钢中钛、铝含量对硼收得率影响分析

潘万钢，梁 健，高振波，张 萍，何云龙，龚梦强

(马鞍山钢铁股份有限公司特钢公司 安徽马鞍山 243000)

许多研究表明[1]-[4]，钢中添加微量的硼元素可以显著提高钢的淬透性，减少铬、镍、钼等贵重金属的使用，提高经济效益。但硼是元素周期表第三主族中唯一的非金属元素，其化学性质非常活泼，与氧和氮都具有很强的亲和力，因此其收得率难以稳定提高。在含硼钢中，通常还含有一定量的[Al]、[Ti]等活泼金属元素，这些元素对含硼钢收得率的影响值得研究。本文通过热力学计算并结合现场工业试验研究了钢中钛、铝含量对硼收得率的影响，为提高钢中硼的收得率提供了理论支撑。

1 热力学计算

1.1 钛、铝、硼的脱氧顺序

钢液中的氧会影响硼的收得率，而钛和铝作为强脱氧元素，其与硼的脱氧能力大小可以通过比较在钢液中与[O]反应的吉布斯自由能来判断。

钢液中[Al]与[O]反应的热力学数据如下[5]：

2[Al]+3[O]=2Al2O3(s)

当钢液中的[Al]、[O]达到平衡时，ΔG1=ΔG1θ+RTlnK1=0，其中αAl2O3以纯物质为标准态，αAl2O3=1，fAl与fO近似为1，温度为1873K，代入式中，可得：

[Al%]2·[O%]3=4.44×10-14

钢液中[Ti]与[O]反应的热力学数据如下[5]：

[Ti]+2[O]=TiO2(s)

当钢液中的[Ti]、[O]达到平衡时，ΔG2=ΔG2θ+RTlnK2=0，其中αTiO2以纯物质为标准态，αTiO2=1，fTi与fO近似为1，温度为1873K，代入式中，可得：

[Ti%]·[O%]2=8.30×10-8

钢液中[B]与[O]反应的热力学数据如下[5]：

2[B]+3[O]=B2O3(s)

当钢液中的[B]、[O]达到平衡时，ΔG3=ΔG3θ+RTlnK3=0，其中αB2O3以纯物质为标准态，αB2O3=1，fB与fO近似为1，温度为1873K，代入式中，可得：

[B%]2·[O%]3=5.19×10-7

由上述计算结果可以得出[Al]、[Ti]、[B]与[O]反应的平衡曲线如下图1所示。

由图1可知，在1873K时，钢中[O]会优先与钢中[Al]反应达到平衡。在LF精炼过程中，钢中存在0.025%的[Al]时，钢中残余[O]约为0.0004%，若此时钢中的[Ti]与残余[O]反应，则[Ti]含量需要达到0.48%，若此时钢中的[B]与残余[O]反应，则[B]含量需要达到85.52%。

图1 1873K时钢中[Al]、[Ti]、[B]

1.2 钛、铝、硼与钢中[N]的反应顺序

钢液中的氮也会影响硼的收得率，而钛和铝也可以与钢中的[N]发生反应，通过比较其在钢液中与[N]反应的吉布斯自由能，可以判断钛、铝、硼与钢中[N]的反应顺序。

钢液中[Al]与[N]反应的热力学数据如下[5]：

[Al]+[N]=AlN(S)

当钢液中的[Al]、[N]达到平衡时，ΔG4=ΔG4θ+RTlnK4=0，其中αAlN以纯物质为标准态，αAlN=1，fAl与fN近似为1，温度为1873K，代入式中，可得：

[Al%]·[N%]=0.061

钢液中[Ti]与[N]反应的热力学数据如下[5]：

[Ti]+[N]=TiN(S)

ΔG5θ=-314800+114.25T

当钢液中的[Ti]、[N]达到平衡时，ΔG5=ΔG5θ+RTlnK5=0，其中αTiN以纯物质为标准态，αTiN=1，fTi与fN近似为1，温度为1873K，代入式中，可得：

[Ti%]·[N%]=0.0015

钢液中[B]与[N]反应的热力学数据如下[5]：

[B]+[N]=BN(S)

当钢液中的[B]、[N]达到平衡时，ΔG6=ΔG6θ+RTlnK6=0，其中αBN以纯物质为标准态，αBN=1，fB与fN近似为1，温度为1873K，代入式中，可得：

[B%]·[N%]=0.153

由上述计算结果可以得出[Al]、[Ti]、[B]与[N]反应的平衡曲线如下图2所示。

图2 1873K时钢中[Al]、[Ti]、[B]

由图2可知，在1873K时，钢中[N]会优先与钢中[Ti]反应达到平衡。在LF精炼过程中，当钢中存在0.030%的[Ti]时，与[Ti]平衡的[N]约为0.05%，若此时钢中的[Al]与残余[N]反应，则[Al]含量需要达到1.22%，若此时钢中的[B]与残余[N]反应，则[B]含量需要达到3.06%。

由上述热力学计算可以表明，在LF精炼过程中，当钢液中含有一定量的铝和钛便可以避免发生硼与氧、氮发生反应，从而提高收得率。

2 工业试验

2.1 试验方法

为了验证添加钛对硼收得率的影响，对含[Als]均为0.025%的含硼钢在LF精炼过程中，采用两种不同的工艺进行硼合金化，如下表1所示：

表1 合金加入方式

2.2 试验结果

分别以方案1生产7炉含硼含铝钢，方案2生产8炉含硼含铝钢，所用合金均为含20%硼的硼铁，其中合金收得率η计算公式如下所示：

经计算，LF精炼过程中硼的收得率如下表2 所示。

表2 不同加入方式下钢中[B]的收得率

如表2所示，在LF精炼后期直接加入硼铁合金化的方案1，硼的收得率在60.38%-72.42%之间，平均收得率为67.20%；采用LF先加钛铁调整钛含量的，再加入硼铁合金化的方案2，硼的收得率在73.37%-83.43%之间，平均收得率为77.11%，明显高于方案1。这说明钛铁的加入可以提高钢中硼的收得率。结合热力学计算结果，这主要是由于钛的加入可以降低钢中[N]含量，从而减少硼与氮的结合，提高了硼的收得率。

3 结论

热力学计算表明钢中[O]会优先与[Al]先反应，当钢中存在0.025%的[Al]时，钢中残余[O]为0.0004%，需85.52%的[B]才会与残余[O]发生反应。

热力学计算表明钢中[N]会优先与[Ti]先反应，当钢中存在0.030%的[Ti]时，钢中平衡[N]为0.05%，需3.06%[B]才会与残余[N]发生反应。

工业试验表明在钢中[Als]为0.025%是，加入0.030%的[Ti]可以将硼的收得率由60.38%-72.42%提高到73.37%-83.43%。