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工藝冶煉低磷硫H13模具鋼
發(fā)布者未知??來源:蘇州浩凱P20模具鋼材料??發(fā)布時(shí)間:2014-11-12
工藝冶煉低磷硫H13模具鋼
提高模具鋼純凈度已成為提高模具性能和壽命的重要手段，隨著熱作模具鋼H13 (4Cr5MoSiV1)中磷和硫含量的降低，鋼的沖擊韌性顯著提高，各向異性隨之減少，鋼的疲勞性能亦有所改善[1、2]。大同特殊鋼公司得出，當(dāng)SKD61 (H13)鋼的硫含量從0．03％降至≤0．010％時(shí)，可使鋼的沖擊韌性提高1倍，鋼的等向性和抗熱疲勞性能顯著提高，制成模具的壽命得到延長[3]。
近年來對(duì)H13進(jìn)口材成分的分析顯示，無論是日本的SKD61，還是美國的AISIHl3，鋼的P、S含量均為：P≤0．015％、S≤0．005％；國內(nèi)一些用戶也相繼對(duì)冶金廠提出P≤0．012％、S≤0．008％的要求。
大冶特鋼通過18tEF-20tLF(VD)工藝，成功冶煉出鋼中P≤0．012％、S≤0．005％的H13熱作模具鋼。本文敘述了EF-LF(VD)脫磷、脫硫和脫氧工藝實(shí)踐。
1 H13鋼的成分控制和試制工藝
1.1 成分控制
用EF-LF(VD)冶煉時(shí)，H13鋼成分的控制范圍和成品材分析成分列于表1。
由表1可見，H13鋼中的C、Cr、Mo、V等均按中限控制，以便得到穩(wěn)定的性能，鋼中磷、硫含量分別控制在0．012％和0．005％以下。
表1 H13模具鋼化學(xué)成分/%
1．2 EAF工藝 配料要求為：C1．20％-1，40％、P≤0．040％、 S≤0．040％，Pe-Mo隨爐料部分裝入。
電弧爐裝料前墊底石灰500～600kg，采用綜合氧化法，脫C量≥0．30％；氧化前期，造渣堿度 2.5-3，吹氧壓力0.4-0.6MPa，氧化后期，造渣堿度1.8-2.0，吹氧壓力0.6-0.8MPa，采用流渣操作，純沸騰時(shí)間≥5 min；P≤0．007％，T＝1620℃，扒盡全渣，造稀薄渣，加Fe-Cr，吹氧待Fe-Cr熔化后加Fe-V、C-Si粉預(yù)還原，扒渣，并加活性石灰造渣，渣量為鋼水量的3％-5％，C-Si粉還原，渣白，T=1600-1620℃，出鋼，包中加Al0.5 kg／t，鋼包烘烤溫度≥800℃。
1．3 LF(VD)精煉全程吹氬工藝
LF工位，吹氬、測(cè)溫、加熱，視渣況調(diào)渣，初調(diào)和微調(diào)成分，1580-1600℃時(shí)，加Al0.5 kg/t，抽真空≤1 333Pa，當(dāng)1530-1550℃時(shí)，破真空，加 Ca-Si，1510～1530℃時(shí)起坑澆鋼。
1．4 冶煉過程爐渣成分和熔點(diǎn)測(cè)定
用3530X射線熒光分析儀測(cè)試爐渣成分，其結(jié)果列于表2。由表2可見，EAF出鋼前至二次精煉完畢時(shí)，CaO/SiO2為1.37-1.66，渣中總鐵含量從1.5％左右降至0.47％左右。
表2 H13模具鋼冶煉各期爐渣分析
當(dāng)渣系的熔點(diǎn)和粘度較低時(shí)，則可加快渣料的熔化，并改善渣系的流動(dòng)性，從而保證渣?鋼反應(yīng)有較好的動(dòng)力學(xué)條件。
測(cè)定了冶煉H13鋼時(shí)各期爐渣的熔點(diǎn)。在氧化期的熔點(diǎn)較低，在1250℃左右，精煉各期的爐渣熔點(diǎn)在1300-1370℃。
1．5 冶煉過程鋼中磷、硫含量的變化
在電弧爐的氧化末期，H13鋼中的磷含量為0．007％，成品磷含量為0．010％-0．012％，回磷量為0．003％-0．005％。
由圖3可見通過LF(VD)精煉后H13鋼中的硫含量可穩(wěn)定地達(dá)到0．005％。
1．6 LF(VD)處理過程H13鋼中氧含量的變化
表3列出LP(VD)處理過程中H13鋼氧含量的變化。由表3可見，通過VD處理，全程吹氬，可使H13鋼中的氧含量達(dá)到10×10-6左右。
