CN117358893A - 一种大厚度模具钢的连铸工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大厚度模具钢的连铸工艺，涉及模具钢制备技术领域。本发明的大厚度模具钢的连铸工艺包括加热熔化、精炼、冷却、矫直等工艺。本发明通过合理的成分设计、双回路气体冷却系统、低过热度浇注工艺、凝固末端之前的重压下显著减少了大厚度(400mm)模具钢角裂、偏析、中心疏松等缺陷的产生，显著提高了其探伤合格率(99％)。
Description
技术领域
本发明涉及模具钢制备技术领域，尤其涉及一种大厚度模具钢的连铸工艺。
背景技术
模具钢是一种用于制造各种模具的高质量钢材，具有高强度、高硬度、高耐磨性、高韧性和高稳定性等特点。模具钢的连续铸造技术是一种将钢水直接浇注成所需形状和尺寸的铸坯的技术，具有生产效率高、能耗低、成本低、质量好等优点。
然而，由于模具钢的特殊性，其连续铸造过程中存在着许多技术难题，如角裂、偏析、中心疏松等缺陷，影响了产品的质量和探伤合格率。特别是对于大厚度模具钢，由于轧钢车间的压缩比限制，其探伤合格率急剧下降。为了将模具钢的厚度规格拓展到150mm以上，必须将铸坯规格做到400mm以上。但由于模具钢强度高、硬度大、塑韧性差，连续铸造400mm以上厚度坯料很容易造成角裂。
因此，如何解决大厚度模具钢的连续铸造技术难题以提高大厚度模具钢的探伤合格率，是当前模具钢生产领域亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种大厚度模具钢的连铸工艺，通过合理的成分设计结合恰当的连铸工艺，显著提高了大厚度模具钢的探伤合格率。
本发明所述大厚度模具钢的连铸工艺包括以下步骤：
S1、将原料加热熔化后的钢水进行脱氧、脱硫、脱氮等精炼处理后进行浇注；
S2、铸坯出结晶器后进入二冷区，所述二冷区设置有双回路气体冷却系统，铸坯在二冷区末端前1m处采用重压下；
S3、铸坯出二冷区后进入矫直机，铸坯经过切割机切割，然后送入加热炉进行均热处理，热处理完成后得到大厚度模具钢。
进一步地，所述钢水中Ti含量为0.03wt％-0.04wt％，Al含量＜0.02wt％。
钛元素与氮元素的亲和力比铝元素与氮元素的亲和力强，因此钛元素可以优先与氮元素形成稳定的氮化钛(TiN)，从而减少铸坯中的游离氮含量。同时，降低铝元素的含量可以减少氮化铝(AlN)的生成量，从而降低铸坯中的AlN含量。模具钢的连续铸造过程中，由于模具钢的特殊性，其强度高、硬度大、塑韧性差，连续铸造400mm以上厚度坯料很容易造成角裂。角裂的主要原因是铸坯在矫直过程中受到弯曲应力和拉伸应力的作用，导致角部的塑性变形能力不足，发生断裂。而铸坯中的AlN会降低铸坯的塑性变形能力，尤其是在第二脆性区。因此，在本发明模具钢的连续铸造过程中，通过控制钛元素和铝元素的含量，可以有效地提高铸坯在第二脆性区的塑性变形能力，避免在矫直过程中产生角裂。
在本发明中，如果Ti含量过高，会导致钢中形成过多的TiN，这些氮化钛会以细小的颗粒分布在钢中，影响钢的致密性、细化晶粒、降低时效敏感性和冷脆性等作用。同时，过多的氮化钛也会降低钢的焊接性能和切削加工性能。如果Ti含量过低，会导致钢中形成不足TiN，这些氮化钛不能有效地固定氮元素，导致铸坯中的游离氮含量增加。游离氮会增加钢的时效敏感性和冷脆性，降低钢的韧性和焊接性能。因此，本发明严格控制钢水中的Ti含量，使其既能与氮形成稳定的氮化钛，减少铸坯中的游离氮含量，又能避免产生过多的氮化钛，影响其他性能。此外，本发明还严格限定了钢水中的Al含量，若Al含量过高会导致钢中形成过多AlN，这些氮化铝会以硬脆的片状分布在钢中，影响钢的塑性变形能力，尤其是在第二脆性区。在这个温度范围内，铸坯在矫直过程中容易产生角裂。因此，Al含量应控制在0.02wt％以下，既能与氮形成稳定的氮化铝，减少铸坯中的游离氮含量，又能避免产生过多的氮化铝，影响钢的塑性变形能力。
进一步地，所述浇注采用低过热度浇注，过热度为15℃-20℃。
