抽錠電渣重熔718塑料模具鋼板坯錠的新工藝

臧喜民，鄧　鑫，李萬明，姜周華，耿　鑫

( 1.遼寧科技大學材料與冶金學院，遼寧鞍山114051; 2.遼寧科技大學電子與信息工程學院，遼寧鞍山114051; 3.東北大學冶金學院，沈陽110004)

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抽錠電渣重熔718塑料模具鋼板坯錠的新工藝

臧喜民1，鄧鑫2，李萬明1，姜周華3，耿鑫3

( 1.遼寧科技大學材料與冶金學院，遼寧鞍山114051; 2.遼寧科技大學電子與信息工程學院，遼寧鞍山114051; 3.東北大學冶金學院，沈陽110004)

摘要:針對大型塑料模具毛坯電渣錠凝固過程中產(chǎn)生疏松和偏析等缺陷，從改變大型鋼錠凝固條件角度出發(fā)，試圖將大圓鋼錠改為等截面面積的扁錠，同時采用雙極串聯(lián)供電控制渣池的溫度場，以達到提高鋼錠凝固質(zhì)量的目的.本文介紹了采用雙極串聯(lián)、T型結(jié)晶器，抽錠電渣重熔工藝生產(chǎn)了0.32 m×2.0 m×4.0 m 的718塑料模具鋼板坯工業(yè)試驗，重熔板坯錠的檢驗結(jié)果表明，板坯錠成分、低倍等凝固質(zhì)量顯著提高.

關(guān)鍵詞:抽錠電渣重熔;雙極串聯(lián);模具鋼718;板坯錠;凝固質(zhì)量

塑料模具通常在200～300℃、腐蝕氣體環(huán)境和較大的機械負荷下工作，要求塑料模具鋼具有較高的硬度、耐蝕性、耐磨性和一定的鏡面拋光性能［1］.國內(nèi)外普遍采用電渣重熔改善模具鋼的純凈度、致密度和成分均勻性，以提高塑料模具的性能［2，3］.但電渣重熔生產(chǎn)大模塊坯料時，由于熔速變大導(dǎo)致熔池加深、枝晶間距增大，鋼錠的疏松和偏析等缺陷也隨之加重［4－6］，即使多次墩拔也難以徹底消除，嚴重影響大模具的質(zhì)量和使用壽命［7］.大直徑電渣錠產(chǎn)生疏松和凝固偏析的直接原因是單電極重熔過程中渣池中高溫區(qū)在電極正下方且靠近金屬熔池，致使熔池的深度、兩相區(qū)的寬度和鋼錠的局部凝固時間的增大.為此，開發(fā)了雙極串聯(lián)抽錠電渣重熔制備模具鋼板坯錠的新工藝，旨在通過減小熔池深度控制電渣錠疏松和凝固偏析.本文主要從工藝原理、工業(yè)試驗和重熔板坯錠的質(zhì)量等方面進行系統(tǒng)研究.

1　新工藝原理及其特點

1.1工藝原理

雙極串聯(lián)抽錠電渣重熔板坯錠的基本原理如圖1所示，其過程為:在T型水冷結(jié)晶器中加入液態(tài)爐渣，當自耗電極、爐渣、自耗電極通過短網(wǎng)與變壓器形成供電回路時，由于熔渣電阻較大將會產(chǎn)生大量的熱量，將金屬電極熔化;金屬液滴從電極端部滴落，穿過渣池匯聚于金屬熔池，在水冷結(jié)晶器的強制冷卻下逐漸凝固形成鋼錠;當金屬液位檢測裝置檢測到熔池液面后，開始抽錠.電極逐漸下降熔化，鋼錠被連續(xù)地拉出結(jié)晶器.

