魏玉簫  周信德  朱帥旗  任勇  楊志剛

（金鼎鋼鐵集團  河北武安）

摘要：含硼10B21高強度冷鍛鋼盤條，通過采用鋁深脫氧、鈦固氮保證鋼中有效硼的含量，同時加Cr提高該鋼種的淬透性；生產(chǎn)中過程采用提高轉(zhuǎn)爐終點碳含量、留渣操作、復(fù)合脫氧、LF精煉白渣和高堿度控制、輕鈣處理和連鑄全程無氧化保護澆注等措施，降低O、N氣體含量和S、P含量，減少鋼中夾雜物含量提高鋼水潔凈度，實現(xiàn)含鋁鋼生產(chǎn)順行并成功生產(chǎn)出性能合格10B21盤條。

關(guān)鍵詞：有效硼；潔凈度；成分優(yōu)化；冷鐓性能

1引言

隨著現(xiàn)代汽車、機械、建筑、輕工和航空航天等生產(chǎn)部門的發(fā)展及我國提出“碳高峰、碳中和”綠色鋼鐵生產(chǎn)要求，緊固件（如螺栓、螺釘、螺母等）用鋼量不斷增大，產(chǎn)品向高強度、高精度、異形化和節(jié)能的方向發(fā)展。標準緊固件主要四種成型工藝以冷鐓工藝應(yīng)用最為普遍。我公司研制的10B21含硼鋼冷鐓鋼是在美標SAE J403-2001中的牌號基礎(chǔ)上開發(fā)的免退火盤條，是目前市場用8.8級高強度冷鐓緊固件用盤條，通常用戶在拉拔前要進行球化退火或軟化退火以降低強度提高塑性，改善其加工性能。我公司主要通對該鋼種化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計和低S、P控制、降低鋼中O、N氣體含量、控制夾雜物的含量、形態(tài)、分布等方面提高鋼水潔凈度，實現(xiàn)含硼鋼10B21盤條高強度和塑韌性匹配，解決了高強度冷鐓鋼冷成型塑性問題（冷鐓裂紋）。

2化學(xué)成分設(shè)計

2.1 Si元素在鋼中的作用

Si為鐵素體強化元素，減少其含量，冷鐓時的變形抗力降低;同時,Si也是脫氧元素，保證一定硅含量也是必須的。因此將其含量控制≤0.10%；

2.2 B元素的影響

B在鋼中的主要作用是提高鋼的淬透性，其機理主要是它吸附在奧氏體晶界上，降低了晶界能，抑制鐵素體晶核的形成，降低了先共析鐵素體和上貝氏體晶核的形成率。延長了奧氏體分解轉(zhuǎn)變的孕育期。B的這種作用僅對低碳和中碳含量的鋼有效，對高碳含量及過共析鋼則作用不大或基本沒有作用。硼提高鋼的淬透性主要是固溶在鋼中部分（也稱有效硼或酸溶硼）起有益作用。但硼是極活潑的元素，與氧、氮都有很強的親和力，能形成穩(wěn)定的氧化硼或氮化硼夾雜物而喪失其有益作用。根據(jù)我公司開發(fā)含硼鋼的經(jīng)驗，要保有效硼的含量（≥0.0005%）,關(guān)鍵是強化脫氧深度、降低鋼中氮含量和采用鈦固氮雙保險。過低的有效硼（＜0.0005%）起不到淬透性的目的，同時，許多研究結(jié)果表明^[1]，當(dāng)鋼中酸溶硼為0.0010%，鋼材的淬透性達到最大值，繼續(xù)增加酸溶硼含量，淬透性有所降低?？紤]10B21含硼鋼有良好穩(wěn)定性能，將B含量控制在0.0010%~0.0030%,目標0.0015%。

