钢中氢的来源及控制对策

氢进入钢中的环节
1. 吸附：氢气首先要通过吸附作用进入钢材中。

吸附是指气体分子与固体表面之间的相互作用，使气体分子附着在固体表面上。

钢材表面通常具有一定的吸附能力，能够吸附一部分氢气分子。

这种吸附作用主要是物理吸附，即氢气分子通过范德华力与钢材表面相互作用。

吸附过程中，氢气分子会与钢材表面形成一层单分子厚度的吸附层，这有助于后续的扩散过程。

2. 扩散：吸附在钢材表面的氢气分子会进一步通过扩散作用进入钢材内部。

扩散是指气体分子在固体内部的自由移动，使气体分子从高浓度区域向低浓度区域传播。

在钢材中，氢气分子会沿着浓度梯度从钢材表面向内部扩散。

扩散过程受到多种因素的影响，如温度、氢气浓度、钢材组织结构等。

一般来说，高温、高浓度和细小的钢材晶粒会加速氢气的扩散速度。

3. 溶解：在扩散的过程中，一部分氢气分子会溶解到钢材的晶格中。

溶解是指气体分子与固体晶格之间的相互作用，使气体分子与固体形成溶液。

在钢材中，氢气分子与钢材晶格发生相互作用，一部分氢气会进入钢材晶格中，形成固溶体。

溶解过程中，钢材的化学成分、温度和压力等因素都会对氢气的溶解量产生影响。

溶解的氢气在钢材中可以以原子形式存在，也可以以氢离子的形式存在。

氢气进入钢材中主要经过吸附、扩散和溶解这三个环节。

这些环节
相互作用，共同影响着氢气在钢材中的分布和浓度。

了解氢气进入钢材的过程对于研究氢脆性和氢腐蚀等问题具有重要意义，也有助于制定相应的防护措施，保障钢材的使用安全。

科技名词定义中文名称：氢脆英文名称：hydrogen embrittlement其他名称：白点定义1：金属由于吸氢引起韧性或延性下降的现象。

所属学科：船舶工程〔一级学科〕；船舶腐蚀与防护〔二级学科〕定义2：钢材在锻炼、加工和使用中溶化于钢中的原子氢，在重新聚合成分子氢时产生的庞大应力超过钢的强度极限时，可以在钢内产生微裂纹，导致材料的韧性或塑性下降的现象。

氢脆是溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点。

氢脆只可防，不可治。

氢脆一经产生，就排除不了。

在材料的锻炼过程和零件的制造与装配过程(如电镀、焊接)中进入钢材内部的微量氢(10—6量级)在内部剩余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。

在尚未出现开裂的情况下可以通过脱氢处理(例如加热到200℃以上数小时，可使内氢减少)恢复钢材的性能。

因此内氢脆是可逆的。

热处理的方法是将工件加热至某一温度，保温一段时间，缓冷，使氢随溶化度逐渐变小，逐渐析出。

但加热会破坏镀层，因此热处理的方法对于经过电镀的工件并不适用。

如何防治首先，尽量缩短酸洗时间；其次加缓蚀剂，减少产氢量。

压力容器的氢脆(或称氢损伤)是指它的器壁受到氢的侵蚀，造成材料塑性和强度降低，并因此而导致的开裂或延迟性的脆性破坏。

高温高压的氢对钢的损伤主要是因为氢以原子状态渗入金属内，并在金属内部再结合成分子，产生很高的压力，严峻时会导致外表鼓包或皱折；氢与钢中的碳结合，使钢脱碳，或使钢中的硫化物与氧化物复原。

造成压力容器氢脆破坏的氢，可以是设备中原来就存在的，例如，炼钢、焊接过程中的湿气在高温下被复原而生成氢，并溶化在液体金属中。

或设备在电镀或酸洗时，钢外表被吸附的氢原子过饱和，使氢渗入钢中；也可以是使用后由介质中汲取进入的，例如在石油、化工容器中，就有许多介质中含氢或含混有硫化氢的杂质。

钢发生氢脆的特征主要表现在微观组织上。

它的腐蚀面常可见到钢的脱碳铁素体，氢脆层有沿着晶界扩展的腐蚀裂纹。

钢中氢的危害及去除近期我公司由连铸坯生产的中厚板,其探伤合格率较低,其中发现探伤不合的炉次中多数氢含量偏高，在铸坯冷凝析出过程中形成氢致裂纹，从而造成板材内部连续组织的破坏，致使探伤不合。

