大型H13模具钢电渣重熔工艺研究_樊应剑.pdf

2q23 年3 月第2 期 大型铸锻件HEAVY CASTING AND FORGING March 2023 No.2 ，令.令.令.令.今 令.,;、冶炼与铸锭令：，、“今 令.今.令.今.今./大型H13 模具钢电渣重熔工艺研究樊应剑巴钧涛康永斌（中国第一重型机械股份公 司，黑龙汀 齐齐哈尔161042)摘要：随着 电泣钢锭直径逐渐增大，具成分宏观偏析、细孔疏松及碳化物析 出也越来越严重，尤其是高碳 高合金钢。采用三相双极 串联结构 的120 l 电心重熔炉，以大荆H13 热挤压模具生产实际为例，从 电极准备、心系选择 熔 速控制、脱氧制度及补缩等重点丁艺方面进行 了论述。关键词：模具钢；电渣重熔；电渣锭中图分类号：TFl42 文献标志码：A Study on Electroslag Remelting Process of Large HI 3 Die Steel Fan Yingjian,Ba Juntao,Kang Yongbin Abstract:With the increase oi、the diameter of electroslag ingot,the macrosegregation,shrinkage porosity and carbide precipitation are becoming more and more serious,especially for high carbon high alloy steel.The 120 I electroslag furnace with a three-phase bipolar series structure has been adopted.Taking the actual production of large H 13 hot extrusion die as an example,the key processes such as electrode preparation,slag system selection,melting speed control,deoxidation system and feeding have been discussed.Key words:如steel;electroslag remelting;ESR ingot 校具钢是用来制造冷冲校、热锻校、压铸校等模具的钢种。模具钢按用途一般可分为二大类，分别是热作模具钢、冷作榄具钢和塑料成型用模具I。随着我国补会生产力的不断提高与发展，校具钢的需求鼠越来越大，每年以15%的增长率增加，并且产值 已位居世界第二，紧随 日本和美国，尽管我国的模具钢产值很高，但是能够生产的高端优质模具钢却很少，高端模具钢的制造技术水平有所不足，根据调查数据显示，每年有50%的高端模具钢仍需进 口，并且价格非常高。中国制造202 匀 明确提出了提高高端模具在市场行业中的份额，加强高品质校具的生产2。热挤压校具钢在全球市场规模约 占150 亿元，约 占热挤压模具钢市场规模的一半左右。热作模具在受到巨大的冲击载荷时，还需承受高温的环境，加上周期 性短时间的加热和冷却，以及各种应力的作用等影响，会使热作模具出现机械疲劳、变形及磨损等性能问题。随着未来校具钢应用领域的不断延伸扩大，以及趋向高端发展，我国的模具行业发展机遇良好，尤其在高端模具钢方面替代进 口方面，进 口价格为国产钢的3-5 倍，国产钢替代进 口对于企业而言，其经济效益十分显著，具有非常大的发展空间3 l。中同一重120 t 电渣炉为三相双极串联结构，收稿 日期：2022-10-3 I 作者简 介：樊应剑(1987 )，男，学 士，工 程 师，现 从 平 炼 钢 工 乙 技术工作和电渣重熔研究。16 熔池浅平是该炉型的较大优势，易于生产成分均匀、组织致密的高碳高合金钢，再加上拥有万吨水压机，利用 自身沉淀多年生产大型铸锻件的技术水平，有能力为市场提供高端优质模具钢。