炼钢过程中为什么要测试钢铁中氧、氮、氢含量？

一、为什么要测试钢铁中氧、氮、氢含量：即氧、氮、氢对钢铁产品的危害或作用。


1、氧的危害
   氧和氢一样，都会对钢的机械性能产生不良影响。不仅是氧的浓度，而且含氧的夹杂物的多少、类型及其分布等也有很重要的影响。这类夹杂物是指金属氧化物、硅酸盐、铝酸盐、含氧硫化物以及类似的夹杂化合物。炼钢需要脱氧，因为凝固期间，溶液中氧和碳反应会生成一氧化碳，可以造成气泡。另外，冷却时氧可以作为FeO、MnO以及其他氧化夹杂物从溶液中析出，从而削弱其热加工或冷加工性，以及延展性、韧性、疲劳强度和钢的械加工性能。氧与氮和碳还能引起老化或者硬度在室温下自发的增加。对于铸铁，当铸块正凝固时，氧化物与碳可以发生反应，因此造成产品的孔隙和产品的脆化。

2、氮的危害或作用
    氮不能一概而论的归结为有害气体元素，因为有些特种钢是有目的的加入氮。所有的钢均含有氮，其存在量取决于钢的生产方法，合金元素的种类、数量及其加入方式，钢的浇铸方法，以及是否有目的的加入氮。有些牌号的不锈钢，适当增加N的含量，可以减少Cr的使用量，Cr相对很贵，此方法可以有效降低成本。钢铁中的氮大部分是呈金属氮化物的形态。例如：在存放一些时间后，钢发生应变时效，就不能被深冲加工（比如深冲加工为汽车保护板），因为钢会出现撕裂，不能沿各个方向被均匀地拉伸。这是由于晶粒大以及Fe4N沉积在晶粒界面上造成的。
    再如：在不锈钢中，晶粒界面上形成氮化铬（Cr2N）会耗尽界面上含有的铬，并引起所谓的粒间腐蚀现象。加入钛，优先形成氮化钛，就能防止这种有害的影响。
3、氢的危害
   当钢中氢含量大于2ppm时，氢在所谓“鳞片剥落”现象中起重要作用。在滚轧和锻造 后的冷却过程中出现内裂和断裂现象时，这种剥落现象一般更加明显，而且在大的断面或者高碳钢中更经常发现这种现象。由于内应力的存在，这种缺陷会造成发动机使用过程中大转子发生崩裂。铸铁中氢大于2ppm时，容易出现孔隙或一般的多孔性，这种氢造成的多孔性将造成铁的脆化。“氢脆”主要出现在马氏体钢中，在铁氧体钢中不十分突出，而在奥氏体钢中实际上尚不清楚。另外，氢脆一般与硬度和含碳量一起增加。

二、钢铁中氧氮氢的存在形式


1、氧的存在形式
    氧是以化合态和游离态共存的，一般游离态很少，主要是以Fe2O3、Fe3O4、FeO以及金属氧化物夹杂、硅酸盐、铝酸盐、含氧硫化物以及类似的夹杂化合物的形式存在，仪器测试总氧含量，一般用T[O]表示。

2、氮的存在形式
   钢中一部分氮是呈金属氮化物或者碳氮化物的形态；如今特种合金钢中所加入的大多数元素，在适当条件下能形成氮化物。这些元素包括锰、铝、硼、铬、钒、钼、钛、钨、铌、钽、锆、硅和稀土等。考虑到许多氮化物形成元素具有几种简单的或者复杂的氮化物，此时钢中可能会形成多达70多种氮化物。另一部分的氮是以氮原子的形式固溶在钢中。极少数情况下，氮以分子形式夹杂于气泡中或者吸附在钢的表面。

3、氢的存在形式
   钢中氢是以氢原子的形式存在的，在高温时，两个氢原子很容易就形成一个氢分子。氢原子很活泼，自然放置状态就会形成氢分子缓慢释放。

三、钢铁中氧氮氢的来源


1、氧的来源
    氧在各种炼钢炉冶炼终点时都以一定量存在钢水中，氧是生产过程中供给的，因为炼钢过程中首先是氧化过程,脱[P]、脱[S]、脱[Si]、脱[C]都需要向铁水供氧。但随着炼钢过程的进行，尽管工艺千变万化，可是炼钢炉内熔池中钢液的[C]、[O]的关系却有共同的规律性。即随着[C]的逐步降低， [O]却在逐步增高，[C]和[O]有着相互对应的平衡关系。

2、氮的来源
   氮气在炉气中的分压力很高，大气中氮的分压力大体保持在7.8Χ10^4Pa，因此钢中的氮主要是钢水裸露过程中吸入并溶解的。电炉炼钢，包括二次精炼的电弧加热，加速了气体的解离，故[N]含量偏高；平炉冶炼时间长增加了氮含量；转炉复吹控制不当，氮氩切换不及时也会增加氮的含量；铁合金、废钢铁和渣料中的氮也会随炉料带入钢水。

3、氢的来源
   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。氢进入钢液的主要途径是：通过废钢表面的铁锈（xFeO•yFe3O4•２H2O）；铁合金中的氢气；增碳剂、脱氧剂、覆盖剂、保温剂、遭渣剂（Ca(OH)2）、沥青和焦油中的水份；未烤干的钢包、中间包、中注管；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。

氧、氮、氢含量的测定有助于控制和改善钢的质量。氧会造成夹杂物增加，削弱钢的性能；氮在某些钢中有益，但过多会导致应变时效和粒间腐蚀；氢则会导致鳞片剥落和氢脆。氧主要以氧化物夹杂物形式存在，氮以氮化物或固溶态存在，氢以原子状态存在。氧氮氢主要来源于炼钢过程中的原材料和生产操作。
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