砷對碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼筋鋼性能的影響

1、砷對碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼筋鋼性能的影響 莊漢洲鄧少妍元俊輝(廣鋼鋼研所 摘要 在正常的生產(chǎn)條 件下 , 對普 通碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合 金鋼筋鋼進行了較 大規(guī)模的工業(yè)生 產(chǎn)試驗 , 研究了將砷含 量從 0. 090%提 高到 0. 091%0. 150%時 , 砷在 鋼中的偏析和軋 鋼熱加工 過程的表面富集傾向 , 以及砷對 鋼的金相組織、 屈服點、 抗拉強度、 延 伸率、 常溫 沖擊韌性、 低溫 (-20 沖擊 韌性和應(yīng)變時效敏感性的影響。關(guān)鍵詞 砷含量結(jié)構(gòu)鋼鋼筋鋼性能 影響THE INFLUENCE OF ARSENIC ON THE PERFERMANCE OF REINFORCED BAR

2、MADE OF CARBON STRUCTURAL STEEL AND LOW ALLOY STEELZhuang Hanzhou Deng Shaoy an Yuan Junhui(G uang zhou Ir on and Steel Resear ch Institut eAbstract A larg e sca le industr ial-scale exper iment on r einfo rced bar made o f no rmal ca rbon structur al steel and lo w allo y steel w as car ried o ut a

3、t no rm al pr oduct ion co ndition . T he seg reg a-tio n of ar senic in steel and the enr iching trend of a rsenic to the surface during hot metal w or king pro cess when arsenic co ntent is incr eased fro m 0. 090%to 0. 0910. 150%have been inv est ig at-ed, meanwhile, the influence of arsenic on t

4、he steels metallo gr aphic com po sitio n, yield po int 、 t ensile streng th 、 per centag e of elo ngation 、 impa ct to ughness of r oo m temper ature 、 impact toughness o f low temperat ur e(-20 and sensibilit y o f st rain ag eing ha ve also been studied.Keywords ar senic co ntent structura l stee

5、l reinfo rced bar steel per for mance influence1前言廣鋼長期使用本省地方鐵礦 , 多數(shù)礦點 不同程度都伴生有 As 等多種元素。 由于砷 對鋼性能的某些不良影響 , 人們常把它視為 鋼中的有害元素。 在現(xiàn)行的煉鐵、 煉鋼生產(chǎn)工 藝條件下 , 砷基本上無法去除 , 全部殘留在鋼 中。 要限制鋼中的砷含量 , 只有通過配料控制 鐵前原料的砷含量來實現(xiàn)。 近年來隨著鋼鐵 生產(chǎn)的發(fā)展 , 鐵礦石需求量逐年增加 , 如果仍 按原來廠內(nèi)控制標準鋼中 As 0. 090%, 煤 燒結(jié)用中和粉 As 0. 052%, 顯然很難保證 鐵礦石的供應(yīng) ; 大量進口國外

6、鐵礦石將使生 常的工業(yè)生產(chǎn) 條件下研究砷對鋼性能 的影 響 , 探索適合本廠原料資源、 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn) 工藝條件的砷的合適含量范圍 , 具有迫切的 現(xiàn)實意義。2工業(yè)生產(chǎn)試驗為了解在工業(yè)生產(chǎn)條件下 , 砷含量提高 時對鋼性能的影響 , 我們分兩階段在常規(guī)生 產(chǎn)工藝條件下對兩個不同含砷梯度進行了工 業(yè) 生產(chǎn) 試驗 , 第一 階段試 驗投 入中 和礦 粉 10566t, 礦粉平均含砷量 0. 085%, 生產(chǎn)鋼材 6183. 39t, 其中普通低碳鋼 (含碳素結(jié)構(gòu)圓鋼 和熱軋圓盤條 , 下同 5464. 12t, 低合金螺紋 35Dec. 1996S T E E L M A K I NG0. 131

