一種導電結晶器電渣重熔制備H13鋼的方法與流程
本發明屬于電渣重熔冶煉技術領域，特別涉及一種導電結晶器電渣重熔制備H13鋼的方法。
背景技術：
熱作模具鋼作為模具鋼的重要組成部分，主要用于制造從加熱到再結晶溫度以上的固態金屬或高溫液態金屬壓制成型的模具。H13鋼是國際上廣泛應用的一種空冷硬化熱作模具鋼，在高溫下具有很高的強度和良好的熱疲勞性能，常用于制造各種錘鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等模具。
電渣重熔技術作為冶煉優質鋼錠的一種手段，以其優良的反應條件以及特殊的結晶方式有著其他煉鋼方法所不能替代的優越性，可以進一步提高鋼的純凈度、致密度、等向性和均勻性，是冶煉H13鋼的常用方法。然而，對于目前在冶煉H13鋼過程中廣泛采用的傳統電渣重熔技術，由于結晶器不導電，其電流路徑是電源→自耗電極→渣池→金屬熔池→重熔錠→底水箱→電源，很難獲得表面質量和內部質量同時良好的H13鋼電渣錠。這是因為，一般情況下，為了保證電渣重熔過程中金屬熔池的圓柱段高度，從而獲得薄而均勻的渣皮，此時需要采用較高的熔速。但是，高熔速易使金屬熔池變深，又由于結晶器中的冷卻水冷卻能力有限，對電渣錠中心區域作用較弱，因此易造成鋼液凝固前沿局部凝固時間大幅度提高，從而增加了H13鋼中易偏析元素(主要是C、Cr、Mo、V)的偏析程度，最終影響合金的使用性能。反之，如果采用較低的熔速，雖然可以獲得較為淺平的熔池，減輕易偏析元素的偏析程度，但是易使結晶器壁上的渣皮熔化量不足，使渣皮變厚，甚至產生渣溝、波紋等表面質量缺陷。
與傳統電渣重熔過程電流流向不同，導電結晶器技術在結晶器壁上嵌入導電元件，可以有多種方式讓電流經過渣池，例如對于本發明所采用的導電結晶器電渣重熔，其電流路徑一是電源→自耗電極→渣池→導電結晶器→電源，二是電源→自耗電極→渣池→金屬熔池→重熔錠→底水箱→電源，如圖1所示。采用導電結晶器能夠大大增強控制渣池和熔池之間熱分配的能力，能夠在較低熔速的情況下，使得金屬熔池形狀淺平，凝固前沿局部凝固時間短，有利于減輕易偏析元素的偏析程度；同時由于電流可以從結晶器壁通過，又保證了結晶器壁上的渣皮有足夠的熔化量，從而獲得薄而均勻的渣皮。
冶煉工藝的匹配是采用導電結晶器電渣重熔制備H13鋼的核心技術，直接關系到最終產品質量的優劣。因此，如何選擇合理的工藝參數是采用導電結晶器電渣重熔冶煉表面質量和內部質量均良好的高品質H13鋼電渣錠的關鍵問題。
技術實現要素：
為了解決采用傳統電渣重熔技術難以獲得表面質量和內部質量同時良好的H13鋼電渣錠的問題，本發明提供了一種采用導電結晶器技術電渣重熔制備H13鋼的方法，該方法可以得到淺平的金屬熔池，減輕易偏析元素的偏析程度，同時也可使金屬熔池的圓柱段高度適宜，獲得薄而均勻的渣皮，從而有效保障了電渣重熔H13鋼的表面質量和內部質量。
本發明的一種導電結晶器電渣重熔制備H13鋼的方法，包括如下步驟：
步驟1，配制渣料：
以螢石、石灰、氧化鋁和電熔鎂砂為原料，混合制得渣料，使渣料的質量百分比為：CaF2：50～60％，CaO：18～24％，Al2O3：20～25％，MgO：2～5％，CaF2、CaO、Al2O3和MgO的質量百分數之和為100％；
步驟2，烘烤渣料：
將渣料在600～800℃，保溫5～8h，隨用隨取；
步驟3，備料：
(1)將引弧環放置在電渣爐的底水箱，在引弧環上放置引弧劑；
(2)將渣料加入到導電結晶器內；
步驟4，起弧化渣：
通過開關閉合與斷開，使電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源，起弧后，在惰性氣體保護下進行化渣；