表3 LF（VD）+Ar氣攪拌處理過程H13模具鋼中氧含量的變化/×10-6
2 分析討論
2．1 H13鋼的脫磷
從爐料80％熔化后，到碳氧反應(yīng)激烈開始前，由表2熔化末期爐渣成分中TFe含量10．57％?10．67％可見，渣中FeO濃度高，此時(shí)溫度低，非常有利于脫磷。通過裝料墊底石灰，提前造渣，及時(shí)補(bǔ)加渣料，控制好堿度，并淺吹氧，熔池得以攪拌，使脫磷順利進(jìn)行，并采用流渣操作，可快速將磷降至0．007％；磷由熔化末期的0．028％降至扒渣前的0．007％，歷時(shí)45min，扒渣后，隨還原期的進(jìn)行，溫度升高，同時(shí)大量的調(diào)加合金，以及出鋼過程的進(jìn)行，鋼中磷由0．007％漲至0．010％?0．012％，這在EF+LF(VD)工藝路線生產(chǎn)中是不可避免的。
2．2 H13鋼的脫硫
由于鋼中Cr含量高，還原期正常造渣，爐渣粘稠，故須適當(dāng)降低爐渣堿度，造低堿度渣，保證整個(gè)脫硫過程爐渣的流動(dòng)性，以利于脫硫反應(yīng)的／頃利進(jìn)行，由表2可見，整個(gè)還原過程CaO／Si0，維持在1．37-1．66，在EAF中，通過活性石灰造渣，提高了(CaO)有效濃度，同時(shí)Fe-Si、Fe-Mn的加入以及C-Si粉的還原，當(dāng)爐渣變白，即可翻爐出鋼，操作中采用“低坑大口”、鋼渣混沖，硫在出鋼過程去掉30％～40％。
在LF過程中，通過EAF后包中加Al及LF吹氬攪拌，隨脫氧反應(yīng)的進(jìn)行(表3)，渣中FeO不斷降低(表2)，且渣鋼反應(yīng)界面增大，使鋼中硫／頃利去除。由圖3可見，鋼中硫由EAF出鋼至包中時(shí)的0．015％～0．016％降至真空前的0．006％～ 0．009％。在VD過程中，通過再次加A1及吹氬、抽真空，對(duì)鋼液深脫氧、去氣，渣中TFe進(jìn)一步降至 0．5％以下(表2)，鋼中硫亦進(jìn)一步降至0．005％ 。
3 結(jié)論
(1)EAF裝料墊入占3％料重的石灰，控制前期熔渣的堿度，并采取流渣操作，利用前期溫度低，可迅速將磷降至0．007％，終可將鋼中磷控制在≤0．012％。
(2)EF+LF(VD)工藝過程中，EAF造低堿度渣CaO/SiO2=1.4-1.6，渣量占鋼水量的4％～ 5％，經(jīng)LF精煉加Al、吹氬，可將鋼中硫降到 0．010％以下，再通過VD處理，隨著對(duì)鋼水深脫氧的進(jìn)行，鋼中硫含量終可控制到≤0．005％。
提高模具鋼純凈度已成為提高模具性能和壽命的重要手段，隨著熱作模具鋼H13 (4Cr5MoSiV1)中磷和硫含量的降低，鋼的沖擊韌性顯著提高，各向異性隨之減少，鋼的疲勞性能亦有所改善[1、2]。大同特殊鋼公司得出，當(dāng)SKD61 (H13)鋼的硫含量從0．03％降至≤0．010％時(shí)，可使鋼的沖擊韌性提高1倍，鋼的等向性和抗熱疲勞性能顯著提高，制成模具的壽命得到延長[3]。
近年來對(duì)H13進(jìn)口材成分的分析顯示，無論是日本的SKD61，還是美國的AISIHl3，鋼的P、S含量均為：P≤0．015％、S≤0．005％；國內(nèi)一些用戶也相繼對(duì)冶金廠提出P≤0．012％、S≤0．008％的要求。
大冶特鋼通過18tEF-20tLF(VD)工藝，成功冶煉出鋼中P≤0．012％、S≤0．005％的H13熱作模具鋼。本文敘述了EF-LF(VD)脫磷、脫硫和脫氧工藝實(shí)踐。
1 H13鋼的成分控制和試制工藝
1.1 成分控制
用EF-LF(VD)冶煉時(shí)，H13鋼成分的控制范圍和成品材分析成分列于表1。
由表1可見，H13鋼中的C、Cr、Mo、V等均按中限控制，以便得到穩(wěn)定的性能，鋼中磷、硫含量分別控制在0．012％和0．005％以下。
表1 H13模具鋼化學(xué)成分/%
| 項(xiàng)目 | C | Mn | Si | P | S | Cr | Mo | V |
