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CN106282750B - 一种改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法 - Google Patents

一种改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于工模具钢生产技术领域，具体涉及一种通过在钢液精炼过程中控制氧化物夹杂，以改善电渣重熔工模具钢中碳化物的生产方法。所述方法依次包括熔炼、炉外精炼、浇铸和电渣重熔；所述熔炼将原料熔炼成钢液、随后钢液依次经炉外精炼、浇铸制得自耗电极，经所述电渣重熔进一步将所述自耗电极精炼成电渣铸锭，其特征在于，通过在所述炉外精炼中控制钢中氧化物夹杂的种类并同时在电渣重熔中避免生成新的Al2O3夹杂，避免产生氮化物和一次碳化物的形核核心，进而实现电渣钢中碳化物尺寸和分布的控制。

Description

一种改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法
技术领域
本发明属于工模具钢生产技术领域，具体涉及一种通过在钢液精炼过程中控制氧化物夹杂，以改善工模具钢中碳化物的方法。
背景技术
工模具钢含有很高的碳和合金元素含量，因此钢中不可避免地会生成大量的一次碳化物和二次碳化物。这些碳化物往往会成为钢在轧制(或锻造)、工模具加工、以及工模具使用过程中的裂纹源。与此同时，碳化物也会明显降低钢的冲击韧性、表面质量和疲劳性能。
国内外特殊钢企业生产高品质工模具钢普遍采用转炉(电炉或感应炉)熔炼→LF炉外精炼→VD(或RH)→连铸(或模铸)→电渣重熔的生产工艺。其中，电渣重熔是生产高品质工模具钢质量控制的关键环节。在电渣重熔工模具钢液凝固过程中，碳、氮和合金元素(如Cr、Mo、V、Ti)容易局部富集，特别是在枝晶间残余的液相内，从而生成一次碳化物和氮化物。电渣重熔过程是钢中一次碳化物和氮化物产生的来源。电渣铸锭中的一次碳化物在后续的热加工过程中很难消除，会保留至最终热处理态的钢材中。一次碳化物也会影响后续铸锭热加工过程中二次碳化物的尺寸、分布。因此，电渣重熔过程控制对改善钢中一次碳化物和后续热加工过程中的二次碳化物具有至关重要的作用。
为了提高钢液的洁净度，国外内企业在自耗电极钢的冶炼和炉外精炼过程中普遍采用铝脱氧操作。这将不可避免地使钢中产生大量的Al2O3和MgO·Al2O3夹杂物。理论研究和生产实践表明，通过电渣重熔工艺只能去除自耗电极中的一部分原始夹杂物。钢液中所有来源于自耗电极并且在电渣过程中未被去除的Al2O3和MgO·Al2O3夹杂物，以及电渣过程新生成的Al2O3夹杂，不可避免地均会成为工模具钢中一次碳化物和氮化物异质形核的核心，从而促进一次碳化物的形核与长大，也加剧了电渣钢中碳化物的不均匀性。这些一次碳化物和氮化物在电渣铸锭后续的热加工过程中很难消除，一直会保留至钢的回火态，严重影响钢的冲击韧性和使用寿命。目前，对于电渣重熔工模具钢仍没有解决夹杂物促进氮化物和一次碳化物形核与长大，加剧其分布不均匀性的问题。
一直以来，国内外特钢企业试图通过各种方法(如调整电渣重熔的熔速、钢中添加合金元素)来控制电渣钢中的一次碳化物。但对于合金元素含量高的工模具钢来说，这些方法在改善电渣钢中一次碳化物方面仍存在各种局限性，效果也很有限。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种通过在钢液精炼过程中控制氧化物夹杂，以改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法。本发明可适用于高碳高合金工模具钢和中碳中合金钢。以解决工模具钢中氧化物夹杂成为氮化物和一次碳化物形核核心，导致促进了碳化物生成和长大、分布不均匀的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法，所述方法依次包括熔炼、炉外精炼、浇铸和电渣重熔；所述熔炼将原料溶炼成钢液随后依次经炉外精炼、浇铸制得自耗电极，经所述电渣重熔进一步将所述自耗电极精炼成电渣铸锭，通过在所述炉外精炼中控制钢中氧化物夹杂的种类并同时在电渣重熔中避免生成新的Al2O3夹杂，避免产生氮化物和一次碳化物的形核核心，进而实现电渣钢中碳化物尺寸细化和均匀分布的控制。
进一步地，所述炉外精炼的过程中控制钢中氧化物夹杂的种类具体方式为，采用钢液铝深脱氧，炉外精炼的末期钙处理进行夹杂物改性，使钢液中的Al2O3和MgO·Al2O3夹杂物转变为钙铝酸盐夹杂。由于钙铝酸盐夹杂物没有成为氮化物和一次碳化物形核的核心，从而避免了电渣过程中氧化物夹杂成为氮化物和一次碳化物形核的核心，抑制了工模具钢中一次碳化物的生成和长大，也使铸锭中碳化物的分布更加均匀。
进一步地，针对化学成分不同的钢液，所述钢液铝深脱氧所用的Al量根据热力学化学反应2[Al]+3[O]＝(Al2O3)slag计算得到，保证钢液中的酸溶铝质量含量控制在0.015～0.075％。
