随着我国钢铁积蓄量的迅速增加和钢铁使用年限的到来,不远将来我国废钢产量将快速增加,终将面临如何使用废钢资源的问题。然而,废钢高效循环利用是个存在多年的世界难题,主要原因是废钢中有害残余元素Cu、Sn、 As等的循环富集。这些残余元素因氧势比铁低,在当前的炼钢工艺水平下很难经济、有效地去除。残存于钢中的残余元素因易于偏析、晶界偏聚和氧化富集而影响钢材的热塑性、热加工性、回火脆性和力学性能等。木文重点关注废钢循环过程中残余元素砷的富集问题。为消除残余元素砷对钢性能的有害影响、提高循环废钢利用效率,本文系统深入研究了砷在钢中的分布规律、稀土变质处理过程中富砷相弥散析出所需的冶金条件、砷对钢热塑性、高温氧化性和力学性能的影响规律以及稀土变质处理方法抑制或消除砷危害性的综合效果。砷在钢中的分布规律研究表明,低砷含量条件下,电子探针分析并未发现1600℃C和1200℃C下淬火的Fe-0.5wt%As合金中存在砷的凝固偏析；而透射电镜(TEM)晶界晶内化学成分分析表明两试样中砷的晶界含量高于晶内,表明砷容易发生晶界偏聚。高砷条件下,1600℃和1420℃下淬火的Fe-4wt%As和Fe-10wt%As合金中,砷会以不连续型的共晶Fe2As相形式分布于a-Fe晶间。而1200℃C下淬火的Fe-10%As合金中,砷会以连续型的共晶Fe2As相形式分布于αt-Fe晶间。此外,Fe2As相面积分数随着合金中As含量增加及淬火温度降低而增加。稀土Ce变质处理后含砷钢中夹杂物成分分析表明,随着Ce含量增加,Ce与As相互作用会生成不同种类的含砷稀土夹杂物。随着Ce含量由0.037wt%增加到0.095wt%,主要类别含砷稀土夹杂物的演变规律为由心部Ce-S-O外部包裹Ce-S-As类的复合夹杂逐渐转变为心部Ce-S-As外部包裹Ce-As类的复合夹杂；而当钢中稀土含量超过0.055wt%时,也会出现单独类的Ce-S-As和Ce-As夹杂物。高温淬火实验结合夹杂物元素面分布分析得出Ce-As类夹杂物的生成机制为凝固过程中元素偏析发生反应而生成,其既可以以优先形成的稀土夹杂物为核心异质形核生成,也可通过均质形核直接生成。同时,通过TEM电子衍射分析确定出Ce-As类夹杂物的物相结构为面心立方的CeAs目。此外,TEM分析发现含砷稀土夹杂物生成后,晶界上的砷含量降至基体含量水平,这有利于抑制或消除砷晶界偏聚所引起的脆化行为。系统研究砷对C-Mn钢热塑性、高温氧化性和力学性能的影响结果表明,对于热塑性,无论是砷单独存在还是铜砷共同存在时,随着砷含量增加,C-Mn钢的热塑性逐渐恶化。砷单独存在情况下砷含量为0.16wt%时和铜砷共存情况下砷含量为0.075wt%时,主要显著降低了C-Mn钢奥氏体单相区850℃-900℃温度范围内的热塑性。俄歇电子能谱仪(AES)分析表明此温度范围内残余元素砷的晶界偏聚为钢热塑性恶化的原因。对于高温氧化性,砷单独存在时加剧了晶界氧化,导致晶界处形成明显的氧化粒子带。当氧化温度由1000℃增加到1050℃,晶界处氧化粒子带渗入基体的深度增加。电子探针(EPMA)分析表明氧化层/钢基体界面处砷的最大富集量随氧化温度的增加呈现先增加后降低的趋势,在1050℃时砷的氧化富集程度最大。铜砷共同存在时铜砷的富集规律与砷单独时相同,同样为1050℃富铜液相侵润晶界现象最为严重；当超过1100℃时,富铜液相侵润晶界现象消失。能谱分析仪(EDS)结合相图分析表明砷的存在降低了铜相的熔点从而促使含砷富铜相1050℃即可析出而侵润晶界。Gleeble热压缩实验结果表明,砷/铜砷的存在将会加剧钢的热裂纹敏感性,1050℃下的热裂程度最为严重；而当超过1100℃时,热裂消除。这与热重实验研究的氧化富集规律结果相一致。对于力学性能,砷主要恶化C-Mn钢的冲击性能,尤其对低温冲击性能的影响更为显著。系统研究稀土改善砷危害钢热塑性、高温氧化性和力学性能的结果表明,对于热塑性,添加0.016wt%-0.035wt%Ce可以改善含砷C-Mn钢的热塑性。随着Ce含量由0增加到0.035wt%,含砷C-Mn钢750℃C-950℃C温度范围内的热塑性逐渐提高。当Ce含量超过0.027wt%时,稀土Ce进一步提升含砷C-Mn钢热塑性的空间不大。对于高温氧化性,添加0.016wt%-0.035wt%的Ce均减少了氧化层与钢基体界面处砷的富集程度,Ce含量为0.027wt%时降低效果最好。热压缩实验表明,Ce含量为0.016wt%-0.035wt%时,1050℃下含砷钢的热裂情况完全消除。对于力学性能,添加0.016wt%Ce可以较好的改善-60℃～0℃范围内的冲击韧性,而添加0.027wt%Ce因碳化物尺寸变大、大量夹杂物生成会恶化钢的冲击性能。因此,综合考虑改善热塑性、抑制表面热裂及提高冲击性能三个方面的效果,添加0.016wt%Ce较为合适。