CN117845143A

CN117845143A - 一种高质量易切削模具钢铸坯及其制备方法

Info

Publication number: CN117845143A
Application number: CN202410258384.0A
Authority: CN
Inventors: 赵家七; 麻晗; 马建超; 李强; 蔡小锋
Original assignee: Jiangsu Shagang Steel Co ltd; Institute Of Research Of Iron & Steel shagang jiangsu Province; Jiangsu Shagang Group Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shagang Steel Co ltd; Institute Of Research Of Iron & Steel shagang jiangsu Province; Jiangsu Shagang Group Co Ltd
Priority date: 2024-03-07
Filing date: 2024-03-07
Publication date: 2024-04-09
Anticipated expiration: 2044-03-07
Also published as: CN117845143B

Abstract

本发明公开了一种高质量易切削模具钢铸坯及其制备方法，属于炼钢的方法领域。钢铸坯中的S元素的质量百分含量为0.05%‑0.15%。该制备方法包括高炉冶炼—转炉冶炼—LF炉精炼—RH炉精炼—板坯连铸—保温坑缓冷冷却工艺。本发明通过在转炉和精炼过程得到高硫含量、高纯净度的钢液，控制钢水中的脆性夹杂物，同时减少氧化物夹杂总量及尺寸，结合连铸工艺参数的优化设计，使铸坯成分及组织均匀化、表面及内部质量高质化，生产出高洁净度、高质量易切削合金模具钢铸坯。

Description

一种高质量易切削模具钢铸坯及其制备方法

技术领域

本发明涉及高质量易切削模具钢铸坯及其制备方法，属于炼钢的方法领域。

背景技术

易切削合金模具钢主要应用于各类模具、模架，便于加工切削，减少切削抗力，延长刀具寿命，且容易排除切屑，提高加工表面光洁度。由于其要求极高的加工性能和产品质量，对硫化物的形态、坯料纯净度、铸坯坯型、铸坯表面及内部质量均有非常高的要求。良好的硫化物形态有助于提升切削加工性能，小颗粒夹杂物数量太多，会导致硫化物形核生长不受控制，导致其形态不受控，进而影响切削性能。大颗粒夹杂或外来硬质夹杂对其切削加工性能控制不利，增加刀具的损耗。同时，铸坯具备良好坯型、表面质量和内部质量，对轧制及后继加工过程中降低坯料损耗，提升产品合格率等具有积极意义。

国外易切削钢主要采用电弧炉熔炼+二次精炼+连铸工艺或转炉冶炼+二次精炼+连铸工艺进行生产，该工艺成熟、产品质量可靠，已逐渐取代了电弧炉熔炼+模铸的生产方式。国外易切削钢典型生产工艺流程主要有：日本大同厂采用70t EAF-LF-RH-C-初轧开坯；日本爱知厂采用80tEAF-LF-RH-CC-初轧开坯或连轧；日本住友采用KR-70BOF-70tVAD/RH-CC生产。国内生产易切削钢大多采用电炉+模注工艺，只有少数钢厂摸索了部分易切削钢的连铸工艺，且产品质量不稳定，造成大量的易切削钢须依赖国外进口。

硫系易切削钢中硫的控制是易切削钢生产的难点，其钢中硫的收得率严重影响了钢中硫含量。目前主要采用硫磺粉直接加入、硫铁矿粉直接加入、工业纯硫亚铁加入、硫磺或硫化亚铁合金芯线加入等方法。另外，精炼过程传统造渣白渣工艺，如高碱度的CaO-SiO₂-Al₂O₃渣系极易造成钢水大量脱硫，不利于硫元素控制的稳定性。

易切削钢的浇注性是其生产稳定性的另一大难题。易切削钢的高氧含量、高硫含量大幅降低了钢水的表面张力，使钢渣分离困难，从而造成钢渣混卷，形成大量表面及皮下缺陷，甚至造成漏钢，使连铸生产难以进行；易切削钢中锰、氧含量高，在高温下会与耐火材料中的某些成分发生理化反应，使耐火材料浸蚀，在连铸生产中造成溢钢或中间包漏钢等现象；易切削钢钢液粘度大，流动性差，为保证其可浇性，必须提高浇注温度，但同时易切削钢又是裂纹敏感钢种，必须采用弱冷制度，这些相互矛盾的要求使易切削钢由模铸工艺转变为连铸工艺非常困难。因此，目前在易切削钢生产过程中，连铸工艺控制显得极其重要。

发明人经过检索本领域文献发现如下几篇专利：

（1）专利CN101580912B提供了低碳高硫易切削钢的生产工艺方法，钢中主要成分包括C 0.14%-0.20%，Si 0.17%-0.37%，Mn 1.30%-1.60%，P＜ 0.040%，S 0.080%-0.130%。采用电炉在不供电情况下吹氧冶炼，电炉热装铁水与废钢比例达到7:1-3，炉门碳氧枪和炉壁煤氧副枪交替向炉内吹氧富碳熔炼；偏心炉底留钢留渣出钢，炉后加入钢芯铝、Ba-Ca-Si或复合精炼脱氧剂的一种或几种预脱氧及合金化，然后造渣；精炼炉造低碱度渣，精炼渣的组成重量比例为：CaO 40%-50%，SiO₂ 15%-30%，Al₂O₃ 20%-35%，MgO 5%-15%；精炼炉出钢是喂Ca线或Ca-Si线，软吹时间8—15min起坑调包上连铸平台；连铸采用一机四流弧形连铸机，采用长水口氩缝密封保护和中间包吹氩保护浇铸；二冷采用弱冷工艺，结晶器采用电磁搅拌，电流为600—700A，频率为4—5Hz。获得化学成分稳定及质量良好的连铸坯。

