含硫钢切削时易于断屑，具有加工刀具受力小、刀具寿命长，提高生产效率的特性；与含Pb等易切屑钢相比，对环境污染较小、成本低廉，在国内及欧美有一定的应用市场。

　　H11为中合金铬系热作模具钢，具有良好综合力学性能、抗热疲劳性能、高温性能和抗氧化性，通常用于制作压铸模、热挤压模等热作模具；随着数控机床高速切削技术的发展，数控机床主轴－刀柄－刀具系统平衡稳定性要求随之提升，刀柄材质由普通材料转向高端材料，H11模具钢开始被用于制作刀柄。为提高刀柄加工效率，部分厂家采用加硫的H11模具钢。

　　为保证模具钢的综合性能和质量，降低硫化物夹杂物的不利影响，用户要求钢材需经电渣重熔生产。硫是一种活泼性很强的元素，稳定控制其成分含量满足用户要求是模具钢电渣重熔的难点。本文采用酸性渣系电渣重熔试制了H11含硫模具钢的轧材，研究了含硫模具钢硫、硅等相关成分的控制情况，检验分析了轧材非金属夹杂物、组织质量水平。

1.2　电极准备

　　为满足用户对含硫模具钢硫含量及氧化物、硫化物夹杂物的特定要求，重熔电极采用中频熔炼结合LF＋VD精炼工艺制备。在精炼过程中，通过采用低碱度渣系（CaO/SiO2为1.2～1.5）来稳定控制硫含量。为更容易地去除重熔过程中非金属夹杂物，采用SiC、CaSi脱氧工艺。H11(S-1)模具钢硫含量较低，LF＋VD精炼先脱氧VD破空后喂硫线加硫；H11(S-2)模具钢硫含量高，LF脱氧精炼后采用FeS加入大部分硫，VD真空处理破空后再喂硫线，使硫含量符合要求。文献为解决CaS类夹杂物造成的水口堵塞问题，对Al2O3夹杂物控制及Ca处理工艺进行了深入研究并提出了具体技术要求，本文制备的重熔用电极采用批量浇注方式，钢包水口直径较大、浇注时间较短，对Al脱氧工艺未做严格要求。在电极浇注过程中，为减少钢液的二次吸气现象，采用了氩气保护措施。

1.3　重熔渣系

　　常规H11模具钢钢锭采用表面质量好、渣料成本较低的55% CaF2、22％ Al2O3、20％ CaO、3％ SiO2碱性渣系重熔，以进一步脱硫，降低钢中硫含量，同时去除非金属夹杂物，保证电渣的精炼纯净化效果。

　　为使含硫模具钢硫含量符合用户要求，在借鉴以往含硫高速钢重熔工艺和相关文献研究的基础上，电渣重熔采用四元酸性渣系，其基本组成为CaF2 55％～50％、Al2O3 20％、CaO 5％、SiO2 20％～25％。不同钢号对应的具体渣系见表2。电渣重熔初期硫有较大的损失，添加硫化物可保证硫含量合格；考虑炉外化渣的特点，液渣化渣末期需添加0.08％ 或0.13％ 的CaS，以弥补硫的损失。

1.4　重熔工艺参数及检测方法

　　试验在2t电渣炉上进行，采用炉外化渣、液渣注入结晶器，大气环境下双极重熔工艺，具体重熔工艺参数见表3。

　钢锭成分检测采用M10直读光谱仪，硫含量检测采用碳硫仪。钢锭锻制成方坯时，在距离钢锭大头位置30ｍｍ、80ｍｍ 表面取样，以及在退火后的方坯端头取成分样。根据GB/T10561-2023标准，采用A法对轧制棒材样本进行非金属夹杂物检验；模具钢带状组织、退火组织采用SEP1614评级。

2.1.1　含硫模具钢硫含量的控制

电渣重熔钢中硫的损失主要包括：熔渣脱硫和大气气化脱硫。

  由图1可知，钢锭重熔初期（即钢锭大头段），尽管在渣中添加了CaS，但重熔渣中的硫含量仍偏低，未能与钢中的硫达到平衡状态，因此反应(1)仍继续进行；钢锭重熔至一定高度后，熔渣硫容量与钢中硫含量达到平衡，熔渣不再脱硫，转化为气化脱硫，钢中硫含量趋于稳定。

因H11(S-1)与H11(S-2)硫含量不同，熔渣与钢中硫含量平衡硫容量不同，因此在渣中添加的硫化钙量也有所不同。为减少钢锭大头硫含量的损失，需根据钢号硫含量要求及重熔渣料、环境条件寻求适宜的硫化钙添加量，以保证硫含量符合钢种的控制要求。

