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摘要: 随着电渣钢锭直径逐渐增大，其成分宏观偏析、缩孔、碳化物析出等现象越来越严重，特别是高碳、高合金钢。 采用三相双极串联结构的120t电渣重熔炉，以大型H13热挤压模具实际生产为例，从电极制备、渣系选择、熔化速率控制等关键工艺进行了研究、脱氧系统及加料。 话语。

关键词：模具钢； 电渣重熔； 电渣锭

模具钢是用于制造冷冲压模具、热锻模具、压铸模具等模具的钢材。 模具钢按用途一般可分为三类，即热作模具钢、冷作模具钢和塑料成型模具钢[1]。 随着我国社会生产力的不断提高和发展，模具钢的需求量不断增加，每年以15%的速度增长，产值已位居世界第三，仅次于日本和美国。 虽然我国模具钢的产值很高，但能够生产的高端优质模具钢却很少。 高端模具钢制造技术水平不足。 据调查数据显示，每年仍有50%的高端模具钢材需要进口，且价格非常高。 《中国制造2025》明确提出，提高高端模具在市场行业的份额，加强高品质模具生产[2]。 全球热挤压模具钢市场规模约150亿元，约占热挤压模具钢市场规模的一半。 热作模具在承受巨大的冲击载荷时，还需要承受高温环境，再加上周期性的短时加热和冷却，以及各种应力的作用等，会引起机械疲劳、变形和变形。热作模具的磨损。 以及其他性能问题。 随着未来模具钢应用领域的不断拓展和向高端化发展的趋势，我国模具工业拥有良好的发展机遇，特别是在高端模具钢替代进口方面。 进口价格是国产钢材的3至5倍。 国产钢材替代进口。 对于企业来说，其经济效益非常显着，发展空间非常大[3]。

我国120t电渣炉采用三相双极串联结构。 熔池浅是该炉型的最大优点。 易于生产成分均匀、组织致密的高碳高合金钢。 此外，还拥有万吨级液压机一台。 利用自身在大型铸锻件生产中多年积累的技术水平，有能力向市场提供高端优质模具钢。 近年来，一重向客户提供了大量大型热作模具钢H13。 产品性能及内部无损检测均满足客户的技术要求。

本文主要针对H13模具钢材料，对H13材料的技术要求、开发技术难点、电极制备技术研究和电渣重熔技术研究进行了探讨。

1 技术要求 1.1 化学成分

H13材料化学成分冶炼及成品分析要求见表1。

表1 H13锻件化学成分要求（质量分数，%）

表1 H13锻件化学成分要求（质量分数，%）

1.2 超声波检测

锻件按照GB/T 1299-2014标准进行超声波探伤，达到E/e级。 钢材一一进行无损检测，不允许有裂纹、白点、缩孔等缺陷。

(1)单个缺陷的当量直径≤∅3毫米。

(2)致密区缺陷当量直径≤∅2 mm。

1.3 晶粒尺寸

H13锻件球化退火后，试样在保护介质中经受1030℃±10℃，保温30分钟，然后快速冷却淬火，≥590℃回火。 粒度合格等级按照GB/T 6394-2017标准评定，合格等级≥7级。

1.4 纳入评级

电渣重熔钢应按GB/T 10561-2005中方法A进行非金属夹杂物检验，其中每个样品的检验结果应小于表2[4]的要求。

表2 非金属夹杂物合格等级

表2 非金属夹杂物合格等级

2 开发中的技术难点

(1)由于电极采用常压铸造工艺，在铸造过程中无法保证完全密封，会导致铸造过程中钢水吸收空气而氧化，导致电极本身含气量较高。 因此，在电极熔炼和浇注时降低电极本身的气体含量并采取相应的工艺措施，为后续电渣重熔留出余量，存在一定的技术难度。

（2）120吨电渣炉生产数百吨的大型H13电渣锭，制造难度很大。 对于大型电渣锭，随着直径增大，成分偏析增加，重熔时间过长，在常压冶炼条件下炉渣氧化严重，还原性变小，去除夹杂物的能力变弱，脱氧系统困难控制以保证电渣锭的化学成分、气体含量和渣锭内部结晶质量的均匀性有一定的难度。