（2）专利CN104357761B提供了一种含硫易切模具钢冶炼工艺，包括如下步骤：步骤1，精选优质废钢、优质生铁、海绵铁为原材料，控制有害元素含量：As、Sn、Pb、Sb及Bi的含量总量不大于0.05%；步骤2，进行碱性电弧炉冶炼，将原材料熔清，吹氧脱碳、去磷升温及去气去夹杂，偏心底电炉出钢，只出钢不出渣，使钢水中[P]≤0.006%，温度≥1640℃，出钢时随钢流加入沉淀脱氧剂、石灰及部分烘烤的合金；步骤3，依次通过钢包炉精炼、真空脱气、控制硫含量达到目标成分并出钢；步骤4，模铸成锭。通过提高钢中的硫含量，改善了钢在加工过程中的切削性能，有效地提高钢的抛光性能和改善表面粗糙度。

（3）专利CN103600049B提供了一种控制和改善模具钢连铸厚板坯内部质量的工艺，通过连铸机垂直段、弯曲段及矫直段水量的控制，所述垂直段水流量控制在12-19m³/h；在弯曲段内弧水流量控制在18-26m³/h，外弧水流量控制在20-28m³/h；在矫直段内弧水量控制在4-7m³/h，外弧水量控制在6-10m³/h。通过控制垂直段和弯曲段内外弧水流量，降低铸坯冷却过程的回温，减少或消除由于热应力产生的裂纹；控制矫直段内外弧水流量，控制矫直区间铸坯温度900-1100℃，减少或消除由于矫直力产生裂纹；在凝固终点附近，实施一个扇形段压下，可以使压下力传递到铸坯中心，控制和改善厚板坯中心偏析、中心疏松和缩孔。

（4）专利CN103556065B提供了一种易切削塑料模具钢板的生产方法，其工艺步骤为铁水预处理→120吨转炉炼钢→LF精炼→RH真空处理→连铸→加热→轧制→正火→回火→精整→性能检验→超声波探伤。钢的化学组成百分含量为：C=0.35～0.45%，Si=0.25～0.35%，Mn=1.50～1.60%，P≤0.008%，S=0.05~0.10%，Als=0.010~0.045%，Cr=1.80～2.00%，Mo=0.15~0.20%。生产厚度小于120mm易切削塑料模具钢板硬度为30-36HRC且差值小于±0.5HRC、超声波探伤一级合格，满足了易切削塑料模具钢板的要求。

（5）专利CN104988434B提供了一种含硫塑料模具钢厚板的生产工艺，其厚度能够达到200mm，克服现有含硫模具钢厚板中硫化物偏析严重，钢板内部疏松等问题，另提供该含硫塑料模具钢厚板的生产工艺，以450mm厚连铸坯成材，通过合理的加热制度、轧制工艺、热处理制度，使获得的含硫塑料模具钢厚板具有较好的内部质量，无砂眼，可以满足Φ2.0mm的缺陷当量探伤要求，较JB/T4730.3-2005 I级探伤标准要求更为严格，钢板组织均匀，同板硬度差在2.0HRC以内。

经过研究发现以下结论：

（1）专利CN101580912B虽然提供了低碳高硫易切削钢的生产工艺方法。但是在电炉内未使用高硫铁水和高硫废钢，后继增硫量大，成本高。同时，该发明专利所述的钢种成分并不含Al，但其在电炉出钢和LF精炼过程均加钢芯铝、Ba-Ca-Si或复合精炼脱氧剂进行脱氧合金化，该类复合脱氧剂均可大幅降低钢水和炉渣中的氧含量，同时会造成钢水中存在氧化铝类高熔点夹杂，对产品加工性能不利。另外，在精炼出钢时又喂入Ca-Si线，Ca元素可以直接和S反应脱硫，不利于S含量的稳定控制。采用高碱度保护渣，该类保护渣熔点偏高，流动性差，对坯料的润滑、导热效果不理想，不利于表面质量的控制；同时，无压下工艺，对中心疏松、偏析控制也不利。

（2）专利CN104357761B虽然提供了一种含硫易切模具钢冶炼工艺，但是在精炼过程调整硫含量时，加石灰、萤石造渣，对钢水脱硫严重。因此，过程真空脱氧、脱气以后，又要运回LF精炼炉重新加热，调整炉渣碱度2-3，碱度2.5—3.0时偏高，脱硫后又重新喂入硫线调整，工序流程复杂，对钢水质量、生产成本控制均不利。

（3）专利CN103600049B虽然提供了一种控制和改善模具钢连铸厚板坯内部质量的工艺，但是在控制铸坯冷却时，虽然通过控制垂直段和弯曲段内外弧水流量，降低铸坯冷却过程的回温，减少或消除由于热应力产生的裂纹，提高冷却强度减少回温，但板坯外侧或角部冷却未进行考虑，高硫、高合金钢种，边部和角部冷却过强易产生裂纹问题。此外，仅仅依靠末端压下难以稳定改善偏析和芯部质量，末端电磁搅拌、压下等应匹配使用，因为单一压下量过大易造成压下形成的裂纹，压下过小则对中心偏析和疏松改善不明显。