2.3 Al_S的作用

鋁為強脫氧元素，較Si、Mn元素相比有更深的脫氧能力。使鋼中氧含量降低更低（≤10ppm）,有效減少鋼中硼的氧化率，提高有效硼的含量。雖然Ce、Ca等元素脫氧深度較Al強，但其較鋁昂貴，為降低此鋼生產(chǎn)成本采用鋁脫氧。但采用鋁脫氧工藝生產(chǎn)含鋁鋼最大的難點就是脫氧產(chǎn)物Al₂O₃夾雜導(dǎo)致水口易絮流導(dǎo)致鋼水流動性差連鑄澆注中斷事故發(fā)生；同時考慮到含硼鋼一般不用Al作為細化晶粒元素，這是由于含硼鋼為穩(wěn)定有效硼改善淬透性的作用，抑制有害的BN的生成，常采用加鈦固氮工藝，同時抑制防止晶粒長大第二相AlN的生成。綜合考慮，Als含量控制在0.015%~0.025%。

2.4 Ti元素的作用

（1）在硼鋼中固氮作用。鈦與氮有極強的親和力，反應(yīng)極易生成TiN,減少氮與硼的反應(yīng)。

（2）固硫的作用。Ti與S結(jié)合形成TiS、Ti₄C₂S₂。文獻^[2]在研究Ti-IF深沖原子鋼結(jié)果表明，在鑄坯凝固和在加熱過程（T＞1200℃）中，Ti與S先形成TiS析出物；隨著溫度的降低，TiS在900~1200℃向Ti₄C₂S₂轉(zhuǎn)變。其形狀均有球形、六角形和棒形。這兩種細小析出物的尺寸約在幾十納米到1微米，且未發(fā)現(xiàn)條狀MnS存在，減少硫的偏析和熱脆危害。

（3）鈦細化硼鋼晶粒提高強度元素。Ti析出第二相粒子TiN、Ti(CN)和TiC等能夠阻止加熱及軋制過程中奧氏體晶粒的長大、同時抑制形變奧氏體晶?；貜?fù)和再結(jié)晶，而奧氏體中的形變帶、未回復(fù)的亞結(jié)構(gòu)邊界，可進一步促進鐵素體晶粒的細化。起到細化組織和晶粒的作用，從而提高鋼的強度和韌性。由于鋼中TiN在奧氏體化過程，只有在1200℃以上溫度才能固溶，且溶解度很低。Ti的氮化物在奧氏體中溶解度可用以下經(jīng)驗公式表示：

1og[Ti][N]= 3.82-15020/T 。而TiC 在1000℃以上就可在奧氏體固溶，軋制過程以細小TiC第二相析出強化提高熱軋鋼材的強度，但同時惡化硼鋼冷加工性。新日鐵開展合理利用TiC的研究，并通過Thermo-Calcruan軟件計算的平衡相含量（見圖1，圖2）得出：為使更多Ti生成TiC ，需減少鋼中氮含量；需提高熱軋加熱溫度使TiC充分溶解。 兼顧抑制晶粒粗化效果和冷加工性。Ti設(shè)計0.025%~0.040%  。   

圖1 低氮含量鋼和加熱溫度對鈦元素析出相溶解行為的影響

Fig. 1  Effect of low nitrogen content steel and heating temperatureon dissolution behavior of titanium precipitates

圖2 高氮含量鋼和加熱溫度對鈦元素析出相溶解行為的影響

Fig. 2  Effect of high nitrogen content steel and heating temperature on dissolution behavior of titanium precipitates

 2.5低S P控制

鋼中夾雜元素通常惡化鋼的冷鐓性，應(yīng)盡可能降低其含量。降低鋼中S含量可提高鋼的變形能力，降低P含量可降低鋼的變形能力，同時可減少S、P在晶界的偏聚而減輕晶界脆化。同時降低S、P可降低C、Mn元素在鋼中偏析。降硫防止生成FeS硫化物產(chǎn)生熱脆。

