CN116422853B - 一种模具钢及其连铸生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种模具钢及其连铸生产方法。本发明提供的模具钢连铸生产方法，包括熔化、脱氧、真空冶炼、精炼、连铸、热轧工序，其中连铸工序中管控过热度≤45℃；起铸拉速控制在0.9‑1.1m/min；一次宽面冷却水进水量4000~35000L/min，一次窄面冷却水进水量300~400L/min，冷却水的温度≥28℃。本发明提供的生产工艺能高效生产高质量1.2085钢；且该工艺克服了高硫模具钢连铸生产工艺所得1.2085钢存在的结瘤、漏钢，热轧开裂等难题，填补了1.2085宽板连铸工艺的技术空白；同时本发明优化了钢种成分设计，降低了1.2085钢在热轧工序处理中发生热脆风险。

Description

一种模具钢及其连铸生产方法
技术领域
本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种模具钢及其连铸生产方法。
背景技术
1.2085钢为德国牌号钢，是改进机械加工性能的耐蚀模具钢，用于生产耐腐蚀性能特别高的塑料产品的模具。我国近年来才开始研制及应用此钢种，应用于镜面模具、医疗设备模具等。《广东省模具产业技术路线图》（作者：刘斌，柳亚强，吴国洪编著）一书中指出，1.2085钢是一种耐腐蚀型预硬塑料模具钢，其出厂硬度为28~ 33HRC，合金元素包括0.33%C、16%Cr、0.25%Ni、0.07%S，S的加入提高了钢的加工性能，主要用于镶件模架等。而现有的高硫模具钢连铸生产工艺所得的1.2085钢则存在结瘤、漏钢、热轧开裂等诸多难题。因此目前，1.2085钢生产工艺为先模铸成锭，然后再经热轧锻打加工至中厚板，该生产工艺与连铸生产相比，产出率较低。故而，研发一种高产率、高质量的1.2085钢及其生产工艺迫在眉睫。
发明内容
本发明主要是针对现有耐蚀模具钢1.2085钢板坯生产工艺所存在的问题，提供一种模具钢及其连铸生产方法。本发明提供的生产工艺能高效的生产高产率、高质量的1.2085钢；且该生产工艺克服了高硫模具钢连铸生产工艺所得的1.2085钢存在的结瘤、漏钢，热轧开裂等问题；同时，本发明优化了钢种成分设计，降低了下游客户端在热轧工序处理中发生热脆风险。
本发明的技术方案是：
一种模具钢的连铸生产方法，包括熔化、脱氧、真空冶炼、精炼、连铸、热轧工序，其中：所述连铸工序中，管控过热度≤45℃；起铸拉速控制在0.9-1.1m/min；一次宽面冷却水进水量4000~35000L/min，一次窄面冷却水进水量300~400L/min，冷却水温度≥28℃。
其中，管控过热度优选为20~45℃；冷却水温度优选为28-35℃。一次宽面冷却水进水量和一次窄面冷却水进水量均指铜模冷却水量。
在本发明中，电炉或炉料熔化炉将废钢或合金熔化，进入转炉加铝锭脱氧，再经真空炉冶炼降低有害元素及夹杂物后，通过精炼炉加硫铁线增硫并调整成分而后进行浇注；连铸工序中通过管控合适的过热度、浇注速度、冷却模式等关键参数促使浇注出高质量的耐蚀模具钢——1.2085钢。本发明管控过热度≤45℃（优选20~45℃）；起铸拉速控制在0.9-1.1m/min；一次宽面冷却水量4000~35000L/min，一次窄面冷却水量300~400L/min，冷却水温度≥28℃（优选28-35℃），能有效减少钢坯中心缩孔风险，进而避免钢坯纵裂以及因钢液粘度大、流动性差、过热度低造成的水口结瘤等难题。
进一步地，所述连铸工序中，起铸时拉速控制在0.9-1.00m/min，拉出4-6m后拉速增加至1.05-1.1m/min；模液面为750~800mm。
更进一步地，所述连铸工序中，起铸时拉速控制在1.00m/min，拉出5m后拉速增加至1.05m/min；模液面为780mm。
