利用喂线法冶炼含硼钢15B36Cr

金恒阁，庞洪亮

(1.黑龙江省冶金研究所，哈尔滨15004;2.东北特钢集团北满特钢有限责任公司)

硼元素是一种非常活泼的金属元素，冶炼过程加入时，易氧化烧损。传统工艺采用投入法添加硼铁合金，收得率非常不稳定，降低钢材合格率。含硼钢中硼含量非常低，成份控制范围0.001%～0.0025%左右，控制范围比较窄，冶炼操作稍有不甚，极易造成硼含量超标;其次，人工加入硼铁时，易发生钢中成品样中总的硼含量合格，但钢中有效硼含量不足，仍然会影响钢材的淬透性能。现在采用将硼合金加工成硼合金芯线加入钢水中，充分利用外包铁皮的保护作用，将硼加入钢水深处，让硼与钢水接触，硼合金在钢液中缓慢熔化并与钢液进行各种反应，采用喂线法冶炼含硼钢可以提高钢中有效硼含量。

1 硼在钢的作用原理

1.1 硼对钢淬透性的影响

硼提高淬透性主要在于硼在奥氏体晶界的偏聚，使奥氏体分解时新相在奥氏体晶界处形核困难，从而造成奥氏体分解的孕育期增长，使淬透性提高。根据相变理论，珠光体转变属于扩散型转变，新相的晶核一般首先在母相奥氏体的晶界处形成，这是因为晶界处最容易满足三大起伏条件，即能量起伏、成分起伏和结构起伏。如果破坏了其中某些条件，都有可能使形核发生困难，从而造成奥氏体分解的孕育期增长。

硼提高淬透性的机理分为如下两个阶段:

(1)形核的初始阶段

在这一时期由于硼在奥氏体晶界的偏聚，填充了部分晶界缺陷(或析出了微细的共格硼相)造成了晶界处能量的降低，使得晶界处的能量起伏降低。由于硼在晶界处的偏聚，使得碳原子在晶界处的扩散受阻，而使晶界处的成分不均匀减小、成分起伏量减小。

硼在晶界偏聚，对位错的封锁，可能造成位错?密度大的区域三大起伏大的优势被减弱。

以上因素都不利于奥氏体分解时新相的形核，因此造成了奥氏体分解的孕育期增长，使淬透性提高。

(2)形核的随后阶段

当晶界处满足了一定的条件后(能量、成分和结构条件)，便可形成先共析铁素体的晶胚，此时由于应变自由能的限制，使得晶胚难以成核，从而使淬透性提高。这是由于硼偏聚在奥氏体晶界处。当晶界处形成先共析铁素体晶胚时，硼可以进入α—Fe的点阵之中，置换掉部分铁原子。由于硼原子半径(0.98埃)比铁原子半径(1.24埃)小，因而造成点阵收缩，体积应力增加，应变加大。

1.2 硼钢中硼的存在形式

提高含硼钢冶金质量关键主要是准确控制钢中硼质量分数和抑制热处理过程中硼相的析出，保证钢中固溶硼或有效硼稳定的质量分数。高温状态下硼的化学活性高，硼和氮、氧都有很强的亲和力，并能与硫、碳化合。硼与氧能生成一氧化六硼(B6O)和三氧化二硼(B2O3);与氮生成氮化硼(BN)，与碳生成碳化硼(BC)、碳化二硼(B2C)、碳化四硼(B4C)和碳化六硼(B6C)等多种碳化物。钢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)为氮化硼和氧化硼中的硼，亦称酸不溶硼或无效硼。B固溶为固溶硼，B(Fe3(CB))铁硼渗碳体和B(Fe23(CB)6)铁硼碳化物统称为硼相，B固溶、B(Fe3(CB)及B(Fe23(CB)6)中的硼为酸溶硼。

随着钢中碳质量分数的增加，硼的作用效果降低，特别是钢中碳质量分数接近乃至超过共析钢成分的时候，硼的作用效果逐渐减弱。如果钢中硼质量分数过多(超过0.005%)，钢在热处理过程中易析出硼相，产生硼脆，形成裂纹，严重降低钢的冲击韧性，对钢的性能产生不利影响。所以，硼在钢中的质量分数存在着一个最佳的范围，在0.0005%～0.0035%之间。

2 生产工艺及试验数据

2.1 工艺技术要求及数据参数

采用炉外喂线方式进行对成分控制与微调，与传统人工喂入块状合金料比较，喂线法对钢液的成份可进行微调控制，合金收得率大幅提高;喂线法处理钢液，钢液反映平稳、均匀，避免二次氧化，夹杂物上浮速率快，净化钢液好;喂线法设备简单，操作简便，无环境污染。所以针对S43BCH钢种本炉外精炼工艺上对硼及其他主要元素都采用喂线方式加入。我们根据企业生产工装条件，研制了硼铁合金芯线，应用于精确控制硼合金的试验，其成分及技术指标见表1－2。

表1 硼铁成份

表2 硼合金芯线技术指标

通过进行探索性试验，得出工业试验的基础性数据，为后续试验做指导，初步确定加硼合金芯线工艺参数如下表3。

表3 喂硼合金芯线工艺参数

15B36Cr钢种硼含量标准见表4。

表4 15B36Cr化学成分标准(%)

15B36Cr钢种末端淬透性标准见表5。

2.2 15B36Cr加硼合金芯线工业试验及试验数据

电炉工艺流程:原料→BEF→LF精炼→VD脱气→加硼合金芯线→CC连铸→连轧→精整→检查→入库。在钢种15B36CR进行试验，出钢量在97t，硼合金芯线平均喂线温度1 605℃，平均硼芯线喂入量28m，铝线平均喂入量99m、硅钙线平均喂入量180m。喂硼线反应平稳，无喷溅，喂线过程中同时软吹氩。试验炉次的各化学成分均达到钢种的要求，硼含量平均0.00183%，15B36CR钢种的试验收得率数据见表6。实际每炉硼回收率平均达到87.73%。

表5 15B36Cr淬透性标准

15B36CR试验钢种的淬透性检验结果见表7。淬透性均达到质量标准。

表6 15B36Cr收得率

表7 15B36Cr淬透性结果

通过工业试验数据结果证实，用硼合金芯线代替硼铁冶炼含硼钢，当平均喂线速度设定在120～130(m/min)，平均喂线温度≥1 570℃时，钢种15B36Cr取得B的平均收得率为87.73%，加硼效果非常显著，不但提高了B的收得率，而且硼的回收稳定。钢种15B36CR的B的质量分数最高为0.0021%，最低为0.0014%，平均值为0.00183%;钢中含硼波动小，这对冶炼含B范围窄的出口钢种极为有利。

3 结语

采用合金芯线技术冶炼硼钢，操作简便，易于掌握，便于管理，丰富了冶炼低硼钢的冶炼手段。金属硼缓释加入钢中形成有效金硼化物，硼合金回收率由传统方法的30%～40%，提高到目前的87.5%，微硼合金钢的淬透性合格率由原来的65%～70%提高到98.5%，硼钢的冶炼水平上了一个台阶，提高了成品率，降低了生产成本。