钢中残存有害元素的影响与控制
新五害杂质及影响
新五害元素 Pb、Sn、Sb、As、 Bi 介绍
• 1）铅：周期系第 IV A 族元素，原子序数 82，原子量 270.2，熔点 327.5℃，沸点 1740℃，密度 11.34g/cm ，银灰色重金属，质 柔软。钢中残余铅量极微，因绝大部分铅在冶 炼过程中以蒸汽逸出钢液。由于铅和铁不生成 固溶体，一般它是以微小的球状形态而存在于 钢中，易发生偏析，对钢性质有一定不良影响， 铅能使钢塑性略有降低，使钢的冲击值有较大 降低。如因特殊用途则是在浇注过程中加入， 钢中含少量铅可改善钢的切削加工性能。
• 2）锡：周期系第 IV A 族元素，原子序数 50，原子量 118.69，有白锡、灰锡、脆锡三种 同素异构体，熔点：白锡 231.88℃、灰锡 231.99℃、脆锡 231.89℃，沸点：白锡 2260℃、 灰锡 2270℃、脆锡 2260℃，密度：白锡 7.28g/cm ，灰锡 5.75g/cm ，脆锡 6.32~6.56g/cm 。锡可大大降低钢及合金的高 温机械性能，对钢的加工性能也十分有害。在 钢中加入少量锡能提高钢的耐腐蚀性，其强度 也有一定提高，而对塑性及韧性却影响不大。
减轻五害元素对钢 性能危害的方法
五害元素在钢中大多以偏析形式存在并发挥作用，它们具有较强的偏析 能力，既可 在钢液凝固过程中偏析，又可在随后的固态相变过程中偏析。 （1） 五害元素在钢液凝固过程中的偏析 五害元素属低熔点元素，资料 报道[，不同的低熔点金属元素的偏析能力可用偏析系数定量比较，凝固 偏析系数取决与残余元素在固相和液相两相之间的分配系数，一般先结 晶的固相中所含低熔点金属量较少，而后结晶的部分所含低熔点金属较 多，最后形成典型的铸锭偏析宏观结构。残余元素在钢中的凝固和富集 可用凝固因素和富集因素表示。镇静钢锭凝固时，低熔点金属元素偏析 规律的特征：钢锭由表及里，由下往上，元素含量逐渐增加。具体表现 在激冷层无偏析，柱状晶带呈正偏析并且朝轴心逐渐增加，锭身下部呈 负偏析，到上部柱状晶带朝轴心方向的负偏析变化不明显；钢锭由中向 下部区域偏析明显递减，且区域为正偏析。 对于钢液的凝固过程而言，Pb、Sn、As、Sb、Bi 等低熔点元素在钢锭 凝固结晶过程中，溶质元素分布不均匀。由于溶质元素在液相和固相的 溶解度与凝固过程中的选分结晶，结晶初期形成的树枝较钝，后结晶的 含有较多的溶质元素，形成晶粒内部浓度的不均匀或那个冷却过程中出 现晶界沉淀。
各元素对钢的影响
1、铬(Cr)铬能增加钢的淬透性并有二次硬化作用。
可提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆；含量超过12%时。
使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用。
还增加钢的热强性，铬为不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。
铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度。
降低伸长率和断面收缩率。
当铬含量超过15%时，强度和硬度将下降，伸长率和断面收缩率则相应地有所提高。
含铬钢的零件经研磨容易获得较高的表面加工质量。
铬在调质结构钢中的主要作用是提高淬透性。
使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。
含铬的弹簧钢在热处理时不易脱碳。
铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性。
有良好的回火稳定性。
在电热合金中，铬能提高合金的抗氧化性、电阻和强度。
(1) 对钢的显做组织及热处理的作用A、铬与铁形成连续固溶体，缩小奥氏体相区城。
铬与碳形成多种碳化物，与碳的亲和力大于铁和锰而低于钨、钼等．铬与铁可形成金属间化合物σ相(FeCr)B、铬使珠光体中碳的浓度及奥氏体中碳的极限溶解度减少C、减缓奥氏体的分解速度，显著提高钢的淬透性．但亦增加钢的回火脆性倾向(2)对钢的力学性能的作用A、提高钢的强度和硬度．时加入其他合金元素时，效果较显著B、显著提高钢的脆性转变温度C、在含铬量高的Fe-Cr合金中，若有σ相析出，冲击韧性急剧下降(3)对钢的物理、化学及工艺性能的作用A、提高钢的耐磨性，经研磨，易获得较高的表面光洁度B、降低钢的电导率，降低电阻温度系数C、提高钢的矫顽力和剩余磁感．广泛用于制造永磁钢D、铬促使钢的表面形成钝化膜，当有一定含量的铭时，显著提高钢的耐腐蚀性能（特别是硝酸）。
