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(tuán)北滿特鋼有限責(zé)任公司)

硼元素是一種非常活潑的金屬元素，冶煉過(guò)程加入時(shí)，易氧化燒損。傳統(tǒng)工藝采用投入法添加硼鐵合金，收得率非常不穩(wěn)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(biāo);其次，人工加入硼鐵時(shí)，易發(fā)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(huì)影響鋼材的淬透性能?，F(xiàn)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(hù)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(jìn)行各種反應(yīng)，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(duì)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(shí)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(zhǎng)，使淬透性提高。根據(jù)相變理論，珠光體轉(zhuǎn)變屬于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)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?yàn)榫Ы缣幾钊菀诐M足三大起伏條件，即能量起伏、成分起伏和結(jié)構(gòu)起伏。如果破壞了其中某些條件，都有可能使形核發(fā)生困難，從而造成奧氏體分解的孕育期增長(zhǎng)。

硼提高淬透性的機(jī)理分為如下兩個(gè)階段:

(1)形核的初始階段

在這一時(shí)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(xì)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(kuò)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(duì)位錯(cuò)的封鎖，可能造成位錯(cuò)?密度大的區(qū)域三大起伏大的優(yōu)勢(shì)被減弱。

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

(2)形核的隨后階段

當(dāng)晶界處滿足了一定的條件后(能量、成分和結(jié)構(gòu)條件)，便可形成先共析鐵素體的晶胚，此時(shí)由于應(yīng)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(dāng)晶界處形成先共析鐵素體晶胚時(shí)，硼可以進(jìn)入α—Fe的點(diǎn)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(diǎn)陣收縮，體積應(yīng)力增加，應(yīng)變加大。

1.2 硼鋼中硼的存在形式

提高含硼鋼冶金質(zhì)量關(guān)鍵主要是準(zhǔn)確控制鋼中硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)和抑制熱處理過(guò)程中硼相的析出，保證鋼中固溶硼或有效硼穩(wěn)定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。高溫狀態(tài)下硼的化學(xué)活性高，硼和氮、氧都有很強(qiáng)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(chēng)酸不溶硼或無(wú)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(tǒng)稱(chēng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，硼的作用效果降低，特別是鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近乃至超過(guò)共析鋼成分的時(shí)候，硼的作用效果逐漸減弱。如果鋼中硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)多(超過(guò)0.005%)，鋼在熱處理過(guò)程中易析出硼相，產(chǎn)生硼脆，形成裂紋，嚴(yán)重降低鋼的沖擊韌性，對(duì)鋼的性能產(chǎn)生不利影響。所以，硼在鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在著一個(gè)最佳的范圍，在0.0005%～0.0035%之間。

2 生產(chǎn)工藝及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 工藝技術(shù)要求及數(shù)據(jù)參數(shù)

采用爐外喂線方式進(jìn)行對(duì)成分控制與微調(diào)，與傳統(tǒng)人工喂入塊狀合金料比較，喂線法對(duì)鋼液的成份可進(jìn)行微調(diào)控制，合金收得率大幅提高;喂線法處理鋼液，鋼液反映平穩(wěn)、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(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，無(wú)環(huán)境污染。所以針對(duì)S43BCH鋼種本爐外精煉工藝上對(duì)硼及其他主要元素都采用喂線方式加入。我們根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)工裝條件，研制了硼鐵合金芯線，應(yīng)用于精確控制硼合金的試驗(yàn)，其成分及技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1－2。

表1 硼鐵成份

表2 硼合金芯線技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)進(jìn)行探索性試驗(yàn)，得出工業(yè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，為后續(xù)試驗(yàn)做指導(dǎo)，初步確定加硼合金芯線工藝參數(shù)如下表3。

表3 喂硼合金芯線工藝參數(shù)

15B36Cr鋼種硼含量標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 15B36Cr化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)(%)

15B36Cr鋼種末端淬透性標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

2.2 15B36Cr加硼合金芯線工業(yè)試驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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(kù)。在鋼種15B36CR進(jìn)行試驗(yàn)，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(yīng)平穩(wěn)，無(wú)噴濺，喂線過(guò)程中同時(shí)軟吹氬。試驗(yàn)爐次的各化學(xué)成分均達(dá)到鋼種的要求，硼含量平均0.00183%，15B36CR鋼種的試驗(yàn)收得率數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。實(shí)際每爐硼回收率平均達(dá)到87.73%。

表5 15B36Cr淬透性標(biāo)準(zhǔn)

15B36CR試驗(yàn)鋼種的淬透性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。淬透性均達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表6 15B36Cr收得率

表7 15B36Cr淬透性結(jié)果

通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果證實(shí)，用硼合金芯線代替硼鐵冶煉含硼鋼，當(dāng)平均喂線速度設(shè)定在120～130(m/min)，平均喂線溫度≥1 570℃時(shí)，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(wěn)定。鋼種15B36CR的B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為0.0021%，最低為0.0014%，平均值為0.00183%;鋼中含硼波動(dòng)小，這對(duì)冶煉含B范圍窄的出口鋼種極為有利。

3 結(jié)語(yǔ)

采用合金芯線技術(shù)冶煉硼鋼，操作簡(jiǎn)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(tǒng)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(lái)的65%～70%提高到98.5%，硼鋼的冶煉水平上了一個(gè)臺(tái)階，提高了成品率，降低了生產(chǎn)成本。