（4）专利CN103556065B虽然提供了一种易切削塑料模具钢板的生产方法，但是其在精炼过程使用石灰、合成渣造渣，并加入金属铝、电石脱氧，改造渣方法脱硫非常严重，同时精炼冶炼过程还喂入大量铝线，将铝含量控制在0.04%-0.06%，LF精炼过程综合脱硫量非常大，转炉冶炼过程为提出控制S含量的措施，导致精炼后期喂入大量硫线，达900—1000m。连铸过程采用低过热度浇注，采用弱冷配水，容易造成角部或表面出现冷却过强，在矫直时易产生裂纹。

（5）专利CN104988434B虽然提供了一种含硫塑料模具钢厚板的生产工艺，但是其在转炉未进行控硫工艺，选择在RH真空脱气结束后调整钢水硫含量，然后进行钙处理以及喂入Ti-Fe线，均会造成钢水大量脱硫，对钢水洁净度、硫化物形态控制等均不利。连铸过程采用低过热度浇注，中间包感应加热控制过热度稳定性，钢水整体温度低，二冷配水、雾化水冷等工艺控制不够细化明确，无法保证坯料冷却效果，对铸坯表面及内部质量控制不利。

常规工艺生产含硫易切削合金模具钢，虽然在KR不脱硫或者选用部分高硫废钢，但在转炉内为了脱磷，选用高碱度渣系，导致转炉会脱除一部分S元素；同时，转炉出钢加合金、碳粉全脱氧，甚至加部分铝或其他强脱氧合金元素来降低钢水氧含量，造中高碱度渣系，LF精炼过程炉渣扩散脱氧及钙处理，均会造成钢水大量的脱硫，然后需要在LF精炼过程加入大量的硫线或硫铁，S元素控制稳定性差。连铸过程采用低过热度配合中低强度冷却工艺，连铸钢水温度控制低，不利于结晶器保护渣的熔化及与铸坯的分离，且二冷水的控制及压下等并未根据各区段坯料冷却特性，精准设计水量及压下量分配。综合造成含硫易切削合金磨具钢整体生产效率低，S元素及夹杂物控制差，生产成本高。

易切削合金模具钢广泛应用于各类模具、模架，便于加工切削，且可延长刀具寿命。由于其要求极高的加工性能和产品质量，对硫化物的形态控制、坯料纯净度、铸坯的坯型、铸坯表面及内部质量均有非常高的要求。因此，为了获得高质量的易切削合金模具钢，关键是控制好钢中S含量稳定性、硫化物夹杂形态、坯料氧含量、纯净度及铸坯质量。基于此，本发明提供一种高质量含硫易切削钢铸坯及其制备方法。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种高质量易切削模具钢铸坯及其制备方法，其具体方法方案如下：

一种高质量易切削模具钢铸坯，其化学成分除铁元素外，按质量百分数计还包括：C：0.25%-0.55%、Si：0.20%-0.60%、Mn：1.25%-1.85%、Cr：1.7%-2.2%、Mo：0.10%-0.40%、S：0.05%-0.15%、Ni≤0.02%、Cu≤0.015%、P≤0.015%、T.O≤0.0015%、N≤0.0025%、H≤0.0002%、Alt≤0.0015% 、Ti≤0.0010%和其他不可避免的杂质元素组分。

进一步的，所述钢铸坯中心偏析C≤1.0级，钢铸坯宽度方向中心、1/4位置、从内弧到外弧边部1cm处各取9个点位，所有点位的Mn元素最大值和最小值与平均值比值均在0.96-1.04范围内，Cr元素最大值和最小值与平均值比值也均在0.96-1.04范围内；表面振痕、凹坑、凸块、折叠和气孔的缺陷高度或深度≤2mm。

制造高质量易切削模具钢铸坯的方法，包括以下步骤：

步骤1：高炉冶炼：选用高硫铁矿或炉料在高炉中炼铁，形成铁水，出铁进入铁包，铁水中C、Si、P、S的质量百分含量依次为：C：4.1%-4.5%、Si：0.2%-0.6%、P≤0.12%、S：0.04%-0.08%，温度为1350-1430℃，出铁完成后铁水不扒渣，直接运至转炉冶炼；

步骤2：转炉冶炼：转炉装入量为200±5t，废钢比15%-20%，选用高硫废钢或普通废钢冶炼，转炉采用双渣法冶炼，转炉吹炼前期采用开大底吹搅拌，顶枪低供氧流量吹炼，加入球团和石灰造渣，炉渣碱度为1.5-2.0，渣中T.Fe含量20%-40%，控制钢水温度≤1450℃，然后倒渣50%-70%；第二阶段吹炼，增大底吹和顶枪氧流量，分2-4批次加入石灰、轻烧和球团造渣，稳定炉渣碱度2.5-3.5，渣中T.Fe含量15%-30%，吹炼至C质量含量为0.06%-0.15%时，钢水温度1600-1640℃，氧质量含量为0.025%-0.045%，S质量含量为0.03%-0.09%，停止吹炼，开始倒渣，倒出60%-85%的炉渣，然后出钢，采用滑板挡渣，出钢留渣，进行下一炉冶炼；

步骤3：转炉出钢：出钢开始时，先向钢包中加入锰合金、硅合金、铬铁合金、钼铁合金和碳粉进行脱氧合金化，底吹流量为100-300NL/min，出钢85%时加入含硫渣、硅酸钙合成渣和石灰造渣，控制炉渣碱度为1.0-1.5，出钢结束时底吹流量为400-800NL/min，搅拌3—5min后运至LF炉进行处理；

