新五害雜質及影響講解

1、新五害雜質及影響新五害雜質及影響 新五害元素是指元素周期表中的第四主族新五害元素是指元素周期表中的第四主族 的鉛（的鉛（Pb）、錫（）、錫（Sn）和第五主族的砷）和第五主族的砷 （As）、銻、銻（Sb）和鉍（）和鉍（Bi），），這些元素的這些元素的 氧化位低于鐵，在電爐、轉爐等冶煉環(huán)節(jié)氧化位低于鐵，在電爐、轉爐等冶煉環(huán)節(jié) 中不能中不能有效有效去除，從而在鑄坯或鋼錠中有去除，從而在鑄坯或鋼錠中有 所富集，在軋制成鋼材后，所富集，在軋制成鋼材后，“惡化惡化”了鋼了鋼 材質量。材質量。 五害元素對鋼材性五害元素對鋼材性 能的影響能的影響 雖然五害元素含量不高，但由于它們原子半徑大，雖然五害元素含量不

2、高，但由于它們原子半徑大， 多在晶界與表面富集，分布不多在晶界與表面富集，分布不均勻均勻，因而對鋼的加，因而對鋼的加 工及性能帶來極大的工及性能帶來極大的危害，危害，其主要體現(xiàn)在：其主要體現(xiàn)在： 1）增加鋼的熱脆傾向，惡化鋼坯、鋼材的）增加鋼的熱脆傾向，惡化鋼坯、鋼材的熱加工熱加工 性能性能 ； 2）造成低溫脆性和高溫回火脆性）造成低溫脆性和高溫回火脆性 ； 3）降低鋼的熱塑性、導致連鑄坯表面）降低鋼的熱塑性、導致連鑄坯表面開裂；開裂； 4）降低鋼材的抗腐蝕性能等）降低鋼材的抗腐蝕性能等 。 5）As、Sb 對合金結構鋼疲勞性能產(chǎn)生較大影對合金結構鋼疲勞性能產(chǎn)生較大影 響響 。 新五害元素新五

3、害元素 Pb、Sn、Sb、As、 Bi 介紹介紹 1）鉛：周期系第）鉛：周期系第 IV A 族元素，原子序數(shù)族元素，原子序數(shù) 82，原子量，原子量 270.2，熔點，熔點 327.5，沸點沸點 1740，密度，密度 11.34g/cm ，銀灰色重金屬，質，銀灰色重金屬，質 柔軟。鋼中殘余鉛量極微，因柔軟。鋼中殘余鉛量極微，因絕大部分鉛絕大部分鉛在冶在冶 煉過程中以蒸汽逸出鋼液。由于鉛和鐵不生成煉過程中以蒸汽逸出鋼液。由于鉛和鐵不生成 固溶體，一般它是以微小的球狀固溶體，一般它是以微小的球狀形態(tài)形態(tài)而存在于而存在于 鋼中，易發(fā)生偏析，對鋼性質有一定不良影響，鋼中，易發(fā)生偏析，對鋼性質有一定不良影

4、響， 鉛能使鋼塑性略有降低，鉛能使鋼塑性略有降低，使鋼使鋼的沖擊值有較大的沖擊值有較大 降低。如因特殊用途則是在澆注過程中加入，降低。如因特殊用途則是在澆注過程中加入， 鋼中含少量鉛可改善鋼中含少量鉛可改善鋼的鋼的切削加工性能切削加工性能。 2）錫：周期系第）錫：周期系第 IV A 族元素，原子序數(shù)族元素，原子序數(shù) 50，原子量，原子量 118.69，有白錫、灰錫，有白錫、灰錫、脆、脆錫三種錫三種 同素異構體，熔點：白錫同素異構體，熔點：白錫 231.88、灰錫、灰錫 231.99、脆錫、脆錫 231.89，沸點，沸點：白錫：白錫 2260、 灰錫灰錫 2270、脆錫、脆錫 2260，密度：白

5、錫，密度：白錫 7.28g/cm ，灰錫，灰錫 5.75g/cm ，脆錫脆錫 6.326.56g/cm 。錫可大大降低鋼及合金的高。錫可大大降低鋼及合金的高 溫機械性能，對鋼的加工性能也十分溫機械性能，對鋼的加工性能也十分有害有害。在。在 鋼中加入少量錫能提高鋼的耐腐蝕性，其強度鋼中加入少量錫能提高鋼的耐腐蝕性，其強度 也有一定提高，而對塑性及韌性也有一定提高，而對塑性及韌性卻影響卻影響不大不大。 3）砷：周期系第）砷：周期系第 V A 族元素，原子序數(shù)族元素，原子序數(shù) 33， 原子量原子量 74.92，熔點，熔點 717，在，在 613升華，密升華，密 度度 5.727g/cm ，俗名砒，有

