模具钢的电弧炉冶炼技术

模具钢的冶炼可用平炉、转炉、电弧炉、电渣重熔、感应炉或真空感应炉进行。由于模具钢批量小，品种规格多，有些钢种合金含量较高，所以广泛采用电弧炉和感应炉进行冶炼。模具钢的冶炼一般在50t以下的电弧炉中进行。

电弧炉冶炼的一般特点：

1）热效率高，钢水温度可根据钢种、工艺要求任意调节，且控制方便。

2）冶金过程容易控制，通过控制物理、化学反应过程，可以除去钢中的气体、夹杂物，获得比较纯净的钢水。

3）能冶炼多种合金钢，对品种变化的适应性强。

4）设备比较简单，可以快速投入生产。

目前，我国特种钢厂大多采用碱性电弧炉冶炼生产模具钢，可采用氧化法冶炼，也可采用非氧化法冶炼，多数采用氧化法。

电弧炉炼钢的基本任务

炼钢的基本任务是：向熔池供氧，使炉料中的碳氧化到规定的范围；造渣，除去原料中的S、P、O和钢中的H、N等气体和非金属夹杂物，保证钢的质量；调整合金成分，以满足出钢温度的要求。

总之，基本任务可以概括为“四除（C、O、S、P）二除（脱气、除夹杂）二调（成分、温度）”，所采用的主要技术手段有“供氧、造渣、升温、加脱氧剂、合金化操作”。

1）成分

采用氧化法冶炼时，模具钢的冶炼应尽可能配用一些好料，特别是要求较高的合金模具钢。为保证脱气、去夹杂效果，应保证氧化期间沸腾除碳量，碳（质量分数）应比成品规格高0.6%~0.7%。其他元素可不加特殊添加，但含Mo钢应在中限量。对于高Cr合金工具钢，炉料应采用低Si、低Mn回炉钢和铁合金。

2）加载

装钢前可加入适量石灰或碎矿，以利于提前进行造渣、脱磷作业。装炉时以钢水熔化形成熔池为原则，部分小料装在底部，大料及废料装在中间，其余小料放在上面。不易氧化的铁合金可随炉装钢，但不得放在电极下面。装钢的铁合金应进行烘烤。

3）熔氧期

目前，电炉钢厂大多采用强化冶炼，即在还原期前强化用氧，将熔化期与氧化期合并为熔化氧期。因此，应根据炉料中磷含量，在装料前向炉底加入一定量的石灰和矿石（尽量不用或少用矿石），力争炉料熔化90%时形成适当碱度的氧化渣，在温度不太高时利用自动排渣脱除70%的磷，即在熔化期内完成脱磷任务。同时，在适当的脱碳率下，一般约≥0.2%，可保证熔化氧期后钢水具有较低的氢含量。我国大多数钢厂采用氧化法冶炼时，熔化氧期脱碳量（质量分数）大于0.2%。熔氧前期炉温较低，此时力争除去大部分氧化渣下的磷，后期采用大变压器快速升温脱碳、除气，使熔氧期温度满足要求。

4）恢复期

除去氧化渣后，开始还原期。此期的任务是脱氧、脱硫、合金化，最后调整成分和温度，使之达到规定的要求。除去氧化渣后，应立即加入薄渣(一般为氧化钠、石灰、耐火砖=1：4：1)，以防止空气进入。加入量为钢水重量的3%左右。加入薄渣后，根据钢种要求加入Mn-Si合金和A1(一般5~1kg/t钢)进行预脱氧。薄渣形成后，加入Fe-Si粉和C粉进行脱氧。一般首批保温15分钟以上，分2~3批加入，每批之间间隔5分钟。还原期间，应经常测温，经常搅拌，促使温度和成分均匀。控制好渣量和渣况，保证有足够的碱度和良好的流动性，保证出钢时出白渣。还原段应保持适当的高温，一般要高于钢种熔点80~120℃。为了有效提高钢的质量和纯净度，一般将还原精炼阶段移到钢包内，采用炉外精炼工艺。如1991年日本电炉冶炼特殊钢采用炉外精炼的比例已达94.5%。

5）出钢

出钢前2~3min在钢水中通入A1进行最后脱氧，进一步降低钢中氧含量，合金模具钢约0.5kg/t钢。出钢过程中常掺入钢渣，以增加钢水与炉渣的进一步接触，继续脱硫，减少钢水二次氧化。采用炉外精炼时，应采用挡渣出钢，目前国外发展最快的是偏心炉低位出钢。避免钢渣进入钢包。

出钢温度对于模具钢来说非常重要，一般电炉模具钢出钢温度控制在1550~1620℃左右，与钢种、是否精炼有关。

6）模具钢铸造

当设备条件一定、冶炼的钢种确定后，浇注工艺十分重要。浇注工艺中最重要的两个工艺参数是绕线温度和浇注速度。它决定钢锭的表面质量，如冒口的收缩、气体的逸出和夹杂物的上浮，钢的偏析、疏松、缩孔等质量问题。对于烧结温度的确定，一般采用下列公式：

