含硼生铁冶炼硼钢新工艺及其硼钢性能研究

2019-03-08素兰

材料与冶金学报 2019年1期

，，素兰

(东北大学冶金学院，沈阳110819)

含硼生铁是利用高炉火法分离硼铁矿提取硼时产生的另一种重要产品[1]，其含硼量(质量分数)约为 0.1%～0.5%，根据其含硼的特点，开展了以其为原料直接冶炼硼钢的研究[2].

众所周知，微量硼能提高钢的淬透性，因此，硼钢一直为人们所开发研究和利用[3-6].传统制备硼钢的方法主要是以普通生铁和废钢为原料，在钢水冶炼末期，经严格的脱氧去氮后，加入硼铁合金化为基本特征；而采用含硼生铁为原料直接冶炼硼钢还是一个新的尝试.参照硼钢标准，对新工艺制备的硼钢试样进行了拉伸、冲击韧性等性能测试，结果表明，用这种方法冶炼的硼钢，其材料的力学性能接近或超过国标GB/T3077-1999中相近成分的硼钢性能，研究结果为进一步综合开发利用硼铁矿资源提供了新思路.

1 实验材料和方法

实验采用的含硼生铁为硼铁矿在100 m3级高炉冶炼分离的产品，化学成分(质量分数%)为：B 0.1～0.5，Si 2.0～2.5，C 3.3～3.8，S 0.06～ 0.1，Mn ～0.12，P ～0.065，其中w(Si)，w(S)均很高，约为一般铁水的3倍，因此，先采取对含硼铁水进行预脱硫、脱硅处理以得到含硼半钢，然后再进一步冶炼为硼钢[7].

含硼铁水预脱硫、脱硅处理及硼钢冶炼实验均采用50 kW中频感应炉，熔化铁水采用黏土石墨坩埚，内壁为镁砂捣打内衬，容量为20 kg；脱硫采用喷吹脱硫剂法，脱硅分别采用固体氧化剂和吹氧脱硅方法[8]，吹氧时采用内径为Φ2 mm双孔刚玉管.

硼钢性能测试及分析：采用标准CMT5105型电子式材料万能试验机测试硼钢试样的拉伸性能；冲击韧性则采用美国Instron仪器化冲击试验机(9250HV drop tower instrument)和标准摆锤式冲击试验机；应用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜、XRD等手段，对测试结果进行表征分析.

2 实验结果及讨论

2.1 冶炼制备硼钢新工艺

2.1.1 含硼铁水脱硫和脱硅预处理

表1为喷吹法脱硫实验结果，载气为工业氮气，铁水温度范围为1 350～1 400 ℃.可见，由于硼是对脱硫有益的成分，所以，即使采用普通活性氧化钙脱硫剂也可使硫含量降至小于0.01%，脱硫后硫含量均能满足硼钢标准要求.

表1 含硼铁水预脱硫实验结果Table 1 Results of pre-desulfurization for the boron containing pig iron

脱硫后再脱硅实验结果如表2所示，可见，脱硅时硼也同步氧化，二者氧化率几乎相同[2,9]；脱硅处理后得到的含硼半钢成分(质量分数/%)大约为：C 3.2～3.4、Si 0.2～0.5、B 0.02～0.06、Mn 0.07～0.09、P 0.06～0.065、S < 0.01，是直接冶炼硼钢的原料.

表2 含硼铁水脱硫后再脱硅处理实验结果(质量分数)Table 2 Results of desilication treatment for the boron containing pig iron after desulfurization (mass fraction) %

2.1.2 含硼半钢冶炼硼钢

模拟转炉冶炼硼钢工艺，将上述脱硫、脱硅预处理后的含硼半钢倒入坩埚中，加入造渣剂吹炼.造渣剂为预先混配的由活性石灰、Fe2O3粉和CaF2等组成的混合物，其中，石灰与Fe2O3质量比为4:1～3:1，加入CaF2时，其用量为3%～5%，石灰加入量按终渣碱度(CaO%/SiO2%)R=3计量加入[7].

图1为冶炼过程中钢水成分的变化，可见，在吹炼前期主要是硅、硼、锰迅速氧化；随着硅、硼的降低碳也大量氧化，磷也在吹氧的同时随硅、硼氧化，而硫几乎没有变化；吹炼结束时钢水温度约为1 580 ℃，硼含量(质量分数)约为0.002%，基本在硼钢要求的0.0005%～0.0035%标准范围内；磷降低到0.019%，满足硼钢标准要求.

