一、綜述
十二年前，我國(guó)的鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破1億噸大關(guān)，成為世界第一產(chǎn)鋼大國(guó)。隨著2008年8月，第29屆夏季奧運(yùn)會(huì)在我國(guó)的舉辦，各地基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目趁此契機(jī)大幅增多，對(duì)鋼鐵產(chǎn)品的需求量大增。同時(shí)，近年來(lái)我國(guó)鋼鐵的絕對(duì)產(chǎn)量也逐年大幅增加。比如山東某新建鋼廠(chǎng)，03年才開(kāi)始建廠(chǎng)房，至今短短5年的時(shí)間，年產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)千萬(wàn)噸！首鋼北京本部雖然生產(chǎn)逐年減少，但首鋼唐山、首鋼秦皇島、首鋼遷安等各分部已經(jīng)形成規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)量比原來(lái)的首鋼還要高出很多。單純的鋼鐵產(chǎn)量上“世界一流”早已不是夢(mèng)想。但與世界主要發(fā)達(dá)產(chǎn)鋼國(guó)家相比，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)品整體上在品種結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)裝備等方面還有不少的差距。在中高檔小汽車(chē)用鋼板等項(xiàng)目上，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量要提高的還有很多。
在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)激烈的競(jìng)爭(zhēng)壓力下，各鋼鐵廠(chǎng)都在努力追求高附加值的鋼鐵產(chǎn)品。隨著現(xiàn)代鐵水預(yù)處理技術(shù)的發(fā)展，脫磷、脫硫、脫硅在生產(chǎn)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最經(jīng)濟(jì)成本。在磷、硫的危害下降的同時(shí)，氫、氧、氮對(duì)鋼的危害愈加顯露出來(lái)。鋼中氫的致裂，氮的發(fā)脆，全氧與鋼中夾雜物的緊密關(guān)系，在分析鋼的缺陷時(shí)已經(jīng)形成共識(shí)。為此，各鋼鐵廠(chǎng)幾乎都配備了氧氮?dú)浞治鰞x，即使一些規(guī)模相對(duì)不算太大的特鋼廠(chǎng)，也配備了進(jìn)口氧氮?dú)浞治鰞x。氧氮?dú)鋬x器的增加，凸顯了成熟的氧氮?dú)浞治黾夹g(shù)人員比較缺少。在不少特鋼廠(chǎng)，操作人員對(duì)氧氮?dú)涞闹R(shí)需要從零學(xué)起。于是編寫(xiě)此文，獻(xiàn)給在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的操作人員。
一、為什么要測(cè)試鋼鐵中氧氮?dú)浜浚?/span>
即氧氮?dú)鋵?duì)鋼鐵產(chǎn)品的危害或作用。
1、氧的危害：
氧和氫一樣，都會(huì)對(duì)鋼的機(jī)械性能產(chǎn)生不良影響。不僅是氧的濃度，而且含氧的夾雜物的多少、類(lèi)型及其分布等也有很重要的影響。這類(lèi)夾雜物是指金屬氧化物、硅酸鹽、鋁酸鹽、含氧硫化物以及類(lèi)似的夾雜化合物。煉鋼需要脫氧，因?yàn)槟唐陂g，溶液中氧和碳反應(yīng)會(huì)生成一氧化碳，可以造成氣泡。另外，冷卻時(shí)氧可以作為FeO、MnO以及其他氧化夾雜物從溶液中析出，從而削弱其熱加工或冷加工性，以及延展性、韌性、疲勞強(qiáng)度和鋼的機(jī)械加工性能。氧與氮和碳還能引起老化或者硬度在室溫下自發(fā)的增加。對(duì)于鑄鐵，當(dāng)鑄塊正凝固時(shí)，氧化物與碳可以發(fā)生反應(yīng)，因此造成產(chǎn)品的孔隙和產(chǎn)品的脆化。
