凝固电极是什么大型H13模具钢电渣重熔工艺研究

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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、缩孔疏松及碳化物析出也越来越严重，尤其是高碳高合金钢。采用三相双极串联结构的120 t电渣重熔炉，以大型H13热挤压模具生产实际为例，从电极准备、渣系选择、熔速控制、脱氧制度及补缩等重点工艺方面进行了论述。

关键词：模具钢；电渣重熔；电渣锭

模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种。模具钢按用途一般可分为三大类，分别是热作模具钢、冷作模具钢和塑料成型用模具[1]。随着我国社会生产力的不断提高与发展，模具钢的需求量越来越大，每年以15%的增长率增加，并且产值已位居世界第三，紧随日本和美国，尽管我国的模具钢产值很高，但是能够生产的高端优质模具钢却很少，高端模具钢的制造技术水平有所不足，根据调查数据显示，每年有50%的高端模具钢仍需进口，并且价格非常高。《中国制造2025》明确提出了提高高端模具在市场行业中的份额，加强高品质模具的生产[2]。热挤压模具钢在全球市场规模约占150亿元，约占热挤压模具钢市场规模的一半左右。热作模具在受到巨大的冲击载荷时，还需承受高温的环境，加上周期性短时间的加热和冷却，以及各种应力的作用等影响，会使热作模具出现机械疲劳、变形及磨损等性能问题。随着未来模具钢应用领域的不断延伸扩大，以及趋向高端发展，我国的模具行业发展机遇良好，尤其在高端模具钢方面替代进口方面，进口价格为国产钢的3～5倍，国产钢替代进口对于企业而言，其经济效益十分显著，具有非常大的发展空间[3]。

中国一重120 t电渣炉为三相双极串联结构，熔池浅平是该炉型的较大优势，易于生产成分均匀、组织致密的高碳高合金钢，再加上拥有万吨水压机，利用自身沉淀多年生产大型铸锻件的技术水平，有能力为市场提供高端优质模具钢。近年来，一重为某客户提供了大量的大规格热作模具钢H13，产品性能及内部无损检测均符合客户技术要求。

本文主要针对H13模具钢材料，从H13材料技术要求、研制技术难点、电极制备技术研究和电渣重熔技术研究方面进行论述。

1 技术要求 1.1 化学成分

H13材料的化学成分熔炼和成品分析要求，如表1所示。

表1 H13锻件化学成分要求(质量分数，%)

Table 1 The chemical composition requirements of H13 forging(mass fraction,%)

1.2 超声检测

锻件按GB/T 1299—2014标准进行超声检测，达到E/e级，钢材逐支进行无损检测，不允许存在裂纹、白点、缩孔类型的缺陷。

(1)单个缺陷当量直径≤∅3 mm。

(2)密集区缺陷当量直径≤∅2 mm。

1.3 晶粒度

H13锻件球化退火后，试样在保护性介质中经1030℃±10℃，保温30 min，然后快冷淬火，≥590℃回火。晶粒度合格级别按GB/T 6394—2017标准评级，合格的级别≥7级。

1.4 夹杂物评级

电渣重熔钢应检验非金属夹杂物，按照GB/T 10561—2005的A法检验非金属夹杂物，其中每个试样的检验结果应小于表2的规定[4]。

表2 非金属夹杂物合格级别

Table 2 Qualification grades of nonmetallic inclusion

2 研制技术难点

(1)由于电极采用大气下注工艺方式，在浇注过程中不能保证完全密封，会使钢水在浇注过程中吸气氧化，造成电极自身的气体含量较高。因此，降低电极本身的气体含量，电极冶炼浇注需采取相应的工艺措施，为后续电渣重熔留出富余量，存在一定的技术难点。

(2)120 t电渣炉生产百吨级的大型H13电渣锭，制造难度非常大。对于大型电渣锭，随着直径的增大，成分偏析增大，重熔时间过长，大气冶炼条件下渣子氧化严重，还原性变小，去夹杂能力变弱，脱氧制度不易控制，保证电渣锭化学成分的均匀性、气体含量及内部结晶质量有一定的难度。

