關(guān)于鋼中主要雜質(zhì)元素的特性及影響探討

周麗

【摘要】隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對鋼鐵資源的需求在質(zhì)和量方面，也越來越高，這也使得近年來我國鋼鐵生產(chǎn)冶煉領(lǐng)域，獲得了迅猛的發(fā)展，不僅在鋼鐵成品生產(chǎn)力及生產(chǎn)效率方面，得到了極大的提升，隨著最新冶煉技術(shù)工藝及設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用，我國鋼鐵產(chǎn)品在質(zhì)量和性能方面，也取得了質(zhì)的飛躍，鋼鐵生產(chǎn)制造領(lǐng)域的快速發(fā)展，對于推動我國工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，保障我國社會經(jīng)濟(jì)的健康長遠(yuǎn)發(fā)展等，都有著積極意義。本文將就鋼中主要雜質(zhì)元素的特性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對鋼中主要雜質(zhì)元素對其的影響進(jìn)行詳細(xì)的探討。

【關(guān)鍵詞】鋼鐵冶煉；雜質(zhì)元素；特性

引言

隨著我國社會各領(lǐng)域建設(shè)事業(yè)的如火如荼的進(jìn)行，我國對各類自然資源的需求也在急劇的提升，尤其隨著我國建筑工程、水利電力工程等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的快速發(fā)展，我國對鋼鐵資源的需求總量，在近年來出現(xiàn)了巨大的增加。同時由于各工程建設(shè)領(lǐng)域，對工程質(zhì)量及安全性方面，提出了更高的要求，這也使得社會對工程建設(shè)材料，在性能及質(zhì)量方面，提出了更高的要求，對鋼鐵材料的高要求就是其中典型的代表。然而雖然近年來我國在鋼鐵冶煉技術(shù)工藝領(lǐng)域，取得了重大的突破，鋼鐵性能得到了極大的提升，然而在鋼鐵冶煉過程中，其存在的雜質(zhì)難以有效去除的問題依舊存在。由于其所用原材料，如鐵合金，及廢鋼等中含有大量的金屬和非金屬雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)雖然在冶煉過程中，能夠去除一部分，但是其中仍然有部分雜質(zhì)難以去除，并保留在鋼鐵成品中，如磷（P）元素、硫（S）元素，以及砷（As）元素、銻（Sb）元素等微量元素，而這些元素中有部分殘余元素，其具有偏析特點(diǎn)（偏析是合金中各組成元素在結(jié)晶時分布不均勻的現(xiàn)象，致使鋼材的材質(zhì)不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生缺陷，影響其力學(xué)性能，如承載力，塑性性能等），其含量雖少，但其對鋼鐵產(chǎn)品性能的影響卻非常大，因而其極大的影響著鋼鐵性能的穩(wěn)定，阻礙著鋼鐵質(zhì)量的提高。加大對鋼中主要雜質(zhì)元素的特性及影響的相關(guān)研究，有著積極意義。下文將就鋼中主要雜質(zhì)元素的特性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對鋼中主要雜質(zhì)元素對其的影響進(jìn)行詳細(xì)的探討。

1.鋼中主要雜質(zhì)元素的特性

1.1鋼鐵中雜質(zhì)元素的主要來源

在鋼鐵冶煉過程中，由于其冶煉原材料中包含多種金屬及非金屬雜質(zhì)，而由于缺乏相應(yīng)的分離提純技術(shù)，加之冶煉過程不可避免會殘存部分雜質(zhì)，使得當(dāng)前我國鋼鐵產(chǎn)品中，或多或少的都會具有一定的雜質(zhì)含量，諸如磷（P）元素、硫（S）元素等。具體來說，鋼中雜質(zhì)元素的主要來源，可以從鋼鐵冶煉所需要的原材料方面著手進(jìn)行分析。在鋼鐵冶煉中，其主要原材料有生鐵、鐵礦石、廢鋼等。特別說明下廢鋼，廢鋼是電爐煉鋼的主要原料。雖然按直接生產(chǎn)成本計算，廢鋼的煉鋼成本要高于生鐵煉鋼，但是與用鐵礦石和生鐵煉鋼相比，廢鋼鐵煉每噸鋼可減少近1.6噸碳排放，社會效益和綜合效益十分可觀。下面我簡單的按原材料分析雜質(zhì)的主要來源：生鐵礦中的殘余元素，以及廢鋼中的雜質(zhì)元素等，是鋼鐵產(chǎn)品中，雜質(zhì)元素的主要來源。生鐵礦在融化成鐵水的過程中，其中蘊(yùn)含的殘余元素，也會隨之帶入，并在經(jīng)過一系列的冶煉除雜過程后，依舊有部分殘余元素存留在鋼鐵產(chǎn)品中，并最終成為影響鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性的最主要因素之一；廢鋼中，則由于其含有較多的鐵合金，其也會在冶煉結(jié)束后，依舊有部分雜質(zhì)金屬存留在鋼鐵產(chǎn)品中；此外，另一個雜質(zhì)元素主要來源是廢鋼中合金鋼所含的元素、鍍層及表面涂層中的雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)元素，其主要是通過罐頭及鍍錫板等方式，納入到廢鋼的循環(huán)利用中，而常見的鍍層金屬主要有鋅（Zn）元素、鎳（Ni）元素，及（Cu）銅元素等，而其中鋅（Zn）元素可以在煉鋼過程中去除。但如果在鐵合金中含有這些殘余元素，在鋼水精煉中又無法去除，將會影響產(chǎn)品的性能[1]。下圖1為某廠鋼鐵冶煉工藝流程圖。