綜上考慮，我公司對控鋁含硼鋼10B21鋼成分進行優(yōu)化設(shè)計，如表1所示。

表1    控鋁含硼鋼10B21鋼化學(xué)成分

Table 1 chemical composition of control aluminum boron steel 10B21

3  生產(chǎn)工藝

3.1  工藝路線

低硫鐵水—轉(zhuǎn)爐冶煉—脫氧合金化—鋼包頂渣處理—吹氬—LF精煉—5機5流方坯連鑄（斷面165mm×165mm）——高速線材軋制φ16mm熱軋盤條。

3.2煉鋼潔凈鋼生產(chǎn)工藝

3.2.1轉(zhuǎn)爐

（1）氧的控制：采用低碳轉(zhuǎn)爐擲落式檢測探頭和煉鋼工綜合判斷轉(zhuǎn)爐終點，一倒終點命中率達到98%以上，實際終點C控制在0.08%~0.12%；同時采用鋼砂鋁和SiAlBaCa復(fù)合脫氧，在保證一定脫氧深度情況下，減少Al₂O₃夾雜物生成量。

（2）硫的控制：采用低硫鐵水（S≤0.025%）入爐；出鋼過程脫氧合金化結(jié)束后向鋼包加3.0kg/t_鋼石灰和2.0kg/t_鋼精煉預(yù)熔渣，縮短LF精煉成白渣時間,為提高其工序脫硫率創(chuàng)造良好條件。

（3）磷的控制：采用留渣操作提高轉(zhuǎn)爐渣前期溫度和堿度，早化渣，提高脫磷率；出鋼口壽命在前中期生產(chǎn)此鋼種，出現(xiàn)散流或出鋼時間小于3.5min及時維護或更換出鋼口；同時，采用擋渣球和擋渣塞雙擋渣工藝，減少下渣量防止鋼水回磷。進LF精煉鋼水[P]:0.011%~0.015%。

（4）氮的控制：氧是表面活性元素，它們在表面富集，占住了一部分吸附氮的位置，阻礙氮氣從大氣吸入鋼水，爐后不深脫氧精煉喂線補鋁；確保LF精煉造渣埋弧效果、降低喂鈣線速度（從原2.0m/s降為1.5m/s）減少鋼水吸氮；其二用加鈦鐵固氮，減少氮化硼夾雜的生成；在結(jié)晶器采用真空取樣檢驗N含量:25~30ppm。

3.2.2 LF精煉

（1）白渣的操作：采用雙透氣磚專用精煉磚包，從出鋼到精煉前全程吹氬；進LF精煉，吹氬破殼，根據(jù)爐后定氧情況喂鋁線調(diào)鋁，并向鋼包頂渣加0.6kg/t電石和0.5kg/t鋁粒預(yù)脫氧;然后開進加熱工位通電，分批加石灰和精煉預(yù)熔渣。10min內(nèi)快速成白渣。然后用鐵鍬將鋁粒和電石混好脫氧劑根據(jù)白渣保持和埋弧狀態(tài)小批量分批分散加入鋼包，進行埋弧和擴散脫氧，保持白渣時間均達到20min以上。渣樣分析結(jié)果見表2。

表2      10B21鋼LF精煉頂渣渣樣組分含量控制

Table 2   Composition control of top slag in LF refining of 10B21 steel

從表中2渣樣檢測結(jié)果看，F(xiàn)eO+MnO＜1.0%說明擴散脫氧進行較充分，白渣保持效果良好，為脫硫（脫硫先脫氧）打下良好基礎(chǔ)；同時，精煉渣堿度達到9.0%以上，為充分脫

硫提供熱力學(xué)基礎(chǔ)。生產(chǎn)爐次成品硫為0.005%~0.008%，均處在較高控制水平。

（2）夾雜物控制:

1)吹氬：LF精煉化渣采用大氬氣量（400~500Nm³/h）充分攪拌使鋼渣充分混合;成白渣后和微調(diào)合金后，減少鋼包供氬流量到150~200Nm³/h。開出加熱工位喂鈣線后采用鋼水不裸露鋼水蠕動軟吹氬工藝，軟吹氬時間≥15min。促使夾雜物上浮去除，減少鋼水卷渣。

2)B的夾雜物控制：硼在LF精煉加入，并選擇在成白渣和成分、溫度滿足要求后，先加入1.13kg/t鈦鐵固氮，然后加入0.20kg/t硼鐵。成品硼含量0.0017%~0.0021%。