步骤4：LF炉精炼：精炼钢包全程开启底吹氩气，加石灰、高碱度合成渣和合金化时最大透气砖氩气流量400-500NL/min，升温期间最大透气砖氩气流量为200-400NL/min，其余时间最大透气砖氩气流量为100~150NL/min；精炼过程加石灰或高碱度合成渣，钢包渣碱度控制在1.5-2.0，2.0%≤T.Fe+MnO≤4.5%，加锰合金、铬铁合金和钼铁合金将钢水中Mn、Cr、Mo成分调节到质量范围为：Mn：1.25%-1.85%、Cr：1.7%-2.2%、Mo：0.10%-0.40%，出钢温度控制1600-1620℃，出钢到RH炉；

步骤5：RH炉精炼：RH进站快速抽真空处理，真空度降至50mbar以下时开始加碳粉，将碳含量调节达到质量范围C：0.25%-0.55%，再加入硅铁合金、锰铁合金和硫铁合金进行合金化，然后快速降低真空室工作压力≤1mbar；同时向钢包渣面加入电石和碳化硅，对炉渣进行扩散脱氧，使炉渣碱度控制在2.0-3.0之间，T.Fe+MnO≤2.0%，提升气体流量为150-200Nm³/min，处理时间≥15min，然后关闭两到三级真空泵，升高真空室压力至20mbar以上，提升气体流量为100-150Nm³/min，然后RH净循环、破空出钢，出钢后软搅拌和镇静处理，再运至连铸浇注；

步骤6：板坯连铸：采用板坯连铸机浇注，连铸全程保护浇注，采用低碱度、低氧化铝含量的中包覆盖剂，控制中间包钢水高过热度，使用低熔点结晶器保护渣，结晶器开末端电磁搅拌；

步骤7：保温坑缓冷冷却。

进一步的，所述步骤1中铁包带渣量≤3kg/t。

进一步的，所述步骤2中转炉所用高硫废钢中成分的质量百分含量为：P≤0.015%，0.05%≤S≤0.25%，其余为常规C、Si、Al、Mn、Fe元素，以及其他不可避免的杂质元素；

所述步骤2中转炉所用的普通废钢成分的质量百分含量为：P≤0.015%，S≤0.03%，其余为常规C、Si、Al、Mn、Fe元素，以及其他不可避免的杂质元素；

所述转炉内加入的废钢全部是高硫废钢、全部是普通废钢或高硫废钢和普通废钢任意比例组合。

进一步的，所述步骤3转炉出钢20%-30%时开始加入30%-50%的锰合金，40%-60%的硅合金，85%-95%铬铁合金，85%-95%钼铁合金，45%-65%的碳粉。

进一步的，所述锰合金的组分按质量百分数计包括：Mn≥98%，P≤0.010%，Al≤0.0035%、Ti≤0.0025%，其余为Fe和其他不可避免的杂质组分；

所述硅合金的组分按质量百分数计包括：Si：75%—80%，P≤0.015%，Al≤0.0050%、Ti≤0.0035%，其余为Fe和其他不可避免的杂质组分；

所述铬铁合金的组分按质量百分数计包括：Cr：55%-65%、P≤0.015%，Al≤0.003%、Ti≤0.003%，其余为Fe和其他不可避免的杂质组分；

所述钼铁合金的组分按质量百分数计包括： Mo：45%-55%，P≤0.018%，Al≤0.008%、Ti≤0.006%，其余为Fe和其他不可避免的杂质组分。

进一步的，所述步骤3中含硫渣加入量1.5—2.5kg/t，其中S质量百分含量2.0%-4.0%；

所述硅酸钙合成渣加入量7—9kg/t，成分按质量百分数计包括：CaO：25%-35%，SiO₂：45%-55%，Al₂O₃≤2%，MgO：3%-6%，以及其他不可避免的组分。

进一步的，所述步骤4中精炼钢包为双透气砖，小流量砖底吹的流量为大流量透气砖流量的30%-60%，精炼过程加入石灰成分中CaO质量含量为：CaO≥95%，其余为不可避免的杂质组分。

进一步的，所述步骤4中高碱度合成渣成分按质量百分数计包括：CaO：65%-75%，SiO₂：0-20%，Al₂O₃≤5%-10%，MgO：3%-5%，以及其他不可避免的组分。

所述步骤5中RH净循环5min后，破空进行软搅拌和镇静处理，软搅拌时间5—10min，软搅拌结束后钢水静置时间≥10min，然后运至连铸浇注。

进一步的，所述步骤6中板坯连铸机断面规格为220mm×1800mm×2600mm或320mm×1800mm×2600mm，大包长水口氩气流量为150-200NL/min，中包上水口氩气流量为5-10NL/min，塞棒机构氩气流量10-15NL/min。

进一步的，所述步骤6中采用的低碱度、低氧化铝含量的中包覆盖剂成分按质量百分含量计包括：CaO：30%-35%，SiO₂：50%-55%，MnO：2%-5%、Al₂O₃≤2%，MgO：3%-6%，以及其他不可避免的组分。