（3）技术条件对气体含量要求严格，我公司120t电渣炉没有气体保护装置。 常压熔炼条件下的电渣重熔是一个增气过程，气体H和O控制较困难。

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、气体含量和冶金质量将直接影响后续电渣锭的内部质量，如化学成分以及电极基材的气体含量控制。 如果不理想，将直接导致电渣锭的化学成分和气体含量超过技术要求。 另外，电渣重熔工艺无法完全去除电极本身带来的夹杂物，这些夹杂物会传递到电渣锭上，并可能导致锻造产品无损检测等质量问题。 因此，自耗电极的每道工序，包括原材料的选择、电炉、感应炉中的粗精炼、炉外精炼以及模铸，都非常重要。

此次H13电极原材料选用优质加氢再生废钢，采用100%感应炉冶炼，大大降低了生产成本。 采用逆向钢包法对粗钢进行加热和混合。 根据感应炉Si、Mn含量，在钢包底部添加，然后搅拌。 对于一定量的硅锰合金，精炼炉采用石灰、氧化铝粉、二氧化硅造渣，减少渣量控制渣层厚度，并用Al粉和适量C粉进行精炼。扩散脱氧。 为了保证电极本身具有自身的脱氧能力，在抽真空前用铝铁调整一定的铝含量。 真空破坏后，在敲击起重气垫之前不允许通电。 要求[H]内控≤0.00012%，[O]内控≤0.0015%。 当[H]>0.00012%时，需要二次抽真空，严格控制电极本身的气体含量，为后续电渣重熔留有余量。

4 电渣重熔技术研究

H13热作模具钢合金含量高。 电渣重熔过程中，凝固末端会形成粗大的共晶碳化物。 由于形成温度高，热稳定性好，在锻造和热处理过程中很难去除。 显着降低模具钢的强度、疲劳性能和韧性。 因此，细化粗大的初生碳化物并控制碳化物的清算已成为研究的重点。 结合冶炼大型H13电渣锭的技术难点，从炉型选择、电极制备、渣系选择、熔化速率和碳化物控制、脱氧系统和加料系统等方面制定了合理的工艺方案。

4.1 炉型选择

(1)50~120吨超大型H13电渣锭

120t电渣炉的三相臂A、B、C用于同时熔炼，如图1所示。对于50～120t大锭，三相臂呈等边三角形分布。熔炼时，热源分布均匀，熔池浅而平坦，有利于铸锭的轴向凝固和结晶。 但钢锭直径、吨位较大，重熔时间过长，常压冶炼条件下炉渣氧化严重。 需要采用合理的脱氧系统，保证电渣锭化学成分、气体含量和内部质量的均匀性。

图1 120t电渣炉三臂冶炼

图1 120t电渣重熔炉三臂熔炼

（2）12～30t大型H13电渣锭

采用120t电渣炉单臂熔炼，如图2所示。电渣重熔技术难度很大。 一、单相双电极热源靠近结晶器内壁，电流很容易穿透渣层，造成结晶器内壁拉弧和钢材表面流钢锭; 其次，由于热源分布不均匀，填充量比较少。 小，影响钢锭的凝固质量。 针对上述技术难点，采用大直径电极毛坯，各电极偏心焊接，缩短正负极间距，热源尽量分布在熔池中心，提高了钢锭的凝固质量。

图2 120t电渣炉单臂冶炼

图2 120t电渣重熔炉单臂熔炼

下面主要以我公司0190001炉90t H13电渣锭为例介绍工艺准备、执行及冶炼情况。

4.2 金属自耗电极的制备

(1)自耗电极为自制模压电极。 使用时需要用砂轮对表面进行打磨。 特别是气割端面必须清理干净，防止电极熔化带入氧化铁皮，导致钢液含氧量升高，钢锭内部无损检测无法进行。执行。 质量问题。

(2)如图3所示，自耗电极使用前应充分预热至400~500℃。 在渣池中更换后，可快速提高熔化速度，并可避免重熔过程中因温差大而引起的应力释放。 存在爆片、脱落问题，影响钢锭质量。 此前，电渣重熔熔炼时，自耗电极端子爆炸、落片，导致锻件内部无损检测不一致，严重影响产品质量。 因此，使用前将电极头预热到一定温度，可以有效解决电极爆炸问题。