溶解于钢中的氢在液态钢中溶解度比固态钢中溶解度高，在钢水凝固过程中会析出，由于氢原子半径小，析出的氢原子在晶界或夹杂物界面扩散和聚集成氢分子，易造成缩孔、铸坯裂纹、皮下气泡以及中心疏松、偏析等, 而未来得及析出的氢气会降低钢的强度、断面收缩率、延伸率和冲击韧性等性能。

因此, 把钢中的氢含量降低到最低限度是减少铸坯缺陷, 提高钢的各项性能及探伤合格率的重要手段。

本文结合120tVD脱氢工艺进行了研究，通过考察影响VD精炼脱氢的主要因素，并结合实际，对工艺参数进行了优化，取得了良好的脱氢效果，提高了探伤合格率。

1真空脱氢原理氢在钢液中的溶解服从平方根定律，氢的溶解反应见下式。

[H]/%(wt)=K■P■■（1）因此，降低体系的压力，从而使气体的分压降低，就能减小钢液中的溶解的氢气。

氢在钢液中的溶解度很小，形成气泡的析出压力远小于其所受的外压力，所以溶解在钢液中的氢气就不能依靠形成气泡的形式排出，而是通过向钢液表面吸附转变为气体分子，再向气相中排出[1]。

当钢液中有CO或氩气泡时，溶解的氢气原子也可以向其中扩散，变为气体分子，随气泡排出,从而达到脱氢的目的。

2影响VD炉脱氢的因素VD炉精炼过程中影响脱氢效果的主要因素有：钢液原始始氢含量、吹氩流量、真空度及其保持时间、渣层厚度和黏度等。

2.1原始氢含量的影响从热力学角度来看, 真空前氢含量越高, 越有利于提高脱氢率。

但是初始氢含量太高,将增加VD的脱氢负担, 增加脱氢时间, 因此必须控制钢液的初始氢含量。

原始氢含量主要受炉气和原材料中水分的影响。

钢液中的氢含量主要取决于炉气中水蒸气的分压，并且已脱氧钢液比未脱氧钢液更容易吸氢，所以在炼钢还原期、出钢和精炼过程中，因为钢中氧已很低，如果使用未经烘烤的铁合金或未经充分干燥的钢包，以及炉盖漏水等情况出现时，就不可避免的会增加氢的含量。

一、氢脆产生的机理因热处理、机加工、电镀、电焊、酸洗、磷化、材料腐蚀等因素导致氢原子渗入钢和其他金属如铝、钛合金中，由于在每一个铁离子的立方晶格中只能容纳一个氢原子，所以它虽自由的移动和扩散，但不可能有二个氢原子相遇形成氢分子，但被吸收的氢原子具有向应力集中的部位扩散和移动的能力，这时，如果在应力集中部位由于位错而产生晶格缺陷时，氢原子进入晶格间隙，相互汇合形成氢分子，从而致使钢的组织破坏，形成钢的氢脆。

而由于氢原子向应力集中的部位扩散和积聚需要时间，这就是为何氢脆主要的表现特征为延迟断裂。

二、造成产品氢脆的几大因素1、原材料钢的强度越高越容易导致氢脆。

高强度钢的韧性会随着其强度的增高而下降，因此这种材料对缺口、氢脆以及应力腐蚀很敏感,尤其是氢脆性会使这些材料在其设计载荷能力以下发生破坏。

也就是说材料在渗氢的情况下，在低于其屈服强度的应力条件下，容易发生早期脆性断裂，而且材料强度级别越高，渗氢程度越严重，所受应力越大，氢脆风险性也越大。

美国对氢脆敏感的SAE4340钢做过实验，当其抗拉强度低于1250MPa 时，吸收了1〜IOPPM的氢而不会发生氢脆，但经过热处理后，强度达到1760MPa〜1920MPa时，仅吸收了0.03〜0.05PPM的氢，就会发生显著的氢脆断裂。

