轉爐連鑄生產模具鋼H13的工藝研究

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轉爐連鑄生產模具鋼H13的工藝研究李澍（承德建龍特殊鋼有限公司研發處，承德 067201）摘要：本文根據熱作模具鋼H13的特性，根據承德建龍生產工藝裝備現…

轉爐連鑄生產模具鋼H13的工藝研究

李澍

（承德建龍特殊鋼有限公司研發處，承德 067201）

摘要：本文根據熱作模具鋼H13的特性，根據承德建龍生產工藝裝備現狀，制訂了“鐵水提釩——KR脫硫——轉爐冶煉——LF精煉——VD真空處理——圓坯連鑄——入坑緩冷”工藝流程，實現了低磷、低硫控制，采用低過熱度、低拉速、二冷弱冷工藝，提高矯直前溫度≥850℃，并保證入坑緩冷溫度≥600℃，出坑溫度≤100℃，鑄坯質量達到設計要求。

關鍵詞：低磷；低硫；高合金；弱冷

1 引言

近年來隨著模具工業的迅速發展,模具鋼的發展也極為迅速。由于工業生產技術的發展和不斷出現的新材料，對模具的工作條件日益苛刻，對模具鋼的性能、品質、品種等方面不斷地提出了新的要求，為此世界各國近年來都積極開發了具有各種特性適應不同性能要求的新型模具鋼^[1]。

H13是屬于空冷淬硬鋼，一種典型的熱作模具鋼。在淬硬條件下具有較高韌度，并具有優良的抗熱裂能力，是一種強韌兼有的空冷硬化型熱作模具用鋼。其工作溫度一般≤700℃，它適用于制造壓鑄模、擠壓模、熱切邊模、熱鍛模的熱沖孔模具等。因H13具有良好的性價比及工藝性能，廣受市場青睞，目前該鋼種已經成為國內外應用最廣泛的熱作模具鋼種之一，通常用于制造鋁鑄件用的壓鑄模、熱擠壓模，穿孔用的工具、芯棒、壓機鍛模、塑料模等，還廣泛應用于鋁、銅及其合金的壓鑄模具^［2-3］。

由于該鋼種合金含量高等原因，國內大都采用電爐+模鑄等相關工藝生產，使用轉爐+連鑄生產的工藝較少。通過調研并結合自身生產工藝裝備特點，我公司決定開發此高附加值鋼種，作為公司新的利潤增長點，同時積累開發高合金鋼的生產經驗，為公司的產品結構轉型打下基礎。

2 熱作模具鋼H13的生產控制

H13為美標C-Cr-Mo-Si-V型鋼, 與之相對應的我國鋼號為4Cr5MoSiV1。該鋼種得到廣泛應用與其具有優良的特性是分不開的，而優良的特性主要由鋼的化學成分決定。因標準給出的化學成分范圍較寬，不利于用戶熱處理控制，因而實際使用時對有害元素的要求較低，而大量資料也表明鋼中有害元素的降低有利于提高鋼的各項性能。

為保證H13鋼的性能，通過查閱相關資料^[4-7]，我公司設計其化學成分如表1

表1 H13化學成分（%）

C	Si	Mn	P≤	S≤	Cr	Mo	V	Cu≤	Ni≤
0.39-0.42	1.10-1.30	0.30-0.50	0.010	0.005	5.00-5.20	1.35-1.45	0.85-1.10	0.20	0.25

H≤	O≤	N≤	Pb≤	Sn≤	As≤	Sb≤	Bi≤	Ti≤	Als
0.00015	0.0015	0.0080	0.002	0.010	0.010	0.005	0.005	0.005	0.010-0.020

所示。其冶煉連鑄工藝路線如下：鐵水提釩——KR脫硫——轉爐冶煉——LF精煉——VD真空處理——圓坯連鑄——入坑緩冷，并采用低過熱度、低拉速、二冷弱冷工藝，以提高鑄坯內部及表面質量。

2.1 鐵水提釩

我公司地處承德，擁有釩鈦鐵礦的資源優勢。通過將含釩高爐鐵水兌入提釩轉爐中，通過吹氧將鐵水中的釩進行氧化，生成釩渣，供釩廠焙燒、萃取，而爐中的半鋼水則進入KR脫硫工序。

2.2 KR脫硫

提釩后的半鋼水進入KR后，在處理過程中加入適量鋁粒及脫硫劑，經KR攪拌處理后，半鋼水S含量≤0.005%，而渣中硫含量為0.5%左右，屬高硫渣，必須進行扒渣操作，以免帶入轉爐導致“回硫”。