本发明采用低过热度浇注工艺并严格控制过热度能够降低钢液的氧化倾向，减少氧化夹杂物的生成，防止氧化夹杂物降低钢的韧性、强度和耐磨性，导致铸件在使用过程中发生断裂、开裂等失效；同时促进钢液中大量的初生晶核的形成，抑制枝晶的发展，使初生相呈现球状或近球状分布，提高铸件的组织细化和均匀化，进而提高模具钢的均匀性、韧性和抗疲劳性，减少铸件内部的应力集中和裂纹扩展；最后缩短钢液的凝固时间，降低钢液的凝固收缩率，减少铸件的内应力和变形，避免内应力和变形导致铸件在冷却或加工过程中产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷。
进一步地，所述倒角结晶器为CN202222981081.0记载的板坯用外弧倒角结晶器。
进一步地，所述二冷区长度为8-12m，角部气体压力为0.6MPa，铸坯表面气体压力为1.2MPa，降低角部冷却强度，避免矫直时角部韧性差，出现角裂。
进一步地，所述重压下速度为1mm/s。
本发明在低过热度浇注后采用重压下可以使铸坯中心部位的晶粒细化，增加等轴晶比例，抑制柱状晶生长，从而减少偏析程度。通过重压下还可以使铸坯中心部位的残余液相被挤出或分散，从而减少气体、夹杂物和低熔点组元的富集，从而减少疏松程度。最后通过重压下，可以使铸坯中心部位的缩孔或缩松被闭合或填充，从而提高铸坯的致密性和完整性。最终减少偏析和中心疏松，提高探伤合格率。
进一步地，所述矫直机的矫直力为400-600kN，矫直角度为1°-2°。
本发明还提供了一种根据上述方法制备而成的大厚度模具钢。
本发明提供的连铸工艺同样适用于厚度小于400mm的模具钢生产。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明通过合理的成分设计、双回路气体冷却系统、低过热度浇注工艺、凝固末端之前的重压下显著减少了大厚度(400mm)模具钢角裂、偏析、中心疏松等缺陷的产生，显著提高了其探伤合格率。
具体实施方式
本发明提供了一种大厚度模具钢的连铸工艺，具体包括以下步骤：
S1、将原料加热熔化后的钢水进行脱氧、脱硫、脱氮等精炼处理后进行浇注；
S2、铸坯出结晶器后进入二冷区，所述二冷区设置有双回路气体冷却系统，铸坯在二冷区末端前1m处采用重压下；
S3、铸坯出二冷区后进入矫直机，铸坯经过切割机切割，然后送入加热炉进行均热处理，热处理完成后得到大厚度模具钢。
在一个实施例中，所述钢水中Ti含量为0.03wt％-0.04wt％，Al含量＜0.02wt％。
在一个实施例中，所述浇注采用低过热度浇注，过热度为15℃-20℃。
在一个实施例中，所述倒角结晶器为CN202222981081.0记载的板坯用外弧倒角结晶器。
在一个实施例中，所述二冷区长度为8-12m，角部气体压力为0.6MPa，铸坯表面气体压力为1.2MPa，降低角部冷却强度，避免矫直时角部韧性差，出现角裂。
在一个实施例中，所述重压下速度为1mm/s。
在一个实施例中，所述矫直机的矫直力为400-600kN，矫直角度为1°-2°。
以下结合实施例对本发明提供的技术方案进行进一步说明。
本发明实施例中倒角结晶器为CN202222981081.0记载的板坯用外弧倒角结晶器。
实施例1
钢水化学成分为：C 0.35％，Si 0.4％，Mn 1.5％，Cr 1.9％，Mo 0.2％，Ni0.85％，Ti 0.03％，Al 0.015％，N 0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
将钢水加热至1600℃，经过脱氧、脱硫、脱氮等精炼处理后，浇注采用低过热度浇注，过热度为15℃，浇注机的结晶器内径为500mm×500mm，结晶器振动频率为120Hz，振幅为3mm。铸坯出结晶器后进入二冷区，二冷区长度为12m，设置有双回路气体冷却系统，角部气体压力为0.6MPa，铸坯表面气体压力为1.2MPa。铸坯在二冷区末端前1m处采用重压下，重压下速度为1mm/s。铸坯出二冷区后进入矫直机，矫直机的矫直力为600kN，矫直角度为2°。铸坯经过切割机切割成长度为6m的段坯，然后送入加热炉进行均热处理。
经过本发明的连铸工艺，所得的400mm×400mm的大厚度模具钢铸坯无角裂、偏析和中心疏松等缺陷，探伤合格率达到99％。
实施例2