2、氮的危害或作用：
氮不能一概而論的歸結(jié)為有害氣體元素，因?yàn)橛行┨胤N鋼是有目的的加入氮。
所有的鋼均含有氮，其存在量取決于鋼的生產(chǎn)方法，合金元素的種類(lèi)、數(shù)量及其加入方式，鋼的澆鑄方法，以及是否有目的的加入氮。有些牌號(hào)的不銹鋼，適當(dāng)增加N的含量，可以減少Cr的使用量，Cr相對(duì)很貴，此方法可以有效降低成本。
鋼鐵中的氮大部分是呈金屬氮化物的形態(tài)。
例如：在存放一些時(shí)間后，鋼發(fā)生應(yīng)變時(shí)效，就不能被深沖加工（比如深沖加工為汽車(chē)保護(hù)板），因?yàn)殇摃?huì)出現(xiàn)撕裂，不能沿各個(gè)方向被均勻地拉伸。這是由于晶粒大以及Fe4N沉積在晶粒界面上造成的。
再如：在不銹鋼中，晶粒界面上形成氮化鉻（Cr2N）會(huì)耗盡界面上含有的鉻，并引起所謂的粒間腐蝕現(xiàn)象。加入鈦，優(yōu)先形成氮化鈦，就能防止這種有害的影響。
3、氫的危害：
當(dāng)鋼中氫含量大于2ppm時(shí)，氫在所謂“鱗片剝落”現(xiàn)象中起重要作用。在滾軋和鍛造后的冷卻過(guò)程中出現(xiàn)內(nèi)裂和斷裂現(xiàn)象時(shí)，這種剝落現(xiàn)象一般更加明顯，而且在大的斷面或者高碳鋼中更經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。由于內(nèi)應(yīng)力的存在，這種缺陷會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中大轉(zhuǎn)子發(fā)生崩裂。
鑄鐵中氫大于2ppm時(shí)，容易出現(xiàn)孔隙或一般的多孔性，這種氫造成的多孔性將造成鐵的脆化。
“氫脆”主要出現(xiàn)在馬氏體鋼中，在鐵氧體鋼中不十分突出，而在奧氏體鋼中實(shí)際上尚不清楚。另外，氫脆一般與硬度和含碳量一起增加。
二、鋼鐵中氧氮?dú)涞拇嬖谛问剑?/span>
1、氧的存在形式：
氧是以化合態(tài)和游離態(tài)共存的，一般游離態(tài)很少，主要是以Fe2O3 、Fe3O4、FeO以及金屬氧化物夾雜、硅酸鹽、鋁酸鹽、含氧硫化物以及類(lèi)似的夾雜化合物的形式存在，儀器測(cè)試總氧含量，一般用T[O]表示。
2、氮的存在形式：
鋼中一部分氮是呈金屬氮化物或者碳氮化物的形態(tài)；如今特種合金鋼中所加入的大多數(shù)元素，在適當(dāng)條件下能形成氮化物。這些元素包括錳、鋁、硼、鉻、釩、鉬、鈦、鎢、鈮、鉭、鋯、硅和稀土等。考慮到許多氮化物形成元素具有幾種簡(jiǎn)單的或者復(fù)雜的氮化物，此時(shí)鋼中可能會(huì)形成多達(dá)70多種氮化物。另一部分的氮是以氮原子的形式固溶在鋼中。極少數(shù)情況下，氮以分子形式夾雜于氣泡中或者吸附在鋼的表面。
3、氫的存在形式：
鋼中氫是以氫原子的形式存在的，在高溫時(shí)，兩個(gè)氫原子很容易就形成一個(gè)氫分子。氫原子很活潑，自然放置狀態(tài)就會(huì)形成氫分子緩慢釋放。
三、鋼鐵中氧氮?dú)涞膩?lái)源：
1、氧的來(lái)源：
氧在各種煉鋼爐冶煉終點(diǎn)時(shí)都以一定量存在鋼水中，氧是生產(chǎn)過(guò)程中供給的，因?yàn)闊掍撨^(guò)程中首先是氧化過(guò)程,脫[P]、脫[S]、脫[Si]、脫[C]都需要向鐵水供氧。但隨著煉鋼過(guò)程的進(jìn)行，盡管工藝千變?nèi)f化，可是煉鋼爐內(nèi)熔池中鋼液的[C]、[O]的關(guān)系卻有共同的規(guī)律性。即隨著[C]的逐步降低， [O]卻在逐步增高，[C]和[O]有著相互對(duì)應(yīng)的平衡關(guān)系。
2、氮的來(lái)源：