2.3 轉爐冶煉

因該鋼種加入的合金量較大，且要求成品P≤0.010%，為保證終點命中（溫度、C、P等）及達到后續LF精煉要求，在轉爐鉬鐵隨廢鋼加入爐內，冶煉過程中，冶煉前期強化脫磷操作，盡快形成高堿度、高氧化性、流動性良好的前期渣，實現鋼水的前期脫磷的目的；要求轉爐終點成分控制在0.05%≤C≤0.08%，P≤0.005%，出鋼溫度1650～1670℃。

出鋼前將低吹氬氣開到最大，并將硅鐵加入包底后再出鋼，出鋼過程中采用鋁錠對鋼水進行預脫氧，并隨鋼流加入一定量的預熔渣+石灰造渣，然后再加入總合金量1/3低鈦低碳鉻鐵及金屬錳、釩鐵進行合金化。出鋼時還采用滑板擋渣+紅外報警裝置對轉爐出鋼下渣進行控制，做到無渣出鋼，保證鋼水質量。出鋼后在吹氬站進行中吹3min，防止包底結冷鋼和渣面結殼。

2.4 LF爐精煉

LF精煉爐處理的首要任務是造渣快速升溫。由于轉爐加入合金量大，造成入LF 爐溫度偏低，不利于脫硫和鋼水成分的均勻。

LF精煉爐在鋼水進站后，采用雙透氣磚吹氬，保證良好的透氣性及攪拌效果，以促進脫硫。并根據鋼水情況，選擇適當的電壓、電流快速埋弧升溫，在精煉過程中當溫度達到1630℃左右時，分批加入剩余的低鈦低碳鉻鐵合金，合金加入完畢后，精煉根據包內渣況分別加入造渣料和脫氧劑，快速形成白渣。

成白渣后保持白渣精煉時間≥20min，S含量要求≤0.003%，并根據過程樣的分析結果微調合金成分，整過LF精煉周期控制在100～120min。

2.5 VD真空處理

為保證VD處理過程中不回磷、回硫，提前對VD爐的防濺蓋上的積渣進行清理，并用低磷、低硫鋼水對防濺蓋進行沖涮，防止回磷、回硫，成品成分范圍見表2。

表2 鋼水成品成分（%）

C	Si	Mn	P≤	S≤	Cr	Mo	V	Cu≤	Ni≤
0.40-0.41	1.15-1.20	0.35-0.42	0.07-0.010	0.001-0.002	5.05-5.10	1.37-1.40	0.90-0.95	0.05	0.05

H≤	O≤	N≤	Pb≤	Sn≤	As≤	Sb≤	Bi≤	Ti≤	Als
0.00010	0.0008-0.0010	0.0040-0.0055	0.0010	0.0050	0.010	0.0030	0.0030	0.0035	0.013-0.018

鋼水真空處理要求真空度在≤67Pa下，保持時間≥20min，真空處理以后喂入純鈣線對鋼中夾雜物球化處理，并控制鈣鋁比0.10～0.14。喂線后保持軟吹狀態，軟吹時間≥25min，確保夾雜物充分上浮。

2.5 圓坯連鑄

連鑄是生產H13的關鍵工序，因該鋼在一定的溫度下具有較好的紅硬性，且合金成分含量高，導熱性差，在澆鑄過程中對矯直機的壓力及冷卻要求高。矯直機的壓力過大則可能會造成鑄坯表面或內部質量不合格，壓力過小則可能會對設備造成損害；冷卻不均極易產生裂紋和偏析，從而導致連鑄失敗^[4]。因而為保證鑄坯質量并使生產穩定進行，在連鑄采用了以下關鍵工藝控制參數如下：

(1) 連鑄中間包溫度控制：1500±5℃；

(2) 連鑄拉速：0.60m/min；

(3) 結晶器水量1990 L/min，二次冷卻比水量控制：0.21L/Kg；

(4) 5架拉矯機壓力均控制在30噸；

(5) 對連鑄火焰切割機進行改造，增加噴鐵粉裝置，實施噴粉切割。

要求矯直前溫度≥850℃，并保證入坑緩冷溫度≥600℃，≤100℃出坑；為減少表面裂紋產生，要求緩冷坑采用其他鋼種熱坯墊坑，上方采用其他鋼種熱坯覆蓋，提高保溫效果，以利于釋放鑄坯應力，提高表面質量。

3 熱作模具鋼H13的連鑄圓坯的表面質量

采用上述方法生產工藝澆鑄的熱作模具鋼H13連鑄圓坯，鋼的純凈度較高，低倍質量較好，鑄坯經滾檢人工檢查，未發現影響使用的表面裂紋，完全符合客戶要求。

4 結論

（1）采用“鐵水提釩——KR脫硫——轉爐冶煉——LF精煉——VD真空處理——圓坯連鑄——入坑緩冷”工藝流程，可以實現熱作模具鋼H13的生產，鋼中磷含量≤0.010%，硫含量≤0.003%。