2.25Cr1Mo0.25V鋼中B含量控制研究

方 遷 葉成立 金 楊 張 健 陸 濤

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

硼可以通過抑制鐵素體、珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變，從而提高鋼的淬透性，當(dāng)有效B(固溶B)含量在0.001%～0.003%時(shí)，提高淬透性的作用最佳[1]。隨著我國大型加氫反應(yīng)容器的發(fā)展，為解決超大壁厚(350～450 mm)筒體鍛件心部淬透性不足的問題，在加氫反應(yīng)器典型鋼種2.25Cr1Mo0.25V冶煉時(shí)加入適量的B以提高淬透性[2]。但是B是一種較為活潑的元素，易與O、N等元素形成硼化物，導(dǎo)致不能發(fā)揮有效的作用。所以，如何穩(wěn)定地控制鋼水中B含量以及控制B在鋼中的賦存狀態(tài)是材料制造時(shí)的難點(diǎn)。

1 鋼水中B收得率控制

1.1 加B鋼冶煉工藝現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外常規(guī)的加B鋼冶煉工藝，為了提高B的收得率，一般要加入Al深脫氧以降低B的燒損。如表1所示，國內(nèi)部分鋼廠一般將Al控制在0.03%左右，B的收得率為60%～90%[3-7]。

1.2 B氧化的熱力學(xué)分析

鋼水中[Al]、[Ti]、[Si]、[B]與[O]反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)見表2。從圖1可以看出，在1600℃時(shí)，易氧化性順序Al>Ti>B>Si，其中B和Si的性質(zhì)相似。

對(duì)于2.25Cr1Mo0.25V，其典型成分如表3所示?？紤]其一階相互作用系數(shù)，f[O]≈0.43[8]。鋼水中[Al]、[Ti]、[Si]、[B]與[O]的平衡關(guān)系如圖2所示，從圖中可以看到，當(dāng)w[Al]≥0.01%時(shí)，w[O]<20×10-6，在當(dāng)前濃度下，[Ti]、[Si]、[B]均不會(huì)與[O]反應(yīng)生成氧化產(chǎn)物。

表1 國內(nèi)部分鋼廠含B鋼的B收得率Table 1 B yield rate of steel with Bin some domestic steel mills

表2 [Al]、[Ti]、[Si]、[B]與[O]反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)Table 2 Thermodynamic data of reactionsbetween [Al], [Ti], [Si], [B] and [O]

圖1 [Al]、[Ti]、[Si]、[B]與[O]反應(yīng)的ΔGFigure 1 ΔG in reactions between [Al], [Ti], [Si], [B] and [O]

按照?qǐng)D2的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)w[O]<20×10-6時(shí)，理論上加入的B收得率幾乎可以達(dá)到100%；考慮B合金的不均勻性以及鋼水重量的準(zhǔn)確性，收得率也不會(huì)小于95%。然而實(shí)際生產(chǎn)中，大部分收得率僅能達(dá)到70%～80%，這可能是由于精煉渣中不含B2O3，鋼水中的B與爐渣中的SiO2等不穩(wěn)定氧化物會(huì)發(fā)生式(1)所示的反應(yīng)。彭雷朕[9]在研究FB2鋼種時(shí)發(fā)現(xiàn)，在真空感應(yīng)爐中，當(dāng)w[O]=30×10-6～50×10-6時(shí)，B收得率≥90%；在渣金平衡實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)渣中w(B2O3)<0.5%時(shí)，鋼中的[B]含量下降，當(dāng)w(B2O3)≥1%時(shí)，鋼中的[B]含量開始增加。

4[B]+3(SiO2)=3[Si]+2(B2O3)

(1)

由此可知，在冶煉時(shí)要提高B的收得率，并不一定需要喂Al，只要氧含量較低，B的收得率就不會(huì)受鋼水中氧含量影響。

1.3 對(duì)含B鋼的冶煉實(shí)踐

公司除了2.25Cr1Mo0.25V，還有其他幾種含B鋼，其冶煉工藝略有不同，如表4所示。不同含Al量對(duì)B收得率的影響如圖3所示，可以看出，Al含量對(duì)B的收得率沒有直接影響。但是鋼種1由于不喂Al，B的收得率波動(dòng)較大，說明鋼水保持一定的含Al量有利于穩(wěn)定控制鋼水中[O]含量，從而穩(wěn)定B的收得率。

