H13热作模具钢圆铸坯的水平连铸工艺
2002-11-21 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
随着我国模具工业的快速发展，模具钢产量增长极快；新型热作模具钢H13以高质量、高性能的特点得到大力推广开发。本文叙述了北满特殊钢公司双流水平连铸机φ150H13模具金刚电渣母材的主要工艺参数和铸坯质量。
1技术条件和工艺流程
H13钢是近10余年来应用推广、综合性能最好的中合金铬系热作模具钢，化学成分见表1。
表1 热作模具钢H13的化学成分%
工艺试验在北满特殊钢公司第1电炉炼钢分厂双流水平连铸机上进行，其工艺流程为：
原料准备→30t电弧炉冶炼→LF精炼→水平连铸机（φ150铸坯）→罩冷→检验→电渣重熔
2水平连铸工艺
2.1 钢水准备
为确保H13钢的可浇性和达到水平连铸工艺要求，电弧炉初炼应严格按工艺规程操作，S、P含量必须<=0.02%，30t电弧炉初炼时间<=3h40min，钢包炉精炼时间<=70min，控制精炼吊包温度为1580-1590℃。
采用东北大家冶金研究所最新研制的引流剂，使大包自动开浇率达到了100%，解决了水平连铸机浇铸位引流烧氧事故的发生，确保了连铸启铸工艺的顺利实施。
2.2 结晶器锥度设计与选择
水平连铸机结晶器是多段多级整体固定式结构，其锥度能束有效地与H13钢铸坯的凝罟收缩规律相吻合，使热传导率和拉坯阻力达到最佳设计，是该钢种水平连铸工艺开发的基础和难点。
在本次工艺试验初期，由于结晶器锥度设计问题，经常出现拉坯阻力大，拉坯机拉不动或打滑以及气隙较大，许用拉速降低至700mm/min，结晶器仍有外漏钢等现象。当对各段锥度设计多次进行调整后，实现了坯壳与结晶器内壁接触良好，拉坯阻力最大，冷却均匀的目的。不同钢种结晶器锥度K值比较见表2。
表2 结晶器锥度K值比较%
另外，由于石墨套与铜套间有较大的温度梯度，且二者线膨胀系数差别较大，当浇铸开始时，铜套首先受高温钢水冲击，温度急剧升高，而石墨套仍处于常温状态，所以石墨套进口直径应大于铜套出口直径。
2.3 主要拉坯工艺参数
H13钢导热性能比普碳钢差，钢液粘结阻力大，铸坯拉铸过程热裂倾向介于中等，其主要工艺参数见表3。
表3 主要拉坯工艺参数
2.3.1 拉坯速度（v）
拉坯速度（v）的确定应与坯壳的凝固速度相适应。由于H13钢坯壳的凝固速度相对较低，选择拉环速度宜小些。在实际操作中，一般以结晶器出口处铸坯表面温度来代替皮壳厚度的控制，通过红外线高温仪实测，当H13钢φ150mm规格铸坯拉环速度达到1.4m/min时，红坯表面最高温度达到1260℃，不宜再增加整个拉环速度。
2.3.2 拉坯频率（f）和拉坯行程（W）
冷隔和热点裂纹是水平连铸坯特有的坯壳表面凝固特征，如果拉环制度不合理，易在该处产生裂纹或拉漏。
尽可能提高拉环频率，减小拉环行程，有助于减少裂纹。
2.3.3 反推量（B）
反推的作用是使初期坯壳克服与铜套内壁间的粘结阻力，同时，在水平连铸拉坯过程中，铸坯从分离环到拉坯机不断地冷凝收缩，拉环动作之后加入反推动作，还可补偿冷缩，避免铸坯拉裂或拉漏。
反推量过大会将分离环压碎。例如炉号165128的H13钢全炉拉环结束后，发现分离环四周压痕深度超过4mm，分离环熔损量及裂纹出现率大大超过其它钢种的使用情况。
2.3.4 冷却制度
对于导热性能差，粘结阻力较大的钢种，由于坯壳和结晶器接触紧密，易达到均匀传热与坯壳均匀生长的目的，而其有效坯壳较薄，结晶器采用强冷形式更为适宜，有助于坯壳脱离结晶器内壁。冷却水流量（Q）值见表3。