圖1　雙極串聯(lián)抽錠電渣重熔原理Fig.1 Principle of electroslag remelting withdrawing ( ESRW) with bifilar mode1—自耗電極; 2—T型結(jié)晶器; 3—渣池; 4—金屬熔池; 5—鋼錠; 6—二次冷卻裝置

1.2工藝特點

1.2.1雙極串聯(lián)供電

雙極串聯(lián)供電方式的短網(wǎng)和電極均是平行布置，大電流導(dǎo)體最大限度地靠近，可使電磁場獲得最大限度的補償，因而也能最大限度地降低電感損失和提高電渣爐的功率因數(shù)，功率因數(shù)通常可達到0.9左右［8］.另外，雙極串聯(lián)供電由于主要供電回路為電極－熔渣－電極，使得渣池中高溫區(qū)位于兩電極中間，相對距離渣金界面較遠，有利于減小熔池深度［9－11］.

1.2.2 T型結(jié)晶器

T型結(jié)晶器的上半部分為較大的矩形，主要用于熔化電極;結(jié)晶器的下半部分主要用鋼水凝固形成鑄錠.T型結(jié)晶器的主要優(yōu)點是可利用較大斷面的電極生產(chǎn)較小斷面的鋼錠，提高填充比.另外，T型結(jié)晶器上下部分可采用不同的冷卻制度，可以在減小上結(jié)晶器帶走渣池熱量的同時實現(xiàn)提高下部結(jié)晶器中鋼錠的凝固速度，以提高凝固質(zhì)量.

1.2.3特厚板坯錠型

將圓形的錠型改為等截面的特厚板坯錠型，即可保證坯料斷面，同時又可有效地提高鋼錠冷卻速度，減少熔池深度、兩相區(qū)寬度和鋼錠局部凝固時間，從而減小鋼錠疏松和偏析等凝固缺陷，提高鋼錠的凝固質(zhì)量.

2　工業(yè)試驗

電極為1 950 mm×150 mm×4 400 mm的塑料模具鋼718連鑄坯，化學成分見表1.試驗采用L6渣系，其成分見表2，熔點是1 320℃.電渣重熔工藝參數(shù)見表3，鋼錠尺寸為2 000 mm× 320 mm×4 000 mm，鋼錠質(zhì)量為20 t，平均電耗1 220 kW·h/t，試驗過程見圖2.

表1　自耗電極的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical compositions mass fraction of electrode　%

表2　L6渣的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 2 Composition mass fraction of the L6 slag system　%

表3　抽錠電渣重熔工藝參數(shù)Table 3 Process parameters of ESRW

圖2　雙極串聯(lián)抽錠電渣重熔板坯錠Fig.2 Process of ESRW ingot slab

3　結(jié)果與討論

整塊板坯錠的成分、組織和硬度的均勻一致，是優(yōu)質(zhì)毛坯錠的必要條件.如圖3( a)所示，分別在板坯錠上、中、下三個位置取3個橫截面上取45個試樣進行成分檢驗，取樣示意如圖3( a)、( b)所示.在鋼錠中部取部分橫截面做低倍檢驗，即圖3( a)中2剖面所示。

3.1化學成分均勻性

分別在電渣頭部( 1剖面)和尾部( 3剖面)取樣進行成分檢驗，鋼錠中Cr、Mo、Ni元素基本沒有變化，易氧化元素Mn、Si成分有一些變化，變化量和趨勢見圖5.

圖4( a)顯示重熔初期鋼錠中的Mn含量低于電極中的Mn含量，這是由于重熔初期渣的氧化性較強，渣中MnO的活度較低，使得電極中的Mn被氧化.隨著重熔時間的增加，由于不斷往渣中加入脫氧劑Al，渣的氧化性逐漸降低，同時渣中MnO的活度也不斷升高，使得鋼中的Mn不再被氧化.在重熔后期甚至出現(xiàn)了“回錳”現(xiàn)象，即渣中MnO被還原，導(dǎo)致鋼錠上部的Mn含量略有增加.

