国内外硼钢冶炼技术发展纵横

kxfne

硼钢是以硼为主要合金元素的钢，又称硼处理钢。在钢中只要加入极少量的硼元素（w(B)＝0.0005%～0.0050%），即可显著提高钢的淬透性，其作用相当于一般合金元素如锰、铬、镍的几百倍，因此可用微量硼元素代替大量合金元素。同时，硼元素还可提高耐热钢的高温强度和蠕变强度，改善高速钢的红硬性和刀具的切削能力等。由此来看，硼钢不仅增强了钢材综合性能，还降低了生产成本。近10年来，国内外钢厂不断加快硼钢的研制与生产，硼钢冶炼技术不断成熟，硼钢的品种也在不断扩大。硼钢的生产需要通过炼钢、炉外精炼、连铸、后续轧制和热处理阶段协同控制，因此技术控制就显得尤为重要。为此，笔者将硼钢从炼钢到连铸方面的控制技术进行了分析和总结，希望能为炼钢工作者提供一些参考或借鉴。

合金结构硼钢应用领域较为广泛
硼钢的种类主要有合金结构硼钢、低合金高强度硼钢和弹簧硼钢等。其中合金结构硼钢应用较多，主要包括调质硼钢、表面处理硼钢和冷变形硼钢。调质硼钢具有高强度、高韧性、高耐磨性等特点，可用于汽车、拖拉机、机床、矿山机械、电站设备等。这类钢的碳质量分数在0.25%以上，除了单独加硼以外，还可加入锰硼、铬硼、锰钛硼、锰钒硼、铬锰硼等多种合金；表面处理硼钢主要是渗碳硼钢，其碳质量分数一般低于0.25%，这类钢渗碳性能较好，渗碳层不会形成大量的残余奥氏体，因而硬度高、耐磨性、抗疲劳性能良好，而且缺口敏感性较小。目前，国外开发了一些新渗碳硼钢制造齿轮，这种齿轮钢变形小，可快速渗碳；冷变形硼钢主要用于制造螺栓等各类紧固件，可代替原来用的中碳钢、中碳铬镍钼钢。其优点是冷变形抗力小，可省去变形前的球化退火处理。这类钢的碳质量分数一般低于0.25%。目前，国外有许多冷变形用硼钢牌号，用于制造汽车、拖拉机、建筑等行业所需要的高强度螺栓。
含量和组织控制是提升性能的关键
硼在钢中的淬透性效果与含硼量、含碳量以及钢的奥氏体化温度有关。通常随着碳含量的增加，硼的作用逐渐降低。在最佳奥氏体化温度下，硼的淬透性效果最佳。研究表明，钢中硼的质量分数应为0.0010%左右，过低或过高均不能产生最佳效果。
细化钢中奥氏体晶粒，有利于发挥热塑性。外国某钢铁公司在碳钢S45C中添加Ti和B，将Ti和B按1∶2物质的量比加入钢中，以TiB2粒子形式分布在钢中二次树枝晶间能细化奥氏体晶粒。当添加TiB2的摩尔分数增大到约0.2%时，奥氏体晶粒的平均直径从1900μm减小到250μm。当提高冷却速率时，奥氏体颗粒直径减小，最小值也在250μm左右。钢水凝固过程中在内部树枝晶界位置除了TiB2以外，还存在细小的TiC和Fe2B颗粒，它们能限制奥氏体晶粒内部树枝晶界的生长，进而阻止晶粒长大。奥氏体晶粒细化后有利于最终在碳钢中形成细小的α铁素体，从而不影响钢的热塑性。
硼钢凝固时硼发生偏析，导致铸坯存在缺陷。国外研究机构发现，生产硼钢的困难之处在连铸阶段。他们认为，钢中即使加入微量的硼元素，铸坯也会产生表面裂纹、内部裂纹和中心偏析等，甚至出现漏钢。加入硼元素以后，连铸中凝固的钢水会再次熔化，通过原位分析表明，硼在晶粒边界和树枝晶区发生偏析。通过模拟建立的Fe－B相图来看，重熔后的钢水熔点低，温度可保持在1120℃～1170℃。由此可见，钢水较长时间保持熔融态而延长凝固时间是导致铸坯缺陷的主要原因。
以含硼铁水为原料生产硼钢可降低成本。东北大学研究以含硼铁水为原料生产硼钢，铁水经过脱硫、脱硅预处理后装入转炉中，加入造渣剂，然后供氧吹炼。精炼中根据硼钢成分的要求加入硅、锰和碳，出钢温度控制在1560℃～1610℃，随后浇铸成钢锭，最后获得硼钢。笔者认为，利用含硼铁水生产硼钢虽然降低了成本，但转炉吹氧时高浓度的氧会降低硼的收得率，这是采用含硼铁水生产硼钢的难点。
国内外硼钢冶炼工艺控制侧重点不同