2.1.2　含硫模具钢硅、锰、铬含量的控制

　　电渣重熔过程中存在如下反应：

   由图2可知，重熔钢锭大头30ｍｍ 处硅含量较电极有所增高，而中部及小头部分硅含量有所降低。重熔初期酸性渣SiO2含量高达20％，氧化铁含量很低，会出现化学式(3)的反应，硅被还原进入钢中，钢锭大头30ｍｍ 处增硅。在大气环境下重熔时，随熔渣温度升高，熔渣的吸氧、电极表面的氧化使熔渣的氧含量升高，与钢中硅发生化学式(4)的反应，同时高氟渣重熔还发生化学式(5)的反应，使钢锭除大头30ｍｍ、80ｍｍ 外其余部位都有一定的烧损，与常规碱性渣系重熔相近，因此电极硅含量应控制在中限上下。

由图3可知，重熔钢锭大头30 ｍｍ 处锰含量较电极有一定地降低，大头80 ｍｍ 处也有降低，反而到中部及小头部分锰含量与电极含量相当。MnO为弱碱性氧化物，在重熔前过程中，熔渣中MnO的含量起初较低，但随着酸性渣的重熔，会发生特定的化学反应，如反应式(3)、(6)所示，导致锰烧损；随着重熔地进行，渣中MnO含量与钢中的Mn含量逐渐趋于平衡，使钢中的Mn含量趋于稳定，接近电极中的含量。连铸过程中的研究显示，保护渣中MnO含量的变化受到反应条件和初始含量的影响，因此，为使硫化物形成硫化锰，考虑锰在钢锭大头处的烧损，电极锰含量应控制在中上限。为弥补Mn在重熔初期的损失，可在倒渣时添加FeMn粉和重熔初期补加FeMn粉。

　由图4可知，重熔钢锭大头30ｍｍ 处铬含量较电极有一定地降低，大头80ｍｍ 处铬烧损较大，而中部及小头部分铬含量与电极含量相当。铬的烧损为重熔初期钢中铬的氧化造成；随重熔过程地进行，渣中Cr20含量与钢中Cr含量趋于平衡，钢中Cr含量趋于稳定。因此，电极铬含量应控制在中限，避免铬含量不足。

2.2  酸性渣系重熔含硫模具钢钢锭表面质量

　　电渣重熔由常规碱性渣系改为酸性渣系重熔后，采用原电参数进行重熔，钢锭表面会出现渣沟、褶皱、波纹，表面质量差，不能直接锻制。为此，试验改进了重熔电参数，根据酸性渣系黏度大、电阻率高的特点，通过降低渣量、提高电压、降低电流，适当提高熔速，可使钢锭表面趋于光滑，无渣沟、褶皱等缺陷，能直接进行锻制。重熔工艺改进前后工艺参数见表5，钢锭表面质量如图5所示。

采用酸性渣系批量试制了H11含硫钢锭。含硫电渣钢锭经锻轧被加工成Φ 25～70ｍｍ 轧材，其非金属夹杂物检验结果见表6，夹杂物形貌如图6所示。H11(S-1)钢中硫化物夹杂物为1.5级，钢中未见C类硅酸盐类夹杂物；B 类夹杂物为1.0级，D类0.5级，Ds类0.5级。H11(S-2)钢中硫化物夹杂物评级高达2.5级，钢中未见C类硅酸盐类夹杂物；B类夹杂物为1.0 级，Ｄ 类0.5级，Ds类1.0级。硫含量高的H11(S-2)A类夹杂物级别高于H11(S-1)，这与硫含量同硫化物析出尺寸关系的研究结论一致。

含硫H11 电渣钢轧材退火态带状组织如图７所示，H11(S-1)Φ 65ｍｍ 轧材评级为SB3，H11(S-2)Φ49 ｍｍ 轧材评级为SA3。轧材退火组织如图8所示，H11(S-1)Φ 65ｍｍ 轧材评级为GC1，H11(S-2)Φ49ｍｍ 轧材评级为GC2，结果与常规碱性渣系重熔钢锭轧材类似。

（１）在大气环境下，酸性渣系重熔H11含硫钢的钢锭大头处硫、锰、铬等易氧化元素有一定的损失，随着重熔的进行，硫、锰、铬含量趋于稳定；钢锭大头硅含量有一定的增加，随着重熔过程的进行，转为烧损并趋于稳定。钢锭大头处的硅、锰、硫、铬与其余部位有一定的差异，为减小此差异，根据钢号成分要求及重熔条件，倒渣时需加入适量的硫化钙，重熔初期需补加适量锰铁粉、铬铁粉，使钢锭大头成分符合要求。

　（２）酸性渣系重熔时，重熔工艺参数与碱性渣系存在差异，适当降低渣量、提高电压、降低电流，在保证钢锭熔速适宜的同时，可改善钢锭表面质量满足锻制要求。

　（３）酸性渣系重熔H11含硫钢钢锭生产的轧材带状组织、退火组织与常规碱性渣系相当；与常规碱性渣系重熔钢锭轧材非金属夹杂物对比，Ｂ 类夹杂物略高，Ｃ 类、Ｄ 类夹杂物相当，Ａ 类非金属夹杂物评级明显偏高，硫含量越高，评级越高；但满足了用户H11含硫钢要求，切削加工时断屑较好，提高了加工效率。

作者：文/河冶科技股份有限公司●谢志彬