2 鋼錠中有效B含量控制

通常認(rèn)為是B原子在奧氏體晶界偏聚，阻礙鐵素體形成，從而提高鋼的淬透性，所以自由B濃度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。然而在鋼水凝固過程中，B除了與O形成B2O3以外，還極易與N形成BN，導(dǎo)致B無法發(fā)揮作用，因此必須采取相應(yīng)措施減少B形成化合物。降低鋼水N含量以及加入更易與N結(jié)合的元素(例如Ti)是目前可采用的有效措施。

通過氮化物在奧氏體中析出的熱力學(xué)計(jì)算，為微合金的最佳加入量提供了有效的理論依據(jù)。根據(jù)表3中2.25Cr1Mo0.25V的典型成分，結(jié)合表5，可以計(jì)算得出單一合金氮化物開始析出的溫度，如圖4所示?？梢钥闯?，在N含量為0.007%～0.008%時(shí)，TiN析出溫度約為1340～1350℃，BN析出溫度約為1090～1100℃，AlN析出溫度約為1000～1010℃，所以Ti可以有效的阻止BN的形成，Al對(duì)固定N幾乎沒有作用。

當(dāng)鋼中含有多種微合金時(shí)，一旦一相析出，那么奧氏體中相應(yīng)的N濃度會(huì)降低，導(dǎo)致其他第二相析出溫度繼續(xù)降低。當(dāng)溫度下降到某一較低溫度時(shí)，幾種氮化物就可以同時(shí)析出。假設(shè)這些氮化物保持理想的化學(xué)配比，那么根據(jù)物質(zhì)守恒則有：

表3 2.25Cr1Mo0.25V化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical compositions of 2.25Cr1Mo0.25Vsteel (mass fraction, %)

圖2 鋼水中[Al]、[Ti]、[Si]、[B]與[O]的平衡關(guān)系Figure 2 The equilibrium relationship between [Al], [Ti], [Si], [B] and [O] in molten steel

表4 不同加B工藝與B的收得率Table 4 Different B addition processes and B yieldes

圖3 Al含量與B收得率的關(guān)系Figure 3 Relationship between Al content and B yield

表5 Ti、B、Al氮化物在奧氏體中析出的平衡常數(shù)[10]Table 5 Equilibrium constants of Ti, B and Al nitrides precipitated in austenite

圖4 氮化物開始析出溫度Figure 4 Nitride precipitation temperature

圖5 鋼中Al、Ti、B、N固溶量隨溫度的變化Figure 5 The change of Al, Ti, B and N solid solution amount with temperature in steel

(a)Ti=0.02%(b)Ti=0.025%圖6 鋼中Al、Ti、B、N固溶量隨溫度的變化Figure 6 The change of Al, Ti, B and N solid solution amount with temperature in steel

(2)

溫度為T時(shí)也滿足：

(3)

結(jié)合表3，聯(lián)立求解式(2)～(3)，可以得到理想情況下鋼中Al、Ti、B、N固溶量隨溫度的變化，如圖5所示。從圖中可以看出，TiN約在1340℃優(yōu)先析出，Ti、N含量隨TiN析出量增加而逐漸降低；當(dāng)溫度達(dá)到約1040℃時(shí)，BN開始析出，此時(shí)析出溫度較單一元素析出溫度降低了約50℃；當(dāng)溫度小于850℃時(shí)，B幾乎全部與N結(jié)合，無固溶B存在，說明若按表3的成分控制，不能發(fā)揮B提高淬透性的作用。

3 小結(jié)

(1)在鋼水中，B的性質(zhì)與Si相似，在脫氧良好的情況下，w[Al]≈0.01%即可獲得穩(wěn)定的B收得率，更高的Al含量不會(huì)提高B的收得率。

(2)鋼中的w[Ti]w[N]可以顯著影響固溶B含量，理論上w[Ti]w[N]≥3.4可以阻止BN生成，最大程度的提高固溶B含量。

(3)按照目前的2.25Cr1Mo0.25V的成分控制，幾乎不能得到固溶B，為了有效地提高淬透性，可以將Al含量降低至0.01%，并且將Ti提高至0.020%～0.025%。