抽锭电渣重熔718塑料模具钢板坯锭的新工艺

臧喜民，邓　鑫，李万明，姜周华，耿　鑫

( 1.辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁鞍山114051; 2.辽宁科技大学电子与信息工程学院，辽宁鞍山114051; 3.东北大学冶金学院，沈阳110004)



抽锭电渣重熔718塑料模具钢板坯锭的新工艺

臧喜民1，邓鑫2，李万明1，姜周华3，耿鑫3

( 1.辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁鞍山114051; 2.辽宁科技大学电子与信息工程学院，辽宁鞍山114051; 3.东北大学冶金学院，沈阳110004)

摘要:针对大型塑料模具毛坯电渣锭凝固过程中产生疏松和偏析等缺陷，从改变大型钢锭凝固条件角度出发，试图将大圆钢锭改为等截面面积的扁锭，同时采用双极串联供电控制渣池的温度场，以达到提高钢锭凝固质量的目的.本文介绍了采用双极串联、T型结晶器，抽锭电渣重熔工艺生产了0.32 m×2.0 m×4.0 m 的718塑料模具钢板坯工业试验，重熔板坯锭的检验结果表明，板坯锭成分、低倍等凝固质量显著提高.

关键词:抽锭电渣重熔;双极串联;模具钢718;板坯锭;凝固质量

塑料模具通常在200～300℃、腐蚀气体环境和较大的机械负荷下工作，要求塑料模具钢具有较高的硬度、耐蚀性、耐磨性和一定的镜面抛光性能［1］.国内外普遍采用电渣重熔改善模具钢的纯净度、致密度和成分均匀性，以提高塑料模具的性能［2，3］.但电渣重熔生产大模块坯料时，由于熔速变大导致熔池加深、枝晶间距增大，钢锭的疏松和偏析等缺陷也随之加重［4－6］，即使多次墩拔也难以彻底消除，严重影响大模具的质量和使用寿命［7］.大直径电渣锭产生疏松和凝固偏析的直接原因是单电极重熔过程中渣池中高温区在电极正下方且靠近金属熔池，致使熔池的深度、两相区的宽度和钢锭的局部凝固时间的增大.为此，开发了双极串联抽锭电渣重熔制备模具钢板坯锭的新工艺，旨在通过减小熔池深度控制电渣锭疏松和凝固偏析.本文主要从工艺原理、工业试验和重熔板坯锭的质量等方面进行系统研究.

1　新工艺原理及其特点

1.1工艺原理

双极串联抽锭电渣重熔板坯锭的基本原理如图1所示，其过程为:在T型水冷结晶器中加入液态炉渣，当自耗电极、炉渣、自耗电极通过短网与变压器形成供电回路时，由于熔渣电阻较大将会产生大量的热量，将金属电极熔化;金属液滴从电极端部滴落，穿过渣池汇聚于金属熔池，在水冷结晶器的强制冷却下逐渐凝固形成钢锭;当金属液位检测装置检测到熔池液面后，开始抽锭.电极逐渐下降熔化，钢锭被连续地拉出结晶器.

图1　双极串联抽锭电渣重熔原理Fig.1 Principle of electroslag remelting withdrawing ( ESRW) with bifilar mode1—自耗电极; 2—T型结晶器; 3—渣池; 4—金属熔池; 5—钢锭; 6—二次冷却装置

1.2工艺特点

1.2.1双极串联供电

双极串联供电方式的短网和电极均是平行布置，大电流导体最大限度地靠近，可使电磁场获得最大限度的补偿，因而也能最大限度地降低电感损失和提高电渣炉的功率因数，功率因数通常可达到0.9左右［8］.另外，双极串联供电由于主要供电回路为电极－熔渣－电极，使得渣池中高温区位于两电极中间，相对距离渣金界面较远，有利于减小熔池深度［9－11］.

1.2.2 T型结晶器

T型结晶器的上半部分为较大的矩形，主要用于熔化电极;结晶器的下半部分主要用钢水凝固形成铸锭.T型结晶器的主要优点是可利用较大断面的电极生产较小断面的钢锭，提高填充比.另外，T型结晶器上下部分可采用不同的冷却制度，可以在减小上结晶器带走渣池热量的同时实现提高下部结晶器中钢锭的凝固速度，以提高凝固质量.

1.2.3特厚板坯锭型

将圆形的锭型改为等截面的特厚板坯锭型，即可保证坯料断面，同时又可有效地提高钢锭冷却速度，减少熔池深度、两相区宽度和钢锭局部凝固时间，从而减小钢锭疏松和偏析等凝固缺陷，提高钢锭的凝固质量.