近年来，一重为某客户提供了大最的大规格热作校具钢Hl3,产品性能及 内部无损检测均符合客户技术要求。本文主要针对Hl3 模具钢材料，从Hl3 材料技术要求、研制技术难点、电极制备技术研究和电渣重熔技术研究方面进行论述。1 技术要求1.1 化学成分Hl3 材料的化学成分熔炼和成品分析要求，如表1 所示。1.2 超声检测锻件按GB/T 1299 2014 标 准进行超声检测，达到E/e 级，钢材逐支进行无损检测，不允许存在裂纹、白点、缩孔类型的缺陷。(I)单个缺陷当矗直径03 mm。(2)密栠区缺陷当最直径冬02 mm。1.3 晶粒度Hl3 锻件球化退火后，试样在保护性介质中经1030c 土10c,保温30 min,然后快冷滓火，s90c 回火。晶粒 度 合 格 级 别 按GB/T 6394 2017 标准评级，合格的级别7 级。1.4 夹杂物评级DOI:10.14147/ki.51-1396/tg.2023.02.002樊 应 剑：大 荆H13 模具钢 电渣重熔工艺研究2023 年第2 期表1 H13 锻件化学成分要求（质量分数，）Table 1 The chemical composition requirements of H13 forging(mass fraction,%)so1.20b.2t:o.sol/01slo0J。rs.soli2l 3001.solu2s b.soI.201 产lo.001Slo-02slo.:1301 电渣重熔钢应检验非金属夹杂物，按照GB/T 10561 2005 的A 法检验非金属夹杂物，其中每个试样的检验结果应小于表2 的规定4 J。表2 非金属夹杂物合格级别Table 2 Qualification grades of norunetallic inclusion 曰勹,J 细d 米:I 夕 厂L 米J 乡m5 勹1 报:,1 值2 研制技术难点(1)由千电极采用大气下注工艺方式，在浇注过程中不能保证完全密封，会使钢水在浇注过程中吸气氧化，造成 电极 自身的气体含最较高。因此，降低电极本身的气体含星，电极冶炼浇注需采取相应的工艺措施，为后续电渣重熔留出富余拭，存在一定的技术难点。(2)120 t 电渣炉生产百吨级的大型H13 电渣锭，制造难度非常大。对于大型电渣锭，随着直径的增大，成分偏析增大，重熔时间过长，大气冶炼条件下渣子氧化严重，还原性变小，去夹杂能力变弱，脱氧制度不易控制，保证电渣锭化学成分的均匀性、气体含矗及内部结晶质显有一定的难度。(3)技术条件 中气体含批要求严格，且我公司120 t 电渣炉无气体保护装置，大气冶炼条件下电渣重熔是一个增气的过程，气体H、0 控制难度较大。3 电极制备技术研究优质的电极母材是H13 电渣锭成功冶炼 的必要条件，因为电极母材的化学成分、气体含鼠及冶金质最会直接影响后续电渣锭的内部质最，如电极母材化学成分及气体含拭控制不理想，会直接造成电渣锭的化学成分及气体含最超出技术要求。另外，电渣重熔环节不能完全去除电极 自身带入的夹杂物，会遗传到电渣锭，可能会出现锻件产品无损检测不合的质拭问题。因此，自耗电极从原材料的选择、电炉感应炉粗炼、炉外精炼及模铸等每一项工艺流程都非常重要。本次H13 电极原材料选用优质加氢返 回废钢，采用100%感应炉冶炼，大 幅度降低生产成本，粗炼钢水采用倒包方式热兑，根据感应炉Si、Mn 含最，兑钢前包底加入一定最的硅钻合金，精炼炉采用石灰、氧化铝粉及硅石造渣，减小渣拭控制渣层厚度，使用Al 粉和适最C 粉扩散脱氧。为保证电极本身 自带脱氧能力，真空前使用铝铁涸整一定的铝含矗，破坏真空后至吊包出钢不允许给电，要求 H 内控,;0.00012%,0 内控，樊樊0.0015%,当HJ 0.00012%时需二次真空，严格控制电极本身的气体含量，为后序电渣重熔 留出富余矗。