钢水化学成分为：C 0.32％，Si 0.4％，Mn 1.4％，Cr 2.1％，Mo 0.3％，Ni 1.2％，Ti 0.04％，Al 0.01％，N 0.03％，余量为Fe。将钢水加热至1620℃，经过脱氧、脱硫、脱氮等精炼处理后，浇注采用低过热度浇注，过热度为20℃，浇注机的结晶器内径为500mm×500mm，结晶器振动频率为100Hz，振幅为2mm。铸坯出结晶器后进入二冷区，二冷区长度为10m，设置有双回路气体冷却系统，角部气体压力为0.6MPa，铸坯表面气体压力为1.2MPa。铸坯在二冷区末端前1m处采用重压下，重压下速度为0.8mm/s。铸坯出二冷区后进入矫直机，矫直机的矫直力为500kN，矫直角度为1.5°。铸坯经过切割机切割成长度为5m的段坯，然后送入加热炉进行均热处理。
经过本发明的连铸工艺，所得的400mm×400mm的大厚度模具钢铸坯无角裂、偏析和中心疏松等缺陷，探伤合格率达到98％。
实施例3
钢水化学成分为：C 0.38％，Si 0.3％，Mn 1.6％，Cr2％，Mo 0.5％，Ni 1％，Ti0.02％，Al 0.02％，N 0.01％，余量为Fe。将钢水加热至1640℃，经过脱氧、脱硫、脱氮等精炼处理后，浇注采用低过热度浇注，过热度为15℃，浇注机的结晶器内径为500mm×500mm，结晶器振动频率为80Hz，振幅为1.5mm。铸坯出结晶器后进入二冷区，二冷区长度为8m，设置有双回路气体冷却系统，角部气体压力为0.6MPa，铸坯表面气体压力为1.2MPa。铸坯在二冷区末端前1m处采用重压下，重压下速度为0.5mm/s。铸坯出二冷区后进入矫直机，矫直机的矫直力为400kN，矫直角度为1°。铸坯经过切割机切割成长度为4m的段坯，然后送入加热炉进行均热处理。
经过本发明的连铸工艺，所得的400mm×400mm的大厚度模具钢铸坯无角裂、偏析和中心疏松等缺陷，探伤合格率达到96％。
对比例1
同实施例1，区别在于：浇注采用低过热度浇注，过热度为10℃。
经检测，所得的400mm×400mm的大厚度模具钢铸坯探伤合格率为89％。
对比例2
同实施例1，区别在于：浇注采用低过热度浇注，过热度为30℃。
经检测，所得的400mm×400mm的大厚度模具钢铸坯探伤合格率为90％。
对比例3
同实施例1，区别在于：未采用低过热度浇注。
经检测，所得的400mm×400mm的大厚度模具钢铸坯探伤合格率为73％。
对比例4
同实施例1，区别在于：Ti 0.1wt％。
经检测，所得的400mm×400mm的大厚度模具钢铸坯探伤合格率为84％。
对比例5
同实施例1，区别在于：Ti 0.01wt％。
经检测，所得的400mm×400mm的大厚度模具钢铸坯探伤合格率为81％。
对比例6
同实施例1，区别在于：Al 0.05wt％。
经检测，所得的400mm×400mm的大厚度模具钢铸坯探伤合格率为80％。
对比例7
同实施例1，区别在于：连铸二冷未采用双回路气体冷却系统。
经检测，所得的400mm×400mm的大厚度模具钢铸坯探伤合格率为93％。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种大厚度模具钢的连铸工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将原料加热熔化后的钢水进行脱氧、脱硫、脱氮等精炼处理后进行浇注；
S2、铸坯出结晶器后进入二冷区，所述二冷区设置有双回路气体冷却系统，铸坯在二冷区末端前1m处采用重压下；
S3、铸坯出二冷区后进入矫直机，铸坯经过切割机切割，然后送入加热炉进行均热处理，热处理完成后得到大厚度模具钢；
所述钢水中Ti含量为0.03wt％-0.04wt％，Al含量＜0.02wt％；
所述浇注采用低过热度浇注，过热度为15℃-20℃。
2.根据权利要求1所述的一种大厚度模具钢的连铸工艺，其特征在于，所述二冷区长度为8-12m，角部气体压力为0.6MPa，铸坯表面气体压力为1.2MPa，降低角部冷却强度，避免矫直时角部韧性差，出现角裂。
3.根据权利要求1所述的一种大厚度模具钢的连铸工艺，其特征在于，所述重压下速度为1mm/s。
4.根据权利要求1所述的一种大厚度模具钢的连铸工艺，其特征在于，所述矫直机的矫直力为400-600kN，矫直角度为1°-2°。
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