7、%。 第 二 階 段 試 驗 投 入 中 和 礦 粉 21674t , 礦粉平均含砷量 0. 097%, 生產(chǎn)鋼材 12881. 48t, 其 中普通低碳鋼 3143. 63t, 低合 金螺紋鋼 9737. 85t, 鋼中含砷范圍為 0. 091% 0. 155%。 所有試驗鋼材的力學(xué)、 工藝性能 檢驗均按國家有關(guān)標準執(zhí)行 , 即熱軋?zhí)妓亟Y(jié) 構(gòu)圓鋼執(zhí)行 GB700-88標準 , 低碳鋼熱軋圓 盤條執(zhí)行 BG701-91標準 , 低合金熱軋螺紋 鋼執(zhí)行 GB 1499-91標準 , 與常規(guī)生產(chǎn) 中執(zhí) 行的檢驗標準相同。第一階段試驗鋼材的常規(guī)力學(xué)、 工藝性 能全部抽檢合格。 第二階段試驗鋼材的力學(xué)

8、、 工藝性能檢驗基本上合格 , 少數(shù)批號因各種 原因初檢不合格 , 補樣后也全部合格。 經(jīng)對初 檢不合格樣做化學(xué)成份和金相組織分析 , 主 要原因為邊沿及中心增碳、 中心偏析及金相 組織不均勻等缺陷 , 與含砷量的高低并無明 顯關(guān)系。從宏觀上看 , 普通低碳鋼和低合金鋼筋 鋼的砷含量從 0. 090%范圍提高到 0. 091% 0. 150%范圍時 , 鋼材的常規(guī)力學(xué)、 工藝性 能并無明顯變化。 這進一步從定量上了解在 試驗的成份范圍內(nèi)砷含量變化對鋼材性能的 影響 , 先后從不同生產(chǎn)階段、 不同含砷范圍和 不同鋼種、 規(guī)格取樣檢驗砷的偏析、 表面富集 傾向、 鋼的金相組織、 屈服點、 抗拉強度

9、、 延伸 率、 常溫、 低溫 (-20 沖擊韌性和應(yīng)變時效 敏感性。3砷對鋼性能的影響分析3. 1砷在鋼中的偏析及表面富集傾向 為了解 砷在鋼中的偏析 及表面富集 傾 向 , 分別對 65方坯半成品、 25m m 螺紋鋼成 品取樣做光譜分析和化學(xué)分析。 65方坯半成 品按鋼錠的頭、 中、 尾部位置共計取樣 27個 , 分別對鋼坯軸向中心和軋制面做化學(xué)成分分 析。 25mm 螺紋鋼成品取樣 44個 , 分析鋼中 元素的均勻性。 另外對不同生產(chǎn)階段和含砷 向 中心部位和熱加工 表面 (軋制面 的含砷 量。分 析結(jié) 果表 明 : 65方 坯半 成 品和 25m m 螺紋鋼成品 , 同爐號鋼含砷量的波

10、動 幅度都不大 , 在正常生產(chǎn)工藝條件下 , 在鋼的 凝固過程中未發(fā)現(xiàn)砷產(chǎn)生顯著的偏析。 對 65方坯和 25m m 螺紋鋼筋中心與軋制面含 砷量的分析結(jié)果表明 , 砷在鋼材熱加工過程 中的表面富集傾向不明顯 , 在現(xiàn)有軋鋼生產(chǎn) 工藝條件下 , 對試驗的含砷水平是能夠適應(yīng) 的。3. 2鋼的金相組織砷是鐵素體形成元素 , 它固溶于鐵素體 , 砷含量較高時因砷的溶入會明顯降低鐵素體 中碳量而引起碳化物量增加 , 含砷合金結(jié)構(gòu) 鋼還可影響碳化物量的組成。 普通低碳鋼砷 含量較高時可出現(xiàn)另一類不易腐蝕的富砷鐵 素體。為了解在本次試驗含砷范圍內(nèi)鋼的金相 組織變化情況 , 分別對 32mm 普碳圓鋼和 2