进一步的，所述步骤6中结晶器保护渣渣层厚度为12-22mm，消耗量为0.15-0.20kg/t；结晶器保护渣中CaO/SiO₂=0.70-0.85，结晶器保护渣成分按质量百分含量计包括：Na₂O：8-12%，Li₂O：2.5-3.5%，F：10-15%，MgO：1-3%，单质C：2-4%，以及其他不可避免的杂质组分。

进一步的，所述步骤6中连铸中间包钢水过热度25-45℃，开浇吨位≥25t；正常浇注时中间包吨位≥28t；连浇换大包时中间包吨位≥22t；浸入式水口插入深度120—180mm，结晶器锥度1.03%-1.07%，连铸拉速控制在0.6—1.0m/min，结晶器电磁搅拌电流450—650A，频率6—8Hz。

进一步的，所述步骤7保温坑缓冷冷却的入保温坑温度≥500℃，出坑温度≤150℃。

进一步的，所述精炼钢包、连铸中间包、连铸大包长水口、浸入式水口以及塞棒与钢水接触的耐材均采用Al₂O₃质量含量≤5%的低氧化铝材质。

本发明申请保护由上方法制得的钢铸坯。

本发明申请保护由上述钢铸坯制得的模具。

本发明冶炼工艺的原理如下：

硫系易切削钢主要通过向钢中添加S元素，结合硫化物夹杂的形态控制，获得易切削加工性能。硫系易切削钢中硫是使钢产生热脆性的元素，但钢中加入锰时形成MnS，可以减轻其危害性，同时有利于改善钢的切削性。通常硫系易切削钢中含硫量范围从0.05%到0.33%不等。钢中硫化物主要以（Fe、Mn)S固溶体形式存在。

易切削合金模具钢主要用于各类模具、模架，具有方便加工切削，延长刀具寿命，减少切削抗力，提高加工表面光洁度，容易排除切屑等优点。由于其要求极高的加工性能和产品质量，对硫化物的形态控制、坯料纯净度、铸坯的坯型、表面及内部质量均有非常高的要求。

为了获得高质量的铸坯，从钢水S元素的稳定、脆性夹杂物控制、铸坯偏析及裂纹控制以及生产效率和成本控制等多维度全面控制含硫易切削合金模具钢铸坯的质量。

首先，S元素是保证合金模具钢切削加工性能的关键，在设计冶炼工艺时必须要保证S元素的稳定控制，同时兼顾生产效率和成本的控制：

（1）铁水原料不进行脱硫处理，同时转炉选用高硫废钢，进一步增加转炉钢水硫含量，提高原料硫含量，降低后继补硫线或硫铁操作，降低成本，提高冶炼效率。

（2）转炉前期采用低碱度渣系，通过高枪位、低供氧流量及添加球团工艺，提高炉渣氧化性，加强脱磷，降低炉渣脱硫作用。在转炉脱碳期采用中碱度渣系，同时采取少量多批次加球团的方式，稳定炉渣氧化性，避免碱度过高，氧化性降低而脱硫，同时也抑制了回磷，综合确保了转炉低磷高硫出钢。转炉出钢过程加入部分硅铁、锰铁及碳粉等脱氧合金化，降低脱氧程度，可以大幅降低出钢过程钢水炉渣反应脱硫作用以减轻钢水吸氮问题，同时采用铁水脱硫渣与酸性硅酸钙渣混合造渣，降低碱度渣系，可抑制炉渣脱硫，并可促进铁水渣的S回入钢水增硫。

（3）LF精炼过程将钢水成分调整到位后再加入石灰等微调炉渣碱度，但控制碱度在2.0以下，精炼后期调整炉渣碱度，且控制中小底吹，避免渣金反应剧烈而大量脱硫，同时控制炉渣具备一定的氧化性，进一步降低脱硫作用。

（4）RH真空处理过程利用深真空碳脱氧方法，进一步降低钢水氧含量，并加入全部的硅铁、锰铁合金复合脱氧，将钢水氧含量脱除彻底；另外，对加入渣面脱氧剂对炉渣进行改质，降低炉渣氧化性，降低炉渣对钢水氧化作用，而且RH处理过程不开钢包底吹，炉渣氧化性降低后对钢水作用也极弱。待钢水、炉渣成分均达标后，提高真空室压力、降低提升气体流量，使RH钢水循环通量下降，减轻对耐材的侵蚀，控制外来氧化铝、镁铝尖晶石等脆性夹杂物，同时有利于夹杂物的上浮去除。实现稳定、高效的控制钢水S含量，同时降低T.O含量，提高洁净度。

其次，转炉出钢和精炼过程采用不完全脱氧、低碱度、含弱氧化性渣系冶炼方法，结合控制合金、辅料中Al、Ti含量，将钢水中的脆性夹杂物控制在极低水平。同时，利用RH变循环流量、钢水镇静等措施有效减少外来夹杂物及高效去除钢水中已存在的夹杂物，并在连铸过程利用高过热度浇注，进一步促进夹杂物上浮。控制Si、Mn元素脱氧用量及方式，可以获得低熔点SiO₂-MnO系夹杂，同时有效控制了氧化铝、镁铝尖晶石、氧化钛等脆性夹杂，获得高质量的钢水。