进一步地，所述钙处理为在炉外精炼结束末期喂入适量钙线，进行夹杂物变性处理，保证钢液钙铝质量比在0.01～0.15之间。
进一步地，所述电渣重熔用预熔渣中SiO2质量含量≤1.5％，FeO质量含量≤0.2％。
进一步地，电渣重熔前化渣时加入渣量质量的3％～5％的铝粉以进一步还原去除渣料中不稳定的氧化物。
进一步地，电渣重熔时在干燥氩气气氛下进行，保证气体保护罩内微正压，所述微正压是指罩内气压微大于外界大气压保证外界气体不能进入罩内。
进一步地，电渣重熔前，将自耗电极进行扒皮处理，以去除自耗电极的氧化物铁皮，防止电渣重熔时钢液增氧，产生Al2O3夹杂。
进一步地，电渣重熔过程全程禁止采用铝脱氧，避免电渣过程生成的Al2O3夹杂物成为氮化物和一次碳化物的形核核心。
进一步地，所述炉外精炼采用LF+VD或LF+RH工艺路线。
上述含量均值质量含量。
本发明的有益技术效果：
本发明通过在电渣重熔之前，在自耗电极钢的炉外精炼过程首先采用铝深脱氧大幅度降低钢液的氧含量，随后通过钙处理改性铝脱氧产物Al2O3和MgO·Al2O3夹杂，使其变为钙铝酸盐夹杂；在电渣重熔过程中避免生成新的Al2O3夹杂，由于钙铝酸盐夹杂物没有成为氮化物和一次碳化物形核的核心，从而避免了电渣过程中氧化物夹杂成为氮化物和一次碳化物形核的核心，抑制了工模具钢中一次碳化物的生成和长大，也使铸锭中碳化物的分布更加均匀。最终，使模具钢的冲击韧性提高了20％以上，工具钢的韧性提高了至少3倍。
附图说明：
图1 H13钢自耗电极中典型的夹杂物CaO-MgO-Al2O3；
图2 H13钢自耗电极中典型的夹杂物CaO-Al2O3；
图3 H13电渣铸锭中典型的夹杂物CaO-Al2O3；
图4 H13电渣铸锭中典型的夹杂物CaO-MgO-Al2O3；
图5 8Cr13MoV工具钢自耗电极中典型的夹杂物CaO-Al2O3；
图6 8Cr13MoV工具钢自耗电极中典型的夹杂物CaO-MgO-Al2O3；
图7 8Cr13MoV工具钢电渣铸锭中典型的夹杂物CaO-MgO-Al2O3；
图8 8Cr13MoV工具钢电渣铸锭中典型的夹杂物CaO-Al2O3；
图9 对应图7中夹杂物的扫描电镜能谱图；
图10 对应图8中夹杂物的扫描电镜能谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例一
H13模具钢自耗电极制备过程采用BOF→LF→RH→连铸的生产工艺。在LF精炼过程中采用铝深脱氧。RH精炼末期喂纯钙线，进行夹杂物的钙处理变性。钙线的加入速度为150米/分钟，加入量1.8米/吨钢。生产的连铸坯用作自耗电极。自耗电极尺寸为280mm×325mm。电渣重熔前将电极表面扒皮处理，然后与假电极焊接。自耗电极的化学成分见表1。采用气体保护电渣重熔H13钢。电渣重熔过程气体保护罩内微正压。电渣重熔用渣中SiO2含量为1.5％，FeO含量为0.15％。渣量为100公斤。电渣重熔之前，预熔渣化渣时，向渣中加入3.5公斤铝粉。生产的电渣锭直径为600mm，长度4米。自耗电极钢中的夹杂物如图1和图2所示。自耗电极钢中的氧化物为CaO-MgO-Al2O3系。电渣重熔之后，电渣锭中夹杂物如图3和图4所示。电渣铸锭中的氧化物夹杂仍为CaO-MgO-Al2O3系。铸锭中的氧化物均没有成为氮化物和一次碳化物形核的核心。这抑制了H13钢中大尺寸碳化物的生成，细化了钢中的碳化物，也使碳化物的分布更加均匀。
表1 自耗电极H13模具钢的化学成分(mass％)
C Si Mn Cr Mo V Ti Ca Mg Al O N
0.38 0.98 0.35 5.17 1.45 0.96 0.0078 0.0016 0.0002 0.03 0.0022 0.0100
实施例二
8Cr13MoV工具钢自耗电极制备过程采用感应炉→LF→VD→模铸的生产工艺。在LF精炼过程采用铝深脱氧，在VD精炼的末期喂入钙线进行钙处理夹杂物变性。电渣重熔实验用工具钢8Cr13MoV自耗电极的化学成分见表2。自耗电极的直径为90mm。气体保护电渣重熔过程中氩气先通过气体干燥系统而进入气体保护罩。氩气流量为50Nl/min。电渣重熔用渣中SiO2含量为1.3％，FeO含量为0.14％。预熔渣在电渣重熔实验前在烘箱内800℃下烘烤5小时，每一炉次实验用渣量为6公斤。电渣重熔之前，预熔渣化渣时，向渣中加入0.18公斤铝粉。电渣重熔过程的电流、电压和结晶器出水温度分别为2600A、45V和35℃。电渣重熔前机械打磨去除自耗电极表面的氧化铁皮。8Cr13MoV工具钢电渣铸锭中典型的夹杂物如图7和图8所示，8Cr13MoV工具钢电渣铸锭中典型的夹杂物的扫描电镜能谱图如图9和图10所示进一步验证了其铸锭中的氧化物均没有成为氮化物和一次碳化物形核的核心。这抑制了8Cr13MoV钢中大尺寸碳化物的生成，细化了钢中的碳化物，也使碳化物的分布更加均匀。
表2 自耗电极8Cr13MoV工具钢的化学成分(mass％)