圖4( b)顯示鋼錠中Si元素含量變化趨勢，從圖中可以看出整個重熔過程中Si的含量始終小于電極中的Si含量，重熔后期鋼錠中的Si含量高于重熔初期.這說明整個重熔過程中的渣的氧化性始終較強，脫氧劑加入不足，使得整個過程中電極中的Si都在被燒損.同時，重熔過程中渣的氧化性是不斷降低的，因此重熔后期鋼錠中Si含量高于重熔初期.

圖3　板坯鋼錠取樣位置Fig.3 Sample positions in ESRW slab ingot( a)—低倍樣取樣示意; ( b)—成分樣取樣示意

3.2低倍組織

鋼錠中部橫截面低倍質(zhì)量如圖5所示，按GB/226－1991標準，其結(jié)果為一般疏松、中心疏松、點狀偏析均小于0.5級.這主要歸功于雙極串聯(lián)供電致使渣池中高溫區(qū)在兩電極中間，渣池中高溫區(qū)遠離金屬熔池，有利于獲得淺平的金屬熔池形狀，對提高鋼錠內(nèi)部低倍質(zhì)量十分有利［12－14］.

圖4　鋼錠中Mn和Si元素含量和分布Fig.4 Content and distribution of Mn and Si element in slab ingot( a)—Mn含量分布; ( b)—Si含量分布1—1剖面邊界處，1#—3剖面邊界處，2—1剖面1/4處，2#—3剖面1/4處，3—1剖面中心處，3#—3剖面中心處，4—元素初始含量

圖5　板坯錠的低倍質(zhì)量Fig.5 Macrograph of transversal ESRW slab ingot

3.3硬度

分別在電渣重熔板坯錠的1剖面、2剖面和3剖面三個剖面中的表面、1/4處和1/2處取45個點進行硬度檢驗，具體檢驗結(jié)果見表4.鋼錠表面、1/4處及1/2處平均布氏硬度( HBW)均處于316～380.鋼錠硬度較為均勻，后續(xù)只需簡單熱處理工藝即可達到硬度330～370 HBW要求.

表4　板坯鋼錠的硬度Table 4 The hardness of ESRW slab ingot

4　結(jié)論

( 1)單電極電渣重熔時渣池中高溫區(qū)在電極下方，且靠近渣金界面;雙極串聯(lián)電渣重熔時渣池中的高溫區(qū)主要集中在兩電極中間，相對遠離渣金界面，有利于減小熔池深度.

( 2)新工藝生產(chǎn)的電渣板坯錠成分、低倍等質(zhì)量顯著提高，表明通過采用雙極串聯(lián)抽錠重熔和改變鋼錠截面形狀等措施，改變渣池和鋼錠內(nèi)部溫度場分布，使得金屬熔池深度和體積明顯減小，為提高鋼錠凝固質(zhì)量創(chuàng)造了良好的凝固條件.

( 3)與電渣重熔等截面圓錠相比較，新工藝條件下電極熔化速度增加了近2倍，電耗也低于國內(nèi)平均水平.

參考文獻:

［1］陳再枝，馬黨參.我國模具鋼的發(fā)展戰(zhàn)略分析［J］.鋼鐵，2006，41( 4) : 5.( Chen Z Z，Ma D S.Analysis of development strategy for national die steel industry［J］.Iron and Steel，2006，41 ( 4) : 5.)

［2］Liu J H，Wang G X，Bao Y P.Inclusion variations of hot working die steel H13 in refining process［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2012，19( 11) : 1－7.

［3］王盛朝，孫斌.預(yù)硬化模具鋼718厚板的開發(fā)［J］.特殊鋼，2010，31( 5) : 49－50.( Wang Shengchao，Sun Bin.Development of heavy plate of pre－h(huán)ardened plastic die 718［J］.Special Steel，2010，31 ( 5) : 49－50.)

［4］Melgaard D K，Beaman J J，Shelmidine G.Model－based electroslag remelting control for simultaneous，consistent and responsive melt rate and immersion depth control［C］/ / Advanced Processing of Metals and Materials ( Sohn International Symposium)，2006( 7) : 435－449.