最后，连铸过程采用高过热度、弱冷浇注工艺。结合使用低碱度低铝中包覆盖剂，可以减弱渣金反应造成的脱硫问题，同时防止向钢水中输入氧化铝组分。采用低熔点结晶器保护渣，结合高过热度、弱冷工艺，可以提高结晶器保护渣的熔化效果及流动性，促进连铸过程的渣钢分离。另外，需精准控制连铸过程铸坯出结晶器温度及二冷阶段的温度。因为，连铸坯出结晶器后的凝固过程中，在900℃以下第三脆性区，由于奥氏体晶界形成的先共析铁素体，弱化了晶界强度，在热应力、组织应力、机械矫直应力等综合作用下导致沿晶界开裂，且硫元素的加入扩大了铁素体组织的析出区间，加剧了裂纹的发生。

为了稳定铸坯质量，采取措施包括：

（1）通过控制垂直段和弯曲段内外弧水流量，降低铸坯冷却过程的回温，减少或消除由于热应力产生的裂纹。

（2）通过控制矫直段内外弧水流量，并精准控制宽侧中部与边部水量，控制矫直区间铸坯温度在第Ⅱ脆性区之外，减少或消除由于矫直产生裂纹。

（3）在凝固终点附近，实施一个扇形段压下比例较大，另外两个扇形段小幅压下，可以使压下力传递到铸坯中心，控制和改善厚板坯中心偏析、中心疏松和缩孔，同时，避免因为单个位置压下量过大造成的裂纹问题。

（4）施加的压下量与板坯的厚度相关，可以适应不同厚度规格和钢种的板坯控制和改善内部质量的要求。

（5）将获得的铸坯立即放入缓冷坑中进行保温，控制冷却速率及出坑温度，进一步控制冷却过程中产生的微裂纹。

综合以上全面的炼钢连铸控制方法，获得高质量的含硫易切削合金模具钢铸坯。

本发明的有益效果是：

（1）高碳高合金含硫易切削模具钢为了保证切削加工性能，对夹杂物类型、成分及组织均匀性、表面质量等均具有严格的要求。因此，控制夹杂物类型、成分组织均匀性、铸坯偏析及裂纹等是后继获得高质量易切削合金模具钢的关键。分析表明，夹杂物主要从硫化物夹杂性能和减少脆性夹杂物两个方面进行控制。成分控制方面主要考虑S元素如何经济、稳定的控制其含量，同时需要确保铸坯中C元素及合金元素均匀分布。由于高硫合金模具钢裂纹敏感性非常高，对连铸过热度、冷却工艺、冷却工艺等要求极高，避免在产生表面或内部裂纹，以便获得低缺陷率的铸坯。

本发明系统全面的设计炼钢连铸工艺方案，通过在转炉和精炼过程得到高硫含量、高纯净度的钢液，控制钢水中的脆性夹杂物，同时减少氧化物夹杂总量及尺寸，结合连铸工艺参数的优化设计，使铸坯成分及组织均匀化、表面及内部质量高质化。本发明提供了一种高质量含硫易切削合金模具钢及其制备方法，可用于生产高洁净度、高质量易切削合金模具钢铸坯。

（2）本发明系统全面的设计了从铁水和废钢原料、转炉冶炼、转炉出钢脱氧合金化及造渣工艺、精炼调渣工艺、RH合金化工艺等全流程高效、低成本控硫工艺方法，使钢水中的S元素实现稳定控制。

（3）本发明独创性的设计了转炉出钢不完全脱氧合金化结合低碱度高硫渣系工艺，联合LF精炼低碱度含弱氧化性渣系工艺方法，实现了硫元素的稳定控制。

（4）本发明全流程系统设计考虑钢中各类杂质元素及夹杂物控制，通过转炉出钢不完全脱氧合金化及精炼低碱度弱氧化性渣系设计，结合RH深真空碳脱氧及硅、锰复合脱氧以及变循环流量方法，降低钢中杂质元素含量、T.O含量及气体含量，并结合耐材、合金及辅料控制，大幅降低内生和外来夹杂物尺寸和数量，显著提高了钢水洁净度。

（5）本发明连铸采用高过热度弱冷工艺模式，通过精准分段式控制二冷配水及压下工艺，优选结晶器保护渣类型，并合理控制结晶器电磁搅拌及铸坯保温缓冷工艺等，并获得高表面质量与内部质量的连铸坯。

（6）本发明钢铸坯厚度偏差±1.5mm以内，宽度偏差±2.5mm以内，宽侧鼓肚或凹陷±2.5mm以内，窄侧鼓肚或凹陷±1.5mm以内。

附图说明

图1是本发明高质量易切削模具钢铸坯的低倍图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种高质量易切削模具钢铸坯的方法，主要包括以下步骤：

（1）高炉冶炼：选用高硫铁矿或炉料在高炉中炼铁，形成铁水，出铁进入铁包，铁包带渣量、铁水成分以及温度如表1所示，出铁完成后铁水不扒渣，直接运至转炉冶炼；

表1 铁水相关信息

（2）转炉冶炼：转炉装入量及废钢比如表2所示，选用高硫废钢或普通废钢冶炼，所用高硫废钢和普通废钢P、S成分以及使用比例也如表2所示，其余为常规C、Si、Al、Mn、Fe元素，以及其他不可避免的杂质元素。转炉采用双渣法冶炼，转炉吹炼前期采用开大底吹搅拌、顶枪低供氧流量吹炼，加入球团、石灰造渣，控制钢水温度，然后倒渣；第二阶段吹炼，增大底吹和顶枪氧流量，多批次加入石灰、轻烧、球团造渣，稳定炉渣碱度和炉渣氧化性，吹炼至合适终点成分，停止吹炼，开始倒渣，相关参数如表3所示。然后出钢，吹炼终点C、O、S含量及钢水温度如表4所示，每炉均采用滑板挡渣，出钢留渣，进行下一炉冶炼。

