关于钢中主要杂质元素的特性及影响探讨

周丽

【摘要】随着社会经济的快速发展，我国对钢铁资源的需求在质和量方面，也越来越高，这也使得近年来我国钢铁生产冶炼领域，获得了迅猛的发展，不仅在钢铁成品生产力及生产效率方面，得到了极大的提升，随着最新冶炼技术工艺及设备的研发及应用，我国钢铁产品在质量和性能方面，也取得了质的飞跃，钢铁生产制造领域的快速发展，对于推动我国工业领域的发展，保障我国社会经济的健康长远发展等，都有着积极意义。本文将就钢中主要杂质元素的特性进行分析，在此基础上，对钢中主要杂质元素对其的影响进行详细的探讨。

【关键词】钢铁冶炼；杂质元素；特性

引言

随着我国社会各领域建设事业的如火如荼的进行，我国对各类自然资源的需求也在急剧的提升，尤其随着我国建筑工程、水利电力工程等基础设施领域的快速发展，我国对钢铁资源的需求总量，在近年来出现了巨大的增加。同时由于各工程建设领域，对工程质量及安全性方面，提出了更高的要求，这也使得社会对工程建设材料，在性能及质量方面，提出了更高的要求，对钢铁材料的高要求就是其中典型的代表。然而虽然近年来我国在钢铁冶炼技术工艺领域，取得了重大的突破，钢铁性能得到了极大的提升，然而在钢铁冶炼过程中，其存在的杂质难以有效去除的问题依旧存在。由于其所用原材料，如铁合金，及废钢等中含有大量的金属和非金属杂质，而这些杂质虽然在冶炼过程中，能够去除一部分，但是其中仍然有部分杂质难以去除，并保留在钢铁成品中，如磷（P）元素、硫（S）元素，以及砷（As）元素、锑（Sb）元素等微量元素，而这些元素中有部分残余元素，其具有偏析特点（偏析是合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象，致使钢材的材质不均匀，进而产生缺陷，影响其力学性能，如承载力，塑性性能等），其含量虽少，但其对钢铁产品性能的影响却非常大，因而其极大的影响着钢铁性能的稳定，阻碍着钢铁质量的提高。加大对钢中主要杂质元素的特性及影响的相关研究，有着积极意义。下文将就钢中主要杂质元素的特性进行分析，在此基础上，对钢中主要杂质元素对其的影响进行详细的探讨。

1.钢中主要杂质元素的特性

1.1钢铁中杂质元素的主要来源

在钢铁冶炼过程中，由于其冶炼原材料中包含多种金属及非金属杂质，而由于缺乏相应的分离提纯技术，加之冶炼过程不可避免会残存部分杂质，使得当前我国钢铁产品中，或多或少的都会具有一定的杂质含量，诸如磷（P）元素、硫（S）元素等。具体来说，钢中杂质元素的主要来源，可以从钢铁冶炼所需要的原材料方面着手进行分析。在钢铁冶炼中，其主要原材料有生铁、铁矿石、废钢等。特别说明下废钢，废钢是电炉炼钢的主要原料。虽然按直接生产成本计算，废钢的炼钢成本要高于生铁炼钢，但是与用铁矿石和生铁炼钢相比，废钢铁炼每吨钢可减少近1.6吨碳排放，社会效益和综合效益十分可观。下面我简单的按原材料分析杂质的主要来源：生铁矿中的残余元素，以及废钢中的杂质元素等，是钢铁产品中，杂质元素的主要来源。生铁矿在融化成铁水的过程中，其中蕴含的残余元素，也会随之带入，并在经过一系列的冶炼除杂过程后，依旧有部分残余元素存留在钢铁产品中，并最终成为影响钢铁产品质量及稳定性的最主要因素之一；废钢中，则由于其含有较多的铁合金，其也会在冶炼结束后，依旧有部分杂质金属存留在钢铁产品中；此外，另一个杂质元素主要来源是废钢中合金钢所含的元素、镀层及表面涂层中的杂质，而这些杂质元素，其主要是通过罐头及镀锡板等方式，纳入到废钢的循环利用中，而常见的镀层金属主要有锌（Zn）元素、镍（Ni）元素，及（Cu）铜元素等，而其中锌（Zn）元素可以在炼钢过程中去除。但如果在铁合金中含有这些残余元素，在钢水精炼中又无法去除，将会影响产品的性能[1]。下图1为某厂钢铁冶炼工艺流程图。