而采用抗拉强度小于780MPa的普通钢，即使吸收了10~30PPM的氢，也未发现有氢脆断裂现象。

2、机械加工在电镀前的加工过程中，如轧制成型、机械加工、钻孔、磨削中，由于润滑剂的选用不当造成分解会导致氢渗入金属中。

硬化热处理后经机械加工、磨削、冷成型冷矫直处理的制件对氢脆损伤特别敏感。

同时如在冷轧、冲裁、压弯、磨削等机加工过程中使得零件表面产生加工裂纹，会导致零件裂纹处渗氢后很难经烘烤将氢析出。

同时裂纹处又是应力集中区，很容易造成零件在裂纹处延时断裂。

下图所示为一款65Mn材料的组合螺母，因表面有严重的机加工裂纹，导致在电镀后采用GBT/3098.17进行氢脆测试过程中发生氢脆断裂。

钢中氢、氮、氧的来源及其控制对策高海潮摘要：比较了国内外钢中氢、氮、氧的水平，叙述了国外对纯净钢要求不断提高的过程,分析了钢中氢、氮、氧的来源，讨论了氢和氧的变化规律、吹氧过程中氮的变化以及碳和氧的关系,提出了减少钢污染的有效方法，总结出净化钢液的主要技术措施。

关键词：纯净钢来源钢污染控制措施Sources and Control Measures of Hydrogen,Nitrogen andOxygen in SteelGao Haichao（Ma Anshan Iron & Steel Co.Ltd.）Abstract：The contents of hydrogen, nitrogen and oxygen in steel produced in our country and other countries are compared in this paper. The requirements for clean steel are increased. The analysis on sources of H,N,O in steel have been carried out. The rule of changes in H and O contents, N change in oxygen-blowing process and the relationship between C and O have been discussed herein. The effective measures of decreasing steel pollution are put forward, and the main technology for mloten steel cleaning is then concluded.Keyworks：clean steel source steel pollution control measure1 前言1996年，我国的钢产量突破1亿 t，成为世界第一产钢大国。

1.钢中氢的来源？答：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(见图3)。

氢进入钢液的主要途径是：通过废钢表面的铁锈(XFeO.rFe3O4.2H2O)；铁合金中的氢气；增碳剂、脱氧剂、复盖剂、保温剂、造渣剂(Ca(OH)2)、沥青和焦油中的水份；未烤干的钢包、中间包、中注管、汤道；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。

图1. 冶炼时钢液中氢和氧的变化规律2.一般钢中氢含量？答：氢以原子或离子(质子)的形式溶解于钢中，在一定温度下，钢液中氢的浓度[H]与氢的分压P H的平方根成正比。

即：[H]=K √ P H2当温度为1600 ︒C时K为0.0027，氢在铁中的溶解度随着温度和压力的下降而降低。

氢在固体铁中的溶解度与铁的晶体结构有关，发生相变时，溶解度急剧变化.如铁于1534︒C由液态结晶为固态时氢的溶解度显著下降；在1390︒C由δ－Fe转变为γ－Fe时溶解度重又增加，而在910︒C由γ－Fe转变为α－Fe时溶解度又显著下降。

氢在碱性电炉钢中约4-11个ppm，酸性电炉钢中约为3.5-8个ppm，转炉钢中约为3-6个ppm。

现今较为公认的钢中氢含量详见表1.表1. 一般钢中氢含量3.钢中氢对钢性能的危害？答：氢溶入钢中会降低钢的塑性和韧性。

研究表明，氢含量高不仅会导致钢的伸长率和面缩率急剧降低，还易产生氢致裂纹缺陷。

钢在冷却放置过程中，氢呈过饱和固溶体状态，由于其具有极强的扩散能力，很可能聚集在某些部位，使钢产品的局部压力增高，产生白点，形成内裂，进一步诱发高碳钢的疲劳损伤，严重影响其使用性能。

另一方面，冷却放置时，氢也能扩散到大气中，从而降低钢中的氢含量，减弱其危害。

4. 如何降低钢中氢？答：溶解在钢中的氢和氮以原子状态存在，其溶解反应为：{}[]H H =2%21在一定温度下达到平衡时: []212%H H P H K =[]2%H H P K H ⋅=上式说明氢在钢中的溶解度与作用在钢液面上的氢的分压的平方根成正比，即称西华特定律。