电弧炉操作中影响硼淬透性的因素的确定

电弧炉操作中影响硼淬透性的因素的确定大约在二战结束后，硼就被用来提高钢的淬透性。人们很快意识到硼是氧化物和氮化物的形成元素，适当地脱氧和化合自由氮对硼处理非常重要。一般用铝做脱氧剂，用钛化合氮。为此，硼处理时，必须特别注意炼钢工艺，提高淬透性。Ispat内陆钢公司电弧炉生产的碳-锰铝镇静钢，当Ti/N重量比低于6:1时，末端淬透性达不到要求。用户的反馈表明钛含量高对机械性能有不利影响，但是电炉中氮含量会超过100ppm，所以要求钛含量高。进行了一系列的试验，确定影响硼淬透性的工艺变量。目的是在钛含量不超过要求极限的情况下尽量降低端淬结果的不合格率。热动力学问题脱氧反应与硼淬透性有关的反应主要是脱氧、氮化物和炭化物形成。在液态开始的反应是脱氧反应。Ti-B钢种的钢水处理主要涉及用铝脱氧：2Al+3O→Al2O3(s)铝脱氧比钛和硼氧化占优势。必须保证充分的渣——金属混合，尽量减少因残余FeO和MnO的相互作用，而造成的钛和硼在渣中的损失。氮化物形成氮化钛的形成见下列反应式：Ti+N→TiN(s)在1500℃，该阶段的溶度积为[%Ti][%N]=5.6×10-4。在很高的Ti和N浓度下，TiN可能沉淀在钢水中。在凝固过程中，由于显微偏析的作用使得TiN在比预计的更高的温度下沉淀。相反，氮化硼的形成：B+N→BN(s)在1500℃，溶度积为[%B][%N]=8×10-2。铝也形成氮化物，化学势位于BN和TiN之间，在1500℃，溶度积为1.2×10-2。如果所有的反应都是平衡的，钛能有效地防止硼氮化，即使Ti/N为4:1。一些研究人员利用铝代替钛防止硼氮化。和TiN相反，AlN的形成温度较低，在基体中相对于B来说，Al的扩散率较低，会导致一些硼损失到BN中。炭化物形成钛和硼形成炭化物的潜力很大。但是，在所研究的钢种中，它们并不是以简单的TiC和B4C的形式存在的。根据C和N含量，钛可能以碳—氮化物的形式存在。奥氏体可溶硼以Fe23(B,C)6的形式存在。试验设计为确定工艺中影响硼处理效果的因素，利用了工艺中的四个因素在“低”值和“高”值之间确定对硼效果的影响。另外，也控制和监测影响日常生产工艺效果的其它因素，尽量降低对试验数据的影响。因素的选择选择了四个因素进行试验：（1）钛-氮比控制在4:1和6:1之间。这是最难控制的因素，因为涉及到两个元素的比例。填加钛之前，在钢包冶金站（LMF）读取氮分析结果。适当地填加钛铁合金，假设钛的平均回收率为78%。氮吸收的变化、氮分析的可变性以及变化的钛回收率都影响该数值。（2）填加钛和填加硼之间的时间控制在两个不同的长度。理论上，直到接近凝固时，才发生TiN沉淀，其后才发生硼反应。就此而言，在B之前还是之后填加Ti变化不大。（3）硼的目标含量在15ppm和25ppm之间变化，确定当Ti/N比率低时，附加硼是否能改善末端性能。试验生产了一系列钢水。出钢时不填加铝、钛或硼。认真监测每炉钢水在LMF的脱氧操作，防止Ti和B过分损失到自由氧中。在最终的铝调整后，每一炉钢水要进行LECO氮分析。利用钢水的理想的Ti-N比（4:1-6:1）计算要填加的钛铁合金的量。历史数据表明采用Fe-70%Ti，钛的回收率平均为78%，氮吸收为5ppm。将这些与钢水重量结合起来，就得出需要填加的钛铁合金的量。在钢包冶金站的处理过程中，预计每炉钢水要接受15ppm或25ppm的硼。最后，当钢包位于中间包之上时，每炉钢水用N2或Ar作为钢包炉门的冷却剂，确定用N2是否会增加成品中的N2含量。试验用的钢水是在1998年1月至5月间出钢的。每炉钢的Ti/N比和Ti-B时间随机变化。为避免中间包中材料和状态的不稳定，B含量和冷却气体不随机变化。从中间包取针状试样，检查钢包和中间包之间的吸氮量。取钢坯试样进行末端淬透性试验，抽取化学样进行中间包分析。在同一时间对所有的端淬试样进行了随机统计，包括锻造、热处理及硬度分布，尽量减少试验中结果的变化。结果分析试验结果的ANOVA比较表明淬透性和（1）硼含量（15-25ppm）(2)钛—硼时间或（3）使用氩或氮之间没有任何相互关系。这些因素之间也没有明显的相互作用。对中间包试样和LMF试样的检验表明LMF处理后吸氮很明显，只有一个低于10ppm。在钢包炉门中使用氩气，明显降低了吸氮。但是，该数据强烈地依赖于钢包炉门的条件。当气体离开钢包时，炉门条件会影响进入钢水的气体量。这样的话，在某些条件下，利用氩气冷却钢包炉门是很重要的。Ti/N比（B含量，Ti-B时间和钢包炉门冷却气体）之外的因素对B的淬透性没有影响。试验证实了生产数据中硼因素和钛—氮比之间的关系，见表1。表1试验硼因素的比较平均低平均高t-试验结果Ti/N比1.671.836.33不同B含量1.741.740.15相同Ti-B时间1.731.761.02相同Ar/N21.731.750.81相同考虑的机理是：（1）在中碳钢中，钛以碳氮化物的形式存在，沉淀物中，一些碳取代了氮，没有消耗预期的化学计量氮。当Ti填加到0.33%C钢中，吸收更多的N时，在形成纯TiN的基础上，溶解氮比预计的多。由于沉淀物中有C存在，所以要求Ti去结合自由N。（2）在Ti-N为4:1时，硼的作用很明显。（3）根据浇注温度和成分，在结晶器内凝固时会形成TiN，局部偏析会影响Ti结合氮。这样的话，自由氮会与向下液流的硼结合。（4）尽管采用Ar和N2的钢水在连铸机的吸氮量有很大差异，但对硼因素没有明显的影响。如果在中间包和结晶器之间的吸氮量较高会造成硼的损失。结论根据这些结果，我们认为淬透性降低是由钛-氮比造成的，这在生产数据中早已被注意到。根据有关文献，有两种机理会影响硼处理：Ti/N低时（3.4-4.5）,一些硼损失到氮中，是因为形成了Ti（C,N）,在给定的Ti含量下，比形成纯TiN时的自由氮含量高。Ti:N高于4.5:1时，淬透性不断提高。另一个机理是：浇注过程中，B损失到吸氮中，由于凝固过程中的显微偏析作用，Ti和N不完全反应。