(3)技术条件中气体含量要求严格，且我公司120 t电渣炉无气体保护装置，大气冶炼条件下电渣重熔是一个增气的过程，气体H、O控制难度较大。

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、气体含量及冶金质量会直接影响后续电渣锭的内部质量，如电极母材化学成分及气体含量控制不理想，会直接造成电渣锭的化学成分及气体含量超出技术要求。另外，电渣重熔环节不能完全去除电极自身带入的夹杂物，会遗传到电渣锭，可能会出现锻件产品无损检测不合的质量问题。因此，自耗电极从原材料的选择、电炉感应炉粗炼、炉外精炼及模铸等每一项工艺流程都非常重要。

本次H13电极原材料选用优质加氢返回废钢，采用100%感应炉冶炼，大幅度降低生产成本，粗炼钢水采用倒包方式热兑，根据感应炉Si、Mn含量，兑钢前包底加入一定量的硅锰合金，精炼炉采用石灰、氧化铝粉及硅石造渣，减小渣量控制渣层厚度，使用Al粉和适量C粉扩散脱氧。为保证电极本身自带脱氧能力，真空前使用铝铁调整一定的铝含量，破坏真空后至吊包出钢不允许给电，要求[H]内控≤0.00012%，[O]内控≤0.0015%，当[H]>0.00012%时需二次真空，严格控制电极本身的气体含量，为后序电渣重熔留出富余量。

4 电渣重熔技术研究

H13热作模具钢合金含量较高，在电渣重熔过程中会在凝固末端形成粗大的共晶碳化物，由于生成温度高，热稳定性好，很难在锻造和热处理过程中去除，大幅度降低模具钢的强度、疲劳性能及韧性。因此，细化粗大的一次碳化物，及控制碳化物的液析成为研究的重点。结合冶炼大型H13电渣锭存在的技术难点问题，我们从炉型选择、电极准备、渣系选择、熔速及碳化物控制、脱氧制度及补缩制度方面入手制定合理的工艺方案。

4.1 炉型选择

(1)50～120 t超大型H13电渣锭

采用120 t电渣炉A、B、C三相支臂同时冶炼，如图1所示。对于50～120 t大锭型，冶炼时三相支臂呈正三角形分布，热源分布均匀，熔池浅平，有利于钢锭轴向凝固结晶。但是钢锭直径、吨位较大，重熔时间过长，大气冶炼条件下渣子氧化严重，需采用合理的脱氧制度保证电渣锭化学成分的均匀性、气体含量及内部质量。

图1 120t电渣炉三支臂冶炼

Figure 1 Three-arm smelting in 120 t ESR furnace

(2)12～30 t较大型H13电渣锭

采用120 t电渣炉单支臂冶炼，如图2所示。电渣重熔技术难度较大，一是单相双电极热源靠近结晶器内壁，电流容易击穿渣层，造成结晶器内壁打弧及钢锭表面流钢；二是由于热源分布不均匀，填充比较小，影响钢锭的凝固质量。针对以上技术难点，采用大直径电极坯料，每支电极偏心焊接，缩短正负电极极间距，使热源尽量分布在熔池中心，提高钢锭凝固质量。

图2 120t电渣炉单支臂冶炼

Figure 2 Single arm smelting in 120 t ESR furnace

下面主要以我公司0190001炉次90 t H13电渣锭的工艺准备、执行及冶炼情况为例进行介绍。

4.2 金属自耗电极的准备

(1)自耗电极采用自制模铸电极，使用时需用砂轮将表面打磨干净，尤其气割端面要清理干净，防止电极熔化带入氧化铁皮，会造成钢水氧含量升高及钢锭内部无损检测质量问题。

(2)如图3所示，自耗电极在使用前充分预热到400～500℃，换入渣池后能够迅速提高熔化速率，而且可以避免重熔过程因温差较大引起应力释放，出现炸裂掉块问题，影响钢锭质量。此前在电渣重熔冶炼时，发生过自耗电极端头炸裂掉块，造成锻件内部无损检测不合，严重影响产品质量。因此，电极在使用前将端头预热到一定的温度，能够有效地解决电极炸裂问题。