11、0mm 低合金累紋鋼各取樣 15個檢驗金相 組 織 , 其 中 普 碳 鋼 含 砷 范 圍 0. 014% 0. 144%As ; 低合金螺紋鋼含砷范圍 0. 041% 0. 146%As 。普碳圓鋼鋼樣的金相組織全部是“ 鐵素 體 +珠光體” , 無富砷鐵素體相出現(xiàn)。 低合金 螺 紋鋼 的金相 組織主 要為 “ 鐵素體 +珠 光 體” , 部分鋼樣出現(xiàn)少量貝氏體或輕微魏氏組 織。“ 鐵素體 +珠光體” 是普通低碳鋼熱軋狀 態(tài)下的正常組織 , 從 32mm 普碳圓鋼金相 組 織 分 析 可 看 出 , 當 鋼 中 砷 含 量 提 高 到 0. 144%時 , 普通低碳鋼的金相組織仍未發(fā)生 明顯

12、變化。 對于低合金螺紋鋼 , 組織中偶爾出 現(xiàn)少量貝氏體或輕微魏氏組織也與含砷量的 高低無明顯關(guān)系 , 也就是說 , 低合金螺紋鋼含 砷量提高到 0. 145%時 , 鋼的金相組織也未發(fā) 現(xiàn)明顯變化。36 N o. 6由于試驗是在工業(yè)生產(chǎn)中進行 , 整個試 驗過程除了砷含 量變化之外鋼中其它 元素 碳、 硫、 磷、 硅、 錳、 銅也都在一定范圍內(nèi)變化 , 因此 , 事實上所有對鋼性能的分析檢驗結(jié)果 都是鋼中多種元素變化產(chǎn)生的結(jié)果。 為從定 量上了解鋼中各種元素對鋼材機械性能的影 響程度 , 通過采取多元回歸及多元逐步回歸 的統(tǒng)計分析方法對試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)處理 , 找出在多元體系中方差貢獻大、

13、即對鋼材機 械性能影響顯著的組元進入方程成立數(shù)學(xué)模 型。 其處理結(jié)果如下 :3. 3. 1對低合金螺紋鋼筋機械性能的影響 (1 對 屈服點 s 和抗拉 強度 b 的影 響 (試驗數(shù) N =61, 顯著度 p=0. 05顯著水平 95%砷有提高低合金螺紋鋼筋 s 和 b 的傾 向 , 但作用不明顯。 在試驗的成分變化范圍和 給定的顯著水平 , 對低合金螺紋鋼筋 s 起重 要影響作用的元素是碳和硅 , 對 b 起重要影 響作用的元素是碳、 硅和磷 :s =273. 84+244. 99C +131. 82S i 復(fù)相關(guān)系數(shù) R =0. 6272剩余標準差 S=19. 1797F 統(tǒng)計量 F=18.

14、 805>F0=2. 20 b =425. 99+343. 18C +141. 76Si + 1189. 24P R =0. 6729 S =23. 9041F=15. 717>F0=2. 20(2 對延伸率 5的影響 (試驗數(shù) N =61, 顯著度 P =0. 05在試驗的成分變化范圍內(nèi) , 砷對低合金 螺紋鋼筋 5有明顯的提高作用 :5=36. 82-18. 43C -4. 99M n + 16. 30A s R =0. 4579 S =1. 7349F=5. 041>F0=2. 20(3 對 常溫 沖 擊韌 性 Akv 和 低 溫 (-20 沖擊韌性 Akv 的影響 (

15、試驗數(shù) N =74,砷有降低低合金螺紋鋼筋 Akv 和 Akv 的傾向 , 但作用不顯著。 對低合金螺紋 鋼筋 Akv 和 Akv 起重要 影響作 用的 元素是 碳、 硫、 磷、 硅、 錳、 銅 :A k v =164. 72-230. 37C -742. 22P -71. 96Si -29. 51M n +207. 94Cu R=0. 7479 S=10. 7971F =17. 266>F 0=2. 15A k v =32. 31-69. 08C +319. 75S -15. 18M n +61. 94Cu R =0. 6646 S =3. 9677F=13. 643>F0=2.

