对于含硼钢而言，微量的硼（B）便可显著提高钢材的淬透性，可代替钼（Mo）、铬（Cr）、铌（Nb）、钒（V）等贵重合金元素，从而降低合金成本。含硼钢作为一种特殊钢材，在机械、建筑、汽车、核工业等领域得到广泛应用。有研究认为，B在钢中通常以固溶硼（B_s）、氧化硼（B₂O₃）、氮化硼（BN）、铁硼渗碳体和硼酸铁化合物等形式存在，其中B₂O₃和BN为酸不溶硼，B_s、铁硼渗碳体和硼酸铁化合物为酸溶硼。通常认为B提高淬透性的机理与一般的合金元素不同，其在钢中溶解度很小，B_s可偏聚在奥氏体晶界，填充晶界缺陷，降低晶界能，从而抑制铁素体在奥氏体晶界形核，降低铁素体形核率，起到增加奥氏体稳定性、提高钢材淬透性的作用。起到提高端淬作用的B为有效硼，酸溶硼并不完全等效于有效硼。含硼钢中的B元素极为活泼，易与钢中残留的O、N反应，生成B₂O₃、BN夹杂物而失效。钢水中Ti、Al、B与N反应的顺序为Ti＞Al＞B，即Ti优先于Al与N反应、Al优先于B与N反应。因此，影响含硼钢中有效硼含量的主要因素包括钢中总B含量、N含量、Ti含量，钢水的脱氧脱氮效果，以及Ti、Al、B等成分的加入顺序和时机等。

为了保证含硼钢的性能以及钢水纯净度，要求钢包精炼炉（LF）精炼过程必须实现良好的脱氧效果，应保证钢水中酸溶铝的质量分数≥0.020%，这不但可以实现良好脱氧，还可以保护钢中的钛（Ti），从而间接固定氮，减少B与N、O的反应。同时连铸过程进行保护浇注，以避免钢水二次氧化，保证铸坯T[O]质量分数≤0.0010%。此外，若采用电炉工艺流程生产含硼钢，钢液中N含量普遍较高，B元素基本全部与N、O结合成化合物，B增加钢淬透性的作用将受到一定程度的抑制。采用转炉流程生产含硼钢，因钢水中N含量、O含量较低，可以提高B元素的收得率。

以“转炉（100 t）→LF精炼（120 t）→真空脱气炉（VD）真空处理（120 t）→连铸（φ600 mm）”工艺流程生产含硼钢为例，某含硼钢端淬要求1.5 mm点处端淬值为HRC 50~54，9 mm点处端淬值为HRC 48~54，20 mm点处端淬值为HRC 46~53。成分设计（表1）及冶炼过程控制要点如下。

表1  设计成分（质量分数） %

1.1   转炉生产工艺及相关参数

要求转炉的铁水质量占比为82%~88%，废钢质量占比为12%~18%，使用厂内自产优质废钢。转炉吹炼前，需将转炉炉口、炉帽附近的转炉渣清理干净；若在吹炼过程发生炉渣喷溅，必须对炉帽附近残留的炉渣进行二次清理，避免炉渣落入钢包影响钢水成分，保证炉帽清理干净无残渣后方可出钢。转炉冶炼全程每吨钢加入白灰20~30 kg、轻烧白云石18~25 kg、石灰石30~40 kg；O₂消耗量为45~50 m³/t，N₂消耗量为20~35 m³/t，供氧时间14~17 min，转炉冶炼周期35~45 min。转炉出钢要求：出钢[C]质量分数0.08%~0.12%，出钢[P]质量分数≤0.015%，出钢温度控制在1600~1630 °C。转炉吹炼终点应实现钢水成分和钢水温度的双命中，避免钢水过氧化，为LF精炼过程脱氧创造有利条件，保证成品T[O]质量分数≤0.0010%。转炉出钢时间3~6 min，出钢过程依次加入钢砂铝、铬铁合金、硅锰合金、锰铁合金、白灰、精炼预熔渣，并全程严禁下渣。

1.2   LF精炼生产工艺及相关参数

LF到位后，根据精炼炉渣熔化情况及流动性，加入白灰、精炼预熔渣进行造渣及渣系调整。保证LF精炼时间60~80 min，白渣保持时间≥15 min。LF精炼过程中使用碳化硅进行扩散脱氧，每吨钢用量控制在5~6 kg，以保证良好的脱氧效果。LF过程钢包底吹氩气，氩气流量控制在300~800 L/min，同时保证氩气消耗量在0.2~0.3 m³/t，使钢包具有良好的透气性，为钢包内的钢水提供良好的搅拌，促进钢水脱氧脱硫、成分调整、均匀温度、夹杂物上浮等冶金目的的实现。在LF精炼过程中，要求按目标成分进行合金含量的调整。