图3 电极预热

图3 电极预热

4.3 渣系选择

电渣重熔渣系成分的选择、配比和渣量对电渣锭内的冶金质量和冶炼技术经济指标有重大影响。 根据H13材料的特性，必须综合考虑熔点、电导率、碱度、表面张力、粘度等理化性能。 为了保证电渣锭的成型和表面质量，所选渣系的熔点应低于H13材料的熔点。 熔点，渣成分应尽可能选择接近低熔点共晶点，这样可以减少渣皮凝固过程中的液体析出，防止渣皮过厚和渣成分变化。 5]。 另外，熔渣应具有良好的流动性和较高的电阻率，以保证渣池内的热对流，减少高温时的电耗。 综上，选择CaF2(60~65%)-Al2O3(20~25%)-CaO(5~10%)-MgO(0~5%)四元渣体系。 经查阅专着，该渣系的熔点比H13材料的熔点低150℃左右，且具有良好的流动性和较高的电阻率。 它能有效去除液滴中的非金属夹杂物，具有一定的脱硫能力[5]。 另外，MgO成分能在渣池表面形成半凝固膜，能有效阻止渣池吸收氢气和氧气以及渣池中的变价氧化物向金属熔池转移并供给氧气。 同时，可以减少热辐射[6]。

炉渣材料经筛选、称重后，送入加热炉烘烤。 它们在700°C及以上的温度下烘烤至少12小时，然后在炉中保温以备后用。 保温温度不低于500℃。 当电渣炉准备熔炼时，立即将炉渣提出并通电启动起弧，以减少炉渣与空气的接触时间，避免吸潮。

4.4 熔化速度和碳化物控制

H13模具钢中的碳化物主要有M3C、M23C6、MC、M7C3、M6C等类型[7]。 由于H13模具钢中Cr、Mo、V金属元素含量较高，导致电渣铸锭在凝固过程中心的凝固速度较慢。 最终凝固时很容易在晶界和枝晶臂之间富集和偏析。 电渣锭心部温度高，冷却速度慢，凝固时间长，初生碳化物析出增多，偏析更加严重[8]。 由于电渣重熔凝固生成的初生碳化物较粗大，通过设定合理的熔化速率和冷却速率，可以有效控制电渣铸锭中初生碳化物的含量、尺寸和分布。

因此，正常重熔过程中，熔化速度控制在2000～2500kg/h之间，并在恒定熔化速度控制的原则基础上，采用递减功率控制。 更换电极过程中，根据炉温，前一组电极熔化后，电压升高1~2级。 更换电极后，适当减小电流1～2kA，以保证更换电极后尽快达到工艺要求的熔化速率。 另外，钢水的凝固速度和凝固温度会直接影响一次碳化物的含量、尺寸和形状； 降低碳化物的形成温度和生长速率可以有效细化钢水凝固过程中产生的碳化物[9]。 因此，提高结晶器循环水压力、提高钢水冷却速度是减少一次碳化物形成、偏析和尺寸减小的最有效方法。

4.5 除氧系统

4.5.1 脱氧过程

我公司120t电渣炉炉体结构为三相双极串联。 优点是熔池浅而平坦，三相呈等边三角形分布，热源分布均匀。 唯一的缺点是没有气体保护装置，而且是三相六电极。 气体保护罩的设计很困难。 此前，我公司自主设计制造了一套简易气体保护装置。 由于涉及交换电极，防护罩很难完全密封，而且炉口容易因高温变形，使用效果不理想。

大气条件下电渣重熔时，原电极中的溶解氧、钢和渣中不稳定氧化物的分解氧、电极表面氧化铁皮带入渣中的氧以及吸收的大气中的氧渣池表面等会导致钢水中的活性元素氧化，造成元素烧坏，成分不合格。 因此，脱氧系统的设计尤为重要。

我公司重熔90吨H13电渣锭时，在炉渣精炼期间，每10分钟添加1公斤铝粒进行预脱氧，共添加两次，主要是除去炉渣中的氧。 另外，在正常重熔过程中，每5分钟添加铝粒0.12%/吨钢。 添加时，铝粒应均匀撒在整个炉渣表面，禁止局部添加。

4.5.2 冶炼过程中渣系的变化

正常重熔期间，按文献[10]所述方法进行炉渣样品取样和分析。 每 5 小时采集一次炉渣样品并对炉渣样品进行分析。 表3和图4显示了炉渣系统中各成分随时间的变化。 其中，slag1为重熔期开始时第12小时采集的第一个渣样的数量，slag2至slag7为每约5小时采集的渣样的数量。