| 要求成分 | 0.37-0.45 | 0.20-0.50 | 0.80-1.20 | ≤0.020 | ≤0.015 | 4.50-5.30 | 1.10-1.15 | 0.80-1.10 |
| 控制成分 | 0.39-0.43 | 0.35-0.45 | 0.95-1.10 | ≤0.012 | ≤0.005 | 4.95-5.10 | 1.20-1.30 | 0.90-1.00 |
| 成品14D2484 | 0.42 | 0.36 | 1.00 | 0.010 | 0.005 | 5.11 | 1.24 | 0.93 |
| 成品14D2486 | 0.40 | 0.36 | 1.03 | 0.013 | 0.005 | 5.00 | 1.24 | 0.95 |
電弧爐裝料前墊底石灰500～600kg，采用綜合氧化法，脫C量≥0．30％；氧化前期，造渣堿度 2.5-3，吹氧壓力0.4-0.6MPa，氧化后期，造渣堿度1.8-2.0，吹氧壓力0.6-0.8MPa，采用流渣操作，純沸騰時(shí)間≥5 min；P≤0．007％，T＝1620℃，扒盡全渣，造稀薄渣，加Fe-Cr，吹氧待Fe-Cr熔化后加Fe-V、C-Si粉預(yù)還原，扒渣，并加活性石灰造渣，渣量為鋼水量的3％-5％，C-Si粉還原，渣白，T=1600-1620℃，出鋼，包中加Al0.5 kg／t，鋼包烘烤溫度≥800℃。
1．3 LF(VD)精煉全程吹氬工藝
LF工位，吹氬、測(cè)溫、加熱，視渣況調(diào)渣，初調(diào)和微調(diào)成分，1580-1600℃時(shí)，加Al0.5 kg/t，抽真空≤1 333Pa，當(dāng)1530-1550℃時(shí)，破真空，加 Ca-Si，1510～1530℃時(shí)起坑澆鋼。
1．4 冶煉過程爐渣成分和熔點(diǎn)測(cè)定
用3530X射線熒光分析儀測(cè)試爐渣成分，其結(jié)果列于表2。由表2可見，EAF出鋼前至二次精煉完畢時(shí)，CaO/SiO2為1.37-1.66，渣中總鐵含量從1.5％左右降至0.47％左右。
表2 H13模具鋼冶煉各期爐渣分析
| 冶煉期 | 爐號(hào) | 爐渣成分/% | |||||||
| CaO | SiO2 | MgO | TFe | MnO | P2O5 | Al2O3 | CaO/SiO2 | ||
| 熔化末期 | 14D2484 | 13.26 | 16.28 | 2.53 | 10.67 | 14.71 | 0.24 | 1.70 | 0.81 |
| 14D2486 | 12.16 | 16.41 | 3.01 | 10.57 | 12.66 | 0.13 | 3.05 | 0.74 | |
| 氧化末期 | 14D2484 | 27.39 | 14.08 | 2.82 | 13.45 | 4.53 | 0.22 | 2.35 | 1.95 |
| 14D2486 | 28.23 | 16.55 | 2.96 | 13.53 | 3.87 | 0.29 | 3.18 | 1.71 | |
| EF出鋼前 | 14D2484 | 33.47 | 24.11 | 4.36 | 1.53 | 0.35 | 0.066 | 3.18 | 1.39 |
| 14D2486 | 40.28 | 27.50 | 5.25 | 1.44 | 0.26 | 0.027 | 7.69 | 1.46 | |
| LF末期 | 14D2484 | 37.53 | 27.41 | 5.57 | 0.63 | 0.12 | 0.009 | 9.88 | 1.37 |
| 14D2486 | 35.89 | 22.44 | 7.99 | 0.75 | 0.08 | 0.016 | 12.74 | 1.59 | |
| VD真空后 | 14D2484 | 32.62 | 21.81 | 8.68 | 0.64 | 0.13 | 0.010 | 13.08 | 1.50 |
| 14D2486 | 35.41 | 21.64 | 8.49 | 0.69 | 0.07 | 0.008 | 13.45 | 1.64 | |