T 浇注 = T 熔点 + T 过热

——该钢种的液相线温度；

r 熔点 - 包括由钢种决定的浇注最低过热度。由于浇注方法和钢锭形状等因素，

整个浇注过程中需升高或降低的温度及钢水的温降；

T供给点——浇注开始时钢水的温度。

模具钢特别是一些高合金模具钢的浇注铜带，一般采用低温快浇的原则，以减少钢中的偏析和疏松。出钢温度控制在高于钢的熔点80~10CTC，视钢种、钢锭形状、浇包大小而定。浇注速度与浇注温度密不可分，浇注温度与浇注速度的关系通常概括为“高温慢浇”与“低温快浇”。因此，浇注速度必须根据浇注温度进行调整。如果浇注速度过快，就相当于提高了浇注温度，因为同时带入钢模的热量增加，整个钢锭的凝固时间延长，成分偏析严重，夹杂物增多，气体不易排出，还可能出现结皮缺陷。另外，在模具钢浇注过程中，必须注意收缩补偿。至于收缩补偿时间，与钢锭形状，钢种等有关。

7）锭模

铸锭通常采用带保温帽和整体模具的锭模系统，材质一般为铸铁。为减少铸锭在凝固过程中的收缩和疏松，铸锭应保持一定的锥度。锥度的大小应根据铸锭的组织和形状来选择。

考虑到生产的钢种、钢锭重量及以后的加工方法，钢锭模具的锥度应大于3%，计算方法为：α锥度=(D大-D小)/2H×100%。对于解剖锥度小于3%的钢锭，发现冒口线以下100mm处比较致密，而下部疏松严重，特别是A2()、A8等钢种，中心疏松、缩孔更为严重。钢锭模具的锥度一般应为3%~5%，钢锭模具的壁厚往往底部比顶部厚，以利于快速凝固。

钢锭模的断面有方形、矩形、圆形、多边形等，多边形钢锭散热面大而均匀，钢锭不易产生热裂纹。矩形锭（扁锭）的问题是铸造时宽边散热慢于窄边，易产生热裂纹，因此外形多为圆弧形，并将宽边模壁加厚，加强冷却。方形锭模最常用，又分为直边、凸边、凹边和波浪边四种。钢锭模的另一个重要参数是长宽比（良/劣），模具钢锭的长宽比不宜过大，否则会增大钢锭的中心疏松、二次缩孔及热裂倾向；同时由于钢液面过高，静压力增大，不利于钢中气体和夹杂物的排出。

8）连铸

由于连铸具有金属回收率高、成本低、节能、工艺流程短等优点，加之近年来连铸技术的发展，为提高钢材成材率，降低能耗，国外一些钢厂已采用连铸工艺生产模具钢。低合金钢(主要是塑料模具钢)已正式采用此工艺，高合金工具钢的连铸工艺正在试验研究中。由于模具钢大断面材料所占比例较大，一般采用大断面连铸机，机种多为水平、垂直或大半径连铸机。如日本大同特钢公司采用双流弧形大直径连铸机，铸坯尺寸为2.5mm；德国蒂森公司增设了垂直双流连铸机，结晶器截面尺寸为1.5mm。为保证质量，一般采用保护浇注、液位控制和多级电磁搅拌等措施。

德国克虏伯采用的工艺路线：

UHP——钢包处理（真空冶炼、气体搅拌、合金化）——连铸——连轧——热处理——除氧化皮、剥皮——矫直、修磨——检验。

大型板坯连铸机生产的大板坯直接轧制成中厚板，制造各种塑料模具，代替压铸、锻造或轧制成型，在国外已得到广泛应用，大大降低了生产成本。近年来，我国也开始采用连铸技术生产塑料模具钢。

9)真空炉外精炼

真空炉外精炼技术是冶金工业技术的一大进步，精炼后的钢水质量比未精炼的钢水好很多，通过精炼，钢中气体含量、硫含量等进一步降低，夹杂物含量也进一步降低。表2-8是普通电炉冶炼与真空处理后的模具钢H13钢中夹杂物对比。真空处理的方法有很多种，其实就是将初级钢水倒入钢包中，移入真空室内，吹Ar进行搅拌，钢水在真空条件下剧烈沸腾，随着Ar气泡的流动，带动钢水形成循环，使钢水中的气体随Ar气排出，夹杂物上浮，并进行脱硫。通过添加合金成分，使成分控制准确、均匀。

真空精炼设备很多，一般有LF+VD、VAD、VOD、AOD、DH、RH、VHD等。目前，国内生产模具钢的冶金厂大多采用LF+VD，或VHD、VAD等精炼工艺装置。VD装置的真空度一般保持在40~100Pa左右的水平。由于处理过程中无加热装置，处理过程中钢水温度有所下降，因此，进入钢包的钢水温度应比规定温度高80~120℃，处理时间不宜过长。经真空处理后，钢水中的气体含量减少，夹杂物减少，钢的韧性得到提高。

