转炉连铸生产模具钢H13的工艺研究

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转炉连铸生产模具钢H13的工艺研究李澍（承德建龙特殊钢有限公司研发处，承德 067201）摘要：本文根据热作模具钢H13的特性，根据承德建龙生产工艺装备现…

转炉连铸生产模具钢H13的工艺研究

李澍

（承德建龙特殊钢有限公司研发处，承德 067201）

摘要：本文根据热作模具钢H13的特性，根据承德建龙生产工艺装备现状，制订了“铁水提钒——KR脱硫——转炉冶炼——LF精炼——VD真空处理——圆坯连铸——入坑缓冷”工艺流程，实现了低磷、低硫控制，采用低过热度、低拉速、二冷弱冷工艺，提高矫直前温度≥850℃，并保证入坑缓冷温度≥600℃，出坑温度≤100℃，铸坯质量达到设计要求。

关键词：低磷；低硫；高合金；弱冷

1 引言

近年来随着模具工业的迅速发展,模具钢的发展也极为迅速。由于工业生产技术的发展和不断出现的新材料，对模具的工作条件日益苛刻，对模具钢的性能、品质、品种等方面不断地提出了新的要求，为此世界各国近年来都积极开发了具有各种特性适应不同性能要求的新型模具钢^[1]。

H13是属于空冷淬硬钢，一种典型的热作模具钢。在淬硬条件下具有较高韧度，并具有优良的抗热裂能力，是一种强韧兼有的空冷硬化型热作模具用钢。其工作温度一般≤700℃，它适用于制造压铸模、挤压模、热切边模、热锻模的热冲孔模具等。因H13具有良好的性价比及工艺性能，广受市场青睐，目前该钢种已经成为国内外应用最广泛的热作模具钢种之一，通常用于制造铝铸件用的压铸模、热挤压模，穿孔用的工具、芯棒、压机锻模、塑料模等，还广泛应用于铝、铜及其合金的压铸模具^［2-3］。

由于该钢种合金含量高等原因，国内大都采用电炉+模铸等相关工艺生产，使用转炉+连铸生产的工艺较少。通过调研并结合自身生产工艺装备特点，我公司决定开发此高附加值钢种，作为公司新的利润增长点，同时积累开发高合金钢的生产经验，为公司的产品结构转型打下基础。

2 热作模具钢H13的生产控制

H13为美标C-Cr-Mo-Si-V型钢, 与之相对应的我国钢号为4Cr5MoSiV1。该钢种得到广泛应用与其具有优良的特性是分不开的，而优良的特性主要由钢的化学成分决定。因标准给出的化学成分范围较宽，不利于用户热处理控制，因而实际使用时对有害元素的要求较低，而大量资料也表明钢中有害元素的降低有利于提高钢的各项性能。

为保证H13钢的性能，通过查阅相关资料^[4-7]，我公司设计其化学成分如表1

表1 H13化学成分（%）

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。其冶炼连铸工艺路线如下：铁水提钒——KR脱硫——转炉冶炼——LF精炼——VD真空处理——圆坯连铸——入坑缓冷，并采用低过热度、低拉速、二冷弱冷工艺，以提高铸坯内部及表面质量。

2.1 铁水提钒

我公司地处承德，拥有钒钛铁矿的资源优势。通过将含钒高炉铁水兑入提钒转炉中，通过吹氧将铁水中的钒进行氧化，生成钒渣，供钒厂焙烧、萃取，而炉中的半钢水则进入KR脱硫工序。

2.2 KR脱硫

提钒后的半钢水进入KR后，在处理过程中加入适量铝粒及脱硫剂，经KR搅拌处理后，半钢水S含量≤0.005%，而渣中硫含量为0.5%左右，属高硫渣，必须进行扒渣操作，以免带入转炉导致“回硫”。