［5］Jardy A，Ablitzer D.Mathematical modeling of superalloy remelting operations［J］.Materials Science and Technology，2009，25( 2) : 163－169.

［6］Dong Yanwu，Jiang Zhouhua，Li Zhengbang.Mathematical model for electroslag remelting process［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2007，14( 5) : 7－13.

［7］閔永安.塑料模具鋼應(yīng)用趨勢［J］.國外金屬熱處理，2001，22( 1) : 8－11.( Min Yongan.The development trends of plastic die steel ［J］.Heat Treatment of Metals Abroad，2001，22 ( 1) : 8－11.)

［8］耿鑫，姜周華，劉福斌.大型板坯電渣爐的工藝特點和發(fā)展［J］.特殊鋼，2009，30( 3) : 19－21.( Geng Xin，Jiang Zhouhua，Liu Fubin.Development and characteristic of process of ESR furnace for remelting heavy slabs［J］.Special Steel，2009，30( 3) : 19－21.)

［9］Hernandez B，Mitchell A.Review of mathematical models of fluid flow，heat transfer，and mass transfer in electroslag remelting process［J］.Ironmaking and Steelmaking，1999，26 ( 6) : 423－438.

［10］Dilawari A H，Szekely J.Heat transfer and fluid flow phenomena in electroslag refining［J］.Metallurgical Transactions B，1978，9( 1) : 77－87.

［11］李萬明.電渣重熔大型板坯和電渣液態(tài)澆注復(fù)合軋輥的數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化［D］.沈陽:東北大學，2012.( Li Wanming.Numerical simulation and process optimization for electroslag remelting of large slab and electroslag remelting liquid compound roll［D］.Shenyang: Northeastern University，2012.)

［12］Holzgruber W，Holzgruber H.Production of high quality billets with the new electroslag rapid remelting process［J］.MPT International，1996，19( 5) : 48－50.

［13］Lei Rao，Jian－h(huán)ua Zhao，Zhan－xi Zhao.Macro－and microstructure evolution of 5CrNiMo steel ingots during electroslag remelting process［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2014，21( 7) : 644－652.

［14］Dong Yanwu，Jiang Zhouhua，Li Zhengbang.Segregation of niobium during electroslag remelting process［J］.Journal of Iron and Steel Research，International，2009，16( 1) : 7－10.

A withdrawing new technology of electroslag remelting for die steel 718 slab ingot

Zang Ximin1，Deng Xin2，Li Wanming1，Jiang Zhouhua3，Geng Xin3
( 1.School of Materials and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China; 2.School of Electronic and Information Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China; 3.School of Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China )

Abstract:Large ingot solidification conditions such as section shape and power supply were changed to minimize the porosity and segregation of large 718 plastic mold ESR ingots.Round ingots were transformed to ingot slabs and the single－electrode power supply was replaced by a bifilar mode.Thus，the temperature distribution in the slag pool and molten pool were changed.These changes improved the quality of the solid ingot.Several 0.32 m×2.0 m×4.0 m 718 ingot slabs were prepared by using the ESRW technology in an industrial plant.The melting rate of the ESRW ingot slab was nearly twice as high as the ESR round ingot，whereas the power consumption was lower than the average.The industrial tests showed that the authors’ingot has uniform chemical composition and dense macrostructure.

Key words:electroslag remelting withdrawing; bifilar mode; die steel 718; slab ingot; solidification quality

作者簡介:臧喜民( 1978—)，男，副教授，E－mail: zangxm@ ustl.edu.cn.

基金項目:國家自然科學基金資助項目( 51474126，U1560203)，遼寧省創(chuàng)新團隊資助項目( LT2015014).

收稿日期:2015-12-11.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.001

中圖分類號:TG 142.71

文獻標識碼:A

文章編號:1671-6620( 2016) 01-0039-05