此中，拉速也称为浇注速度、拉速度，是指从连铸结晶器中拉出金属铸坯的速度。本发明通过控制拉速的增加使得铸液从结晶器中流出的速度加快，导致铸液从结晶器到铸坯的温度梯度增大，以加快铸坯的凝固速度进而获得细小的晶粒和致密的铸坯结构；拉速到达一定数值以后维持稳定，通过保持恒定的铸坯凝固速度则更有利于维持铸坯的内部结构稳定，从而改善铸坯的性能，减少铸坯的缺陷。而且，拉速的增加可以提高生产速度，提高生产效率，从而减少生产成本。
在连铸生产工艺中，“模液面”是指在连铸结晶器中，铸模和铸坯之间的液态金属表面高度。模液面的高度直接影响到铸坯的凝固过程和质量，因为它影响着液态金属流动的速度和方向，进而影响铸坯的结晶行为和内部组织结构。本发明通过低结晶温度、高粘度的保护渣（保护渣是在冶金冶炼过程中覆盖在金属表面上的一层物质），充分形成液渣层来控制模液面，使其处于合适、稳定的高度，进而使得液态金属内部不发生涌动，从而避免铸坯出现如气孔、夹杂等缺陷的发生。
进一步地，所述连铸工序中，电磁搅拌电流设定为1000-1500A，功率1.5-2.5HZ能有效地为减少钢坯成分偏析。更优选的，电磁搅拌电流设定为1500A，功率2.0HZ。
进一步地，所述连铸工序中，连铸产出的钢坯放置保温坑冷却至100℃以内，冷却速度＜10℃/h，然后进入热轧工序。
本发明通过将钢坯放置保温坑缓冷至100℃，控制冷却速度＜10℃/h的方式，使得钢坯可以较为均匀的失去热量，减少钢坯的内外温度梯度，避免产生过大的应力和形变，进而减少内部缺陷的产生，如裂纹等；而且，采用在保温坑中缓冷的方式有助于形成稳定的结晶组织，以提高钢坯的性能。
进一步地，所述熔化工序在炉料熔化炉中进行，往炉料熔化炉中添加废碳钢、废不锈钢、高碳铬铁、助溶剂、石灰进行反应（炉料熔化炉主要是起熔化效果）；出钢前取渣样测试成分；然后出钢，转至转炉生产；
所述脱氧工序在转炉中进行，在转炉中添加高碳铬铁、硅铁、助溶剂、石灰、浇铸铝，并吹氮气进行脱氧，且在转炉底部吹氩气进行反应（在转炉中添加原料是为了微调成分）；出钢前取渣样测试成分；然后出钢，转至真空炉生产；
所述真空冶炼工序在真空炉中进行，在真空炉扒渣厚度8-15cm，然后添加助溶剂、石灰，吹氩气，进行真空冶炼（真空炉中添加了助熔剂，目的是重新造渣，更好地去除夹杂）；出钢前取渣样测试成分；然后出钢，转至精炼炉生产；扒渣厚度优选为10cm。
所述精炼工序在精炼炉中进行，在精炼炉中先射钙线，搅拌；再射硫铁线，搅拌，然后拆管静置，精炼过程中吹氩气；出钢前取渣样测试成分；然后出钢，转至转台进行连铸生产。
本发明向钢液中喂入钙线、硫铁线，有利于钢水进行深脱氧，去除钢液中残余氧及金属氧化物；还能够改变高熔点的铝氧化物夹杂的形态，形成低熔点的钙有利于铝氧化物的去除，减轻中间包水口堵塞问题，保证连铸稳定；而且能提高合金收得率，降低生产成本。
进一步地，所述热轧工序采用1230-1250℃出炉温度将连铸产出的钢坯轧至60-100mm中厚板，热轧采用3道次轧延；第一站轧下力约22,237Kn，第二站轧下力约23,095Kn，第三站轧下力约24,501Kn。所述出炉温度为钢坯出加热炉后的温度。
本发明产品厚度60~100mm，总轧下量约100~140mm，为保证单道次轧下量，改善材料偏析、疏松等问题，热轧工艺设定三道次轧延。
进一步地，所述熔化工序中，出钢温度为1550~1600℃；
所述脱氧工序中，出钢温度为1640~1700℃；
所述真空冶炼工序中，出钢温度为1450~1550℃；
所述精炼工序中，出钢温度为1550~1650℃。
本发明中的出钢温度主要为了管控连铸的过热度，该出钢温度参数过低会导致断铸，过高钢坯表面易产生表面凹陷等缺陷。
所述脱氧工序中，所得钢的碱度为1.8~2.8；优选为1.8。