北满特殊钢公司自行设计的结晶器外喷水冷却装置，对提高拉环速度效果非常明显。
2.3.5 拉环辊压力（P）
水平连铸拉坯机的驱动力是通过拉坯辊面与铸坯的摩擦而产生的，摩擦力与拉环辊的正压力有关。对于粘结阻力增大的钢种，必须使拉坯辊的正压力保持定值。
2.4 火焰切割工艺
H13钢Cr含量较高，当火焰切割H13铸坯时，高温下易产生粘稠的铬氧化物，熔点较高，熔渣不易排除，会导致切割中断。
与哈尔滨焊接研究所合作，切割过程中辅加铁粉作助熔剂，解决了在先切割的问题，切割工艺见表4。
表4 H13钢火焰切割工艺参数
2.5 质量情况
对第1阶段324.268t H13钢水平连铸坯料罩冷60h后，按照BG/ZYY-10003-97《电渣炉用电极坯料标准》规定进行检验，坯料表面无明显冷隔及热点裂纹，无需酸洗处理，外形尺寸及内部质量均匀符合判定标准，合格率达到98.99%。电渣锭锻造成材后探伤检验100%合格。
3 结论
1）应根据钢种性能选择拉坯工艺参数，保证拉成和获得较好的铸坯质量。
2）水平连铸工艺生产H13坯料，金属利用率比热轧坯提高20%；生产周期短，节能降耗，经济效益显著。
参考文献
[1]杜光华，模具钢的发展现状，特殊钢，1995，16（1），P9
[2]姜祖赓、任民恩等，模具钢，北京，冶金工业出版社，1998
[3]刘 祥、连铸坯凝固过程，沈阳，东北大学，1989
[4]郑祖文、赵来胜等，水平连铸圆管坯表面质量分析，特殊钢，1998，19（5），P44
作者：王富国 赵来胜 关少海 邵校增 张玉辉（北满特殊钢股份有限公司）
1技术条件和工艺流程
H13钢是近10余年来应用推广、综合性能最好的中合金铬系热作模具钢，化学成分见表1。
表1 热作模具钢H13的化学成分%
| C | Si | Mn | P.S |
| 0.35-0.45 | 0.80-1.20 | 0.25-0.45 | <=0.02 |
| Cr | Mo | V | Cu |
| 4.75-5.50 | 1.10-1.75 | 0.80-1.20 | <=0.20 |
原料准备→30t电弧炉冶炼→LF精炼→水平连铸机（φ150铸坯）→罩冷→检验→电渣重熔
2水平连铸工艺
2.1 钢水准备
为确保H13钢的可浇性和达到水平连铸工艺要求，电弧炉初炼应严格按工艺规程操作，S、P含量必须<=0.02%，30t电弧炉初炼时间<=3h40min，钢包炉精炼时间<=70min，控制精炼吊包温度为1580-1590℃。
采用东北大家冶金研究所最新研制的引流剂，使大包自动开浇率达到了100%，解决了水平连铸机浇铸位引流烧氧事故的发生，确保了连铸启铸工艺的顺利实施。
2.2 结晶器锥度设计与选择
水平连铸机结晶器是多段多级整体固定式结构，其锥度能束有效地与H13钢铸坯的凝罟收缩规律相吻合，使热传导率和拉坯阻力达到最佳设计，是该钢种水平连铸工艺开发的基础和难点。
在本次工艺试验初期，由于结晶器锥度设计问题，经常出现拉坯阻力大，拉坯机拉不动或打滑以及气隙较大，许用拉速降低至700mm/min，结晶器仍有外漏钢等现象。当对各段锥度设计多次进行调整后，实现了坯壳与结晶器内壁接触良好，拉坯阻力最大，冷却均匀的目的。不同钢种结晶器锥度K值比较见表2。
表2 结晶器锥度K值比较%
| 名称 | 一般设计 | 普碳钢 | H13 |
| 铜套 | 2-5 | 3.54 | 0.708 |
| 石墨套I | 0.5-1 | 0.69 | 0.41 |
| 石墨套II | 0 | 0 | 0.192 |
2.3 主要拉坯工艺参数