6、灰、黃、黑三種同，俗名砒，有灰、黃、黑三種同 素異構體。砷在鋼中常以素異構體。砷在鋼中常以 Fe2As、Fe3As2、 FeAs 及固溶體形式存在，易發(fā)生偏析現(xiàn)象，及固溶體形式存在，易發(fā)生偏析現(xiàn)象， 砷與磷、屜同族，對鋼性能影響砷與磷、屜同族，對鋼性能影響有類似之有類似之處，處， 砷能提高鋼的抗拉強度和屈服點，增強抗腐蝕砷能提高鋼的抗拉強度和屈服點，增強抗腐蝕 和抗氧化能力，但砷含量和抗氧化能力，但砷含量較高時較高時（如大于（如大于 0.2%）則使鋼的脆性增加，延伸率、斷面收縮）則使鋼的脆性增加，延伸率、斷面收縮 率及韌性降低，并影響率及韌性降低，并影響焊接焊接 王王繼堯等人研究繼堯等人研究

7、認為認為 As、Sb 對合金結構鋼疲勞性能產(chǎn)生對合金結構鋼疲勞性能產(chǎn)生較大 影響 4）銻：周期系第）銻：周期系第 V A 族元素，原子序數(shù)族元素，原子序數(shù) 51，原，原 子量子量 121.8，熔點，熔點 630.74，沸點沸點 1750，密度，密度 6.684g/cm3，銻對鋼的性質有惡劣影響，一半使鋼的強，銻對鋼的性質有惡劣影響，一半使鋼的強 度降低，會度降低，會不同程度不同程度的提高鋼的抗腐蝕能力及耐磨性的提高鋼的抗腐蝕能力及耐磨性。 5）鉍：周期系第）鉍：周期系第 V A 族元素，原子序數(shù)族元素，原子序數(shù) 83，原，原 子量子量 208.98，熔點，熔點 271.4，沸點沸點 1560，

8、密度，密度 9.8g/cm3，由于鉍在鋼種幾乎不熔，在冶煉過程中絕大，由于鉍在鋼種幾乎不熔，在冶煉過程中絕大 部分以蒸汽逸出部分以蒸汽逸出，故，故鉍在鋼中含量極微。它易偏析于晶鉍在鋼中含量極微。它易偏析于晶 間、相間，它在精簡濃度甚至可為在合金整體間、相間，它在精簡濃度甚至可為在合金整體濃度的濃度的 8100 倍，它的存在因而會引起鋼的脆性，它能使不銹倍，它的存在因而會引起鋼的脆性，它能使不銹 鋼熱態(tài)韌性降低，如含鉍量鋼熱態(tài)韌性降低，如含鉍量較多較多，它還會降低鋼的塑性，它還會降低鋼的塑性， 影響鋼的高溫強度，致使不銹鋼擠壓產(chǎn)生裂紋。如作影響鋼的高溫強度，致使不銹鋼擠壓產(chǎn)生裂紋。如作特特 殊用

9、途殊用途加少量鉍入鋼中，則可顯著改善鋼的切削加工性加少量鉍入鋼中，則可顯著改善鋼的切削加工性 能。能。 鋼中新五害元素的鋼中新五害元素的 來源來源 1） 國內(nèi)外廢鋼質量情況國內(nèi)外廢鋼質量情況 鋼中五害元素的來源復雜，各種入爐材料（如廢鋼中五害元素的來源復雜，各種入爐材料（如廢 鋼、生鐵、鐵合金等）都有可能鋼、生鐵、鐵合金等）都有可能帶入帶入一定的五害一定的五害 元素，其中廢鋼，特別是社會、外購廢鋼是五害元素，其中廢鋼，特別是社會、外購廢鋼是五害 元素的主要元素的主要來源，來源，Sn是是工業(yè)廢鋼中常見的元素工業(yè)廢鋼中常見的元素 。 如重型廢鋼中如重型廢鋼中 Sn 含量約為含量約為 0.0190.