图3 电极预热

Figure 3 Electrode preheating

4.3 渣系选择

电渣重熔渣系组元的选择、配比和渣量对电渣锭内部的冶金质量、熔炼技术经济指标有重大的影响。根据H13材质的特性，必须从熔点、电导率、碱度、表面张力及黏度等物理化学性质进行综合考虑，为保证电渣锭成型及表面质量，所选择渣系的熔点应低于H13材料的熔点，并且熔渣成分尽量选在低熔共晶点附近，在渣皮凝固过程中可以减少液析，防止渣皮过厚及渣成分变化[5]。另外，熔渣应具有良好的流动性及较高的电阻率，以保证高温下渣池热对流及降低电耗。综上所述，选择CaF2(60～65%)-Al2O3(20～25%)-CaO(5～10%)-MgO(0～5%)四元渣系，经查阅专著，该渣系熔点比H13材质熔点低150℃左右，并且具有良好的流动性及较高的电阻率，能够有效去除熔滴内非金属夹杂，具有一定的脱硫能力[5]。此外，MgO组元在渣池表面能够形成一层半凝固膜，可以有效地防止渣池吸氢、吸氧及渣池中的变价氧化物向金属熔池传递并供氧，与此同时，又可以减少热辐射[6]。

渣料选择及配比称量后送入加热炉中烘烤，在700℃及以上烘烤至少12 h后在炉中保温待用，保温温度不低于500℃。待电渣炉具备冶炼条件时，立即吊出渣料送电引弧化渣，缩短渣料与空气的接触时间，避免吸潮。

4.4 熔速及碳化物控制

H13模具钢中碳化物主要有M3C、M23C6、MC、M7C3、M6C等类型[7]，由于H13模具钢Cr、Mo、V金属元素含量较高，电渣锭在凝固过程中心部凝固速度慢，在晶界处及枝晶臂之间最后凝固时易富集发生偏析。电渣锭心部温度高，冷却速度慢，凝固时间长，一次碳化物析出增加，偏析越严重[8]。由于电渣重熔凝固生成的一次碳化物粗大，通过设定合理的熔化速度及冷却速度，将会使电渣锭中一次碳化物的含量、尺寸及分布得到有效地控制。

因此，在正常重熔过程中，熔化速度控制在2000～2500 kg/h，以恒熔速控制为原则，采取递减功率控制。电极更换过程中，根据炉温，电压在上一组电极熔化完毕基础上提高1～2档，换入后电流适当降低1～2 kA，保证换入电极后尽快达到工艺要求熔速。此外，钢水的凝固速度及凝固温度会直接影响一次碳化物的含量、尺寸及形状；降低碳化物的生成温度及长大的速度，能够有效地将钢水凝固过程中生成的碳化物进行细化[9]。因此，加大结晶器循环水压力，提高钢水的冷却速度，是减少一次碳化物的形成、偏析及尺寸减小的最有效的方法。

4.5 脱氧制度

4.5.1 脱氧工艺

我公司120 t电渣炉炉型结构为三相双极串联，优势在于熔池浅平，三相呈正三角形分布，热源分布均匀，唯一的不足之处就是没有气体保护装置，并且三相六电极很难设计气体保护罩。此前，我公司自主设计制造一套简易气体保护装置，由于涉及到交换电极，保护罩很难完全密封，并且炉口高温容易变形，使用效果不理想。

在大气条件下电渣重熔时，原始电极中自身的溶解氧、钢和渣中的不稳定氧化物的分解氧、电极表面氧化铁皮带入渣中的氧及渣池表面吸收大气中的氧等会使钢水中活泼元素发生氧化，造成元素烧损成分不合格。因此，脱氧制度的设计尤为重要。

我公司在重熔90 t H13电渣锭时，渣精炼期每隔10 min加入铝粒1 kg预脱氧，共加入两次，主要脱掉渣中的氧。另外，在正常重熔过程中，每隔5 min按0.12%/吨钢计算加入铝粒，加入时要均匀撒在整个渣面上，禁止局部加入。

4.5.2 冶炼过程渣系变化

正常重熔期时，按参考文献[10]所述方法进行渣样取样分析，每隔5 h取1个渣样，并对渣样进行分析。表3和图4为渣系中各组元随时间的变化情况。其中slag1为重熔期开始时第12 h取得第一个渣样编号，slag2～slag7为每隔约5 h取1次渣样的编号。

