如何控制钢材中的氢含量？

1.氢对马氏体镍铬不锈钢的危害

（1）氢使钢脆化而失去使用价值 在不锈钢系列中，马氏体不锈钢是对氢脆最敏感的钢系。由于晶体结构和马氏体转变等原因，造成了氢在钢中溶解度的急降，从而导致氢脆现象发生。

氢在奥氏体中的溶解度远远高于在铁素体与马氏体中的溶解度。奥氏体在高温冷却过程中产生A→M转变时，氢的溶解度迅速下降，导致大量氢气析出。氢在析出过程伴随发生由氢原子聚合成氢分子的聚合反应，即2H→H₂。聚合反应时会产生巨大的压应力，该压应力会超过钢的强度。在温度应力的双重作用之下，金属内部产生大量的微细裂纹。最终导致转变产物马氏体基体上分布着大量微细裂纹，使钢的硬度升高、塑性下降而脆化。这就是氢对马氏体镍铬不锈钢造成的最大的危害——氢脆。

（2）氢在钢中的最高允许含量Cr13、Cr13Ni5Mo类型的马氏体不锈钢，特别是作为焊接材料使用的钢中，要求氢的质量分数应不大于3.0×10^-6。这个数据是对焊缝金属提出的。如果用作非焊接材料时，应当适当放宽，通常将氢的质量分数控制在不大于4.0×10^-6。

采用中频感应炉冶炼时，通常的工艺方法可以达到钢中氢的质量分数不大于4.0×10^-6的水平；如要求达到不大于3.0×10^-6水平时，需要采取特殊措施，但是合格率比较低。

采用真空感应炉冶炼时，比较容易达到钢中氢的质量分数不大于3.0×10^-6水平。通常真空冶炼脱氢效果很好，钢中氢的质量分数可达到不大于2.0×10^-6水平。

2.中频感应炉冶炼钢中含氢量的控制

中频感应炉冶炼马氏体镍铬不锈钢时，为了控制钢中含氢量，应当注意下列操作要点。

（1）强化对炉料和渣料的烘烤制度

1）直接加入钢液的炉料。加入前必须除去油污，并在400℃左右充分烘烤。烘烤后的炉料应当及时使用。

2）造渣材料的烘烤：冶炼低氢钢时，应选用中性渣。中性渣由粘土耐火材料碎块（约80%）与萤石（约20%）组成。渣料应在200～300℃下保温烘烤，热态下使用。

（2）强化对耐火材料和钢包的干燥与烘烤 浇注系统使用的漏斗、中注管、保温帽、保护渣等，均应在200～300℃下充分干燥，除去水分。

浇注用钢包，应预先烘烤至700℃左右，保持1～2h，出钢时使用。

修补后的坩埚内壁、出钢口等部位，应烘烤1～2h，完全烧结后方可使用。

（3）降低炉渣碱度 碱性渣对大气隔离作用比酸性渣差。冶炼马氏体不锈钢时，选用中性渣，降低炉渣碱度，强化隔离作用。炉渣的隔离作用对降低钢液含氢量有明显效果。

（4）控制冶炼环境的湿度 冶炼车间环境湿度对钢中含氢量有显著的影响。图4-4所示为大气中水分含量与钢液含氢量的关系。从图中数据可以看出：随着大气湿度的增大，钢液中的含氢量升高，另外炉渣的隔离作用对减少钢液含氢量是显著的。因此，冶炼马氏体镍铬不锈钢时，应当选择在湿度不大于60%的干燥环境进行。

（5）钢包底吹氩降低含氢量 吹氩用气必须经过干燥脱水装置充分脱水，否则将会得到相反的结果。氩气流量根据钢包容量而定；供气压强以液面轻微沸腾为宜；吹氩时间以浇注温度而定。钢包吹氩是降低钢中含氢量的有效措施。

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图4-4 中频感应炉冶炼0.18C-2.5Cr-1.2Mo钢时大气水分含量与钢液含氢量的关系

3.真空感应炉冶炼钢中含氢量的控制

真空冶炼是生产低氢钢的最佳方法。通过真空感应冶炼的超低碳（碳的质量分数不大于0.030%）和极低碳（碳的质量分数不大于0.015%）镍铬不锈钢中，含氢量（质量分数）可以达到2.0×10^-6水平。

（1）真空冶炼脱氢的基础条件 根据西华特定律，钢液中含氢量[H]与真空冶炼时炉内氢气的分压力p_H2之间存在下列关系：

式中K_H——常数，即p_H2=1MPa时氢在钢液中的溶解度。

钢液中的含氢量与真空炉内炉气的氢气分压强p_H2的平方根成正比。真空感应炉内真空度越高，钢中溶解的氢越少。通过冶炼时炉内真空度的控制，达到控制钢中含氢量的目的。

图4-5示出纯铁液中氢的溶解度与真空度的关系。由于氢在钢液中不形成化合物，合金元素的含量对氢在钢中溶解度的影响不明显，故图中的关系可以代表氢在马氏体镍铬不锈钢中的近似关系。

（2）冶炼真空度与钢中含氢量的控制 真空感应炉冶炼为钢液脱氢提供了优良的条件。根据图4-5可以预测出冶炼马氏体镍铬不锈钢时，为使氢的质量分数小于3.0×10^-6所需要的精炼真空度。表4-11列出真空感应炉冶炼时钢中含氢量与真空度关系。真空感应炉精炼期，真空度通常均在0.5～5Pa，完全可以满足钢液脱氢的要求。因此使用真空感应炉，可以生产出氢的质量分数低于3.0×10^-6的马氏体铬和镍铬不锈钢。

图4-5 在纯铁液中氢的溶解度与真空度关系

表4-11 真空感应炉冶炼时钢中含氢量与真空度关系

为了使冶炼过程顺利进行，还必须采取以下措施：炉料的清洁与干燥、炉体的漏气率需合格、钢液用电磁搅拌等。

（3）严格控制炉体的压升率 炉体的压升率是表示炉子泄漏情况的指标。有时尽管真空度很高，一旦停抽真空时，炉内真空度迅速下降。这种情况表明，真空机组抽气能力很大，而炉体漏气量也大，大量空气穿膛而过，俗称“过堂风”。这给钢液脱氢和冶金质量带来不利影响。大量湿度较高的冷空气进入熔炼室，越过高温钢液表面，会给脱氢带来不利影响。因此，必须严格控制炉体压升率，不得超标。500kg以下容量炉子压升率应小于5×10^-3Pa/h；500kg以上容量炉子压升率应小于1×10^-1Pa/h。

（4）入炉原材料、耐火材料的烘烤与干燥 炉料应清洁无油污，减少带入的碳氢化合物。浇注用耐火材料，如流钢槽、挡渣器、浇口、保温帽，以及锭模等，应烘烤后使用，以降低浇注过程钢液增氢。通常在真空下浇注时，因为浇注系统耐火材料烘烤不当，能使钢液增氢量（质量分数）达到（0.5～1.0）×10^-6。

（5）改善脱氢过程动力学条件 大量氢气是在熔化期去除。特别在熔化期末，借助熔池中碳氧沸腾，为脱氢提供了有利条件。精炼期主要进行深度脱氢。为了提高脱氢效率，应当起动电磁搅拌或采取大功率短期搅拌，来改善脱氢的动力学条件。由于氢在钢液中扩散速度比氧、氮快，精炼期的真空度、精炼时间以及温度，完全满足脱氢的要求。所以在完成钢液脱氧和降氮的同时，含氢量也达到最低水平。