2　工业试验

电极为1 950 mm×150 mm×4 400 mm的塑料模具钢718连铸坯，化学成分见表1.试验采用L6渣系，其成分见表2，熔点是1 320℃.电渣重熔工艺参数见表3，钢锭尺寸为2 000 mm× 320 mm×4 000 mm，钢锭质量为20 t，平均电耗1 220 kW·h/t，试验过程见图2.

表1　自耗电极的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions mass fraction of electrode　%

表2　L6渣的化学成分(质量分数)Table 2 Composition mass fraction of the L6 slag system　%

表3　抽锭电渣重熔工艺参数Table 3 Process parameters of ESRW

图2　双极串联抽锭电渣重熔板坯锭Fig.2 Process of ESRW ingot slab

3　结果与讨论

整块板坯锭的成分、组织和硬度的均匀一致，是优质毛坯锭的必要条件.如图3( a)所示，分别在板坯锭上、中、下三个位置取3个横截面上取45个试样进行成分检验，取样示意如图3( a)、( b)所示.在钢锭中部取部分横截面做低倍检验，即图3( a)中2剖面所示。

3.1化学成分均匀性

分别在电渣头部( 1剖面)和尾部( 3剖面)取样进行成分检验，钢锭中Cr、Mo、Ni元素基本没有变化，易氧化元素Mn、Si成分有一些变化，变化量和趋势见图5.

图4( a)显示重熔初期钢锭中的Mn含量低于电极中的Mn含量，这是由于重熔初期渣的氧化性较强，渣中MnO的活度较低，使得电极中的Mn被氧化.随着重熔时间的增加，由于不断往渣中加入脱氧剂Al，渣的氧化性逐渐降低，同时渣中MnO的活度也不断升高，使得钢中的Mn不再被氧化.在重熔后期甚至出现了“回锰”现象，即渣中MnO被还原，导致钢锭上部的Mn含量略有增加.

图4( b)显示钢锭中Si元素含量变化趋势，从图中可以看出整个重熔过程中Si的含量始终小于电极中的Si含量，重熔后期钢锭中的Si含量高于重熔初期.这说明整个重熔过程中的渣的氧化性始终较强，脱氧剂加入不足，使得整个过程中电极中的Si都在被烧损.同时，重熔过程中渣的氧化性是不断降低的，因此重熔后期钢锭中Si含量高于重熔初期.

图3　板坯钢锭取样位置Fig.3 Sample positions in ESRW slab ingot( a)—低倍样取样示意; ( b)—成分样取样示意

3.2低倍组织

钢锭中部横截面低倍质量如图5所示，按GB/226－1991标准，其结果为一般疏松、中心疏松、点状偏析均小于0.5级.这主要归功于双极串联供电致使渣池中高温区在两电极中间，渣池中高温区远离金属熔池，有利于获得浅平的金属熔池形状，对提高钢锭内部低倍质量十分有利［12－14］.

图4　钢锭中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剖面边界处，1#—3剖面边界处，2—1剖面1/4处，2#—3剖面1/4处，3—1剖面中心处，3#—3剖面中心处，4—元素初始含量

图5　板坯锭的低倍质量Fig.5 Macrograph of transversal ESRW slab ingot

3.3硬度

分别在电渣重熔板坯锭的1剖面、2剖面和3剖面三个剖面中的表面、1/4处和1/2处取45个点进行硬度检验，具体检验结果见表4.钢锭表面、1/4处及1/2处平均布氏硬度( HBW)均处于316～380.钢锭硬度较为均匀，后续只需简单热处理工艺即可达到硬度330～370 HBW要求.

表4　板坯钢锭的硬度Table 4 The hardness of ESRW slab ingot

4　结论

( 1)单电极电渣重熔时渣池中高温区在电极下方，且靠近渣金界面;双极串联电渣重熔时渣池中的高温区主要集中在两电极中间，相对远离渣金界面，有利于减小熔池深度.

( 2)新工艺生产的电渣板坯锭成分、低倍等质量显著提高，表明通过采用双极串联抽锭重熔和改变钢锭截面形状等措施，改变渣池和钢锭内部温度场分布，使得金属熔池深度和体积明显减小，为提高钢锭凝固质量创造了良好的凝固条件.

( 3)与电渣重熔等截面圆锭相比较，新工艺条件下电极熔化速度增加了近2倍，电耗也低于国内平均水平.

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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

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

基金项目:国家自然科学基金资助项目( 51474126，U1560203)，辽宁省创新团队资助项目( LT2015014).

收稿日期:2015-12-11.

doi:10.14186/j.cnki.1671－6620.2016.01.001

中图分类号:TG 142.71

文献标识码:A

文章编号:1671-6620( 2016) 01-0039-05