16、 15(4 對應(yīng)變時效敏感性 Cv 的影響 (試驗 數(shù) N =61, 顯著度 P =0. 05砷有提高低合金螺紋鋼筋應(yīng)變時效敏感 性的傾向 :C v =36. 95+219. 66A s R =0. 3575 S =13. 6959F=8. 645>F0=2. 20說明 :鋼的應(yīng)變時效敏感性系數(shù) :C v =(A k v -Ak v s /A k v×100%式中 A k v 常溫沖擊吸收功的平均值 A k v s 應(yīng)變時效后沖擊吸收 功的 平均值3. 3. 2對普通低碳圓鋼機械性能的影響 (1 對屈服點 s 和抗拉 強度 b 的 影響 (試驗數(shù) N =42, 顯著度 P =0

17、. 05 砷有提高 普通低 碳圓鋼 s 和 b 的 傾向 , 但作用 不顯 著。 對普通低碳圓鋼 s 和 b 起重要影響作用 的元素是碳、 錳和銅 :s =288. 58+120. 37C +51. 30Mn -227. 36Cu R=0. 5051 S=11. 2765F=4. 339>F0=2. 31b =399. 76+294. 18C +113. 01M n -278. 34Cu R=0. 7227 S=14. 3838F=13. 852>F0=2. 315= 37STEELM AKING顯著度 P =0. 05。砷有降低普通低碳圓鋼 5的傾向 , 但作 用不明顯。 對普通

18、低碳圓鋼 5起重要影響作 用的元素是碳和銅 :5=36. 50-47. 57C +60. 88Cu R=0. 5859 S=2. 2482F =10. 194>F 0=2. 31(3 對 常溫 沖 擊韌 性 Akv 和 低 溫 (-20 沖擊韌性 Akv 的影響 (試驗數(shù) N=42, 顯著度 P =0. 05砷 降 低 普 通 低 碳 圓 鋼 常 溫 沖 擊 韌 性 Akv 的作用較明顯 , 對低溫 (-20 沖擊韌 性 Akv 的影響不顯著 :A k v =268. 30-478. 41C =1746. 57P -569. 11A s R=0. 6749 S=31. 4849F =10

19、. 594>F 0=2. 31A k v =44. 12-91. 74C -576. 01P R=0. 4686 S=8. 8185F=5. 487>F0=2. 314結(jié)論(1 在正常生產(chǎn)工藝條件下 , 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼筋鋼的砷含量從 0. 090%范圍提高到 0. 150%范圍時 , 砷在鋼中不會 產(chǎn)生顯著的偏析 , 在軋鋼熱加工過程中砷的 表面富集傾向不明顯 , 鋼的金相組織仍保持原來的熱軋正常組織。(2 砷對普通低碳圓鋼機械性能的影響 :砷有提高低碳圓鋼屈服點 s 、 抗拉強度 b 和 降低延伸率 5的傾向 , 但作用不顯著。 砷降低 普碳圓鋼常溫沖擊韌性 Akv 的作用較明顯 , 對低溫 (-20 沖擊韌性 Akv 的影響不顯 著。(3 砷對低合金螺紋鋼機械性能的影響 砷有提高低合金螺紋鋼筋屈服點 s 、 抗拉強 度 b 和降 低常 溫、 低 溫 (-20 沖 擊韌 性 Akv 、 Akv 的傾向 , 但作用不顯著 ; 砷對螺紋 鋼筋的 延伸率 5、 應(yīng)變時效敏 感性系數(shù) Cv 有較明顯的提高作用。參考文獻1北京鋼鐵研究院 . 砷對鋼性能的