步驟5，導電結晶器電渣重熔：
(1)當渣料全部熔清后，通過開關閉合與斷開，使電流路徑為電源→自耗電極→渣池→導電結晶器→電源；
(2)在惰性氣體保護下，啟用導電結晶器進行電渣重熔，在電渣重熔過程中，分多次加入鋁粒進行脫氧；
步驟6，脫模退火：
(1)當電渣重熔補縮結束，關閉氣閥，提升電極后30～60min，脫模得鋼錠；
(2)將脫模后的鋼錠，立即進行退火，退火溫度為860～880℃，退火時間為10～12h；
(3)將退火后的鋼錠，隨爐冷卻到300℃以下，制得H13鋼。
其中：
所述步驟1中，螢石為高純螢石；氧化鋁為工業氧化鋁。
所述步驟2中，烘烤渣料裝置采用箱式電阻爐。
所述步驟3中，引弧環的材質與所冶煉鋼種相同。
所述步驟3中，引弧劑為CaF2和TiO2的混合物，按質量比，CaF2∶TiO2＝(40～60)∶(40～60)。
所述步驟3中，將渣料均勻的加入到結晶器內。
所述步驟4中，起弧方法為固態起弧法。
所述步驟4和步驟5中，惰性氣體為氬氣。
所述步驟4中，化渣在電渣爐的結晶器內進行。
所述步驟4中，化渣過程中，惰性氣體流量為15～20L/min，化渣電壓為32～38V，化渣電流為3500～4500A，化渣時間為20～25min。
所述步驟5(2)中，電渣重熔的參數為：惰性氣體流量為15～20L/min，重熔電壓為40～45V，重熔電流為5000～6000A，熔速由電渣爐結晶器尺寸確定：v＝(0.5～0.6)·D，其中：v，熔速，kg/h；D，電渣爐結晶器直徑，mm。
所述步驟5(2)中，鋁粒加入量為0.4～0.6kg/噸鋼，每10min加一次，鋁粒加入可以使電渣錠中氧含量得到進一步的降低。
所述步驟6(2)中，退火處理采用退火爐。
本發明的一種導電結晶器電渣重熔制備H13鋼的方法，與現有技術相比，有益效果為：
(1)本發明方法采用導電結晶器技術電渣重熔制備H13鋼，與傳統電渣重熔技術相比，采用導電結晶器技術既能夠保證金屬熔池形狀淺平，又能夠使渣皮薄而均勻，從而可以獲得表面質量和內部質量均良好的電渣錠；
(2)本發明方法采用低熔速電渣重熔制備H13鋼，一般情況下，傳統電渣重熔的熔速為：v＝(0.7～0.8)·D，其中：v：熔速，kg/h；D：電渣爐結晶器直徑，mm。相比之下，本發明的熔速較低，其表達式為：v＝(0.5～0.6)·D，這是因為采用較低的熔速可以獲得形狀淺平的金屬熔池，減輕易偏析元素的偏析程度；同時由于導電結晶器允許全部電流從結晶器壁通過，使得結晶器壁上的渣皮有足夠的熔化量，可使渣皮薄而均勻，從而避免了傳統電渣重熔技術常見的采用低熔速冶煉時表面質量較差的問題；
(3)本發明方法公開的一種導電結晶器電渣重熔制備H13鋼的方法，其特征在于在起弧化渣期采取電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源的連通方式，而在正常重熔期采取電流路徑為電源→自耗電極→渣池→導電結晶器→電源的連通方式，這是因為在起弧化渣期采取電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源的連通方式，可以使全部電流產生的熱量集中提供給渣料，減少化渣所用的時間，從而提高化渣的效率；而在正常重熔期采取電流路徑為電源→自耗電極→渣池→導電結晶器→電源的連通方式，則是使電流流經結晶器壁，改變渣池熱分配，提高結晶器壁上渣皮的溫度，從而在熔速較低的條件下也能保證電渣錠的表面質量；