Claims (8)

1.一种改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法，所述方法依次包括熔炼、炉外精炼、浇铸和电渣重熔；所述熔炼将原料熔炼成钢液随后依次经炉外精炼、浇铸制得自耗电极，经所述电渣重熔进一步将所述自耗电极精炼成电渣铸锭，其特征在于，通过在所述炉外精炼中控制钢中氧化物夹杂的种类并同时在电渣重熔中避免生成新的Al2O3夹杂，避免产生氮化物和一次碳化物的形核核心，进而实现电渣钢中碳化物尺寸细化和均匀分布的控制； 所述炉外精炼的过程中控制钢中氧化物夹杂的种类具体方式为，采用钢液铝深脱氧，炉外精炼的末期钙处理进行夹杂物改性，使钢液中的Al2O3和MgO·Al2O3夹杂物转变为钙铝酸盐夹杂；
电渣重熔过程全程禁止采用铝脱氧，避免电渣过程生成的Al2O3夹杂物成为氮化物和一次碳化物的形核核心。
2.如权利要求1所述一种改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法，其特征在于，针对化学成分不同的钢液，所述钢液铝深脱氧所用的Al量根据热力学化学反应2[Al]+3[O]＝(Al2O3)slag计算得到，保证钢液中的酸溶铝质量含量控制在0.015～0.075％。
3.如权利要求1所述一种改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法，其特征在于，所述钙处理为在炉外精炼结束末期喂入适量钙线，进行夹杂物变性处理，保证钢液钙铝质量比在0.01～0.15之间。
4.如权利要求1所述一种改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法，其特征在于，所述电渣重熔用预熔渣中SiO2质量含量≤1 .5％，FeO质量含量≤0.2％。
5.如权利要求1所述一种改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法，其特征在于，电渣重熔前化渣时加入渣量质量的3％～5％的铝粉以进一步还原去除渣料中不稳定的氧化物。
6.如权利要求1所述一种改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法，其特征在于，电渣重熔时在干燥氩气气氛下进行，保证气体保护罩内微正压。
7.如权利要求1所述一种改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法，其特征在于，电渣重熔前，将自耗电极进行扒皮处理，以去除自耗电极的氧化物铁皮，防止电渣重熔时钢液增氧，产生Al2O3夹杂。
8.如权利要求1-3任一所述一种改善电渣重熔工模具钢中碳化物的方法，其特征在于，所述炉外精炼采用LF+VD或LF+RH工艺路线。
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