进一步地，所述的1.2085钢的化学成分及其重量含量包括C0.32-0.34%；Si0.60-0.90%；Mn0.70-1.00%；P≤0.03%；S0.05-0.08%；Ni0.30-0.50%；Cr16.00-17.00%；Cu≤0.50%；N≤0.05%。
由于S在钢中极易形成FeS等含硫低熔点化合物，热轧生产极易出现过热和过烧倾向，存在较高热脆风险（FeS可与铁形成共晶，并沿晶界分布，Fe-FeS共晶物的熔点为985℃，当在1000~1200℃温度下，对材料进行压力加工时，由于它已经熔化而导致晶粒开裂，使材料呈现脆性，这种现象称为热脆现象），因此本发明通过调整设计合适的Mn含量（0.70-1.00%），使Mn代替低熔点FeS中的Fe，生成高熔点的MnS(熔点为1600℃)，进而防止因硫而导致的热脆现象，有效解决了热轧过程中发生热脆风险的技术难题，从而改善钢的热加工性能。
而且，本发明还提供了一种上述模具钢连铸生产方法制备而得的模具钢。此模具钢优选为1.2085钢。
与现有技术相比，本发明提供的一种模具钢及其连铸生产方法，具有以下优势：
（1）本发明提供的连铸工艺生产方法，可将1.2085钢的产出率由82%提升至92%，有效的降低了1.2085钢的生产成本；而且本发明提供的连铸工艺生产方法克服了连铸过程切削模具钢容易结瘤、纵裂、漏钢等技术难题。
（2）本发明提供的连铸工艺生产方法优化了钢种成分设计，进而有效降低了下游客户端热轧发生热脆风险。
具体实施方式
以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的保护范围之内。
以下实施例和对比例中，未作特别说明的试剂为常规试剂，均可在常规试剂生产销售公司购买。部分原料生产厂家等信息如下：
本发明所用的废碳钢购自山东鲁丽钢铁有限公司，其中P ≤0.045%；废不锈钢源自厂内废钢回收，其中2%≤Cr≤20%，Fe≥75%；高碳铬铁购自山西迪威普金属材料有限公司，其中Si≤3.0%，50%≤Cr≤55%，C≤8.5%；助溶剂（萤石）购自广州市志辰鑫贸易有限公司，其中moisture(湿度)≤0.5%；硅铁购自鄂尔多斯市西金矿冶有限责任公司，其中Si≥72%，C≤0.20%；浇铸铝购自中钢集团深圳有限公司，其中Al≥94%。
实施例1模具钢的连铸生产方法
在炉料熔化炉添加120,000kg废碳钢，16,000kg废不锈钢，57,000kg高碳铬铁，4,500kg助溶剂（萤石），13,600kg石灰，添加顺序不限，总生产时间约1h。出钢前取渣样测试成分，此时C含量1.41%，Si含量0.92%，Mn含量0.64%，P含量0.027%，S含量0.0228%，Ni含量0.31%，Cr含量9.91%（本发明所述的化学成分含量均为重量含量），出钢温度约1570℃，出钢重量约202,200kg，然后转至转炉生产。
在转炉添加26,400kg高碳铬铁，2,300kg硅铁，3,500kg助溶剂（萤石），12,850kg石灰，6,000kg浇铸铝，添加顺序不限，吹氮气3630Nm3以脱钢液中的氧含量，在转炉底部吹2015Nm3氩气使钢液中的夹杂物上浮，提高钢液纯净度，总生产时间约1.5h。出钢前取渣样测试成分，此时C含量0.27%，Si含量0.79%，Mn含量0.60%，P含量0.029%，S含量0.0024%，Ni含量0.33%，Cr含量15.86%，出钢温度约1670℃，出钢重量约177,000kg，碱度为1.8，然后转至真空炉生产。
在真空炉扒渣至10CM，然后添加1,000kg助溶剂（萤石），800kg石灰，添加顺序不限，吹18Nm3氩气，冶炼时间约0.3h，总生产时间约0.8h。出钢前取渣样测试成分，此时C含量0.33%，Si含量0.77%，Mn含量0.70%，P含量0.029%，S含量0.0006%，Ni含量0.33%，Cr含量16.24%，出钢温度约1500℃，出钢重量约176,900kg，然后转至精炼炉生产。