从目前的研究分析来看，冶炼硼钢需要在炉外精炼和连铸过程中加以控制。精炼中要做到有效地脱氧定氮，防止生成硼的氧化物和氮化物，以提高硼的收得率；连铸中为了防止硼的偏析和低熔点Fe－B相导致的铸坯缺陷，关键是要控制好钢水的凝固冷却。从目前国内外的研究现状来看，国外更注重钢水凝固过程的控制，认为硼的偏析和钢水重熔是导致铸坯缺陷的重要原因，而国内则侧重于精炼中对氧和氮含量的控制。
国外冶炼含硼钢的关键技术。为了提高硼的收得率，在加入硼前应先加入与氧、氮结合力更强的铝、钛、锆等元素，即先加铝脱氧，再加钛等定氮。有研究指出，用钛定氮保护硼形成的TiN也很容易使钢的韧性、疲劳性能甚至机械加工性能变差，而且TiN很稳定，一旦形成就几乎不再变化，难以起到进一步平衡、稳定酸溶硼含量的作用。为此，国外钢厂研究了只用铝不用钛的冶炼硼钢的方法，也有钢厂将含有硼和铝、钛、锆、锰、硅等多种元素的复合硼铁合金一次性加入，实际应用效果较好。
日本住友金属公司在生产w(B)≥0.1%的不锈钢时，为了防止铸坯表面产生纵向裂纹，关键技术是控制中间包内钢水过热度在30℃以下，使钢水在较低温度下浇铸，更有利于加速钢水的凝固。
新日铁冶炼低碳含硼易切削钢的措施是控制进入LF精炼前钢水中溶解氧质量分数≤0.02%，或者控制钢水中夹杂物w（MnO）≤30%，因为生成的非金属夹杂物MnO和B2O3在连铸时会黏附在滑板上而造成腐蚀。为了使铸坯表面和皮下的奥氏体颗粒边界不会出现晶粒内裂纹，新日铁控制连铸结晶器末端凝固壳厚度在7mm～10mm，二冷区冷却速度控制在100℃/ｓ，直至铸坯表面角部以下0.5mm～2mm深度的温度达到1000℃，此时能够减少MnS和BN沿着奥氏体颗粒边界的大量沉积，防止铸坯在弯曲和矫直位置产生表面裂纹。
浦项制铁研究了连铸二次冷却和氮含量对含硼钢热延展性的影响后发现，在快速冷却和重新加热到应变温度时会使钢的热延展性变差，认为此时会形成大量的BN固体而沉积。而且氮含量高时，沉积的BN会随机分布在优先生成的奥氏体内，特别是在奥氏体颗粒边界。因此，在板坯凝固后的二冷段，当温度在1000℃以下时，为避免过快冷却，在连铸、轧制的过冷和再加热的幅度不能过大。
我国冶炼硼钢的工艺特点。我国钢铁工业对冶炼硼钢的研究取得了较大的进展。宝钢采用电炉配连铸设备生产的40CrB高淬透性钢管化学成分稳定、夹杂物数量少，管坯生产的钢管尺寸精度高、表面质量好。武钢生产的冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢，控制钢中微合金元素，在强化钢种的同时，保证低碳硼钢的综合性能。首钢在冶炼含硼低碳钢时，针对钢中成分对硼收得率的影响展开了研究，发现如果不采用铝对钢水脱氧，硼的收得率就会受硅含量影响，因为钢中氧活度主要由硅含量控制。当硅含量增加时，通过其降低氧活度的作用会使硼的收得率提高。莱钢生产含硼钢在钢水加硼前，经过脱氧去气后，硼回收率稳定在90%以上，实现生产同一含硼钢种，炉与炉之间钢水成分w(B)偏差小于0.0002%。
含量和工艺控制研究是未来发展方向
在硼钢生产中，工艺和硼含量控制不好会带来诸多问题。例如淬透性不好，导致强度、硬度出现波动等。虽然可以在炼钢中调整钛的添加量来改善这些问题，但值得注意的是，一般合金元素提高淬透性的效果随其在钢中含量增加而提高，而硼元素却有一个最佳含量。硼含量较多时，硼相沿晶界片状连续沉淀，会减弱硼钢的冲击韧性。一般认为0.0005%～0.0020%的酸溶硼质量分数最佳，精炼中可提高硼的收得率，并且硼的加入量较为稳定。由此可见，今后硼钢冶炼技术的研究方向是保证稳定地以最小范围的硼的添加量来获得所需含量的酸溶硼，并且均匀地分布在钢中。在连铸中作好冷却过程的控制，对钢水开始凝固的阶段和温度下降到1000℃以下时的冷却制度可以进行深入研究。未来也可在高级别管线钢等高附加值钢中研究硼的应用。