜 月卜一司卜一月 月卜日月卜 上接第页 击 一 川明卿 清华大学出版社 吧 一 鳍 月卜一司卜月卜川月明卜一月卜心卜月 巾月 月 一卜月 司卜一司卜月卜一明卜一月 卜 司卜 一 阅卜 司卜一月 卜司卜 一闷一月卜一月卜一 司 卜阅卜 一 司 卜中叫 卜月卜 一阅卜一阅卜一明 一月卜 一月 卜日月卜一阅卜一月卜一月卜一卜司 卜 月卜一月卜一月 卜 长期作业过程 中石 油压力容器 的脆化现象研究 石油压力容器在焊后 热 处理时存在 一些热损 失问题 诸如 奥氏体不锈钢 堆 焊中 相 变和 一 钢的基本金属 和堆 焊界面间的 破化物析出等 另外 在诸如高温和高压 氢 气环 境等工作状态发生氢脆 日本制钢所茅野林造等 人 通过缺口拉伸试验对压 力容器钢中的 热脆和 氢脆程度进行了测定 通过提 高时的回 火参数来降低抗拉强度和断裂延性 用光学显微 镜观察拉伸试验试样横截面以检验后覆 盖焊缝中的 相变 通过对试样的显微组织和 断 口组织的观 察来检验界面处 的碳化物析出和 氢 脆 已经证实因为氢脆导致界面处碳化物层附近 堆焊中裂纹穿