在精炼炉射先射200kg钙线2分钟，微搅拌5分钟，再射700kg硫铁线，微搅拌20min（不破渣）拆管静置20min。精炼过程中吹氩气18Nm3，12.8总生产时间1h。出钢前取渣样测试成分，此时C含量0.34%，Si含量0.77%，Mn含量0.71%，P含量0.027%，S含量0.0645%，Ni含量0.34%，Cr含量16.23%，出钢温度约1600℃，出钢重量约177,600kg，然后吊上转台待连铸生产。
连铸生产前连铸设备需连续生产24小时以上，保证设备的稳定运作处于最佳状态。起铸时拉速控制在1.00m/min拉出5m以后拉速逐渐增加至1.05m/min并保持稳定，同时管控过热度为20℃，一次宽面冷却水进水量35000L/min，一次窄面冷却水进水量400L/min，冷却水温度为28℃，模液面约780mm。为减少钢坯成分偏析，电磁搅拌电流设定为1500A，功率2.0HZ。连铸产出后钢坯放置保温坑缓冷至100℃以内缴库出货，冷却速度为9℃/h。
热轧采用1230℃出炉温度轧至60mm中厚板，热轧采用3道次轧延，第一站轧下力约22,237Kn，第二站轧下力约23,095Kn，第三站轧下力约24,501Kn。
采用本连铸生产方法所得的1.2085钢的产出率可达92%。经测验，采用本连铸生产方法制得的1.2085钢无结瘤、纵裂、漏钢等问题；且在热轧工序中对钢坯进行热加工时钢坯未出现开裂现象，大幅降低了热脆风险。
实施例2 模具钢的连铸生产方法
实施例2所述的模具钢的连铸生产方法与实施例1类似，区别在于，连铸生产工序中，管控过热度为45℃，一次宽面冷却水进水量4000L/min，一次窄面冷却水进水量300L/min，冷却水温度35℃，模液面约800mm。
采用本连铸生产方法所得的1.2085钢的产出率可达87%。经测验，采用本连铸生产方法制得的1.2085钢结瘤、纵裂、漏钢等问题；且在热轧工序中对钢坯进行热加工时钢坯未出现开裂现象，大幅降低了热脆风险。
实施例3
实施例3所述的模具钢的连铸生产方法与实施例1类似，区别在于，连铸生产工序中，模液面约750mm；电磁搅拌电流设定为1000A，功率1.5HZ。
热轧生产工序中，采用1250℃出炉温度轧至100mm中厚板。
采用本连铸生产方法所得的1.2085钢的产出率可达89%。经测验，采用本连铸生产方法制得的1.2085钢无结瘤、纵裂、漏钢等问题；且在热轧工序中对钢坯进行热加工时钢坯未出现开裂现象，大幅降低了热脆风险。
实施例4
实施例4所述的模具钢的连铸生产方法与实施例1类似，区别在于，在精炼炉通过添加锰铁，微调合金成分，同时做微搅拌动作，使得出钢前取渣样成分中Mn含量为1.00%，同时达到提高纯净度的效果。
采用本连铸生产方法所得的1.2085钢的产出率可达86%。经测验，采用本连铸生产方法制得的1.2085钢无结瘤、纵裂、漏钢等问题；且在热轧工序中对钢坯进行热加工时钢坯未出现开裂现象，大幅降低了热脆风险。
对比例1
对比例1所述的模具钢的连铸生产方法与实施例1类似，区别在于，连铸生产工序中，管控过热度为49℃。
经测验，采用本连铸生产方法制得的1.2085钢存在表面凹陷、中心缩孔等问题。
对比例2
对比例2所述的模具钢的连铸生产方法与实施例1类似，区别在于，连铸生产工序中，管控一次宽面冷却水进水量3500L/min，一次窄面冷却水进水量450L/min。
经测验，采用本连铸生产方法生产1.2085钢过程中，易发生转角裂或漏钢，影响连铸稳定性。
对比例3
对比例3所述的模具钢的连铸生产方法与实施例1类似，区别在于，连铸生产工序中，管控冷却水温度温度为20℃。
经测验，采用本连铸生产方法制得的生产1.2085钢在起铸第一块钢坯易发生横向凹陷，降低产出率。
对比例4
对比例4所述的模具钢的连铸生产方法与实施例1类似，区别在于，在精炼前若Mn含量较低，通过添加少量高碳锰铁，使得出钢前取渣样成分中Mn含量为0.50%。