表2-8 电解测定不同冶炼工艺生产的H13钢氧化物含量（质量分数）（%）

氧化物类型

电弧炉冶炼

电弧炉+VHD精炼

总氧化物

0.0084

0.0046

二氧化硅

0.0010

氧化锰

标记

氧化铁

0.0001

标记

Cr20

标记

氧化钙

没有任何

A1203

0.0050

0.0028

氧化镁

0.0012

0.0030

另一类精炼设备是加装加热装置，如VAD、VHD法、瑞典真空钢包精炼ASEA-SKF法等。这两类设备的工艺操作基本相同，先将一次精炼炉内的炉渣除去，再造渣，当生产S要求较低的模具钢时，采用高碱度炉渣。VHD法与ASEA-SKF法在加热操作过程中的真空度有所不同，VAD法真空度约为（2.0~2.4）X10^4Pa，ASEA-SKF法真空度约为53Pa。它主要通过电磁感应搅拌使钢水产生上下流动。经该类型精炼的钢水氢含量可降至20X10^-6以下，氧含量与未精炼钢水相比降低40%~60%，脱硫率一般在40%以上。

VHD炉也是一种带有加热装置的精炼设备，由钢包、加热搅拌装置、加热及真空系统组成。钢水进入钢包后，通过造新渣进一步脱硫，在2~真空度下加热，调节钢水温度并吹氩搅拌脱气，促进非金属夹杂物的上浮和去除，使钢水成分均匀，同时降低气体含量。在合金工具钢生产中，也采用LFV炉精炼技术，即钢包炉（Ladle）+真空（）炉精炼方法。这种集电弧加热、气体搅拌、真空脱气（或真空吹氧）于一体的精炼方法，通过强化热力学和动力学条件，使钢水在短时间内达到高度纯净和均匀，从而达到各种冶金目的。 LF炉是在气氛下用电弧加热来调整钢水温度，并通过长时间吹氩进行搅拌（一般吹氩量为50~100m3/min），使其成分、温度均匀，从而使夹杂物充分上浮和去除。

10）钢包粉末喷雾精炼

钢包喷粉是炉外精炼方法之一，其特点是将粉状精炼剂通过浸入式喷枪透过渣层直接喷入钢包深熔池内，通过气粉混合对钢水进行吹洗净化，能快速脱硫、脱氧、脱磷，获得纯净的优质模具钢。喷涂系统由喷雾罐、喷枪、气体输送装置、控制

喷粉罐由系统和浇包组成，根据工艺要求和喷粉种类，喷粉罐制成各种不同用途的容器，如碳化用喷粉罐、脱磷或脱硫用喷粉罐、合金化用喷粉罐等。

喷粉精炼工艺是将Ca-Si粉或CaC2粉末深深喷入电弧炉或平炉熔化的钢水中，再经吹氩、脱硫、脱气净化钢水。喷粉量约为2.5~3.0kg/t钢水，喷粉时间一般不超过10min。采用CaF2-CaC2混合粉末进行精炼脱磷，喷粉量约为20~40kg/min。

粉末喷涂精炼可以提高钢的纯净度，也能改善#的某些性能。表2-9列出了粉末喷涂工艺对模具钢纯净度的影响。粉末喷涂工艺的影响主要表现在以下几个方面：

表2-9 冶炼工艺对钢中夹杂物含量的影响

冶炼工艺

总夹杂物含量

各类夹杂物含量(质量分数) (%)

/质量分数（％）

A1A

二氧化硅

钛

氧化铁

Cr203

氧化锰

电弧炉

0.0127

0.0089

0.0012

0.0001

0.0003

0.0004

标记

电弧炉+粉末喷涂

0.0015

0.0001

0.0012

0.0001

0.0002

标记

喷粉脱硫。一般来说，高碱度炉渣的渣量为2%~3%时，钢中硫含量可降低到w(S)0.005%以下，即可达到良好的脱硫效果。例如，冶炼钢中喷入硅钙粉后，钢中硫含量可低于w(S)0.004%，钢中的硫化物夹杂由密集排列的锰硫化物变为球状弥散分布的硫化物或复合硫化物。

喷粉脱磷。喷粉后钢中的磷形成4CaO、P2O5或Ca3P2进入渣中。如高Cr模具钢喷粉后平均脱磷率为27.3%，GCR15钢平均脱磷率为53%。

提高钢材的各向同性。经过粉末喷涂后，钢中的磷、硫含量降低，夹杂物形态及分布得到改善，从而提高了钢材的力学性能，特别是提高了钢材的韧性和塑性。钢材经过粉末喷涂细化处理后，其断面收缩率、冲击强度均有明显提高。