图4 炉渣成分随重熔时间的变化曲线

图4 渣系成分随重熔时间的变化曲线

从表3可以看出，不稳定氧化物Cr2O3、MnO、FeO的含量普遍处于较低水平，均小于0.20%； SiO2含量随着熔炼时间的增加而增加，整个重熔期间SiO2≤5.93%。 炉渣中SiO2含量的变化可以间接反映Si元素的烧失量。 可以看出，仅烧掉了少量的Si。 具体成分变化如表4所示，表明在整个正常重熔期间，脱氧得到了很好的控制，元素烧损控制在较低水平。

表3 炉渣成分随时间的变化（质量分数，%）

表3 不同时间渣系各组分含量变化(质量分数,%)

表4 不同取样位置电渣锭化学成分（质量分数，%）

表4 不同取样位置电渣锭化学成分(质量分数,%)

4.6 供料系统

加料期间采用的“三级加料系统”，可以有效提高电渣锭的加料质量，减少缩孔深度，减少冒口去除量，提高电渣锭的利用率。

4.7 90t H13电渣锭结果

4.7.1 钢锭化学成分

对90 t H13电渣锭进行取样，分析水分、冒口化学成分和瓦斯含量见表4。

从表4可以看出，冒口芯中的C元素略超规格0.01%，但在化学成分允许偏差范围内，其余元素均满足技术要求。 总体而言，只有Si元素出现少量烧损，其他元素均未出现明显烧损。 C、Cr、Mo、V在冒口中心均出现不同程度的偏析和聚集，其成分显着高于冒口边缘和R/2。 上升管处的H、O、N气体含量略高于喷嘴处。

由此可见，大电渣钢锭冒口芯部成分偏析倾向较高； 在大气中长期重熔冶炼时，气体含量也会增加； 自耗电极的成分应控制在理想范围内，同时采用合理的脱氧系统以满足产品技术要求。

4.7.2 金相组织、晶粒尺寸和夹杂物等级

表5为90t H13电渣锭锻造及球化退火后水和冒口芯的金相组织、晶粒尺寸和夹杂物等级结果。 按GB/T 6394-2017标准，粒度为8级，满足先进质量要求； 按GB/T 10561-2005，各种非金属夹杂物等级均≤0.5，合计≤1.5，满足先进质量要求。 。 图5为水和立管芯球化退火后放大500倍的金相组织形貌。 根据SEP 1614评级表，该结构评级为GB3。 未发现带状偏析和初生碳化物，符合中等质量等级要求。

表5 金相组织、晶粒尺寸和夹杂物评级结果

表5 金相组织、晶粒尺寸及夹杂物分级结果

(一)水口

(b) 立管

图5 H13锻件球化退火水后，冒口中心金相组织

图5 H13锻件球化退火后水和冒口芯的金相组织

4.8 其他生产结果

4.8.1 50~120t超大型H13电渣锭

120t电渣炉三相臂A、B、C同时熔炼。 目前已成功冶炼90吨、96吨H13电渣锭（见图6）。 锻件产品化学成分、无损检测等技术指标全部合格，已交付用户使用。

图6 超大H13电渣锭

图6 超大H13 ESR铸锭

4.8.2 12～30t较大的H13电渣锭

采用120t电渣炉单臂冶炼。 已成功冶炼4块26.5吨、5块30吨H13电渣锭（见图7）。 锻件产品化学成分、无损检测等技术指标全部合格，已交付用户使用。

图7 较大的H13电渣锭

图 7 较大的 H13 ESR 铸锭

4.9 电渣锭利用率

为了提高电渣锭的利用率，锻造前取消了电渣锭加水和冒口去除，直接进行锻造。 锻件毛坯经球化、退火后进行加工。 加工完成后，进行超声波探伤。 根据电渣锭两端的无损检测，按质量条件进行锯切，电渣锭利用率可达95%以上。

5 结论

(1)针对H13模具钢材料，通过电极制备、重熔渣系统设计、脱氧系统控制和炉型选择等方面的研究，有效解决了电极制备和电渣重熔工艺中的各种技术难点。 ，保证电渣锭及后续产品的质量。

（2）百吨级H13模具钢的成功研发和推广，突破了国内大直径H13电渣钢锭重熔技术瓶颈。