若有铬的碳化物析出时，使钢的耐腐蚀性能下降E、提高钢的抗氧化性能F、铬钢中易形成树枝状偏析，降低钢的塑性G、由于铬使钢的热导率下降，热加工时要缓慢升温，锻、轧后要缓冷(4)在钢中的应用A、合金结构钢中主要利用铬提高淬透性，并可在渗碳表面形成含铬碳化物以提高耐磨性B、弹簧钢中利用铬和共他合金元素一起提供的综合性能C、轴承钢中主要利用铬的特殊碳化物对耐磨性的贡献及研磨后表面光沽度高的优点D、工具钢和高速钢中主要利用铬提高耐磨性的作用，并具有一定的回火稳定性和韧性E、不锈钢、耐热钢中铬常与锰、氮、镍等联合便用，当需形成奥氏体钢时，稳定铁素体的铬与稳定奥氏体的锰、镍之间须有一定比例，如Cr18Ni9等F、我国铬资源较少．应尽量节省铬的使用2、钼(Mo)钼在钢中能提高淬透性和热强性。
残余元素对钢性能的影响
残余元素对钢性能的影响1碳它在钢中无论是作为间隙式溶解于铁里，还是碳化物析出，都是为了在一定的热处理条件下控制其显微组织的主要元素。
对于钢来说，碳是最为经济的强化元素，并且也是一直这么应用的。
不像软钢里的任何其他元素，它能够提高硬度却不会因此增加多少脆性。
碳会使钢的耐冲击性下降。
然而在进行电弧焊时，为了避免在其热影响区产生脆性，有必要将含碳量保持在某最大值之下。
为了在所要求的淬硬性和焊接性之间进行决定性的折中，常需要对钢的含碳量做出抉择，除了含碳量以外，还有其他途径可以控制这两种性能参数。
2硫它会通过“热脆性”影响钢的轧制质量，即在轧制的过程中产生裂纹并撕裂，会降低其焊接性。
硫的这种负面影响会随着含铜量的增加和浇铸温度的提高而增大，也会随着含锰量的增加而减小。
由于能断屑且不使切屑卷曲，故硫对钢的切削性是有益的。
硫在钢中大多作为长条形硫化物的夹杂物而存在，因此将降低其各向同性。
3磷“冷脆性” 或冷态条件下的脆性是由高含磷量所引起的，这还会在铸造时增加初始偏析的可能性，对于高含碳量这种效应还会更强。
磷在一定程度上能够提高钢的强度，尽管由于其他方面的负面影响而不这么利用。
与硫一样磷也有助于提高钢的易切削性。
为人熟知，磷在薄钢板轧制中能防止发生粘结。
如与铜配合使用，磷可改善钢在空气中的耐腐蚀性。
4硅高含硅量可提高钢的磁导率和增加其电阻。
它还能提高钢锭和其他一些铸件的致密性，因为它能阻止气泡和气孔的形成。
硅被发现能减缓铁素体的侵蚀速度。
硅有助于提高钢在大气中的耐腐蚀性，尤其是在酸性的环境里。
已经知道，硅会影响一些临界热点（相变温度），如Ac1 、Ac2 、Ar1 、Ar2 等（其定义可参见铁碳相图）。
一般来说，随着硅含量的增加，其塑性降低，而硬度、屈服点和抗拉强度得到提高。
硅还可显著降低石墨在铁中的溶解度。
5氮氮具有相当大的强化作用，并使钢变脆。
适量用于薄钢板可增加强度并保持较好的成形性。
氮能促使钢的淬火时效和应变时效，从而提高其硬度、屈服强度和抗拉强度，降低塑性，并提高其缺口冲击的转变温度。
残余元素对工艺及性能的影响
247管理及其他M anagement and other残余元素对工艺及性能的影响张胤彦（靖江特殊钢有限公司，江苏 泰州 214500）摘 要：钢中残留的铜、砷、锡等元素由于氧化电位较低，很难去除。
当它们完全渗入钢中时，会通过三种不同的机制影响钢的质量和性能，并在钢的生产过程中引起凝固、晶粒分离和析出，以及碱性金属和氧化层的富集。
这三种机制都会影响和破坏钢材的质量和性能。
关键词：残余元素；性能中图分类号:TF046 文献标识码:A 文章编号：11-5004（2021）07-0247-2收稿日期：2021-04作者简介：张胤彦，女，生于1981年，汉族，江苏人，硕士研究生，工程师，研究方向：金属材料。
高铁含量的铁矿石资源枯竭极大地增加了对各种低铁矿石资源的利用率。
此外，为了环境保护和降低成本，废品在工业生产中使用率也在逐年上升。
这些影响因素都会造成钢中其他残余元素的含量有较大幅度地增加。
钢中残留的有害元素是现代钢铁和冶金工艺中最为重要的一个技术问题。
1 残余元素的基本情况在目前的钢铁残余元素问题中，残余元素主要是指在钢铁生产中氧亲和力低于铁或氧化电位较低，难以去除，难以完全进入钢铁的元素。
由于残余元素在钢铁生产过程中不能有效去除，钢铁回收时会以很高的浓度聚集[1]。
如果其含量达到一定程度，就会对钢的某些性能产生重大影响，而其他元素则不在残余元素的讨论之列。
2 残余元素的危害及控制策略2.1 残余元素对钢质量和性能的危害残余元素Cu、Sn、Sb 对钢的质量和性能有很大的危害。
①板坯凝固过程中，板坯内部由于产生了凝固探针，容易出现中心团聚等内部缺陷，从而减少了板坯内部致密度和轧制成型产品的动力学性能；②分离晶界减少了晶体的表面热能，弱化了晶界，增加了沿着晶界发生脆性而导致断裂的可能。
这显著地降低了钢的耐冲击强度，并且改善了中频钢的高阻力特点。
并且恶化了中频钢的低阻力特性。