1.3   VD生产工艺及相关参数

VD处理（真空度≤67 Pa）保持时间12~15 min，VD过程氩气流量控制在150~500 L/min，氩气消耗0.04~0.06 m³/t，每吨钢蒸汽消耗20~25 kg。VD破空后，按每吨钢1.0~1.5 kg加预熔钢包覆盖剂。考虑残余的Al含量，按钢包内钢水质量分数的0.040%喂入Al线，进一步进行脱氧。软吹3 min使成分均匀后，按钢包内钢水质量分数的0.040%喂入Ti线进行固氮，以提高有效硼的收得率。因LF精炼过程脱氧良好，当钢水T[O]质量分数≤0.0010%时，可不进行钙处理。再次软吹3 min后，按目标加入铝箔（或铝板）包裹的硼铁调整B含量。成分调整结束后进行软吹，软吹时间15~30 min，软吹时控制氩气流量≤17 L/min，以促进夹杂物充分上浮。

1.4   连铸生产工艺及相关参数

连铸过程需进行氩气保护浇注，钢包禁止下渣，中包满包浇注。连铸转包时中包余钢量应≥26 t，浇注结束时钢包剩余钢水量应≥5 t，结晶器液面波动控制在±3 mm。连铸拉速控制在0.22~0.24 m/min，结晶器水量为3100~3300 L/min，比水量为0.09~0.11 L/kg。采用结晶器电磁搅拌及末端电磁搅拌，其中结晶器电搅电流100~150 A、频率2.0~2.5 Hz，末端电搅电流100~150 A、频率7.0~8.0 Hz。连铸中包过热控制在20~30 °C，连铸浇次铸坯头坯切割量≥1500 mm，尾坯切割量≥3000 mm。铸坯下线后堆冷，下线温度≥600 °C，拆垛温度≤100 °C。连铸过程中应保证钢水液面平稳、无卷渣，保护浇注正常，严格控制大包中包余钢量，严禁下渣，以确保铸坯低倍及表面质量良好。

2.1   成分设计及成品成分

含硼钢生产中，保证有效硼的收得率、提高产品的淬透性，其重点在于产品成分的设计、精炼过程的脱氧、炼钢全程的控氮以及成分调整时B的加入时机。

有研究表明，有效硼的质量分数控制在0.0005%~0.0030%对提高含硼钢淬透性的效果最佳。为了保证有效硼的收得率，通常在LF精炼、VD处理后，钢水[O]质量分数≤0.0010%，[N]质量分数≤0.0050%时调整B含量。先加入Al线进一步脱氧，产生少量脱氧产物Al₂O₃；再加入Ti线以固定氮，反应产物为TiN；为了保证钢水流动性，可加入少量Ca线，与Al₂O₃反应生成7Al₂O₃·12CaO，若钢水前期脱氧效果良好，[O]质量分数≤0.0010%可不喂Ca线；最后加入硼铁，调整B含量。加入硼铁时需使用铝箔（或铝板）包裹，以保证硼铁加入钢水内部，同时避免其被氧化，减少B的损失，从而提高有效硼的收得率。

含硼钢的成分设计应适当提高Al含量及Ti含量，保证良好的脱氧和固氮作用；同时B质量分数≤0.0030%，有利于控制生产成本。LF精炼过程使用碳化硅进行扩散脱氧，控制[O]质量分数≤0.0010%，同时保证钢水中足够的Al含量。真空处理结束VD破空后，依次喂入Al线、Ti线、Ca线（T[O]质量分数≤0.0010%可不加）调整成分，起到进一步脱氧、固氮、保证钢水流动性的作用，然后再插入包裹铝箔（或铝板）的硼铁。转炉、LF精炼、VD真空处理全程底吹氩气，连铸过程做好氩气保护浇注，避免钢水二次氧化及吸氮。采用上述工艺实际生产3炉含硼钢成品，成分检测结果见表2。