H13钢导热性能比普碳钢差，钢液粘结阻力大，铸坯拉铸过程热裂倾向介于中等，其主要工艺参数见表3。
表3 主要拉坯工艺参数
| W/mm | B/mm | f/min-1 | v/mm?min-1 | Q/t?h-1 | P/MPa |
| 8?12 | 0.6?0.8 | 90?120 | 0.7?1.4 | 22?30 | 5.0?3.0 |
拉坯速度（v）的确定应与坯壳的凝固速度相适应。由于H13钢坯壳的凝固速度相对较低，选择拉环速度宜小些。在实际操作中，一般以结晶器出口处铸坯表面温度来代替皮壳厚度的控制，通过红外线高温仪实测，当H13钢φ150mm规格铸坯拉环速度达到1.4m/min时，红坯表面最高温度达到1260℃，不宜再增加整个拉环速度。
2.3.2 拉坯频率（f）和拉坯行程（W）
冷隔和热点裂纹是水平连铸坯特有的坯壳表面凝固特征，如果拉环制度不合理，易在该处产生裂纹或拉漏。
尽可能提高拉环频率，减小拉环行程，有助于减少裂纹。
2.3.3 反推量（B）
反推的作用是使初期坯壳克服与铜套内壁间的粘结阻力，同时，在水平连铸拉坯过程中，铸坯从分离环到拉坯机不断地冷凝收缩，拉环动作之后加入反推动作，还可补偿冷缩，避免铸坯拉裂或拉漏。
反推量过大会将分离环压碎。例如炉号165128的H13钢全炉拉环结束后，发现分离环四周压痕深度超过4mm，分离环熔损量及裂纹出现率大大超过其它钢种的使用情况。
2.3.4 冷却制度
对于导热性能差，粘结阻力较大的钢种，由于坯壳和结晶器接触紧密，易达到均匀传热与坯壳均匀生长的目的，而其有效坯壳较薄，结晶器采用强冷形式更为适宜，有助于坯壳脱离结晶器内壁。冷却水流量（Q）值见表3。
北满特殊钢公司自行设计的结晶器外喷水冷却装置，对提高拉环速度效果非常明显。
2.3.5 拉环辊压力（P）
水平连铸拉坯机的驱动力是通过拉坯辊面与铸坯的摩擦而产生的，摩擦力与拉环辊的正压力有关。对于粘结阻力增大的钢种，必须使拉坯辊的正压力保持定值。
2.4 火焰切割工艺
H13钢Cr含量较高，当火焰切割H13铸坯时，高温下易产生粘稠的铬氧化物，熔点较高，熔渣不易排除，会导致切割中断。
与哈尔滨焊接研究所合作，切割过程中辅加铁粉作助熔剂，解决了在先切割的问题，切割工艺见表4。
表4 H13钢火焰切割工艺参数
| 坯表温度/℃ | 切割氧压力/MPa | 乙炔压力/MPa | 切割速度/mm?min-1 | 铁粉压力/MPa | 送粉耗量/g?min-1 |
| 800?900 | 0.8?1.0 | 0.05 | 240 | 0.1?0.5 | 100?150 |
对第1阶段324.268t H13钢水平连铸坯料罩冷60h后，按照BG/ZYY-10003-97《电渣炉用电极坯料标准》规定进行检验，坯料表面无明显冷隔及热点裂纹，无需酸洗处理，外形尺寸及内部质量均匀符合判定标准，合格率达到98.99%。电渣锭锻造成材后探伤检验100%合格。
3 结论
1）应根据钢种性能选择拉坯工艺参数，保证拉成和获得较好的铸坯质量。
2）水平连铸工艺生产H13坯料，金属利用率比热轧坯提高20%；生产周期短，节能降耗，经济效益显著。
参考文献
[1]杜光华，模具钢的发展现状，特殊钢，1995，16（1），P9
[2]姜祖赓、任民恩等，模具钢，北京，冶金工业出版社，1998
[3]刘 祥、连铸坯凝固过程，沈阳，东北大学，1989
[4]郑祖文、赵来胜等，水平连铸圆管坯表面质量分析，特殊钢，1998，19（5），P44
作者：王富国 赵来胜 关少海 邵校增 张玉辉（北满特殊钢股份有限公司）