10、036%，Pb 含含 量約量約為為0.010.05%；打包壓塊廢鋼中的；打包壓塊廢鋼中的 Sn 含量含量 約為約為 0.0090.075%，Pb 含量約為含量約為 0.010.05% 。 除此之外，廢鋼中合金鋼和鋼的表面涂層或鍍層除此之外，廢鋼中合金鋼和鋼的表面涂層或鍍層 含的五害元素比較多，如含的五害元素比較多，如鍍錫板鍍錫板等。隨著新科技、等。隨著新科技、 高科技的發(fā)展，噴涂、鍍層、焊錫板以及復合高高科技的發(fā)展，噴涂、鍍層、焊錫板以及復合高 性能材料的出現(xiàn)性能材料的出現(xiàn)，廢鋼，廢鋼中的五害元素含量必將進中的五害元素含量必將進 一步增加，預計一步增加，預計 2015 年廢鋼中的殘余元素含量將

11、年廢鋼中的殘余元素含量將 超過超過目前目前水平的水平的 1.21.5 倍，這將對鋼材的質量倍，這將對鋼材的質量 造成巨大的危害，這在現(xiàn)在即未來都是造成巨大的危害，這在現(xiàn)在即未來都是不容忽視不容忽視 的難題的難題 。 2） 鐵礦石情況鐵礦石情況 其中鐵礦石是鋼中五害元素來源之一，采用不其中鐵礦石是鋼中五害元素來源之一，采用不 同地區(qū)礦石的煉鋼廠五害元素含量同地區(qū)礦石的煉鋼廠五害元素含量水平水平差別較大。差別較大。 使用優(yōu)良的鐵礦石，特別是使用純度高的鐵礦石使用優(yōu)良的鐵礦石，特別是使用純度高的鐵礦石 作為原料，為生產(chǎn)純凈作為原料，為生產(chǎn)純凈鋼創(chuàng)造鋼創(chuàng)造了先天了先天條件。我國條件。我國 南方鐵礦石中

12、經(jīng)常含有較多的南方鐵礦石中經(jīng)常含有較多的 As 和和 Sb36，貴州，貴州 省鐵礦資源少，鐵礦石品位低省鐵礦資源少，鐵礦石品位低，赫，赫章、遵義地區(qū)章、遵義地區(qū) 鐵礦含鐵礦含 As 較高，經(jīng)首鋼貴鋼公司進廠生鐵檢驗顯較高，經(jīng)首鋼貴鋼公司進廠生鐵檢驗顯 示，赫章地區(qū)的示，赫章地區(qū)的生鐵生鐵As 含量長期在含量長期在 0.15%左右，左右， 而遵義地區(qū)的生鐵而遵義地區(qū)的生鐵 As 含量長期在含量長期在 0.10 左右，貴左右，貴 州其它州其它地區(qū)生鐵地區(qū)生鐵中中 As 含量基本在含量基本在 0.04%0.08%， 而在高爐煉鐵過程中，入爐原料帶進的砷全部而在高爐煉鐵過程中，入爐原料帶進的砷全部還還

13、 原進入原進入生鐵生鐵中中 由于由于工業(yè)欠發(fā)達，機加工行業(yè)少，工業(yè)欠發(fā)達，機加工行業(yè)少， 貴鋼在本地采購的廢鋼在多為社會廢鋼，其中貴鋼在本地采購的廢鋼在多為社會廢鋼，其中含含 大量大量的鍋鏵鐵、電子板、鍍鋅板、鍍錫板等，有的鍋鏵鐵、電子板、鍍鋅板、鍍錫板等，有 害元素普遍害元素普遍較高較高 五害元素在鋼中的五害元素在鋼中的 偏析偏析 （2）在固態(tài)相變過程中的偏析）在固態(tài)相變過程中的偏析 低熔點金屬元素在加熱或固態(tài)相變過程中，也可能產(chǎn)生晶低熔點金屬元素在加熱或固態(tài)相變過程中，也可能產(chǎn)生晶 界偏析。但與凝固偏析界偏析。但與凝固偏析相比相比，由于它們只能做近程擴散，所，由于它們只能做近程擴散，所 以

14、這種偏析一般在原始奧氏體晶界等晶體缺陷位置以這種偏析一般在原始奧氏體晶界等晶體缺陷位置，一，一種觀種觀 點認為點認為 As、Sn、Sb 等元素在奧氏體化時偏聚在晶界導致晶等元素在奧氏體化時偏聚在晶界導致晶 界弱化是造成低溫界弱化是造成低溫回火回火脆性的原因脆性的原因32,33，另一種觀點認為，另一種觀點認為 淬火馬氏體板條間的殘余奧氏體回火時分解淬火馬氏體板條間的殘余奧氏體回火時分解為脆性為脆性碳化物薄碳化物薄 殼是導致低溫回火脆性的原因殼是導致低溫回火脆性的原因34,35。根據(jù)。根據(jù) Seach-Hondros 模型，晶界模型，晶界富集因數(shù)（晶界濃度與晶內(nèi)濃度之比）與富集因數(shù)（晶界濃度與晶內(nèi)