| 精煉起坑前 | 14D2484 | 32.01 | 20.81 | 8.66 | 0.49 | 0.06 | 0.011 | 12.97 | 1.54 |
| 14D2486 | 34.05 | 20.49 | 9.02 | 0.46 | 0.05 | 0.003 | 14.24 | 1.66 | |
測(cè)定了冶煉H13鋼時(shí)各期爐渣的熔點(diǎn)。在氧化期的熔點(diǎn)較低，在1250℃左右，精煉各期的爐渣熔點(diǎn)在1300-1370℃。
1．5 冶煉過程鋼中磷、硫含量的變化
在電弧爐的氧化末期，H13鋼中的磷含量為0．007％，成品磷含量為0．010％-0．012％，回磷量為0．003％-0．005％。
由圖3可見通過LF(VD)精煉后H13鋼中的硫含量可穩(wěn)定地達(dá)到0．005％。
1．6 LF(VD)處理過程H13鋼中氧含量的變化
表3列出LP(VD)處理過程中H13鋼氧含量的變化。由表3可見，通過VD處理，全程吹氬，可使H13鋼中的氧含量達(dá)到10×10-6左右。
表3 LF（VD）+Ar氣攪拌處理過程H13模具鋼中氧含量的變化/×10-6
| 爐號(hào) | EAF出鋼后 | 真空前 | 真空后 | 起坑 | 成品材 |
| 14D2484 | 99.1 | 46.0 | 21.5 | 8.5 | 8.5 |
| 14D2486 | 95.4 | 38.9 | 26.9 | 11.5 | 11.45 |
2．1 H13鋼的脫磷
從爐料80％熔化后，到碳氧反應(yīng)激烈開始前，由表2熔化末期爐渣成分中TFe含量10．57％?10．67％可見，渣中FeO濃度高，此時(shí)溫度低，非常有利于脫磷。通過裝料墊底石灰，提前造渣，及時(shí)補(bǔ)加渣料，控制好堿度，并淺吹氧，熔池得以攪拌，使脫磷順利進(jìn)行，并采用流渣操作，可快速將磷降至0．007％；磷由熔化末期的0．028％降至扒渣前的0．007％，歷時(shí)45min，扒渣后，隨還原期的進(jìn)行，溫度升高，同時(shí)大量的調(diào)加合金，以及出鋼過程的進(jìn)行，鋼中磷由0．007％漲至0．010％?0．012％，這在EF+LF(VD)工藝路線生產(chǎn)中是不可避免的。
2．2 H13鋼的脫硫
由于鋼中Cr含量高，還原期正常造渣，爐渣粘稠，故須適當(dāng)降低爐渣堿度，造低堿度渣，保證整個(gè)脫硫過程爐渣的流動(dòng)性，以利于脫硫反應(yīng)的／頃利進(jìn)行，由表2可見，整個(gè)還原過程CaO／Si0，維持在1．37-1．66，在EAF中，通過活性石灰造渣，提高了(CaO)有效濃度，同時(shí)Fe-Si、Fe-Mn的加入以及C-Si粉的還原，當(dāng)爐渣變白，即可翻爐出鋼，操作中采用“低坑大口”、鋼渣混沖，硫在出鋼過程去掉30％～40％。
在LF過程中，通過EAF后包中加Al及LF吹氬攪拌，隨脫氧反應(yīng)的進(jìn)行(表3)，渣中FeO不斷降低(表2)，且渣鋼反應(yīng)界面增大，使鋼中硫／頃利去除。由圖3可見，鋼中硫由EAF出鋼至包中時(shí)的0．015％～0．016％降至真空前的0．006％～ 0．009％。在VD過程中，通過再次加A1及吹氬、抽真空，對(duì)鋼液深脫氧、去氣，渣中TFe進(jìn)一步降至 0．5％以下(表2)，鋼中硫亦進(jìn)一步降至0．005％ 。
3 結(jié)論
(1)EAF裝料墊入占3％料重的石灰，控制前期熔渣的堿度，并采取流渣操作，利用前期溫度低，可迅速將磷降至0．007％，終可將鋼中磷控制在≤0．012％。
(2)EF+LF(VD)工藝過程中，EAF造低堿度渣CaO/SiO2=1.4-1.6，渣量占鋼水量的4％～ 5％，經(jīng)LF精煉加Al、吹氬，可將鋼中硫降到 0．010％以下，再通過VD處理，隨著對(duì)鋼水深脫氧的進(jìn)行，鋼中硫含量終可控制到≤0．005％。
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