表2 铁水废钢相关信息

表3过程控制参数

表4 转炉终点数据

（3）转炉出钢：转炉出钢前期开始加入部分的锰合金，部分的硅合金，全部的铬铁合金、钼铁合金，部分的碳粉进行脱氧合金化，加入时机和加入比例及底吹流量如表5所示。锰合金、硅合金、铬铁合金、钼铁合金的主要元素和部分杂质成分如表6所示，其余为Fe和其他不可避免的杂质组分。出钢85%时加入含硫渣、硅酸钙合成渣、石灰造渣，控制炉渣碱度和底吹流量，搅拌一段时间后运至LF炉进行处理，详细如表7所示。硅酸钙合成渣，主要成分如表8所示，以及其他不可避免的组分。

表5 铁水废钢相关信息

表6 合金主要元素和部分杂质成分

表7 出钢渣料及底吹情况

表8 硅酸钙合成渣主要成分

（4）LF炉精炼：精炼钢包全程开启底吹氩气，精炼钢包为双透气砖，小流量砖底吹的流量为大流量透气砖流量的比例，加料与合金化、升温以及其余时间最大透气砖氩气流量期间最大透气砖氩气流量为如表9所示；精炼过程加石灰或高碱度合成渣，石灰和高碱度合成渣主要成分以及钢包渣碱度氧化性如表10所示，加锰合金、铬铁合金、钼铁合金将钢水成分出钢温度控制如表11所示，出钢到RH炉。

表9 底吹流量控制

表10 造渣料及LF精炼终点渣碱度和氧化性

表11 LF精炼终点成分和温度

（5）RH炉精炼：RH进站快速抽真空处理，真空度降至50mbar以下时开始加碳粉，再加入硅铁合金、锰铁合金、硫铁合金进行合金化，然后快速降低真空室工作压力；同时向钢包渣面加入电石、碳化硅对炉渣进行扩散脱氧，使炉渣碱度和氧化性控制如表12所示，提升气体流量为150-200Nm3/h，处理时间≥15min，然后关闭两到三级真空泵，升高真空室压力至20mbar以上，提升气体流量为100-150Nm³/h，RH净循环≥5min后，破空进行软搅拌和镇静处理，具体流量压力和时间如表13所示，运至连铸浇注。

表12 RH真空室压力和RH渣碱度及氧化性

表13 RH提升气体流量和软搅拌静置处理时间

（6）板坯连铸：采用板坯连铸机浇注，板坯连铸机断面220mm或320mm×1800mm×2600mm，大包长水口、中包上水口、塞棒机构氩气流量如表14所示。连铸全程保护浇注，采用低碱度低氧化铝中间包覆盖剂，低碱度低氧化铝中间包覆盖剂主要成分如表15所示，以及其他不可避免的组分。控制中间包钢水高过热度，使用低熔点结晶器保护渣，结晶器保护渣渣层厚度、消耗量及保护渣主要成分如表16所示，以及其他不可避免的杂质组分。结晶器开末端电磁搅拌；结晶器电磁搅拌电流450—650A，频率6—8Hz。连铸中间包钢水过热度25-45℃，开浇吨位≥25t；正常浇注时中间包吨位≥28t；连浇换大包时中间包吨位≥22t；浸入式水口插入深度120—180mm，结晶器锥度1.03%-1.07%，连铸拉速控制在0.6—1.0m/min，具体如表17所示。板坯连铸过程中结晶器水量控制如表18所示；二冷段采用超弱冷模式，二冷水量采用弱冷模式，扇形段水量从1区到11区分别为：足辊段水量55-75 NL/min，1区段内外弧180-200 NL/min、2区段内外弧310-340 NL/min、3区段内外弧320-350 NL/min、4区段内弧260-290 NL/min、5区段内外弧90-120 NL/min、6区段内弧40-60 NL/min、6区段外弧60-80NL/min、7区段内弧20-40 NL/min、7区段外弧40-60 NL/min、8区段内弧35-55 NL/min、8区段外弧80-100 NL/min、9区段内弧25-45 NL/min、9区段外弧40-60 NL/min、10区段与9区段保持一致，11-14区段内弧15-25 NL/min、11-14区段外弧25-45 NL/min，具体控制如表19所示；连铸坯总压下量及扇形段8-11段压下比例分段控制压下量如表20所示。

表14 保护气氛控制

表15 低碱度低氧化铝中间包覆盖剂主要成分

表16 保护渣消耗及主要成分

表17 保护气氛控制

表18 保结晶器水量控制

表19 二冷段水量控制

表20 连铸压下量控制

（7）保温坑缓冷冷却的入保温坑温度≥500℃，出坑温度≤150℃，具体如表21所示。

表21 RH真空室压力和RH渣碱度及氧化性

精炼钢包、连铸中间包、连铸大包长水口、浸入式水口、塞棒与钢水接触的耐材均采用Al₂O₃质量含量≤5%的低氧化铝材质。

所得的钢铸坯其化学成分除铁元素外，按质量百分数计还包括：C：0.25%-0.55%、Si：0.20%-0.60%、Mn：1.25%-1.85%、Cr：1.7%-2.2%、Mo：0.10%-0.40%、S：0.05%-0.15%、Ni≤0.02%、Cu≤0.015%、P≤0.015%、T.O≤0.0015%、N≤0.0025%、H≤0.0002%、Alt≤0.0015% 、Ti≤0.0010%和其他不可避免的杂质元素组分，具体如表22所示。所述钢铸坯中心偏析C≤1.0级，铸坯宽度方向中心、1/4位置、边部1cm处从内弧到外弧均匀各取9个点，Mn、Cr元素最大值、最小值与平均值比值0.96-1.04；表面振痕、凹坑、凸块、折叠、气孔的缺陷高度或深度≤2mm，具体如表23所示。所得的钢铸坯的实物照片如图1所示。