③它在钢材的基体和氧化层之间脱落并聚集，降低了棒材和钢材的表面质量，增加了热分散的趋势，降低了挤压盘管的热生产率；④低合金钢引起的温度弥散和低温的弥散；⑤研究结果显示，在含氢的气氛下发生拉伸腐蚀，⑥耐热钢的耐久性和热塑性明显降低。
钢中各元素的影响
钢材中都含有各种各样的杂质，杂志含量的多寡，直接影响到钢材的物理化学性质——1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当含碳量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。
碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。
如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。
硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。
在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。
硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。
含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。
硅量增加，会降低钢的焊接性能。
3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－.50%。
在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。
含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。
锰增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。
4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。
5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。
使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。
硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。
所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.0 40%。
在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。
6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。
有害元素对高炉炼铁的影响及控制措施
有害元素对高炉炼铁的影响及控制措施l 引言高炉炼铁原料中的有害元素主要有铅、锌、碱金属等。
锌在高炉内循环富集已严重影响高炉顺行和热制度稳定，渗入炉衬的zn蒸汽在炉衬内冷凝下来，造成高炉炉缸炉底砖衬上涨，风口大套上翘开裂、中套上翘变形、炉皮开裂、炉缸水温差上升等一系列后果，严重危害一代高炉寿命。
通过控制入炉原料有害元素含量，优化高炉操作，减少有害元素在高炉内循环富集，取得一定效果。
本文以新钢8#1050m。
高炉为例。
2 有害元素的来源通过对原燃料检测成份分析可以看出，碱金属来源主要来焦炭，其次是烧结矿和球团矿，而zn的来源，主要是山上球团厂球团矿和烧结矿。
zn的主要来源是生产烧结矿、球团矿的精矿粉，不法商贩将瓦期灰回收来的金属料加入精矿粉中，使原料Zn含量大大提升。
3 对高炉的影响(1)有害元素破坏砖衬及炉体。
2004年x月xx日前的2．8％左右，使得日前炉渣Mgo含量由原来的7．O％左右提升到目前的9．O～10．O％。
(3)控制好炉渣碱度。
通过降低炉渣碱度到1．O5～1．15之间，炉渣流动性优良，对排碱有利。
(4)优化操作，提铁水质量，通过攻关等一系列措施，优化高炉操作。
2006年以来，优质晶率坚持在较高的水平，2006年2月份至今一级品率基本在90％以上铁水粘度增加，流动性下降，使l150℃等温线上移，有效保护炉缸，使水温差稳定在1．4℃左右。
(5)采纳钒钛矿护炉。
虽然目前水温差已下降到1．4℃左右，但受炉的变化、炉温波动等囚素影响，水温差也有较大波动，为保证炉缸工作稳定，保护内衬，2006年6月份始开始用钒钛矿护炉，TiO入炉量维持在5kg／t铁左右，使用钒钛矿护炉以后，水温差稳定性显然好转，炉底温度也有所下降。
(6)合理控制气流分布。
依据炉衬温度的变化状况以及炉况表现，通过疏松边缘等措施，防止炉墙结厚，同时及时调整负荷，减少粘结物对高炉生产的影响。
(7)高炉灌浆。