15、濃度之比）與 Pb、 Sn 等元素在鋼中的溶解度成正比。等元素在鋼中的溶解度成正比。如果如果知道低熔點元素在鋼知道低熔點元素在鋼 中的固溶度，利用經(jīng)驗關系中的固溶度，利用經(jīng)驗關系 lg=algCm+b，就可以大致估計，就可以大致估計 它它的晶界的晶界富集因素，富集因素，Cm 為殘余元素的溶解度，為殘余元素的溶解度，a 和和 b 均為常均為常 數(shù)，其中數(shù)，其中 a=-0.868，b=0.898。英。英宏等人宏等人在在研究微量元素研究微量元素 Sn、 As 在在 U74 重軌鋼中的晶界偏聚指出，重軌鋼中的晶界偏聚指出，U74 重軌鋼重軌鋼在高溫在高溫奧氏奧氏 體化后緩慢冷卻過程中，錫元素明顯沿奧氏

16、體晶界分布，這體化后緩慢冷卻過程中，錫元素明顯沿奧氏體晶界分布，這 樣才能使半徑樣才能使半徑比較大比較大的金屬原子有足夠的時間和能力來富集的金屬原子有足夠的時間和能力來富集 到晶界上去；當冷卻速度大于到晶界上去；當冷卻速度大于 1/S 時，錫元素的晶界偏聚時，錫元素的晶界偏聚 受到受到抑制抑制。 減輕五害元素對鋼減輕五害元素對鋼 性能危害的方法性能危害的方法 五害元素在鋼中大多以偏析形式存在并發(fā)揮作用，它們具有較強的偏析五害元素在鋼中大多以偏析形式存在并發(fā)揮作用，它們具有較強的偏析 能力，既可能力，既可 在鋼液凝固過程中偏析，又可在隨后的固態(tài)相變過程中偏析。在鋼液凝固過程中偏析，又可在隨后的固

17、態(tài)相變過程中偏析。 （1） 五害元素在鋼液凝固過程中的五害元素在鋼液凝固過程中的偏析偏析 五五害元素屬低熔點元素，資料害元素屬低熔點元素，資料 報道報道，不同的低熔點金屬元素的偏析能力可用不同的低熔點金屬元素的偏析能力可用偏析系數(shù)偏析系數(shù)定量比較，凝固定量比較，凝固 偏析系數(shù)取決與殘余元素在固相和液相兩相之間的分配系數(shù)，偏析系數(shù)取決與殘余元素在固相和液相兩相之間的分配系數(shù)，一般先一般先結結 晶的固相中所含低熔點金屬量較少，而后結晶的部分所含低熔點金屬較晶的固相中所含低熔點金屬量較少，而后結晶的部分所含低熔點金屬較 多，最后多，最后形成形成典型的鑄錠偏析宏觀結構。殘余元素在鋼中的凝固和富集典型的

18、鑄錠偏析宏觀結構。殘余元素在鋼中的凝固和富集 可用凝固因素和富集因素可用凝固因素和富集因素表示。表示。鎮(zhèn)靜鋼錠凝固時，低熔點金屬元素偏析鎮(zhèn)靜鋼錠凝固時，低熔點金屬元素偏析 規(guī)律的特征：鋼錠由表及里，由下往上規(guī)律的特征：鋼錠由表及里，由下往上，元素，元素含量逐漸增加。具體表現(xiàn)含量逐漸增加。具體表現(xiàn) 在激冷層無偏析，柱狀晶帶呈正偏析并且朝軸心逐漸增加在激冷層無偏析，柱狀晶帶呈正偏析并且朝軸心逐漸增加，錠，錠身下部呈身下部呈 負偏析，到上部柱狀晶帶朝軸心方向的負偏析變化不明顯；鋼錠由中向負偏析，到上部柱狀晶帶朝軸心方向的負偏析變化不明顯；鋼錠由中向 下部區(qū)域下部區(qū)域偏析明顯遞減，且區(qū)域為正偏析。偏析明顯遞減，且區(qū)域為正偏析。 對于鋼液的凝固過程而言，對于鋼液的凝固過程而言，Pb、Sn、As、Sb、Bi 等低熔點元素在鋼錠等低熔點元素在鋼錠 凝固結晶凝固結晶過程中過程中，溶質元素分布不均勻。由于溶質元素在液相和固相的，溶質元素分布不均勻。由于溶質元素在液相和固相的 溶解度與凝固過程中的選分溶解度與凝固過程中的選分結晶結晶，結晶初期