1.2钢中杂质元素的成分

在钢铁产品中杂质元素分类方面，在钢的冶炼过程中，不可能除尽所有的杂质，所以实际使用的钢材中碳（C）以外，还含有少量的锰（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P）、氧（O）、氢（H）、氮（N）等元素，随着废钢的重复利用率的提高，钢材中的微量元素不断富集，我们把 铅（Pb）、砷（As）、铋（Bi）、锑（Sb）、锡（Sn）、铜（Cu）也包括在杂质元素之[2]。这些杂质元素的存在，会影响钢的质量和性能。

1.3钢中所含不同杂质的分类

根据钢中磷、硫的含量不同，普通钢可分为：

1）普通碳素钢：其中磷（P）的含量不大子0.045—0.085%；硫（S）的含量不大于0.055—0.06。

2）优质碳素钢其中磷（P）、硫（S）的含量均不大：0.040%。

3）高级优质碳素钢：其中磷（P）、硫（S）含量分别不大于0.030%和0.036%。

炼钢过程中，有时还加入一种或多种合金元素，如硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、钒（V）等，以改善钢的性能，或使其获得某些特殊性能。

根据钢中合金元素的总含量不同，合分钢可分为：

1）低合金钢：其中合金元素含量小于5%，

2）中合金钢：合金元素总含量为5～10%；

3）高合金钢：合金元素总含量大于10%。

根据钢中磷（P）、硫（S）的含量不同，合金钢可分为：

1）普通低合金钢：磷（P）、硫（S）的含量均不人于0.050%；

2）优质合金钢：磷（P）、硫（S）的含量均不大于0.040%；

3）高级优质合金钢：磷（P）、硫（S）含量均不大于0.030%。

钢按用途分为结构钢、工具钢、专用钢和特殊钢等。

2.钢中主要杂质元素的影响

2.2钢中主要杂质元素特性及其影响

钢中的主要杂质元素有硫（S）元素、磷（P）元素、氮（N）元素、氢（H）元素，氧（O）元素、锰（Mn）元素及硅（Si）元素等，以下将就其中几种较为常见的杂质元素的特性，及其对钢铁产品的主要影响进行详细分析。

硫（S）元素，其对钢铁产品的影响主要有积极和消极两方面影响。积极方面，由于其切屑发脆可以制造要求负荷不大高表面光洁度的钢制件。一般的说硫对各种钢均为有害物质，其主要以熔点较低的硫化亚铁（FeS）存在，在钢中与铁形成共晶体的共晶温度更低，钢在轧制时，削弱了晶粒之间的结合力，导致钢的热脆现象。含硫量高时，还会使钢铸件在铸造应力作用下产生热裂纹，同样，也会使焊接件在焊缝处产生热裂纹。在焊接时产生的S02气体，还使焊缝产生气孔和缩松；防止热脆的方法是往钢中加入适当的锰（Mn）。

磷（p）元素，其主要存在方式是铁素体，磷溶于铁素体，虽然能提高钢的强度和硬度，最大的害处是偏析严重，增加回火脆性，显著降低钢的塑性和韧性，致使钢在冷加工时容易脆裂，也即所谓”冷脆”现象。磷对焊接性也有不良影响。磷也是有害元素，应严加控制，一般含量不大于0.030%-0.040%。在一定的条件下其积极影响，由于切屑发脆得到光洁表面能够有效的提升钢产品的削钢速度、磷可提高比电阻，且由于容易粗晶而可是矫顽力和涡流损失降低。于磁感而言，则在弱中磁场下磷含量高的钢磁感会提高。

氮（N）元素，主要有2个时效，分别是淬火时效和应变时效。氮在一定温度时的溶解度最大，随着温度的降低，溶解度急剧下降，在时小于一定值时，如果将含氮较高的钢从高温急速冷却下来（淬火）时，就会得到氮的过饱和固溶体，将此钢材在室温下长期放置或稍加热时，教就逐渐以氮化铁的形式从铁素体中析出，使钢的强度硬度升高，塑性韧性下降，使钢材变脆，这种现象叫做淬火时效。氮的应变时效：另外，含有氮的低碳钢材经冷塑性变形后，性能也将随着时间而变化，即强度硬度升高，塑性韧性明显下降，这种现象称为应变时效。

结语

由以上可以看出，钢铁冶炼后，其最终产品中的杂质元素，会对钢铁产品的质量及性能的稳定性，产生不利影响，阻碍钢铁质量的提升，因此加大对钢中主要杂质元素的特性及影响的相关研究，有着深远意义。

参考文献

[1]王绚，唐雪萍，杨接明，雷旻.钢中主要杂质元素的特性及影响[J].特钢技术，2011，（01）：13-15.

[2]刘中柱，蔡开科.纯净钢及生产技术[J].中国冶金，1999年，5，P35