工艺冶炼低磷硫H13模具钢

提高模具钢纯净度已成为提高模具性能和寿命的重要手段，随着热作模具钢H13 (4Cr5MoSiV1)中磷和硫含量的降低，钢的冲击韧性显著提高，各向异性随之减少，钢的疲劳性能亦有所改善[1、2]。大同特殊钢公司得出，当SKD61 (H13)钢的硫含量从0．03％降至≤0．010％时，可使钢的冲击韧性提高1倍，钢的等向性和抗热疲劳性能显著提高，制成模具的寿命得到延长[3]。 
       近年来对H13进口材成分的分析显示，无论是日本的SKD61，还是美国的AISIHl3，钢的P、S含量均为：P≤0．015％、S≤0．005％；国内一些用户也相继对冶金厂提出P≤0．012％、S≤0．008％的要求。 
      大冶特钢通过18tEF-20tLF(VD)工艺，成功冶炼出钢中P≤0．012％、S≤0．005％的H13热作模具钢。本文叙述了EF-LF(VD)脱磷、脱硫和脱氧工艺实践。 
        1  H13钢的成分控制和试制工艺 
        1.1   成分控制 
      用EF-LF(VD)冶炼时，H13钢成分的控制范围和成品材分析成分列于表1。 
由表1可见，H13钢中的C、Cr、Mo、V等均按中限控制，以便得到稳定的性能，钢中磷、硫含量分别控制在0．012％和0．005％以下。
                          表1  H13模具钢化学成分/%

项目	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

         1．2  EAF工艺    配料要求为：C1．20％-1，40％、P≤0．040％、 S≤0．040％，Pe-Mo随炉料部分装入。 
       电弧炉装料前垫底石灰500～600kg，采用综合氧化法，脱C量≥0．30％；氧化前期，造渣碱度 2.5-3，吹氧压力0.4-0.6MPa，氧化后期，造渣碱度1.8-2.0，吹氧压力0.6-0.8MPa，采用流渣操作，纯沸腾时间≥5 min；P≤0．007％，T＝1620℃，扒尽全渣，造稀薄渣，加Fe-Cr，吹氧待Fe-Cr熔化后加Fe-V、C-Si粉预还原，扒渣，并加活性石灰造渣，渣量为钢水量的3％-5％，C-Si粉还原，渣白，T=1600-1620℃，出钢，包中加Al0.5 kg／t，钢包烘烤温度≥800℃。 
        1．3  LF(VD)精炼全程吹氩工艺 
         LF工位，吹氩、测温、加热，视渣况调渣，初调和微调成分，1580-1600℃时，加Al0.5 kg/t，抽真空≤1 333Pa，当1530-1550℃时，破真空，加 Ca-Si，1510～1530℃时起坑浇钢。 
         1．4  冶炼过程炉渣成分和熔点测定 
       用3530X射线荧光分析仪测试炉渣成分，其结果列于表2。由表2可见，EAF出钢前至二次精炼完毕时，CaO/SiO2为1.37-1.66，渣中总铁含量从1.5％左右降至0.47％左右。
                            表2  H13模具钢冶炼各期炉渣分析

冶炼期	炉号	炉渣成分/%
		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出钢前	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
精炼起坑前	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

      当渣系的熔点和粘度较低时，则可加快渣料的熔化，并改善渣系的流动性，从而保证渣?钢反应有较好的动力学条件。 
        测定了冶炼H13钢时各期炉渣的熔点。在氧化期的熔点较低，在1250℃左右，精炼各期的炉渣熔点在1300-1370℃。 
        1．5  冶炼过程钢中磷、硫含量的变化 
        在电弧炉的氧化末期，H13钢中的磷含量为0．007％，成品磷含量为0．010％-0．012％，回磷量为0．003％-0．005％。
由图3可见通过LF(VD)精炼后H13钢中的硫含量可稳定地达到0．005％。
         1．6  LF(VD)处理过程H13钢中氧含量的变化 
    表3列出LP(VD)处理过程中H13钢氧含量的变化。由表3可见，通过VD处理，全程吹氩，可使H13钢中的氧含量达到10×10-6左右。
         表3  LF（VD）+Ar气搅拌处理过程H13模具钢中氧含量的变化/×10-6

炉号	EAF出钢后	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  分析讨论 
        2．1  H13钢的脱磷 
    从炉料80％熔化后，到碳氧反应激烈开始前，由表2熔化末期炉渣成分中TFe含量10．57％?10．67％可见，渣中FeO浓度高，此时温度低，非常有利于脱磷。通过装料垫底石灰，提前造渣，及时补加渣料，控制好碱度，并浅吹氧，熔池得以搅拌，使脱磷顺利进行，并采用流渣操作，可快速将磷降至0．007％；磷由熔化末期的0．028％降至扒渣前的0．007％，历时45min，扒渣后，随还原期的进行，温度升高，同时大量的调加合金，以及出钢过程的进行，钢中磷由0．007％涨至0．010％?0．012％，这在EF+LF(VD)工艺路线生产中是不可避免的。 
        2．2  H13钢的脱硫 
      由于钢中Cr含量高，还原期正常造渣，炉渣粘稠，故须适当降低炉渣碱度，造低碱度渣，保证整个脱硫过程炉渣的流动性，以利于脱硫反应的／顷利进行，由表2可见，整个还原过程CaO／Si0，维持在1．37-1．66，在EAF中，通过活性石灰造渣，提高了(CaO)有效浓度，同时Fe-Si、Fe-Mn的加入以及C-Si粉的还原，当炉渣变白，即可翻炉出钢，操作中采用“低坑大口”、钢渣混冲，硫在出钢过程去掉30％～40％。 
       在LF过程中，通过EAF后包中加Al及LF吹氩搅拌，随脱氧反应的进行(表3)，渣中FeO不断降低(表2)，且渣钢反应界面增大，使钢中硫／顷利去除。由图3可见，钢中硫由EAF出钢至包中时的0．015％～0．016％降至真空前的0．006％～ 0．009％。在VD过程中，通过再次加A1及吹氩、抽真空，对钢液深脱氧、去气，渣中TFe进一步降至 0．5％以下(表2)，钢中硫亦进一步降至0．005％ 。 
        3  结论 
       (1)EAF装料垫入占3％料重的石灰，控制前期熔渣的碱度，并采取流渣操作，利用前期温度低，可迅速将磷降至0．007％，终可将钢中磷控制在≤0．012％。 
      (2)EF+LF(VD)工艺过程中，EAF造低碱度渣CaO/SiO2=1.4-1.6，渣量占钢水量的4％～ 5％，经LF精炼加Al、吹氩，可将钢中硫降到 0．010％以下，再通过VD处理，随着对钢水深脱氧的进行，钢中硫含量终可控制到≤0．005％。