表2  成品成分（质量分数） %

2.2   提高有效硼收得率的注意事项

在钢中可起到提高端淬作用的B为有效硼，B与O、N反应后生成的B₂O₃、BN等夹杂物无法起到提高端淬的作用。由于钢水中[O]质量分数较低（通常≤0.0010%），因此钢水中的[N]对有效硼收得率有较大影响。张涛等研究认为，提高w(Ti)/w(N)是-保证含硼钢性能经济而有效的方法，当含硼钢中w(Ti)/w(N)=4时，有效硼收得率稳定。陈继林等研究认为，含硼钢中w(Ti)/w(N)的临界值为6，超过临界值后增加Ti含量或降低N含量，对进一步提高有效硼收得率作用不明显。彭胜等研究认为，含硼钢中B元素的加入量与钢中N含量有关，一般w(B)/w(N)宜控制在0.5~2.5，最佳值为0.6~0.8。

经生产实际验证，本文认为将w(Ti)/w(N)控制在7~9、w(B)/w(N)控制在0.4~0.6，可实现良好的脱氧、固氮作用，从而稳定保证有效硼的收得率，充分发挥B提高淬透性的作用。

2.3   含硼钢高倍和低倍检测情况

VD处理（真空度≤67 Pa）保持时间12~15 min，可有效降低钢水N含量。VD破空后依次喂入Al线、Ti线、Ca线（T[O]质量分数≤0.0010%可不加），然后加入硼铁。成分调整后软吹15~30 min，以促进夹杂物充分上浮。连铸浇注过程进行氩气保护浇注，钢水过热度控制在20~30 °C，稳定拉钢速度，严格控制结晶器液面波动，保证大包中包余钢量，禁止下渣，从而保证良好的钢水纯净度和连铸坯低倍质量。随机挑选3炉钢样，分别按照《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》（GB/T 10561—2023）、《优质结构钢连铸坯低倍组织缺陷评级图》（YB/T 153—2015）标准进行检测，结果如表3所示。高倍检测显示，D类细系≤1.0级、D类粗系≤0.5级，偶见A类、B类0.5级夹杂，无C类、DS类夹杂。彭峰等研究认为，当含硼钢中T[O]质量分数≤0.0010%时，夹杂物等级可控制在细系≤1.0级、粗细≤0.5级，与本文结果基本一致。但应注意的是，本文认为钢水T[O]质量分数≤0.0010%仅为VD后是否可以喂入Ca线的参考，无法作为衡量非金属夹杂物的标准；若VD、连铸过程控制不当，即使钢水可以达到T[O]质量分数≤0.0010%，但并不意味着非金属夹杂物等级和钢水纯净度达到理想水平。采用本文工艺生产的φ 600 mm连铸坯，在连铸坯上随机任取2块厚度约50 mm低倍片，检测其低倍质量，仅存在1.0级中心疏松，无其他缺陷，实物低倍情况如图1所示。

表3  非金属夹杂物及低倍检测结果

图1  φ600 mm连铸坯低倍：(a)实例1；(b)实例2

2.4   力学性能及探伤情况

通过设计合理的产品成分，保证LF精炼过程脱氧效果，稳定控制炼钢全程N含量，并在VD处理后遵循先调整Al含量、Ti含量，后加入B的合金化顺序等关键工艺，同时稳定控制冶炼、浇注全流程的操作细节，可保证含硼钢良好的力学性能。随机挑选3炉钢样，分别按照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2021）、《钢淬透性的末端淬火试验方法（Jominy  试验）》（GB/T 225—2006）标准检测实物力学性能，结果如表4所示。其中检测了J1.5、J9、J20端淬值，即距端部1.5、9、20 mm处的硬度值。

表4  力学性能

（1）提高含硼钢的淬透性，重点在于产品成分的设计、精炼过程的脱氧、炼钢全程的控氮以及成分调整时B的加入时机；同时应重点关注炼钢生产过程细节管控，做好精炼脱氧、VD高真空脱氮、连铸过程防止二次氧化。

（2）VD真空处理后应确保钢水[O]质量分数≤0.0010%、[N]质量分数≤0.0050%，再依次加入Al线、Ti线、Ca线（T[O]质量分数≤0.0010%可不加），加入铝箔（或铝板）包裹的硼铁，可减少在加入硼铁过程中B元素的损失，保证有效硼的收得率。

（3）将w(Ti)/w(N)控制在7~9、w(B)/w(N)控制在0.4~0.6，可实现良好的脱氧、固氮作用，使含硼钢有效硼收得率保持在较高水平，充分发挥B元素提高钢材淬透性的作用。