H11Mo模具鋼電渣錠補縮工藝應用研究

摘要：張宣科技特材研制公司新開發(fā)H11Mo模具鋼，但電渣錠頭部的渣溝與縮孔較深，自耗電極剩余多。有必要分析電渣重熔熱封頂階段自動控制補縮工藝的不足，提出適合、有效的補縮工藝控制新方式。經(jīng)實踐驗證，生產(chǎn)問題得以解決，切損量減少，成材率提高。

關(guān)鍵詞：模具鋼；電渣錠；補縮工藝；熱封頂；渣溝；縮孔

中圖分類號：TF14 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.018

Research on the Application of H11Mo Mold Steel Electroslag Ingot Shrinkage Process

JIN Hongwei

（Zhangxuan Technology Special Materials Company， Zhangjiakou 075100， China）

Abstract： Zhangxuan Technology Special Materials Company has newly developed H11Mo mold steel， but the slag groove and shrinkage hole at the head of the electroslag ingot are deeper， leaving more consumable electrodes. It is necessary to analyze the shortcomings of the automatic control shrinkage process during the hot capping stage of electroslag remelting， and propose a suitable and effective new method for shrinkage process control. Through practical verification， production problems have been solved， cutting loss has been reduced， and yield has been improved.

Keywords： mold steel; electroslag ingots; shrinkage process; hot capping; slag ditch; shrinkage hole

H11Mo模具鋼是空冷硬化型熱作模具鋼，具有高硬度和高韌性，滿足熱作模具鋼作業(yè)環(huán)境要求，因此在壓鑄行業(yè)廣泛應用。張宣科技特材研制公司生產(chǎn)H11Mo模具鋼的主要工藝流程如下：電弧爐→鋼包爐精煉→真空脫氣→電渣重熔→鍛壓。

1 現(xiàn)狀存在的問題

電渣重熔是模具鋼生產(chǎn)工藝的重要環(huán)節(jié)，張宣科技特材研制公司目前裝備有4臺恒熔速保護氣氛電渣爐，規(guī)格分別為1.5 t、3.0 t、6.0 t和10.0 t。執(zhí)行工藝包括起弧、穩(wěn)態(tài)熔煉和熱封頂3個階段，如圖1所示。熱封頂階段主要任務是采用合適的補縮工藝控制電渣錠頭部渣溝、縮孔、V形收縮區(qū)的疏松程度以及夾雜物、氣體的上浮排除等，使頭部結(jié)晶、純凈度與錠身接近，減少因內(nèi)部疏松、表面缺陷引起的切損量增加問題。電渣錠（H11Mo模具鋼，錠型Φ531 mm）重熔過程的主要工藝參數(shù)如表1所示。

隨著電極的逐漸熔化，電渣錠達到設定質(zhì)量，然后進入熱封頂階段，即補縮。熱封頂階段采用電流-時間自動控制模型，逐步降低電流和熔速，平穩(wěn)過渡到較小熔池，減小縮孔尺寸，達到補縮目的。補縮工藝包括快速降電流、慢速降電流和低電流保溫的八段操作，如表2所示。

電渣重熔為自動控制，但受元素偏析、電極質(zhì)量和渣料成分變化等條件的影響，隨機性較大，導致每爐鋼的補縮時間、電流和熔速不具有重復性。張宣科技特材研制公司新開發(fā)生產(chǎn)16支H11Mo模具鋼，由于補縮工藝不穩(wěn)定，成材率僅為92.3%，較工藝成熟的H13模具鋼成材率低1.8%。補縮存在兩個突出問題。一是實際熔速高于工藝設定值，導致補縮時間未達到要求，不能有效補縮。二是實際熔速低于工藝設定值，低熔速補縮時間長且電極剩余量超出要求質(zhì)量，電耗成本急劇升高。電渣錠頭部渣溝較深，端部凹陷深度為30～40 mm，甚至縮孔將熔渣吸入，切后出現(xiàn)內(nèi)部疏松缺陷，切損量增加。電渣錠存在的缺陷如圖2所示。

2 補縮的影響因素分析

補縮工藝實質(zhì)是穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，用一定量鋼水對鋼錠頭部進行緩慢充填，電流、熔速遠小于穩(wěn)態(tài)階段，熔池較淺，冷卻速度快，使熔池深度由下往上、由表及里逐漸減小，并保持熔池表面始終處于液態(tài)而不先行凝固，使頭部縮孔小、組織結(jié)構(gòu)均勻。補縮的好壞與鋼種、規(guī)格、渣系、溫度、起始電極質(zhì)量、電流、電壓和保持時間等因素有關(guān)，其中電流是最敏感的控制參數(shù)，直接反映在熔速和熔池凝固狀態(tài)上[1]。

2.1 補縮期實際熔速高于設定值的原因

經(jīng)分析，造成熔速下降慢，實際熔速高于設定值，補縮時間短的原因有兩點。一是補縮開始，隨著渣溫降低，熔渣性質(zhì)改變，渣阻大幅升高，雖然電流降低，但輸入功率無明顯降低，導致熔速未能逐步下降。二是自耗電極尾部不夠致密，存在氣孔、疏松等缺陷，導致熔化過快。若較大熔速下結(jié)束熔煉，熔池較深，縮孔位置會集中在熔池深度的1/2處，導致縮孔加劇[2]。

