利用喂線法冶煉含硼鋼15B36Cr

金恒閣，龐洪亮

(1.黑龍江省冶金研究所，哈爾濱15004;2.東北特鋼集團北滿特鋼有限責任公司)

硼元素是一種非常活潑的金屬元素，冶煉過程加入時，易氧化燒損。傳統工藝采用投入法添加硼鐵合金，收得率非常不穩定，降低鋼材合格率。含硼鋼中硼含量非常低，成份控制范圍0.001%～0.0025%左右，控制范圍比較窄，冶煉操作稍有不甚，極易造成硼含量超標;其次，人工加入硼鐵時，易發生鋼中成品樣中總的硼含量合格，但鋼中有效硼含量不足，仍然會影響鋼材的淬透性能。現在采用將硼合金加工成硼合金芯線加入鋼水中，充分利用外包鐵皮的保護作用，將硼加入鋼水深處，讓硼與鋼水接觸，硼合金在鋼液中緩慢熔化并與鋼液進行各種反應，采用喂線法冶煉含硼鋼可以提高鋼中有效硼含量。

1 硼在鋼的作用原理

1.1 硼對鋼淬透性的影響

硼提高淬透性主要在于硼在奧氏體晶界的偏聚，使奧氏體分解時新相在奧氏體晶界處形核困難，從而造成奧氏體分解的孕育期增長，使淬透性提高。根據相變理論，珠光體轉變屬于擴散型轉變，新相的晶核一般首先在母相奧氏體的晶界處形成，這是因為晶界處最容易滿足三大起伏條件，即能量起伏、成分起伏和結構起伏。如果破壞了其中某些條件，都有可能使形核發生困難，從而造成奧氏體分解的孕育期增長。

硼提高淬透性的機理分為如下兩個階段:

(1)形核的初始階段

在這一時期由于硼在奧氏體晶界的偏聚，填充了部分晶界缺陷(或析出了微細的共格硼相)造成了晶界處能量的降低，使得晶界處的能量起伏降低。由于硼在晶界處的偏聚，使得碳原子在晶界處的擴散受阻，而使晶界處的成分不均勻減小、成分起伏量減小。

硼在晶界偏聚，對位錯的封鎖，可能造成位錯?密度大的區域三大起伏大的優勢被減弱。

以上因素都不利于奧氏體分解時新相的形核，因此造成了奧氏體分解的孕育期增長，使淬透性提高。

(2)形核的隨后階段

當晶界處滿足了一定的條件后(能量、成分和結構條件)，便可形成先共析鐵素體的晶胚，此時由于應變自由能的限制，使得晶胚難以成核，從而使淬透性提高。這是由于硼偏聚在奧氏體晶界處。當晶界處形成先共析鐵素體晶胚時，硼可以進入α—Fe的點陣之中，置換掉部分鐵原子。由于硼原子半徑(0.98埃)比鐵原子半徑(1.24埃)小，因而造成點陣收縮，體積應力增加，應變加大。

1.2 硼鋼中硼的存在形式

提高含硼鋼冶金質量關鍵主要是準確控制鋼中硼質量分數和抑制熱處理過程中硼相的析出，保證鋼中固溶硼或有效硼穩定的質量分數。高溫狀態下硼的化學活性高，硼和氮、氧都有很強的親和力，并能與硫、碳化合。硼與氧能生成一氧化六硼(B6O)和三氧化二硼(B2O3);與氮生成氮化硼(BN)，與碳生成碳化硼(BC)、碳化二硼(B2C)、碳化四硼(B4C)和碳化六硼(B6C)等多種碳化物。鋼中存在的硼用下列公式表示:

B全=B固溶+B(Fe3(CB))+B(Fe23(CB)6)+B(BN)+B(BOx)

B(BN)和B(BOx)為氮化硼和氧化硼中的硼，亦稱酸不溶硼或無效硼。B固溶為固溶硼，B(Fe3(CB))鐵硼滲碳體和B(Fe23(CB)6)鐵硼碳化物統稱為硼相，B固溶、B(Fe3(CB)及B(Fe23(CB)6)中的硼為酸溶硼。

隨著鋼中碳質量分數的增加，硼的作用效果降低，特別是鋼中碳質量分數接近乃至超過共析鋼成分的時候，硼的作用效果逐漸減弱。如果鋼中硼質量分數過多(超過0.005%)，鋼在熱處理過程中易析出硼相，產生硼脆，形成裂紋，嚴重降低鋼的沖擊韌性，對鋼的性能產生不利影響。所以，硼在鋼中的質量分數存在著一個最佳的范圍，在0.0005%～0.0035%之間。

2 生產工藝及試驗數據

2.1 工藝技術要求及數據參數

采用爐外喂線方式進行對成分控制與微調，與傳統人工喂入塊狀合金料比較，喂線法對鋼液的成份可進行微調控制，合金收得率大幅提高;喂線法處理鋼液，鋼液反映平穩、均勻，避免二次氧化，夾雜物上浮速率快，凈化鋼液好;喂線法設備簡單，操作簡便，無環境污染。所以針對S43BCH鋼種本爐外精煉工藝上對硼及其他主要元素都采用喂線方式加入。我們根據企業生產工裝條件，研制了硼鐵合金芯線，應用于精確控制硼合金的試驗，其成分及技術指標見表1－2。

表1 硼鐵成份

表2 硼合金芯線技術指標

通過進行探索性試驗，得出工業試驗的基礎性數據，為后續試驗做指導，初步確定加硼合金芯線工藝參數如下表3。

表3 喂硼合金芯線工藝參數

15B36Cr鋼種硼含量標準見表4。

表4 15B36Cr化學成分標準(%)

15B36Cr鋼種末端淬透性標準見表5。

2.2 15B36Cr加硼合金芯線工業試驗及試驗數據

電爐工藝流程:原料→BEF→LF精煉→VD脫氣→加硼合金芯線→CC連鑄→連軋→精整→檢查→入庫。在鋼種15B36CR進行試驗，出鋼量在97t，硼合金芯線平均喂線溫度1 605℃，平均硼芯線喂入量28m，鋁線平均喂入量99m、硅鈣線平均喂入量180m。喂硼線反應平穩，無噴濺，喂線過程中同時軟吹氬。試驗爐次的各化學成分均達到鋼種的要求，硼含量平均0.00183%，15B36CR鋼種的試驗收得率數據見表6。實際每爐硼回收率平均達到87.73%。

表5 15B36Cr淬透性標準

15B36CR試驗鋼種的淬透性檢驗結果見表7。淬透性均達到質量標準。

表6 15B36Cr收得率

表7 15B36Cr淬透性結果

通過工業試驗數據結果證實，用硼合金芯線代替硼鐵冶煉含硼鋼，當平均喂線速度設定在120～130(m/min)，平均喂線溫度≥1 570℃時，鋼種15B36Cr取得B的平均收得率為87.73%，加硼效果非常顯著，不但提高了B的收得率，而且硼的回收穩定。鋼種15B36CR的B的質量分數最高為0.0021%，最低為0.0014%，平均值為0.00183%;鋼中含硼波動小，這對冶煉含B范圍窄的出口鋼種極為有利。

3 結語

采用合金芯線技術冶煉硼鋼，操作簡便，易于掌握，便于管理，豐富了冶煉低硼鋼的冶煉手段。金屬硼緩釋加入鋼中形成有效金硼化物，硼合金回收率由傳統方法的30%～40%，提高到目前的87.5%，微硼合金鋼的淬透性合格率由原來的65%～70%提高到98.5%，硼鋼的冶煉水平上了一個臺階，提高了成品率，降低了生產成本。