氮?dú)庠跔t氣中的分壓力很高，大氣中氮的分壓力大體保持在7.8Χ104Pa，因此鋼中的氮主要是鋼水裸露過(guò)程中吸入并溶解的。電爐煉鋼，包括二次精煉的電弧加熱，加速了氣體的解離，故[N]含量偏高；平爐冶煉時(shí)間長(zhǎng)增加了氮含量；轉(zhuǎn)爐復(fù)吹控制不當(dāng)，氮?dú)迩袚Q不及時(shí)也會(huì)增加氮的含量；鐵合金、廢鋼鐵和渣料中的氮也會(huì)隨爐料帶入鋼水。
3、氫的來(lái)源：
氫氣在爐氣中的分壓力很低，大氣中氫的分壓力為0.053Pa。因此鋼中的氫主要由爐氣中的水蒸汽的分壓力來(lái)決定的。氫進(jìn)入鋼液的主要途徑是：通過(guò)廢鋼表面的鐵銹（xFeO?yFe3O4 ?２H2O）；鐵合金中的氫氣；增碳劑、脫氧劑、覆蓋劑、保溫劑、遭渣劑（Ca(OH)2）、瀝青和焦油中的水份；未烤干的鋼包、中間包、中注管；鋼錠模的噴涂料；結(jié)晶器滲水以及大氣中的水份與鋼水或爐渣作用而進(jìn)入鋼中。
四、氧氮?dú)涞膬x器測(cè)試原理：
1、氧的測(cè)定：
生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)基本上都在使用紅外測(cè)氧儀測(cè)定氧含量。樣品由進(jìn)樣器掉進(jìn)光譜純石墨坩堝中，樣品在高溫坩堝中熔化，樣品中的氧與熱坩堝表面的碳起反應(yīng)，絕大部分生成一氧化碳，極微量生成二氧化碳。由氣泵將氣體送入催化劑爐子，CO轉(zhuǎn)換為 CO2，然后通過(guò)紅外池檢測(cè)CO2，經(jīng)過(guò)電腦處理?yè)Q算成氧的含量。
紅外池檢測(cè)原理，是根據(jù)某些氣體能夠吸收紅外線(xiàn)，而每種氣體只吸收紅外線(xiàn)中特定波長(zhǎng)，吸收光譜決定于氣體分子中原子類(lèi)型、結(jié)構(gòu)和排列順序。對(duì)于CO2只能吸收波長(zhǎng)為4.24微米的紅外線(xiàn)。檢測(cè)過(guò)程示意圖。
1 紅外光源
2 切光馬達(dá)
3 切光器
4 氣體進(jìn)口
5 氣體出口
6 CO2 濾光片
7 紅外檢測(cè)器
8 紅外檢測(cè)器
9 CO2濾光片
10 O2 光徑
11 O2 光徑
12 前置放大器
紅外光源 ( 1 )，是通過(guò)電子加熱，并且發(fā)出寬帶紅外光。光束被旋轉(zhuǎn)的葉片( 切光器 )( 3 )，間斷切斷，產(chǎn)生交變光。切光馬達(dá) ( 2 )，是由石英振蕩器控制。因此，紅外光的切光頻率是相當(dāng)穩(wěn)定的。紅外光通過(guò)有樣品氣和載氣混合氣流通過(guò)的測(cè)量池 ( 10,11 )時(shí)，被吸收。 而紅外光被吸收的強(qiáng)度與氣體濃度有關(guān)，紅外光束通過(guò)測(cè)量池后，經(jīng)過(guò)濾光片( 6,9 )，只有紅外光中窄帶通過(guò)。所選擇的中頻帶波長(zhǎng)，是對(duì)氣體測(cè)量呈最大吸收的波長(zhǎng)，通過(guò)濾光片后，光束強(qiáng)度是根據(jù)紅外池中氣體濃度來(lái)決定的，最后紅外光束照射到紅外檢測(cè)器 (7,8 )上，得到與光強(qiáng)成正比關(guān)系的電信號(hào)。
2、氮和氫的測(cè)定：
氮和氫一般都用熱導(dǎo)池檢測(cè)。我公司ONH-851氫的檢測(cè)是先把氫轉(zhuǎn)換成水蒸汽，用紅外檢測(cè)池檢測(cè)水蒸汽的濃度，達(dá)到檢測(cè)氫的目的。（紅外檢測(cè)法如上述。）
熱導(dǎo)池，是通過(guò)測(cè)量熱導(dǎo)率來(lái)檢測(cè)熱導(dǎo)變化的，而不是測(cè)量熱傳導(dǎo)吸收。它有一個(gè)很好的參比電阻，這個(gè)參比電阻是純載氣。
為了檢測(cè)精度，要求檢測(cè)氣和載氣的熱導(dǎo)系數(shù)盡可能相差越大越好。熱導(dǎo)系數(shù)跟氣體的分子量有關(guān)。出于經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮，根據(jù)下圖中氣體的熱導(dǎo)系數(shù)，一般測(cè)氮時(shí)，用高純氦氣做載氣；測(cè)氫時(shí)，用高純氮?dú)庾鲚d氣。
