钢中氢的来源及控制

氢在钢铁生产中的应用及趋势
随着环境保护意识的提高以及国内新能源产业的发展，氢能作为清洁能源受到越来越多的关注，同时在钢铁生产中的应用也越来越广泛。

本文将介绍氢在钢铁生产中的应用及趋势。

1. 调节钢液成分
碳在钢液中扮演着关键作用，但含碳过多或过少都会对钢铁的性质产生不良影响。

而加入适量的氢气可以在炼钢过程中调节钢液的碳含量，保证钢铁的质量，同时还可以减少钢液中的氧和氮含量，提高钢的韧性和强度。

2. 替代燃料
传统的炼钢方式通常采用燃烧煤炭或焦炭，这会产生大量的二氧化碳和氮氧化物等有害气体。

而根据实验结果，使用氢气替代燃料可以大幅度减少这些有害气体的排放，从而减轻环境污染程度。

3. 纯化钢铁
1. 炼钢转型
由于氢气的清洁、高效和可再生性特点，未来将有越来越多的钢铁企业转向使用氢气代替传统燃料，以应对环保压力和资源短缺问题。

预计到2050年，炼钢业中氢气的使用量将会快速增长。

2. 智能化升级
随着新科技的快速发展，钢铁企业正在智能化升级，引入先进的技术设备来提高生产效率、降低生产成本和保证产品质量。

在这一进程中，氢气无疑将扮演着越来越重要的角色。

3. 循环发展
综上所述，随着氢能的发展和应用，其在钢铁生产中的应用也将会越来越广泛，同时也会引领整个产业的升级和转型，打造更加环保、可持续的钢铁生产新模式。

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。

钢氢含量测量钢材中的氢含量测量是一个重要的工艺环节，对于保证钢材质量和使用性能具有关键作用。

本文将介绍钢氢含量测量的原理、方法和应用。

一、钢氢含量测量的原理钢材中的氢含量会对其强度、韧性、脆性等性能产生重要影响，因此需要对钢材中的氢含量进行准确测量。

钢氢含量测量的原理主要基于氢气在钢材中的扩散和释放过程。

当钢材中存在氢气时，氢气会通过扩散进入钢材内部，并在应力作用下造成氢脆。

因此，通过测量钢材中的氢含量可以评估钢材的抗氢脆性能。

1. 氢脆试验法：这是一种常用的测量钢氢含量的方法。

该方法通过将钢材暴露在一定条件下，利用氢气的扩散和释放过程来评估钢材的抗氢脆性能。

常用的氢脆试验方法包括氢致开裂试验、氢脆敏感性试验等。

2. 氢解吸法：该方法通过测量钢材中氢气的解吸过程来评估钢材的氢含量。

常用的氢解吸方法有热解吸法、电解吸法等。

这些方法都是基于钢材中的氢气在一定条件下的解吸特性来进行测量。

3. 氢扩散法：该方法通过测量钢材中氢气的扩散过程来评估钢材的氢含量。

常用的氢扩散方法有电化学氢扩散法、氢扩散系数测定法等。

这些方法都是基于钢材中的氢气在一定条件下的扩散特性来进行测量。

三、钢氢含量测量的应用钢氢含量测量在钢铁行业中具有重要应用价值。

主要包括以下几个方面：1. 钢材质量控制：通过测量钢材中的氢含量，可以评估钢材的抗氢脆性能，从而控制钢材的质量。

这对于保证钢材的使用性能和延长使用寿命具有重要意义。

2. 工艺优化：钢氢含量测量可以帮助钢铁企业优化生产工艺。

通过测量不同工艺条件下的钢氢含量，可以评估工艺对钢材氢脆性能的影响，从而优化工艺参数，提高钢材的质量和性能。

3. 产品开发：钢氢含量测量可以为新产品的开发提供参考依据。

通过测量不同材料组成和处理工艺下的钢氢含量，可以评估材料的适用性和性能，为产品开发提供重要参考。

4. 故障分析：钢氢含量测量可以帮助企业进行故障分析和质量问题的解决。

通过测量故障产品的氢含量，可以确定是否存在氢脆问题，从而找出故障原因并采取相应措施进行改进。

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。

氢在钢中的溶解度概述氢在钢中的溶解度是指氢气在钢材中的溶解程度。

在某些情况下，钢材中的氢气可以对钢材的性能和可靠性产生负面影响。

了解氢在钢中的溶解度对于理解氢脆性、氢腐蚀以及氢诱发的应力开裂等问题非常重要。

氢在钢中的溶解氢气可以通过吸附、溶解和扩散等方式存在于钢材中。

其中，氢在钢中的溶解是最主要的方式。

钢材中的氢气可以溶解在钢的晶格中，形成固溶体。

氢在钢中的溶解度取决于多种因素，包括温度、压力、合金成分以及钢的微观结构等。

影响因素温度温度是影响氢在钢中溶解度的重要因素。

一般来说，随着温度的升高，氢在钢中的溶解度会增加。

这是因为高温会增加氢气的动能，使其更容易克服钢材表面的吸附力，进而溶解到钢的晶格中。

压力压力也会对氢在钢中的溶解度产生影响。

高压可以增加氢气与钢材之间的接触面积，有利于氢气的吸附和溶解。

因此，较高的压力通常会导致较高的氢溶解度。

合金成分钢材的合金成分对氢在钢中的溶解度起着重要作用。

一些合金元素，如镍、铬和钼等，可以促进氢在钢中的溶解，从而提高氢溶解度。

这是因为这些合金元素与氢之间会发生化学反应，形成稳定的化合物，有利于氢的溶解。

微观结构钢材的微观结构也对氢在钢中的溶解度产生影响。

一般来说，细小的晶粒和高密度的晶界对氢的扩散具有较高的阻碍作用，从而降低氢在钢中的溶解度。

此外，钢材中的缺陷和孔隙也会影响氢的溶解度。

氢在钢中的行为氢在钢中的存在可以导致多种问题，如氢脆性、氢腐蚀以及氢诱发的应力开裂等。

氢脆性氢脆性是指钢材在存在氢气的条件下变得易于断裂的性质。

氢脆性是由于氢在钢中的存在导致钢材的塑性降低所致。

氢会聚集在钢材中的缺陷和应力集中区域，导致局部应力集中，从而引发断裂。

氢腐蚀氢腐蚀是指钢材在存在氢气的条件下发生腐蚀的现象。

氢可以与钢材中的金属元素发生化学反应，形成氢化物，导致钢材的腐蚀。

氢腐蚀对钢材的性能和可靠性产生负面影响，降低了钢材的寿命。

氢诱发的应力开裂氢诱发的应力开裂是指钢材在受到应力的作用下，由于氢的存在而引发的裂纹扩展。

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。