1.2鋼中雜質(zhì)元素的成分

在鋼鐵產(chǎn)品中雜質(zhì)元素分類方面，在鋼的冶煉過程中，不可能除盡所有的雜質(zhì)，所以實(shí)際使用的鋼材中碳（C）以外，還含有少量的錳（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P）、氧（O）、氫（H）、氮（N）等元素，隨著廢鋼的重復(fù)利用率的提高，鋼材中的微量元素不斷富集，我們把 鉛（Pb）、砷（As）、鉍（Bi）、銻（Sb）、錫（Sn）、銅（Cu）也包括在雜質(zhì)元素之[2]。這些雜質(zhì)元素的存在，會影響鋼的質(zhì)量和性能。

1.3鋼中所含不同雜質(zhì)的分類

根據(jù)鋼中磷、硫的含量不同，普通鋼可分為：

1）普通碳素鋼：其中磷（P）的含量不大子0.045—0.085%；硫（S）的含量不大于0.055—0.06。

2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼其中磷（P）、硫（S）的含量均不大：0.040%。

3）高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：其中磷（P）、硫（S）含量分別不大于0.030%和0.036%。

煉鋼過程中，有時還加入一種或多種合金元素，如硅（Si）、錳（Mn）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、釩（V）等，以改善鋼的性能，或使其獲得某些特殊性能。

根據(jù)鋼中合金元素的總含量不同，合分鋼可分為：

1）低合金鋼：其中合金元素含量小于5%，

2）中合金鋼：合金元素總含量為5～10%；

3）高合金鋼：合金元素總含量大于10%。

根據(jù)鋼中磷（P）、硫（S）的含量不同，合金鋼可分為：

1）普通低合金鋼：磷（P）、硫（S）的含量均不人于0.050%；

2）優(yōu)質(zhì)合金鋼：磷（P）、硫（S）的含量均不大于0.040%；

3）高級優(yōu)質(zhì)合金鋼：磷（P）、硫（S）含量均不大于0.030%。

鋼按用途分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、專用鋼和特殊鋼等。

2.鋼中主要雜質(zhì)元素的影響

2.2鋼中主要雜質(zhì)元素特性及其影響

鋼中的主要雜質(zhì)元素有硫（S）元素、磷（P）元素、氮（N）元素、氫（H）元素，氧（O）元素、錳（Mn）元素及硅（Si）元素等，以下將就其中幾種較為常見的雜質(zhì)元素的特性，及其對鋼鐵產(chǎn)品的主要影響進(jìn)行詳細(xì)分析。

硫（S）元素，其對鋼鐵產(chǎn)品的影響主要有積極和消極兩方面影響。積極方面，由于其切屑發(fā)脆可以制造要求負(fù)荷不大高表面光潔度的鋼制件。一般的說硫?qū)Ω鞣N鋼均為有害物質(zhì)，其主要以熔點(diǎn)較低的硫化亞鐵（FeS）存在，在鋼中與鐵形成共晶體的共晶溫度更低，鋼在軋制時，削弱了晶粒之間的結(jié)合力，導(dǎo)致鋼的熱脆現(xiàn)象。含硫量高時，還會使鋼鑄件在鑄造應(yīng)力作用下產(chǎn)生熱裂紋，同樣，也會使焊接件在焊縫處產(chǎn)生熱裂紋。在焊接時產(chǎn)生的S02氣體，還使焊縫產(chǎn)生氣孔和縮松；防止熱脆的方法是往鋼中加入適當(dāng)?shù)腻i（Mn）。

磷（p）元素，其主要存在方式是鐵素體，磷溶于鐵素體，雖然能提高鋼的強(qiáng)度和硬度，最大的害處是偏析嚴(yán)重，增加回火脆性，顯著降低鋼的塑性和韌性，致使鋼在冷加工時容易脆裂，也即所謂”冷脆”現(xiàn)象。磷對焊接性也有不良影響。磷也是有害元素，應(yīng)嚴(yán)加控制，一般含量不大于0.030%-0.040%。在一定的條件下其積極影響，由于切屑發(fā)脆得到光潔表面能夠有效的提升鋼產(chǎn)品的削鋼速度、磷可提高比電阻，且由于容易粗晶而可是矯頑力和渦流損失降低。于磁感而言，則在弱中磁場下磷含量高的鋼磁感會提高。

氮（N）元素，主要有2個時效，分別是淬火時效和應(yīng)變時效。氮在一定溫度時的溶解度最大，隨著溫度的降低，溶解度急劇下降，在時小于一定值時，如果將含氮較高的鋼從高溫急速冷卻下來（淬火）時，就會得到氮的過飽和固溶體，將此鋼材在室溫下長期放置或稍加熱時，教就逐漸以氮化鐵的形式從鐵素體中析出，使鋼的強(qiáng)度硬度升高，塑性韌性下降，使鋼材變脆，這種現(xiàn)象叫做淬火時效。氮的應(yīng)變時效：另外，含有氮的低碳鋼材經(jīng)冷塑性變形后，性能也將隨著時間而變化，即強(qiáng)度硬度升高，塑性韌性明顯下降，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變時效。

結(jié)語

由以上可以看出，鋼鐵冶煉后，其最終產(chǎn)品中的雜質(zhì)元素，會對鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量及性能的穩(wěn)定性，產(chǎn)生不利影響，阻礙鋼鐵質(zhì)量的提升，因此加大對鋼中主要雜質(zhì)元素的特性及影響的相關(guān)研究，有著深遠(yuǎn)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王絢，唐雪萍，楊接明，雷旻.鋼中主要雜質(zhì)元素的特性及影響[J].特鋼技術(shù)，2011，（01）：13-15.

[2]劉中柱，蔡開科.純凈鋼及生產(chǎn)技術(shù)[J].中國冶金，1999年，5，P35