測(cè)量池 ( 1 )中有兩個(gè)通道，測(cè)量通道 ( 2 )通入分析氣流，參比通道 ( 3 ) 通入純載氣。
每個(gè)通道有兩個(gè)熱敏電阻 ( 4 )，檢測(cè)每個(gè)通道的熱敏變化。熱敏電阻連接在惠斯登電橋上，檢測(cè)輸出信號(hào)。信號(hào)通過(guò)放大器 ( 5 )， 傳輸?shù)诫娮訂卧?nbsp;( 6 )，無(wú)需調(diào)節(jié)，自動(dòng)回零。恒溫的環(huán)境，保證測(cè)量池不受影響。
五、鋼鐵中氧氮?dú)浜康默F(xiàn)狀：
國(guó)內(nèi)各鋼廠(chǎng)家氧氮?dú)涞暮扛鶕?jù)牌號(hào)和用途不同，含量有些差距。因?yàn)樯婕吧虡I(yè)利益，暫不對(duì)國(guó)內(nèi)各廠(chǎng)家具體數(shù)據(jù)詳細(xì)介紹。但是鋼的發(fā)展方向，是朝著“純凈鋼”方向發(fā)展已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)達(dá)成共識(shí)。
上世紀(jì)90年代“純凈鋼”概念的出現(xiàn)，國(guó)外所謂的潔凈鋼（Clean-steel）或者純凈鋼（Purity-steel），通常這種鋼是指[C]、[P]、[S]、 [N]、T[O]、 [H]含量總和小于100ppm，對(duì)鋼的純凈度要求上出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。隨著煉鋼技術(shù)的不斷提高，超純凈鋼的概念也已經(jīng)提出十年以上。
在世界上，德國(guó)和日本無(wú)疑代表著鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的最高水平。根據(jù)相關(guān)資料，列表如下，供各鋼廠(chǎng)參考。
國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)、預(yù)測(cè)的最佳純凈度：（單位ppm）
|
元素 |
[C] |
[P] |
[S] |
[N] |
T[O] |
[H] |
總含量 |
|
德國(guó)批量生產(chǎn) |
≤20 |
≤15 |
≤5 |
≤15 |
≤10 |
≤0.7 |
≤65.7 |
|
日本批量生產(chǎn) |
≤16 |
≤12 |
≤4 |
≤14 |
≤5 |
≤0.5 |
≤51.5 |
|
日本預(yù)計(jì) |
≤6 |
≤2 |
≤1 |
≤14 |
≤5 |
≤0.2 |
≤28.2 |
|
寶鋼—中間包 |
—— |
20 |
25 |
23 |
27 |
1.3 |
96.3 |
|
寶鋼—坯樣 |
—— |
31 |
27 |
10 |
11 |
1 |
80 |
天禹智控的“紅外煤氣分析儀”（可定制）可以分析鋼鐵廠(chǎng)的氣體及熱值，有便攜式、在線(xiàn)式和防爆式等類(lèi)型的分析儀，分析儀采用進(jìn)口NDIR非分光紅外傳感器，長(zhǎng)壽命電化學(xué)傳感器和苯基于MEMS的熱導(dǎo)傳感器，運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)，可同時(shí)在線(xiàn)測(cè)量煤氣、生物燃?xì)庵辛N氣體的體積濃度，根據(jù)氣體濃度值快速準(zhǔn)確計(jì)算出相應(yīng)的熱值。
該分析儀可應(yīng)用于鋼鐵、冶金、化工、煤氣化領(lǐng)域工業(yè)煤氣的成分及熱值測(cè)量；新能源行業(yè)如生物裂解氣等氣體成分測(cè)量；高校科研院所各種燃燒試驗(yàn)的氣體取樣分析等。
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