2.25Cr1Mo0.25V钢中B含量控制研究

方 迁 叶成立 金 杨 张 健 陆 涛

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

硼可以通过抑制铁素体、珠光体和贝氏体转变，从而提高钢的淬透性，当有效B(固溶B)含量在0.001%～0.003%时，提高淬透性的作用最佳[1]。随着我国大型加氢反应容器的发展，为解决超大壁厚(350～450 mm)筒体锻件心部淬透性不足的问题，在加氢反应器典型钢种2.25Cr1Mo0.25V冶炼时加入适量的B以提高淬透性[2]。但是B是一种较为活泼的元素，易与O、N等元素形成硼化物，导致不能发挥有效的作用。所以，如何稳定地控制钢水中B含量以及控制B在钢中的赋存状态是材料制造时的难点。

1 钢水中B收得率控制

1.1 加B钢冶炼工艺现状

目前，国内外常规的加B钢冶炼工艺，为了提高B的收得率，一般要加入Al深脱氧以降低B的烧损。如表1所示，国内部分钢厂一般将Al控制在0.03%左右，B的收得率为60%～90%[3-7]。

1.2 B氧化的热力学分析

钢水中[Al]、[Ti]、[Si]、[B]与[O]反应的热力学数据见表2。从图1可以看出，在1600℃时，易氧化性顺序Al>Ti>B>Si，其中B和Si的性质相似。

对于2.25Cr1Mo0.25V，其典型成分如表3所示。考虑其一阶相互作用系数，f[O]≈0.43[8]。钢水中[Al]、[Ti]、[Si]、[B]与[O]的平衡关系如图2所示，从图中可以看到，当w[Al]≥0.01%时，w[O]<20×10-6，在当前浓度下，[Ti]、[Si]、[B]均不会与[O]反应生成氧化产物。

表1 国内部分钢厂含B钢的B收得率Table 1 B yield rate of steel with Bin some domestic steel mills

表2 [Al]、[Ti]、[Si]、[B]与[O]反应的热力学数据Table 2 Thermodynamic data of reactionsbetween [Al], [Ti], [Si], [B] and [O]

图1 [Al]、[Ti]、[Si]、[B]与[O]反应的ΔGFigure 1 ΔG in reactions between [Al], [Ti], [Si], [B] and [O]

按照图2的计算结果，当w[O]<20×10-6时，理论上加入的B收得率几乎可以达到100%；考虑B合金的不均匀性以及钢水重量的准确性，收得率也不会小于95%。然而实际生产中，大部分收得率仅能达到70%～80%，这可能是由于精炼渣中不含B2O3，钢水中的B与炉渣中的SiO2等不稳定氧化物会发生式(1)所示的反应。彭雷朕[9]在研究FB2钢种时发现，在真空感应炉中，当w[O]=30×10-6～50×10-6时，B收得率≥90%；在渣金平衡实验时，发现当渣中w(B2O3)<0.5%时，钢中的[B]含量下降，当w(B2O3)≥1%时，钢中的[B]含量开始增加。

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

(1)

由此可知，在冶炼时要提高B的收得率，并不一定需要喂Al，只要氧含量较低，B的收得率就不会受钢水中氧含量影响。

1.3 对含B钢的冶炼实践

公司除了2.25Cr1Mo0.25V，还有其他几种含B钢，其冶炼工艺略有不同，如表4所示。不同含Al量对B收得率的影响如图3所示，可以看出，Al含量对B的收得率没有直接影响。但是钢种1由于不喂Al，B的收得率波动较大，说明钢水保持一定的含Al量有利于稳定控制钢水中[O]含量，从而稳定B的收得率。

2 钢锭中有效B含量控制

通常认为是B原子在奥氏体晶界偏聚，阻碍铁素体形成，从而提高钢的淬透性，所以自由B浓度是一个关键参数。然而在钢水凝固过程中，B除了与O形成B2O3以外，还极易与N形成BN，导致B无法发挥作用，因此必须采取相应措施减少B形成化合物。降低钢水N含量以及加入更易与N结合的元素(例如Ti)是目前可采用的有效措施。

通过氮化物在奥氏体中析出的热力学计算，为微合金的最佳加入量提供了有效的理论依据。根据表3中2.25Cr1Mo0.25V的典型成分，结合表5，可以计算得出单一合金氮化物开始析出的温度，如图4所示。可以看出，在N含量为0.007%～0.008%时，TiN析出温度约为1340～1350℃，BN析出温度约为1090～1100℃，AlN析出温度约为1000～1010℃，所以Ti可以有效的阻止BN的形成，Al对固定N几乎没有作用。

当钢中含有多种微合金时，一旦一相析出，那么奥氏体中相应的N浓度会降低，导致其他第二相析出温度继续降低。当温度下降到某一较低温度时，几种氮化物就可以同时析出。假设这些氮化物保持理想的化学配比，那么根据物质守恒则有：

表3 2.25Cr1Mo0.25V化学成分(质量分数，%)Table 3 Chemical compositions of 2.25Cr1Mo0.25Vsteel (mass fraction, %)

图2 钢水中[Al]、[Ti]、[Si]、[B]与[O]的平衡关系Figure 2 The equilibrium relationship between [Al], [Ti], [Si], [B] and [O] in molten steel

表4 不同加B工艺与B的收得率Table 4 Different B addition processes and B yieldes

图3 Al含量与B收得率的关系Figure 3 Relationship between Al content and B yield

表5 Ti、B、Al氮化物在奥氏体中析出的平衡常数[10]Table 5 Equilibrium constants of Ti, B and Al nitrides precipitated in austenite

图4 氮化物开始析出温度Figure 4 Nitride precipitation temperature

图5 钢中Al、Ti、B、N固溶量随温度的变化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%图6 钢中Al、Ti、B、N固溶量随温度的变化Figure 6 The change of Al, Ti, B and N solid solution amount with temperature in steel

(2)

温度为T时也满足：

(3)

结合表3，联立求解式(2)～(3)，可以得到理想情况下钢中Al、Ti、B、N固溶量随温度的变化，如图5所示。从图中可以看出，TiN约在1340℃优先析出，Ti、N含量随TiN析出量增加而逐渐降低；当温度达到约1040℃时，BN开始析出，此时析出温度较单一元素析出温度降低了约50℃；当温度小于850℃时，B几乎全部与N结合，无固溶B存在，说明若按表3的成分控制，不能发挥B提高淬透性的作用。

3 小结

(1)在钢水中，B的性质与Si相似，在脱氧良好的情况下，w[Al]≈0.01%即可获得稳定的B收得率，更高的Al含量不会提高B的收得率。

(2)钢中的w[Ti]w[N]可以显著影响固溶B含量，理论上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，几乎不能得到固溶B，为了有效地提高淬透性，可以将Al含量降低至0.01%，并且将Ti提高至0.020%～0.025%。