钢中氢的危害及去除

底吹转炉钢中氢气的吹入与去除方案钢铁生产过程中，底吹转炉是一种常见的冶炼设备，通过底部吹气的方式，在高温下进行冶炼反应，生产出优质的钢材。

然而，底吹转炉钢中可能存在氢气，这对钢的质量和性能产生不利影响。

因此，合理的氢气吹入与去除方案对于提高钢材的质量至关重要。

首先，我们来探讨氢气的吹入方案。

氢气在底吹转炉炼钢过程中的吹入可以通过以下几个方面进行优化。

首先，控制底吹氧气量。

底吹转炉吹氧气是主要的冶炼手段，而氧气和氢气之间存在竞争反应。

过大的底吹氧气量会加速氢气的氧化速度，导致氢气转化为水蒸气而逸出炉外。

因此，合理调整底吹氧气量，控制氧气的浓度，有利于减少氢气的损失。

其次，增加吹氩量。

氢气在钢中溶解度较低，通过增加吹氩量，可以有效促进氢气在钢中的溶解。

同时，氩气还具有稀释效应，可以将局部高浓度的氢气稀释，降低其对钢的影响。

通过合理调整吹氩量，可以达到有效控制氢气含量的目的。

此外，调整底吹角度也是一个关键的因素。

底吹角度的改变会导致气液两相的流动方式发生变化，从而影响氢气的吹入和分布。

选择合适的底吹角度，可以将氢气均匀地吹入钢中，充分利用氢气的溶解和反应作用。

然而，在进行氢气吹入的同时，也需要与去除方案相结合，以尽量降低钢中氢气的含量。

首先，采用适当的冶炼工艺。

冶炼工艺是影响钢中氢气含量的重要因素之一。

在冶炼过程中，可以通过合理调整温度、浸渍时间和吹气速度等参数，降低氢气的溶解度和扩散速率。

此外，在进料和排渣过程中也应注意控制氢气的损失。

其次，采用适当的除气方法。

除气是去除钢中气体的常用手段。

传统的除气方式包括真空除气和气体吹扫等。

对于底吹转炉钢中的氢气去除，真空除气是一种有效的方法。

通过在冶炼过程中建立真空环境，可以有效地去除大部分的氢气。

此外，还可以采用高温脱气等技术对钢中残留的氢气进行进一步去除。

此外，合理的联合布局也可以提高氢气的去除效果。

通过将多个转炉进行串联，可将氢气的去除效果提升到更高的水平。

除氢和钝化处理 The document was finally revised on 2021除氢处理除氢处理，也称去氢处理，一般对电镀前后必须进行工序，特别是对高强度高硬度的零件在电镀工艺中。

基本信息降低氢脆的影响降低到最低限度?氢脆的原理与预防零件镀锌过程中，除锌的电沉积外，往往伴随有氢离子还原析氢的副反应。

氢还原一部分变成气体逸出，还有一部分以氢的原子形态渗入到镀层和基体金属晶格的点阵中去，造成晶格歪扭，零件内应力增加，镀层和基体变脆，人们称之为氢脆。

氢脆对材料的力学性能危害很大，如不除去，会影响零件的寿命，甚至造成机器的破坏事故。

因此某些钢材或用于特殊条件下的零件，必须进行除氢处理，例如飞机上使用的镀锌件都要经过除氢处理。

弹性零件和高强度钢上镀锌也需要进行除氢。

除氢采用加热处理法将氢从零件内部赶出去。

除氢效果与除氢温度、保温时间有关。

温度高，时间长除氢越彻底。

但加热温度不能太高，超过250℃锌结晶组织变形、发脆，耐蚀性明显下降。

一般用l90℃~230℃，2h~3h。

渗碳件和锡焊件除氢温度是140℃~l60℃，保温3h。

在任何电镀溶液中,由于水分子的离解,总或多或少地存在一定数量的氢离子。

因此,电镀过程中,在阴极析出金属(主反应)的同时,伴有氢气的析出(副反应)。

析氢的影响是多方面的,其中最主要的是氢脆。

氢脆是表面处理中最严重的质量隐患之一,析氢严重的零件在使用过程中就可能断裂,造成严重的事故。

表面处理技术人员必须掌握避免和消除氢脆的技术,氢脆的影响降低到最低限度。

氢脆氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。

曾经出现过汽车弹簧、垫圈、螺钉、片簧等镀锌件,在装配之后数小时内陆续发生断裂,断裂比例达40%~50%。

某特种产品镀镉件在使用过程中曾出现过批量裂纹断裂,曾组织过全国性攻关,制订严格的去氢工艺。

另外,有一些氢脆并不表现为延迟断裂现象,例如:电镀挂具(钢丝、铜丝)由于经多次电镀和酸洗退镀,渗氢较严重,在使用中经常出现一折便发生脆断的现象;猎枪精锻用的芯棒,经多次镀铬之后,堕地断裂;有的淬火零件(内应力大)在酸洗时便产生裂纹。

