摘要：張宣科技特材研制公司新開(kāi)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(dòng)控制補(bǔ)縮工藝的不足，提出適合、有效的補(bǔ)縮工藝控制新方式。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，生產(chǎn)問(wèn)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(bǔ)縮工藝；熱封頂；渣溝；縮孔

中圖分類(lèi)號(hào)：TF14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(mǎn)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(yīng)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(wèn)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(tái)恒熔速保護(hù)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(gè)階段，如圖1所示。熱封頂階段主要任務(wù)是采用合適的補(bǔ)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(wèn)題。電渣錠（H11Mo模具鋼，錠型Φ531 mm）重熔過(guò)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(dá)到設(shè)定質(zhì)量，然后進(jìn)入熱封頂階段，即補(bǔ)縮。熱封頂階段采用電流-時(shí)間自動(dòng)控制模型，逐步降低電流和熔速，平穩(wěn)過(guò)渡到較小熔池，減小縮孔尺寸，達(dá)到補(bǔ)縮目的。補(bǔ)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(dòng)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(jī)性較大，導(dǎo)致每爐鋼的補(bǔ)縮時(shí)間、電流和熔速不具有重復(fù)性。張宣科技特材研制公司新開(kāi)發(fā)生產(chǎn)16支H11Mo模具鋼，由于補(bǔ)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(bǔ)縮存在兩個(gè)突出問(wèn)題。一是實(shí)際熔速高于工藝設(shè)定值，導(dǎo)致補(bǔ)縮時(shí)間未達(dá)到要求，不能有效補(bǔ)縮。二是實(shí)際熔速低于工藝設(shè)定值，低熔速補(bǔ)縮時(shí)間長(zhǎng)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(bǔ)縮的影響因素分析

補(bǔ)縮工藝實(shí)質(zhì)是穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，用一定量鋼水對(duì)鋼錠頭部進(jìn)行緩慢充填，電流、熔速遠(yuǎn)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(bǔ)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(shí)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(bǔ)縮期實(shí)際熔速高于設(shè)定值的原因

經(jīng)分析，造成熔速下降慢，實(shí)際熔速高于設(shè)定值，補(bǔ)縮時(shí)間短的原因有兩點(diǎn)。一是補(bǔ)縮開(kāi)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(wú)明顯降低，導(dǎo)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(dǎo)致熔化過(guò)快。若較大熔速下結(jié)束熔煉，熔池較深，縮孔位置會(huì)集中在熔池深度的1/2處，導(dǎo)致縮孔加劇[2]。

2.2 補(bǔ)縮期實(shí)際熔速低于設(shè)定值的原因

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

2.3 時(shí)間對(duì)補(bǔ)縮的影響

確定最佳時(shí)間是正確執(zhí)行補(bǔ)縮工藝的前提，補(bǔ)縮時(shí)間通常占整個(gè)熔煉時(shí)間的1/8～1/9，不僅要滿(mǎn)足總補(bǔ)縮時(shí)間要求，還要保證每段時(shí)間合適。補(bǔ)縮要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，熔化的鋼水正好填滿(mǎn)液態(tài)鋼水凝固成鋼錠時(shí)因體積縮小而形成的孔穴，這是一個(gè)逐步完成的過(guò)程。確定補(bǔ)縮最佳開(kāi)始時(shí)間，實(shí)質(zhì)就是準(zhǔn)確計(jì)算補(bǔ)縮操作需要留用的鋼水量。開(kāi)始時(shí)間過(guò)早，則剩余電極過(guò)長(zhǎng)，延長(zhǎng)補(bǔ)縮總時(shí)間，增加能耗；開(kāi)始時(shí)間過(guò)晚，則氣體和雜質(zhì)排除不充分，達(dá)不到補(bǔ)縮質(zhì)量要求。

2.4 電渣錠補(bǔ)縮要求

根據(jù)電渣錠（錠型Φ531 mm）補(bǔ)縮要求，端面平整或凸起，縮孔深度不超過(guò)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(guò)60 mm，電極余尾厚度控制在35～45 mm。

3 應(yīng)對(duì)措施及實(shí)施效果

3.1 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)不同的鋼種和渣系，建立補(bǔ)縮模型，制定完善的補(bǔ)縮工藝操作制度，改進(jìn)補(bǔ)縮控制方式。鑒于H11Mo模具鋼自動(dòng)控制補(bǔ)縮方式的不足，探索自動(dòng)控制為主，手動(dòng)調(diào)節(jié)為輔（電流、熔速、時(shí)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(bǔ)縮時(shí)間較難固定，要實(shí)時(shí)觀察正在運(yùn)行段和已運(yùn)行結(jié)束段的參數(shù)是否符合設(shè)定值，發(fā)現(xiàn)偏離時(shí)及時(shí)手動(dòng)調(diào)整未運(yùn)行段的電流、時(shí)間與電極剩余量，使參數(shù)接近設(shè)定值，達(dá)到熔池逐漸變淺的目的。經(jīng)過(guò)5爐鋼的試驗(yàn)，各段參數(shù)設(shè)定值如表3所示。

由表3可得，總補(bǔ)縮時(shí)間控制在60 min左右，根據(jù)補(bǔ)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(dòng)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(shí)間根據(jù)電極剩余量和當(dāng)時(shí)熔速計(jì)算，靈活調(diào)整電流和時(shí)間。電流降幅過(guò)大，會(huì)破壞錠頭部與錠身結(jié)晶結(jié)構(gòu)的一致性，導(dǎo)致電極熔不完。熔速下降合適，過(guò)程穩(wěn)定，避免熔化量無(wú)法保證應(yīng)有的鋼水補(bǔ)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(shí)間延長(zhǎng)遞減，相對(duì)提高凝固速度，實(shí)現(xiàn)順序凝固，金屬液在冷卻過(guò)程中不斷補(bǔ)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(jì)算，鋼水補(bǔ)充量約為15 kg，控制在10 min左右最佳[2]。電渣錠補(bǔ)縮工藝曲線如圖3所示。

3.2 實(shí)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(duì)改進(jìn)后8支鑄錠（錠型Φ531 mm）進(jìn)行檢測(cè)，渣溝消除或更接近端部，有利于平頭，如圖4所示。經(jīng)測(cè)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(dòng)大，熔不動(dòng)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(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)相結(jié)合的補(bǔ)縮控制操作方式，使熔速、時(shí)間和電極剩余質(zhì)量匹配，趨于設(shè)定值。補(bǔ)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(xiàn)

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

2 樊應(yīng)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.