鋼中鈦、鋁含量對硼收得率影響分析

潘萬鋼，梁 健，高振波，張 萍，何云龍，龔夢強

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司特鋼公司 安徽馬鞍山 243000)

許多研究表明[1]-[4]，鋼中添加微量的硼元素可以顯著提高鋼的淬透性，減少鉻、鎳、鉬等貴重金屬的使用，提高經濟效益。但硼是元素周期表第三主族中唯一的非金屬元素，其化學性質非常活潑，與氧和氮都具有很強的親和力，因此其收得率難以穩定提高。在含硼鋼中，通常還含有一定量的[Al]、[Ti]等活潑金屬元素，這些元素對含硼鋼收得率的影響值得研究。本文通過熱力學計算并結合現場工業試驗研究了鋼中鈦、鋁含量對硼收得率的影響，為提高鋼中硼的收得率提供了理論支撐。

1 熱力學計算

1.1 鈦、鋁、硼的脫氧順序

鋼液中的氧會影響硼的收得率，而鈦和鋁作為強脫氧元素，其與硼的脫氧能力大小可以通過比較在鋼液中與[O]反應的吉布斯自由能來判斷。

鋼液中[Al]與[O]反應的熱力學數據如下[5]：

2[Al]+3[O]=2Al2O3(s)

當鋼液中的[Al]、[O]達到平衡時，ΔG1=ΔG1θ+RTlnK1=0，其中αAl2O3以純物質為標準態，αAl2O3=1，fAl與fO近似為1，溫度為1873K，代入式中，可得：

[Al%]2·[O%]3=4.44×10-14

鋼液中[Ti]與[O]反應的熱力學數據如下[5]：

[Ti]+2[O]=TiO2(s)

當鋼液中的[Ti]、[O]達到平衡時，ΔG2=ΔG2θ+RTlnK2=0，其中αTiO2以純物質為標準態，αTiO2=1，fTi與fO近似為1，溫度為1873K，代入式中，可得：

[Ti%]·[O%]2=8.30×10-8

鋼液中[B]與[O]反應的熱力學數據如下[5]：

2[B]+3[O]=B2O3(s)

當鋼液中的[B]、[O]達到平衡時，ΔG3=ΔG3θ+RTlnK3=0，其中αB2O3以純物質為標準態，αB2O3=1，fB與fO近似為1，溫度為1873K，代入式中，可得：

[B%]2·[O%]3=5.19×10-7

由上述計算結果可以得出[Al]、[Ti]、[B]與[O]反應的平衡曲線如下圖1所示。

由圖1可知，在1873K時，鋼中[O]會優先與鋼中[Al]反應達到平衡。在LF精煉過程中，鋼中存在0.025%的[Al]時，鋼中殘余[O]約為0.0004%，若此時鋼中的[Ti]與殘余[O]反應，則[Ti]含量需要達到0.48%，若此時鋼中的[B]與殘余[O]反應，則[B]含量需要達到85.52%。

圖1 1873K時鋼中[Al]、[Ti]、[B]

1.2 鈦、鋁、硼與鋼中[N]的反應順序

鋼液中的氮也會影響硼的收得率，而鈦和鋁也可以與鋼中的[N]發生反應，通過比較其在鋼液中與[N]反應的吉布斯自由能，可以判斷鈦、鋁、硼與鋼中[N]的反應順序。

鋼液中[Al]與[N]反應的熱力學數據如下[5]：

[Al]+[N]=AlN(S)

當鋼液中的[Al]、[N]達到平衡時，ΔG4=ΔG4θ+RTlnK4=0，其中αAlN以純物質為標準態，αAlN=1，fAl與fN近似為1，溫度為1873K，代入式中，可得：

[Al%]·[N%]=0.061

鋼液中[Ti]與[N]反應的熱力學數據如下[5]：

[Ti]+[N]=TiN(S)

ΔG5θ=-314800+114.25T

當鋼液中的[Ti]、[N]達到平衡時，ΔG5=ΔG5θ+RTlnK5=0，其中αTiN以純物質為標準態，αTiN=1，fTi與fN近似為1，溫度為1873K，代入式中，可得：

[Ti%]·[N%]=0.0015

鋼液中[B]與[N]反應的熱力學數據如下[5]：

[B]+[N]=BN(S)

當鋼液中的[B]、[N]達到平衡時，ΔG6=ΔG6θ+RTlnK6=0，其中αBN以純物質為標準態，αBN=1，fB與fN近似為1，溫度為1873K，代入式中，可得：

[B%]·[N%]=0.153

由上述計算結果可以得出[Al]、[Ti]、[B]與[N]反應的平衡曲線如下圖2所示。

圖2 1873K時鋼中[Al]、[Ti]、[B]

由圖2可知，在1873K時，鋼中[N]會優先與鋼中[Ti]反應達到平衡。在LF精煉過程中，當鋼中存在0.030%的[Ti]時，與[Ti]平衡的[N]約為0.05%，若此時鋼中的[Al]與殘余[N]反應，則[Al]含量需要達到1.22%，若此時鋼中的[B]與殘余[N]反應，則[B]含量需要達到3.06%。

由上述熱力學計算可以表明，在LF精煉過程中，當鋼液中含有一定量的鋁和鈦便可以避免發生硼與氧、氮發生反應，從而提高收得率。

2 工業試驗

2.1 試驗方法

為了驗證添加鈦對硼收得率的影響，對含[Als]均為0.025%的含硼鋼在LF精煉過程中，采用兩種不同的工藝進行硼合金化，如下表1所示：

表1 合金加入方式

2.2 試驗結果

分別以方案1生產7爐含硼含鋁鋼，方案2生產8爐含硼含鋁鋼，所用合金均為含20%硼的硼鐵，其中合金收得率η計算公式如下所示：

經計算，LF精煉過程中硼的收得率如下表2 所示。

表2 不同加入方式下鋼中[B]的收得率

如表2所示，在LF精煉后期直接加入硼鐵合金化的方案1，硼的收得率在60.38%-72.42%之間，平均收得率為67.20%；采用LF先加鈦鐵調整鈦含量的，再加入硼鐵合金化的方案2，硼的收得率在73.37%-83.43%之間，平均收得率為77.11%，明顯高于方案1。這說明鈦鐵的加入可以提高鋼中硼的收得率。結合熱力學計算結果，這主要是由于鈦的加入可以降低鋼中[N]含量，從而減少硼與氮的結合，提高了硼的收得率。

3 結論

熱力學計算表明鋼中[O]會優先與[Al]先反應，當鋼中存在0.025%的[Al]時，鋼中殘余[O]為0.0004%，需85.52%的[B]才會與殘余[O]發生反應。

熱力學計算表明鋼中[N]會優先與[Ti]先反應，當鋼中存在0.030%的[Ti]時，鋼中平衡[N]為0.05%，需3.06%[B]才會與殘余[N]發生反應。

工業試驗表明在鋼中[Als]為0.025%是，加入0.030%的[Ti]可以將硼的收得率由60.38%-72.42%提高到73.37%-83.43%。