氢对钢的危害
氢在固态钢中溶解度很小，所以钢水在凝固和冷却过程中，氢会和CO、N2等气体一起析出，形成皮下气泡、形成中心缩孔、疏松。

实际上，钢在冷却过程中氢还会扩散析出，由于在固态钢中扩散速度很慢，只有很少量扩散到连铸坯(或钢锭)表面，多数是扩散到显微孔隙中、或夹杂物的附近、或晶界上的小孔中，形成氢分子。

由于氢分子不断地在析出的地方聚集，低温下KH值很小，pH2却很大，引起钢的内应力。

这种内应力再加上组织应力、热应力、变形应力等的总和，超过了钢的强度极限，就会破裂形成裂纹。

由于上述原因，氢会引起钢材的如下缺陷：
(1)发裂。

钢在热加工过程中，钢中的含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形成发裂，进而引起钢材的强度、塑性、冲击韧性降低，这称之为“氢脆”。

氢脆对钢材的横向性能影响尤为突出。

(2)白点。

在钢材横向断口上，白点表现为放射状或不规则排列的锯齿形小裂缝；在纵向断口上，有圆形或椭圆形的银白色斑点，因此得名为“白点”。

实际上白点是极细小的裂纹。

(3)层状断口。

由于有些钢中晶体结构的特点，使氢分子容易在树枝晶或变形晶体边界上聚集，由此引起内应力，导致晶间拉力的减弱，从而降低了钢材横向的塑性、冲击韧性，此时在钢材的断口呈针状叠层结构，称做层状断口。

钢的树枝晶越发达，越
容易形成层状断口缺陷。

含有铬镍或铬镍钼的合金钢比碳素钢的层状断口要严重。

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。

析氢现象及其危害本篇针对我司产品加工工艺特点，简单概述了原材料在冶金、锻造、电镀和焊接过程中的析氢现象，主要分析了氢产生的原因、危害及除氢方法，为生产提供一定的参考。

一、原因1.冶炼⑴炉料带入。

由废钢、生铁、铁合金及造渣材料等炉料中固有的氢以及炉料中的水分分解产生的氢溶入钢中。

⑵由炉气带入。

炉气中的水、氢气等都经过炉渣或直接与钢液接触而溶入钢中。

⑶由钢包、钢锭模以及保温冒的耐火材料带入。

⑷由大气带入。

大气铸锭时，空气中的水蒸气、氢气与钢液接触而溶入钢中。

2.电镀在电镀过程中，由于水分子的离解，总是或多或少地存在一定数量的氢离子，在电极的作用下，一部分就会从阴极析出氢气逸出，一部分以原子氢的状态渗入基体金属及镀层中。

具体的析氢过程如下：⑴H3O+从溶液中转移到阴极表面附近；⑵H3O+在阴极上脱水还原，生成的氢离子吸附在电极表面H3O+→H++H2O⑶两个吸附的氢原子结合成氢分子H++H+→H2⑷氢分子聚合成小气泡，并逐渐长大，最后离开电极表面而逸出。

3.焊接⑴焊条⑵母材⑶不干燥的保护气体(4) 空气湿度较大(5) 焊前未除油去污二、危害1.冶金⑴白点：在钢材横向断口上，主要表现为放射性或不规则排列的锯齿形小裂缝（有时也叫发裂）；在纵向断口上，有圆形或椭圆形的银白色斑点。

它是锻件在冷却过程中产生的一种内部缺陷，它的存在对钢的性能极为不利。

在交变和重复载荷作用下，白点处为应力集中点，常常成为疲劳源。

白点的产生是由于钢中氢和组织应力共同作用的结果。

目前关于氢致白点有以下几种解释：①钢中含有氢时，使钢的塑性降低。

当氢含量达到某一数值时，塑性急剧下降，造成氢脆现象。

②炼钢时钢液中吸收的氢，在钢锭凝固时因溶解度减少而析出。

有些氢来不及扩散到钢锭表面而存在钢锭内部显微空隙处、夹杂物附近或晶界上的小孔中。

氢原子在该处易结合成分子状态，并产生压力。

另外氢与钢中的碳反应易形成甲烷（CH4），也造成较大的分子压力。

③钢坯在冷却过程中因冷却速度等因素使相变产生较大的组织应力，在钢中氢脆的地方，将发生脆性破裂。

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。