经测验，采用本连铸生产方法制得的1.2085钢在热轧轧延容易发生脆性断裂问题。
对比例5
1.2085钢坯用现有模铸生产工艺（熔模浇铸工艺）生产至热轧产出率约82%。
对比例5所述模铸生产工艺与实施例1类似，区别在于，所述连铸生产工序不同。对比例5的熔模浇铸工艺如下：
（1）浇铸前确保锭模、汤道、中注管清洁干燥，防止污染钢水，保证模温70℃；
（2）浇钢砖为高铝质（ｗ（Al2O3）＞73％、耐火度＞1790℃），锭身浇铸时长12min，帽口浇铸时长10min，增加帽口填充时间可以使钢水填充到凝固时产生的间隙中，使钢锭更致密，减小缩孔；距模底200mm吊挂保护渣25kg/支，发热剂在钢液上帽口高度1/3加入15kg/支；
（3）浇铸时采用氩气保护浇铸，铸完后钢锭随模冷却4h，脱模后热装，防止钢锭开裂。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种模具钢的连铸生产方法，其特征在于，包括熔化、脱氧、真空冶炼、精炼、连铸、热轧工序，其中：所述连铸工序中，管控过热度≤45℃；起铸拉速控制在0.9-1.1m/min；一次宽面冷却水进水量4000~35000 L/min，一次窄面冷却水进水量300~400 L/min，冷却水的温度≥28℃；
所述的模具钢的化学成分及其重量含量包括C0.32-0.34%；Si0.60-0.90%；Mn0.70-1.00%；P≤0.03%；S 0.05-0.08%；Ni 0.30-0.50%；Cr 16.00-17.00%；Cu≤0.50%；N≤0.05%。
2.如权利要求1所述的模具钢的连铸生产方法，其特征在于，所述连铸工序中，起铸时拉速控制在0.9-1.0m/min，拉出4-6m后拉速增加至1.05-1.1m/min；模液面750~800mm。
3.如权利要求1所述的模具钢的连铸生产方法，其特征在于，所述连铸工序中，电磁搅拌电流设定为1000-1500A，功率1.5-2.5HZ。
4.如权利要求1所述的模具钢的连铸生产方法，其特征在于，所述连铸工序中，连铸产出的钢坯放置保温坑冷却至100℃以内，冷却速度＜10℃/h，然后进入热轧工序。
5.如权利要求1所述的模具钢的连铸生产方法，其特征在于，所述熔化工序在炉料熔化炉中进行，往炉料熔化炉中添加废碳钢、废不锈钢、高碳铬铁、助溶剂、石灰进行反应；出钢前取渣样测试成分；然后出钢，转至转炉生产；
所述脱氧工序在转炉中进行，在转炉中添加高碳铬铁、硅铁、助溶剂、石灰、浇铸铝，并吹氮气进行脱氧，且在转炉底部吹氩气进行反应；出钢前取渣样测试成分；然后出钢，转至真空炉生产；
所述真空冶炼工序在真空炉中进行，在真空炉扒渣厚度8-15cm，然后添加助溶剂、石灰，吹氩气，进行真空冶炼；出钢前取渣样测试成分；然后出钢，转至精炼炉生产；
所述精炼工序在精炼炉中进行，在精炼炉中先射钙线，搅拌；再射硫铁线，搅拌，然后拆管静置，精炼过程中吹氩气；出钢前取渣样测试成分；然后出钢，转至转台进行连铸生产。
6.如权利要求1所述的模具钢的连铸生产方法，其特征在于，所述热轧工序采用1230-1250℃的出炉温度将连铸产出的钢坯轧至60-100mm中厚板，并采用3道次轧延。
7.如权利要求1所述的模具钢的连铸生产方法，其特征在于，所述熔化工序中，出钢温度为1550~1600℃；
所述脱氧工序中，出钢温度为1640~1700℃；
所述真空冶炼工序中，出钢温度为1450~1550℃；
所述精炼工序中，出钢温度为1550~1650℃。
8.如权利要求1所述的模具钢的连铸生产方法，其特征在于，所述脱氧工序中，所得钢的碱度1.8~2.8。
9.一种如权利要求1-8任一所述模具钢的连铸生产方法制备而得的模具钢。
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