图4 渣系组元随重熔时间的变化曲线

Figure 4 Change curves of compositions of slag system with remelting time

从表3可以看出不稳定氧化物Cr2O3、MnO、FeO含量整体处于较低水平，均低于0.20%；SiO2的含量随着冶炼时间的增加而增加，整个重熔期间SiO2≤5.93%，从渣子中SiO2的含量变化可以间接反应出Si元素存在烧损情况，可看出只有少量的Si被烧损，具体成分变化见表4，说明整个正常重熔期间脱氧控制良好，元素烧损控制到较低水平。

表3 渣系组元随时间的变化情况(质量分数，%)

Table 3 Change of each component content of slag system at different time(mass fraction,%)

表4 电渣锭不同取样位置化学成分(质量分数，%)

Table 4 Chemical compositions of electroslag ingot at different sampling locations(mass fraction,%)

4.6 补缩制度

补缩期采用“三段补缩制度”，能够有效地提高电渣锭的补缩质量，降低缩孔深度，减少冒口切除量，提高电渣锭利用率。

4.7 90 t 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，分析的水、冒口化学成分及气体含量如表4所示。

从表4可以看出，冒口心部C元素略超出规格0.01%，但在化学成分允许偏差范围之内，其余元素均符合技术要求。整体看来，只有Si元素出现少量的烧损，其余元素均未出现明显的烧损。冒口心部C、Cr、Mo、V均发生不同程度的偏析聚集，成分明显高于冒口边缘及R/2处。冒口H、O、N气体含量比水口稍高。

由此可以看出，大型电渣钢锭冒口心部成分偏析倾向大；在大气状态下进行长时间的重熔冶炼，其气体含量也会随之增加；将自耗电极成分控制在理想范围，同时采取合理的脱氧制度，能够满足产品技术要求。

4.7.2 金相组织、晶粒度及夹杂物评级

表5为90 t H13电渣锭经锻造球化退火后水、冒口心部的金相组织、晶粒度及夹杂物评级结果。晶粒度按GB/T 6394—2017标准评级均为8级，达到高级质量要求；按GB/T 10561—2005各类非金属夹杂物评级均≤0.5级，总和≤1.5级，达到高级质量要求。图5为球化退火后水、冒口心部500倍下金相组织形貌，按SEP 1614评级图评定组织为GB3，未发现带状偏析及一次碳化物，达到中级质量级别要求。

表5 金相组织、晶粒度及夹杂物评级结果

Table 5 Metallographic structure, grain size and inclusion grading results

(a)水口

(b)冒口

图5 H13锻件球化退火后水、冒口心部金相组织

Figure 5 Metallographic structure of water and riser core of H13 forging after spheroidizing annealing

4.8 其它生产结果

4.8.1 50～120 t超大型H13电渣锭

采用120 t电渣炉A、B、C三相支臂同时冶炼。目前已成功冶炼了90 t、96 t H13电渣锭(见图6)，锻件产品化学成分、无损检测及其他各项技术指标均合格，已交付用户。

图6 超大型H13电渣锭

Figure 6 Ultra large H13 ESR ingot

4.8.2 12～30 t较大型H13电渣锭

采用120 t电渣炉单支臂冶炼。已成功冶炼4支26.5 t、5支30 t H13电渣锭(见图7)，锻件产品化学成分、无损检测及其他各项技术指标均合格，已交付用户使用。

图7 较大型H13电渣锭

Figure 7 Larger H13 ESR ingot

4.9 电渣锭利用率

为提高电渣锭利用率，在锻造前取消电渣锭水、冒口切除，直接进行锻造，锻造毛坯球化退火后进行加工，加工完成后进行超声检测，根据电渣锭两端头无损检测质量情况进行锯切，电渣锭利用率最高可达95%。

5 结论

(1)针对H13模具钢材料，通过对电极制备研究、重熔渣系设计、脱氧制度控制及炉型选择等方面入手，有效解决了电极制备和电渣重熔过程中的各项技术难点问题，保证了电渣锭及后续产品的质量。

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

来源：中国一重

作者：樊应剑 巴钧涛 康永斌

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