2.2 補縮期實際熔速低于設定值的原因

經(jīng)分析，造成補縮期熔速下降快的原因有兩點。一是穩(wěn)態(tài)與熱封頂過渡電流斜率設置不合理。二是起弧化渣階段加渣量波動大，影響成渣質(zhì)量，造成后續(xù)補縮熔速、時間不穩(wěn)定。從渣皮厚度看，補縮的低熔速時段，渣池、熔池溫度波動大，頭部表面易出現(xiàn)較深渣溝。

2.3 時間對補縮的影響

確定最佳時間是正確執(zhí)行補縮工藝的前提，補縮時間通常占整個熔煉時間的1/8～1/9，不僅要滿足總補縮時間要求，還要保證每段時間合適。補縮要求在規(guī)定時間內(nèi)，熔化的鋼水正好填滿液態(tài)鋼水凝固成鋼錠時因體積縮小而形成的孔穴，這是一個逐步完成的過程。確定補縮最佳開始時間，實質(zhì)就是準確計算補縮操作需要留用的鋼水量。開始時間過早，則剩余電極過長，延長補縮總時間，增加能耗；開始時間過晚，則氣體和雜質(zhì)排除不充分，達不到補縮質(zhì)量要求。

2.4 電渣錠補縮要求

根據(jù)電渣錠（錠型Φ531 mm）補縮要求，端面平整或凸起，縮孔深度不超過60 mm，頭部不得有渣溝，渣溝距端面越近越好，鋸切厚度不超過60 mm，電極余尾厚度控制在35～45 mm。

3 應對措施及實施效果

3.1 應對措施

針對不同的鋼種和渣系，建立補縮模型，制定完善的補縮工藝操作制度，改進補縮控制方式。鑒于H11Mo模具鋼自動控制補縮方式的不足，探索自動控制為主，手動調(diào)節(jié)為輔（電流、熔速、時間和電極剩余量等參數(shù)）的新方式。熱封頂階段，熔速不斷變化，每段的補縮時間較難固定，要實時觀察正在運行段和已運行結(jié)束段的參數(shù)是否符合設定值，發(fā)現(xiàn)偏離時及時手動調(diào)整未運行段的電流、時間與電極剩余量，使參數(shù)接近設定值，達到熔池逐漸變淺的目的。經(jīng)過5爐鋼的試驗，各段參數(shù)設定值如表3所示。

由表3可得，總補縮時間控制在60 min左右，根據(jù)補縮量和渣溝位置，將起始電極質(zhì)量調(diào)整為215 kg。

為使其與穩(wěn)態(tài)平穩(wěn)銜接，Ⅰ段、Ⅱ段與穩(wěn)態(tài)結(jié)束電流以斜率150～180 A/min快速降至12 500 A，保證一定的熔化金屬量，一般不需要手動調(diào)整；Ⅲ段、Ⅳ段、Ⅴ段和Ⅵ段電極剩余量較少，電極很薄，電流以斜率100～150 A/min緩慢下降，保持時間根據(jù)電極剩余量和當時熔速計算，靈活調(diào)整電流和時間。電流降幅過大，會破壞錠頭部與錠身結(jié)晶結(jié)構(gòu)的一致性，導致電極熔不完。熔速下降合適，過程穩(wěn)定，避免熔化量無法保證應有的鋼水補充。Ⅶ段與Ⅷ段以較小電流保溫，保證渣-金屬界面不凝固，熔速控制在2.6 kg/min左右，使熔池深度和直徑隨時間延長遞減，相對提高凝固速度，實現(xiàn)順序凝固，金屬液在冷卻過程中不斷補充，縮孔變小。電渣錠（錠型Φ531 mm）的最末兩段熔池收縮，深度約為50 mm，直徑約為180 mm，經(jīng)計算，鋼水補充量約為15 kg，控制在10 min左右最佳[2]。電渣錠補縮工藝曲線如圖3所示。

3.2 實施效果

新的控制方式有效可行且穩(wěn)定可靠，操作人員易掌握。對改進后8支鑄錠（錠型Φ531 mm）進行檢測，渣溝消除或更接近端部，有利于平頭，如圖4所示。經(jīng)測量，新控制方式下，8支鑄錠縮孔深度分別為33 mm、25 mm、18 mm、25 mm、29 mm、20 mm、24 mm和30 mm，平均值為25 mm，切頭平均厚度由70 mm降至53 mm，減少切損量，成材率提高至94.4%。

4 結(jié)論

經(jīng)分析，電渣錠縮孔深的主要原因是熔速下降太快，渣溝深的主要原因是渣池溫度波動大，熔不動或余尾多的主要原因是熔速下降太慢。電渣重熔熱封頂階段采用自動和手動調(diào)節(jié)相結(jié)合的補縮控制操作方式，使熔速、時間和電極剩余質(zhì)量匹配，趨于設定值。補縮效果改善，頂部缺陷減少，縮孔深度控制在25 mm左右，切頭厚度降至53 mm，成材率提高至94.4%。

參考文獻

1 姜周華，董艷伍，耿 鑫，等.電渣冶金學[M].北京：科學出版社，2015：31-32.

2 樊應劍，巴鈞濤，康永斌.大型H13模具鋼電渣重熔工藝研究[J].大型鑄鍛件，2023（2）：16-20.