4 电渣重熔技术研究Hl3 热作模具钢合金含最较高，在 电渣重熔过程中会在凝固未端形成粗大的共晶碳化物，由于生成温度高，热稳定 性好，很难在锻造和热处理过程中去除，大幅度降低模具钢的强度、疲劳性能及韧性。因此，细化粗大的一次碳化物，及控制碳化物的液析成为研究的重点。结合冶炼大型Hl3 电渣锭存在的技术难点问题，我们从炉型选择、电极准备、渣系选择、熔速及碳化物控制、脱氧制度及补缩制度方面入手制定合理的工艺方案。4.1 炉型选择(1)50-120 t 超大型Hl3 电渣锭采用120 t 电渣炉A、B、C 二相支臂 同时冶炼，如图1 所示。对于50-120 t 大锭型，冶炼时三相支臂呈正三角形分布，热源分布均匀，熔池浅平，有利于钢锭轴向凝固结晶。但是钢锭直径、吨位较大，重熔时间过长，大气冶炼条件下渣子氧化严重，需采用合理的脱氧制度保证 电渣锭化学成分的均匀性、气体含董及内部质拭。rn 图1 120t 电渣炉三支臂冶炼Figure 1 Three-arm smelting in 120 t ESR furnace(2)12-30t 较大型H13 电渣锭采用120 t 电渣炉单支臂冶炼，如图2 所示。电渣重熔技术难度较大，一是单相双电极热源靠近结晶器内壁，电流容易击穿渣层，造成结晶器内壁打弧及钢锭表面流钢；二是 由于热源分布不均17 2023 年第2 期 大荆铸锻件匀，填充比较小，影响钢锭的凝固质量。针对以上技术难点，采用大直径电极还料，每支电极偏心焊接，缩短正负电极极间距，使热源尽量分布在熔池中心，提高钢锭凝固质最。图2 120t 电渣炉单支臂冶炼Figure 2 Single arm smelting in 120 l ESR furnace 下面主要以我公司0190001 炉次90 t H13 电渣锭的工艺准备、执行及冶炼 情况为例进行介绍。4.2 金属 自耗电极的准备(1)自耗 电极采用 自制模铸 电极，使用时需用砂轮将表面打磨千净，尤其气割端面要清理干净，防止电极熔化带入氧化铁皮，会造成钢水氧含最升高及钢锭内部无损检测质最问题。(2)如图3 所示，自耗 电极在使用前充分预热到400-500C,换入渣池后能够迅速提高熔化速率，而且可以避免重熔过程因温差较大引起应力释放，出现炸裂掉块问题，影响钢锭质董。此前在电渣重熔冶炼时，发生过 自耗 电极端头炸裂掉块，造成锻件内部无损检测不合，严重影响产品质最。因此，电极在使用前将端头预热到一定的温度，能够有效地解决电极炸裂问题。，,.J-、“n”，I俨鄱d配”R.gl.，卜F.旮ra 图3 电极预热Figure 3 Electrode preheating 4.3 渣系选择电渣重熔渣系组元的选择、配比和渣最对电渣锭内部的冶金质星、熔炼技术经济指标有重大的影响。根据H13 材质 的特性，必须从熔点、电导率、碱度、表面张力及黏度等物理化学性质进行综合考虑，为保证电渣锭成型及表面质矗，所选择渣系的熔点应低于H13 材料的熔点，并且熔渣成18 分尽量选在低熔共 晶点附近，在渣皮凝固过程 中可以减少液析，防止渣皮过厚及渣成分变化s l。另外，熔渣应具有 良好的流动 性及较高的电阻率，以保证高温下渣池热对流及降低 电耗。综上所述，选择Ca 凡(60-65%)-Al 丸(20-25%)-CaO(5-10%)-MgO(O-5%)四元渣系，经查阅专著，该渣系熔点比H13 材质熔点低150C 左右，并且具有 良好的流动 性及较高的电阻率，能够有效去除熔滴内非金属夹杂，具有一定 的脱硫能力s l。此外，MgO 组元在渣池表面能够形成一层半凝固膜，可以有效地防止渣池吸氢、吸氧及渣池中的变价氧化物向金属熔池传递并供氧，与此同时，又可以减少热辐射6 l。渣料选择及配 比称量后送入加热炉中烘烤，在100c 及 以上烘烤至少12 h 后在炉 中保温待用，保温温度不低于500C。待 电渣炉具备冶炼条件时，立即吊出渣料送电引弧化渣，缩短渣料与空气的接触时间，避免吸潮。4.4 熔速及碳化物控制H13 模具钢 中碳化物主要有M3C、M23 C 伈MC、M 心、M6C 等类刮