由冶炼实验结果可知，在碱性渣的条件下硼很容易氧化，钢水中残留量很低，炉渣的XRD分析结果表明硼在渣中的状态是B2O3.由氧势图[10]可知，B2O3的氧势线位于V2O3与和SiO2之间，接近SiO2的氧势线，表明硼与氧有较强的亲和力，在吹炼过程中很容易氧化为B2O3.

图1 吹炼实验过程中含硼钢水成分的变化Fig.1 Variation of composition in molten steel containing B during smelting

2.2 硼钢试样材料的力学性能

对冶炼得到的含硼钢水加铝及硅铁合金脱氧，然后按照GB/T3077-1999中的锰硼合金钢成分加锰铁、硅铁合金化.表3为选择测试的两种不同硼含量的硼钢试样的化学组成，其中6-27A的硼含量超出硼钢标准范围.

表3 硼钢试样的化学组成(质量分数)Table 3 Composition of boron steel specimens (mass fraction) %

注：A代表热处理制度：900 ℃，30 min正火→880 ℃，30 min油淬→200 ℃,120 min回火

2.2.1 拉伸性能

图2和表4为硼钢试样拉伸性能测试结果，平均进行了3～4支次拉伸试验.和大多数金属材料一样，硼钢试样的拉伸应力-应变曲线表现出连续塑性变形，没有明显的屈服点.由表4可见，当硼含量超出硼钢的标准范围时，塑性严重变坏，这与一般硼钢文献[11]介绍的规律一致.

图2 硼钢试样拉伸应力-应变曲线Fig.2 Tensile stress-strain curve of boron steel specimen

硼钢试样抗拉强度σb/MPa屈服强度σ0.2/MPa延伸率δ5/%断面收缩率Ψk/%7-2A104077014.8263.366-27A11508158.4537.09

2.2.2 冲击性能

图3和表5为硼钢试样冲击性能测试结果，由冲击曲线分析，硼含量超标的试样，裂纹很快形成，并发生断裂；而硼含量在正常范围的试样裂纹形成时间则相对延长了1.5倍，并且经历了较长一段的裂纹扩展后才断裂，反映出对冲击能有一定的吸收.可见，硼含量超出标准范围，虽然抗拉强度能满足要求，但材料的塑、韧性严重变差.

表5 硼钢试样冲击功测试结果Table 5 Test results of absorbed-in-fracture energy of boron steel specimens

由硼钢标准，7-2硼钢试验材料的综合机械力学性能指标优于20Mn2、15MnVB，而与40MnB、45MnB结构合金硼钢相当.可见，在利用含硼生铁冶炼的钢水中加锰铁合金化后，即可经济的获得性能超越20Mn2结构合金钢的材料；通过后期调整其它合金化成分，也完全能达到40MnB、45MnB以及20MnVB、20MnMoB硼钢的性能标准，关键在于控制硼含量在硼钢标准范围.

图3 9250HV冲击试验机硼钢试样冲击测试结果Fig.3 Impact test results of boron steel specimen with 9250HV drop tower

3 分析和讨论

如上测试结果，利用含硼生铁为原料冶炼得到的硼钢，当硼含量在标准范围时，其拉伸、冲击性能均能达到硼钢标准要求；而当硼含量超出标准范围则冲击韧性严重变坏，对此进行了深入研究和分析.

图4 硼钢试样拉伸断口SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of tensile fracture of boron steel specimens

图5 硼钢试样冲击断口SEM形貌(标尺：左10μm，右5μm)Fig.5 SEM micrographs of impact fracture of boron steel specimens

图4、图5分别为硼钢试样的拉伸和冲击断口形貌.可见，7-2A硼钢试样拉伸和冲击断口处分布着大量沿深度方向呈阶梯状的韧窝，韧窝较深且大小不规则，说明在拉伸和冲击变形过程中发生了延性断裂；而硼含量较高的6-27A硼钢试样的断口，微坑少且浅，大部分为解理断裂面形貌.表明硼含量超出标准范围时塑性变差，受到拉伸或冲击时塑性变形量小，将发生脆性断裂.造成硼钢发生脆性断裂的原因主要是在晶界处析出了硼化物相Fe23(C,B)6[12].

图6为6-27A硼钢试样的XRD图谱，可见有Fe23(C,B)6峰；图7 为硼钢试样经硝酸酒精溶液浸蚀后的金相照片，可见6-27A中分布较多的白色明亮的条片或小点状物，此即为硼化物相Fe23(C,B)6[12].钢中含有微量的硼能提高钢的冲击韧性，但超过一定含量(w(B)>0.0035%)时，就会生成硼化物相，随着硼化物相在晶界的析出量增大，冲击韧性将会大幅度降低[13].由于6-27A硼钢试样的硼含量已超出标准范围，所以，冲击韧性变差.