表22 连铸坯主要化学成分

表23 连铸坯质量

本发明方案所公开的方法手段不仅限于上述方法手段所公开的方法手段，还包括由以上方法特征任意组合所组成的方法方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明方法思想的范围内，进行多样的变更以及修改。

Claims

1.一种高质量易切削模具钢铸坯，其特征在于，其化学成分除铁元素外，按质量百分数计还包括：C：0.25%-0.55%、Si：0.20%-0.60%、Mn：1.25%-1.85%、Cr：1.7%-2.2%、Mo：0.10%-0.40%、S：0.05%-0.15%、Ni≤0.02%、Cu≤0.015%、P≤0.015%、T.O≤0.0015%、N≤0.0025%、H≤0.0002%、Alt≤0.0015% 、Ti≤0.0010%和其他不可避免的杂质元素组分。

2.根据权利要求1所述的高质量易切削模具钢铸坯，其特征在于，所述钢铸坯中心偏析C≤1.0级，钢铸坯宽度方向中心、1/4位置、从内弧到外弧边部1cm处各取9个点位，所有点位的Mn元素最大值和最小值与平均值比值均在0.96-1.04范围内，Cr元素最大值和最小值与平均值比值也均在0.96-1.04范围内；表面振痕、凹坑、凸块、折叠和气孔的缺陷高度或深度≤2mm。

3.制造权利要求1或2所述的高质量易切削模具钢铸坯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤7：保温坑缓冷冷却。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤1中铁包带渣量≤3kg/t。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤2中转炉所用高硫废钢中成分的质量百分含量为：P≤0.015%，0.05%≤S≤0.25%，其余为常规C、Si、Al、Mn、Fe元素，以及其他不可避免的杂质元素；

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3转炉出钢20%-30%时开始加入30%-50%的锰合金，40%-60%的硅合金，85%-95%铬铁合金，85%-95%钼铁合金，45%-65%的碳粉。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述锰合金的组分按质量百分数计包括：Mn≥98%，P≤0.010%，Al≤0.0035%、Ti≤0.0025%，其余为Fe和其他不可避免的杂质组分；

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3中含硫渣加入量1.5—2.5kg/t，其中S质量百分含量2.0%-4.0%；

所述硅酸钙合成渣加入量7—9kg/t，成分按质量百分数计包括：CaO：25%-35%，SiO₂ ：45%-55%，Al₂O₃≤2%，MgO：3%-6%，以及其他不可避免的组分。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤4中精炼钢包为双透气砖，小流量砖底吹的流量为大流量透气砖流量的30%-60%，精炼过程加入石灰成分中CaO质量含量为：CaO≥95%，其余为不可避免的杂质组分。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤4中高碱度合成渣成分按质量百分数计包括：CaO：65%-75%，SiO₂：0-20%，Al₂O₃≤5%-10%，MgO：3%-5%，以及其他不可避免的组分。

11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤5中RH净循环5min后，破空进行软搅拌和镇静处理，软搅拌时间5—10min，软搅拌结束后钢水静置时间≥10min，然后运至连铸浇注。

12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤6中板坯连铸机断面规格为220mm×1800mm×2600mm或320mm×1800mm×2600mm，大包长水口氩气流量为150-200NL/min，中包上水口氩气流量为5-10NL/min，塞棒机构氩气流量10-15NL/min。

13.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤6中采用的低碱度、低氧化铝含量的中包覆盖剂成分按质量百分含量计包括：CaO：30%-35%，SiO₂：50%-55%，MnO：2%-5%、Al₂O₃≤2%，MgO：3%-6%，以及其他不可避免的组分。

14.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤6中结晶器保护渣渣层厚度为12-22mm，消耗量为0.15-0.20kg/t；结晶器保护渣中CaO/SiO₂=0.70-0.85，结晶器保护渣成分按质量百分含量计包括：Na₂O：8-12%，Li₂O：2.5-3.5%，F：10-15%，MgO：1-3%，单质C：2-4%，以及其他不可避免的杂质组分。

15.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤6中连铸中间包钢水过热度25-45℃，开浇吨位≥25t；正常浇注时中间包吨位≥28t；连浇换大包时中间包吨位≥22t；浸入式水口插入深度120—180mm，结晶器锥度1.03%-1.07%，连铸拉速控制在0.6—1.0m/min，结晶器电磁搅拌电流450—650A，频率6—8Hz。

16.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤7保温坑缓冷冷却的入保温坑温度≥500℃，出坑温度≤150℃。

17.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述精炼钢包、连铸中间包、连铸大包长水口、浸入式水口以及塞棒与钢水接触的耐材均采用Al₂O₃质量含量≤5%的低氧化铝材质。

18.由权利要求3-17任一所述的方法制得的钢铸坯。

19.由权利要求18所述钢铸坯制得的模具。