3)Al₂O₃夾雜控制：進LF精煉加熱工位前，根據(jù)鋼水的氧性和目標酸溶鋁（Al_S:0.030%）一次性喂入鋁線，嚴禁精煉后期喂鋁線調(diào)鋁，減少因后期鋁氧化生成細小的Al₂O₃難于上浮去除；采用CaO-Al₂O₃-SiO₂高堿度渣系兼顧脫氧和脫硫并有利吸附Al₂O₃夾雜；采用喂純鈣線輕鈣處理技術(shù)（將Al2O3夾雜變成液體鈣鋁酸鹽類夾雜要求成品鈣含量在.0015%-0.0020%范圍之內(nèi)，含鋁鋼精煉過程造白渣，減少鋼中S含量，輕鈣處理后保證軟吹時間）解決鋁脫氧生成尖銳、帶刺狀且熔點較高Al₂O₃固態(tài)夾雜變性為12CaO.7Al₂O₃液態(tài)夾雜，促進其上浮去除；同時防止因喂鈣量過多，易形成高熔點CaS(熔點為2450℃)使水口絮流惡化鋼水流動性。

3.2.3連鑄

(1) 采用全程無氧化保護澆注技術(shù)：開澆前向中間包吹氬2~3min置換空氣中氧氣；大包套管加密封墊吹氬、中間包碳化稻殼和堿性覆蓋劑復(fù)合使用、中間包鋼水高液面控制850~900mm、利用鋼包下渣檢測技術(shù)減少其下渣量，每4h定期放渣一次保證中間包渣層厚度≤60mm。

(2) 采用鋁碳浸入式水口代替石英水口，減少耐材剝落產(chǎn)生大顆粒夾雜。

(3) 選用10B21低碳鋼含鋁含鈦鋼專用保護渣，防止鋁、鈦氧化物使保護渣變性造成卷渣和粘結(jié)漏鋼。

4盤條理化性能檢驗

我公司試制10B21高線線材軋制成φ16mm盤條，分別進行了連鑄中間包化學(xué)成分、非金屬夾雜物高倍檢驗、金相、力學(xué)性能和1/2、1/3冷頂鍛檢驗。

化學(xué)成分控制見表3。試制爐次實物化學(xué)成分（熔煉）除Ti均滿足內(nèi)控窄范圍成分控制要求。

表3       10B21鋼化學(xué)成分（熔煉）控制情況

Table 3  Chemical composition (melting) control of 10B21 steel

高倍和金相檢驗。非金屬夾雜物：B類氧化鋁類0~0.5級、D類球狀氧化物類夾雜0.5~1.0級，無A類、C類和Ds類夾雜，B類和D類夾雜級別也較低（見圖2）。通過以上煉鋼潔凈鋼工藝控制，達到預(yù)期該類鋼潔凈化要求，盤條金相檢驗晶粒度為9.5級（見圖3）。

力學(xué)性能：φ16mm熱軋盤條力學(xué)性能檢驗見表4。按用戶要求該規(guī)格僅做1/2冷頂鍛檢驗為，但為技術(shù)數(shù)據(jù)積累做了質(zhì)量要求更高更嚴1/3冷頂鍛檢驗。從表4看，試制10B21抗拉強度、斷面收縮率和1/2冷頂鍛均滿足技術(shù)協(xié)議的要求。但斷面收縮率偏下限，且富裕量較小，1/3冷頂鍛個別試樣還存在微裂紋，表明鋼冷加工塑性不良，鋼水潔凈度還需進一步提高。

圖3  10B21盤條橫向非金屬夾雜物，200×

Fig 3   Non-metallic inclusions of  transverse in 10B21 wire rod, 200 ×

圖4  10B21盤條橫向金相組織，200×

Fig 4  Microstructure of  transverse  in 10B21 wire rod, 200 ×

of 10B21 wire rod, 200 ×

表4     10B21熱軋盤條實物力學(xué)性能檢驗結(jié)果

Table 4   Test results of mechanical properties of 10B21 hot rolled wire rod