控制钢中硫和磷含量的优化方法

作为焊接用钢，对钢中硫、磷含量有较严格的要求。特别是超低碳马氏体镍铬不锈钢，用于制造高强度部件及其焊材时，要求很低的硫含量。部分国外钢号，例如：00Cr12Ni4M。钢规定含硫量（质量分数）为0.0020%；00Cr13Ni5MoNb钢中元素含量（质量分数）：C=0.010%，S≤0.0020%。对含磷量（质量分数）的要求均在0.015%以下。因此，控制钢中硫、磷含量成为一项重要任务。

1.钢中含磷量的控制

（1）磷对马氏体镍铬不锈钢的危害 磷的危害主要表现在同铁、镍形成低熔点共晶，引起焊后热裂纹。Fe-P系中，共晶熔点为1050～1260℃；Ni-P系中，共晶熔点为880～1106℃。但是，由于磷在γ-Fe和δ-Fe中的溶解度高，在通常钢中含磷量水平下，不会形成低熔点共晶析出。因此，在马氏体镍铬不锈钢中，磷的危害远小于硫。作为焊接材料钢，要求把含磷量（质量分数）控制在0.010%以下，才能够满足使用要求。

焊接材料中的允许含磷量，与焊缝中δ铁素体含量有关。随焊缝中δ铁素体含量的增加，允许含磷量水平升高。焊缝中含体积分数为5%左右δ铁素体时，磷的安全含量（质量分数）可增加到0.015%。因为，磷在δ铁素体中的溶解度，比在γ-Fe中高，焊缝中存在的δ铁素体，具有抑制磷的有害作用的功能。

（2）控制钢中含磷量的措施 感应炉冶炼不具备脱磷的条件。冶炼过程主要依靠选择低磷炉料，来控制成品钢中含磷量。目前国产的原材料含磷量较低，可以保持冶炼成品钢中磷的质量分数小于0.010%。

表4-18列出冶炼00Cr13Ni5MoNb钢配料计算平衡含磷量。采用部分返回料用真空感应炉冶炼时，配料计算平衡含磷量（质量分数）为0.0087%。这样可以保证冶炼成品钢中磷的质量分数小于0.010%。因为，真空感应炉冶炼过程不会发生增磷现象。采用国产原材料，完全可以生产出满足焊材要求的低含磷量马氏体镍铬不锈钢。

表4-18 00Cr13Ni5MoNb钢配料计算平衡含磷量

①括号中元素的百分数为质量分数。下同。

2.降低钢中含硫量的措施

（1）硫对马氏体镍铬不锈钢的危害 硫对钢的危害远比磷严重。因为硫与铁、镍形成的低熔点共晶温度更低。在Fe-S系中共晶温度为988℃，Ni-S系中共晶温度为645℃；硫在δ-Fe和γ-Fe中的溶解度，远远低于磷的溶解度。因此，硫是极易形成低熔点共晶，危害性大于磷的有害杂质。(www.xing528.com)

硫在γ-Fe中的溶解度小于0.010%，随着镍、铬元素的加入硫的溶解度继续下降。因此，在马氏体镍铬不锈钢中硫的溶解度小于0.010%。钢中多余的硫将形成低熔点共晶，沿晶界析出，成为产生焊后热裂纹的源头。

焊接实践表明，马氏体镍铬不锈钢焊后不会产生热裂纹的最高含硫量（质量分数）为0.005%。因此，马氏体镍铬不锈钢的安全硫含量（质量分数）应当小于0.005%。通常冶炼超低碳高强度马氏体不锈钢时，要求硫的质量分数达到0.002%。

（2）中频感应炉冶炼降低钢中含硫量的措施 首先选择低含硫量原材料进行配料。表4-19列出中频感应炉冶炼含S＜0.005%（质量分数）超低碳马氏体镍铬不锈钢（00Cr13Ni5MoNb）的配料计算平衡含硫量。从计算结果可知，配料含硫量（质量分数）为0.007%。选择低含硫量原材料是生产S＜0.005%（质量分数）低硫钢的重要条件。在此基础上，通过还原渣脱硫和沉淀脱硫之后，可以生产出含硫量（质量分数）达到0.003%～0.004%的低硫超低碳马氏体镍铬不锈钢。

表4-19 00Cr13Ni5MoNb钢配料计算平衡含硫量

碱性还原渣脱硫，是中频感应炉冶炼高合金钢通用的脱硫方法。该脱硫方法的操作要点如下：装料前，在坩埚底部装入石灰约70%、萤石约30%的渣料，熔化过程中成渣并进行脱硫反应。渣量约占装料量的1.0%～2.0%。熔化期利用还原渣脱硫时，对于镍铬不锈钢脱硫率可以达到20%～40%。原始含硫量（质量分数）0.007%的00Cr13Ni5MoNb钢溶清后，钢液含硫量（质量分数）下降到约0.005%以下。在此基础上配合终脱氧后，向钢中加入质量分数为0.20%～0.30%混合稀土合金进行沉淀脱硫，其脱硫率为40%～50%，最终使钢中含硫量（质量分数）能达到0.003%水平。

（3）真空感应炉冶炼降低钢中含硫量的措施 利用真空感应炉冶炼超低碳马氏体镍铬不锈钢时，所用的降低钢中含硫量措施，与中频感应炉冶炼基本相同。不同点是还原渣的纯度高、成渣速度快和用量少。

真空感应炉使用的还原渣，是将含CaO≥90%活性石灰、含CaF₂≥95%萤石，按8∶2比例混合后，在专用的单相电渣炉进行熔化，并加铝粉脱氧精炼制成。熔渣冷却后，破碎至需要的粒度备用。作为底渣加入坩埚底部，加入量占炉料重量的0.2%～0.3%，粒度5～10mm。随后装料，合炉抽真空进行加热和熔化、精炼。脱硫率可以达到40%～60%。若钢中原始含硫量（质量分数）0.007%时，脱硫后含硫量（质量分数）可以降低到0.0035%左右。若配合用混合稀土合金进行沉淀脱硫，当其加入量（质量分数）为0.20%～0.25%时，脱硫率为40%～50%，使钢中含硫量（质量分数）可以降低到0.002%水平。

综上所述，利用上述脱硫方法，采用中频感应炉冶炼低碳和超低碳马氏体镍铬不锈钢时，可以使钢中含硫量（质量分数）达到0.005%水平，最低含硫量（质量分数）达到0.003%。采用真空感应炉冶炼超低碳和极低碳（碳的质量分数≤0.015%）马氏体镍铬不锈钢时，可以使钢中含硫量（质量分数）达到小于0.003%水平，最低含硫量（质量分数）达到0.002%。