2.3 转炉冶炼

因该钢种加入的合金量较大，且要求成品P≤0.010%，为保证终点命中（温度、C、P等）及达到后续LF精炼要求，在转炉钼铁随废钢加入炉内，冶炼过程中，冶炼前期强化脱磷操作，尽快形成高碱度、高氧化性、流动性良好的前期渣，实现钢水的前期脱磷的目的；要求转炉终点成分控制在0.05%≤C≤0.08%，P≤0.005%，出钢温度1650～1670℃。

出钢前将低吹氩气开到最大，并将硅铁加入包底后再出钢，出钢过程中采用铝锭对钢水进行预脱氧，并随钢流加入一定量的预熔渣+石灰造渣，然后再加入总合金量1/3低钛低碳铬铁及金属锰、钒铁进行合金化。出钢时还采用滑板挡渣+红外报警装置对转炉出钢下渣进行控制，做到无渣出钢，保证钢水质量。出钢后在吹氩站进行中吹3min，防止包底结冷钢和渣面结壳。

2.4 LF炉精炼

LF精炼炉处理的首要任务是造渣快速升温。由于转炉加入合金量大，造成入LF 炉温度偏低，不利于脱硫和钢水成分的均匀。

LF精炼炉在钢水进站后，采用双透气砖吹氩，保证良好的透气性及搅拌效果，以促进脱硫。并根据钢水情况，选择适当的电压、电流快速埋弧升温，在精炼过程中当温度达到1630℃左右时，分批加入剩余的低钛低碳铬铁合金，合金加入完毕后，精炼根据包内渣况分别加入造渣料和脱氧剂，快速形成白渣。

成白渣后保持白渣精炼时间≥20min，S含量要求≤0.003%，并根据过程样的分析结果微调合金成分，整过LF精炼周期控制在100～120min。

2.5 VD真空处理

为保证VD处理过程中不回磷、回硫，提前对VD炉的防溅盖上的积渣进行清理，并用低磷、低硫钢水对防溅盖进行冲涮，防止回磷、回硫，成品成分范围见表2。

表2 钢水成品成分（%）

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

钢水真空处理要求真空度在≤67Pa下，保持时间≥20min，真空处理以后喂入纯钙线对钢中夹杂物球化处理，并控制钙铝比0.10～0.14。喂线后保持软吹状态，软吹时间≥25min，确保夹杂物充分上浮。

2.5 圆坯连铸

连铸是生产H13的关键工序，因该钢在一定的温度下具有较好的红硬性，且合金成分含量高，导热性差，在浇铸过程中对矫直机的压力及冷却要求高。矫直机的压力过大则可能会造成铸坯表面或内部质量不合格，压力过小则可能会对设备造成损害；冷却不均极易产生裂纹和偏析，从而导致连铸失败^[4]。因而为保证铸坯质量并使生产稳定进行，在连铸采用了以下关键工艺控制参数如下：

(1) 连铸中间包温度控制：1500±5℃；

(2) 连铸拉速：0.60m/min；

(3) 结晶器水量1990 L/min，二次冷却比水量控制：0.21L/Kg；

(4) 5架拉矫机压力均控制在30吨；

(5) 对连铸火焰切割机进行改造，增加喷铁粉装置，实施喷粉切割。

要求矫直前温度≥850℃，并保证入坑缓冷温度≥600℃，≤100℃出坑；为减少表面裂纹产生，要求缓冷坑采用其他钢种热坯垫坑，上方采用其他钢种热坯覆盖，提高保温效果，以利于释放铸坯应力，提高表面质量。

3 热作模具钢H13的连铸圆坯的表面质量

采用上述方法生产工艺浇铸的热作模具钢H13连铸圆坯，钢的纯净度较高，低倍质量较好，铸坯经滚检人工检查，未发现影响使用的表面裂纹，完全符合客户要求。

4 结论

（1）采用“铁水提钒——KR脱硫——转炉冶炼——LF精炼——VD真空处理——圆坯连铸——入坑缓冷”工艺流程，可以实现热作模具钢H13的生产，钢中磷含量≤0.010%，硫含量≤0.003%。