针对8#高炉炉体实际状况，对高炉风口区及炉缸采纳高压灌浆，压入无水泥桨，填充缝隙，有效阻止有害元素的入侵。
钢中残余元素及其对钢性能的影响
第34卷 第10期1999年10月钢 铁IRON AND STEELVol.34,No.10October1999・综合论述・钢中残余元素及其对钢性能的影响冼爱平 张 盾 王仪康(中国科学院金属研究所)摘 要 简要地论述了钢中残余元素的行为及其对钢性能的影响,主要内容有钢中残余元素的来源,残余元素在铸锭过程中的凝固偏析和热处理时的晶界偏析,残余元素在热加工过程中表面热脆现象中的作用,残余元素在钢的第二类回火脆性现象中的作用,残余元素对钢材耐蚀性能、应变时效行为的影响,以及抑制晶粒长大的作用等,最后提出纯净钢工程是我国钢铁工业面临的重大项目。
关键词 钢 杂质 冶炼 热处理aIMPURITIES IN STEEL AND THEIR INFLUENCEON STEEL PROPERTIESXIAN Aiping ZHANG Dun WANG Yikang(T he Chinese Academy of Science)ABSTRACT This paper discusses briefly the behavior of r esidual elements in steel and their effect on property of steel.The contents include:the source of residual elements in steel;so-lidification segregation or grain boundary segr egation of residual elements during casting or heat treatment;the effect of residual elements on the surface hot-shortness,the second tem-per brittleness,the corrosion resistance,str ain aging and inhibition on grain growth.At last, it is pointed out that the production clean steel should be one of important projects for China Steel Industry in the future.KEY WORDS steel,impurities,metallurgy,heat treatment 钢中的残余元素问题是当代冶金工业面临的重要问题之一[1]。
钢材中的合金与杂质含量对其性能的影响
钢材中的合金与杂质含量对其性能的影响工业纯铁的塑性很好，但强度很低，一般不能满足实际需要。
通常加入Si、Mn等合金钢元素改善钢材性能，以满足实际要求。
另外，钢材在冶炼的过程中不可避免的含有C，S，P等杂质元素。
它们的存在，对钢材的性能也有很大影响。
1 对钢材力学性能的影响1.1 杂质的影响1.1.1 碳的影响碳与铁可以形成一系列化合物：Fe3C，Fe2C，FeC等。
碳能提高钢材的强度和硬度，但会降低钢材的塑性。
碳含量增加0.1%，钢材的抗拉强度可提高70MPa，屈服点提高28 MPa。
含碳量大于6.67%的合金脆性大，不具有实际使用价值。
海洋工程用钢根据碳的含量一般可分为三类（Section 8, API RP-2A-WSD, 1994）：①普通钢。
含碳量小于或等于0.4%。
最小屈服应力为280MPA。
②高强度钢。
碳含量为0.45%或更高。
屈服应力在280MPA和360MPA之间。
③对于屈服应力大于360MPA的超高强度钢要限制使用。
1.1.2 硫的影响硫通常以FeS的形式存在于钢材中。
FeS塑性差，熔点低。
钢水结晶时FeS 分布于晶界周围。
在800 0C~1200 0C时，轧制或铸造会导致晶界开裂，此现象即通常所说的钢的热脆现象。
若钢材中有Mn，则可形成高熔点的MnS（1600 0C）。
钢水在结晶时，MnS 呈颗粒分布于晶内，这样就可以大大降低硫的危害。
作为有害杂质，钢材中的硫含量通常限制在≤0.04%。
1.1.3 磷的影响钢材中的磷能全部溶于中，使其在室温下的强度升高，塑性降低，产生冷脆现象。
除上述有害方面外，磷对钢材有很高的强化作用。
磷提高钢材的屈服强度比镍高10倍，比锰高5倍，比铬高5倍，比铜高2.5倍，比硅高2倍，比钛高1.7倍。
磷提高钢材的极限强度比镍高6倍，比锰高5倍，比铬高3倍，比铜高1.1倍，比硅高1.3倍，比钛稍低。
此外，磷、铜共存可大大提高抗腐蚀性。
针对磷使钢脆化，冲击韧性降低，生产中一般把磷控制在0.12%以下。