(4)本發明方法在氬氣保護下采用導電結晶器低熔速電渣重熔H13鋼，不僅能夠降低電渣錠中的雜質元素含量，獲得形狀淺平的金屬熔池，減輕易偏析元素的偏析程度，而且還可以使渣皮薄而均勻，從而冶煉出表面質量和內部質量均良好的高品質電渣錠。
附圖說明
圖1本發明實施例的導電結晶器電渣重熔示意圖；其中：
1-自耗電極；2-冷卻水出口；3-渣池；4-金屬熔池；5-導電結晶器；6-重熔錠；7-絕緣體；8-底水箱；9-K1開關；10-C1電纜；11-冷卻水入口；12-K2開關；13-C2電纜；14-C3電纜；15-K3開關；16-電源；
圖2本發明實施例1中H13電渣錠的表面照片圖；
圖3本發明實施例1中H13電渣錠渣皮厚度照片圖；
圖4本發明實施例2中H13電渣錠的表面照片圖；
圖5本發明實施例2中H13電渣錠渣皮厚度照片圖。
具體實施方式
下面結合實施例詳細說明本發明的具體實施方式，但本發明的具體實施方式不局限于下述的實施例。
以下實施例中，螢石為高純螢石；氧化鋁為工業氧化鋁。
以下實施例中，采用導電結晶器電渣重熔制備目標鋼種H13鋼，其化學成分見表1：
表1 H13鋼化學成分范圍(wt.％)
實施例1
一種導電結晶器電渣重熔制備H13鋼的方法，導電結晶器的直徑為350mm，其導電結晶器電渣重熔示意圖如圖1所示，具體包括如下步驟：
步驟1，配制渣料：
以螢石、石灰、氧化鋁和電熔鎂砂為原料，混合制得渣料，使渣料的質量百分比為：CaF2：55％，CaO：20％，Al2O3：22％，MgO：3％，渣料質量為24kg；
步驟2，烘烤渣料：
采用箱式電阻爐將渣料在600℃，保溫6h，隨用隨取；
步驟3，備料：
(1)將與H13鋼相同材質的引弧環放置在電渣爐的底水箱，在引弧環上放置引弧劑；其中，引弧劑為CaF2和TiO2的混合物制備的引弧屑，按質量比，CaF2∶TiO2＝(40～60)∶(40～60)；
(2)將烘烤后的渣料均勻的加入到導電結晶器內；
步驟4，起弧化渣：
閉合K1開關，打開K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源，采用固態起弧法起弧后，在氬氣氣體保護下進行化渣；其中，化渣過程中，惰性氣體流量為20L/min，化渣電壓為36V，化渣電流為4200A，化渣時間為25min；
步驟5，導電結晶器電渣重熔：
(1)當渣料全部熔清后，在閉合K3開關的基礎上，打開K1開關，再閉合K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣池→導電結晶器→電源；
(2)在氬氣氣體保護下，啟用導電結晶器進行電渣重熔，在電渣重熔過程中，分多次加入鋁粒進行脫氧；其中，電渣重熔的參數為：氬氣氣體流量為20L/min，重熔電壓為42V，重熔電流為5500A，熔速由電渣爐結晶器尺寸確定，為210kg/h；鋁粒加入量為0.5kg/噸鋼，每10min加一次，鋁粒加入可以使電渣錠中氧含量得到進一步的降低。
步驟6，脫模退火：
(1)當電渣重熔補縮結束，關閉氬氣氣閥，提升電極后30min，脫模得鋼錠；
(2)將脫模后的鋼錠，立即采用退火爐進行退火，退火溫度為860℃，退火時間為12h；
(3)將退火后的鋼錠，隨爐冷卻到300℃以下，制得H13鋼。
采用導電結晶器電渣重熔制備的H13鋼化學成分如表2所示。
表2 H13鋼申渣錠的化學成分(wt.％)
從表2中可以看出，H13鋼電渣錠的化學成分均符合要求，且雜質元素P、S、O、N的含量均較低，分別只有0.0108％、0.0025％、0.0016％、0.0059％，可見本發明冶煉的電渣錠具有較高的純凈度。此外，H13鋼電渣錠無明顯偏析，內部質量良好。
對本實施例制備的H13鋼進行表面質量檢驗后，錠身表面未發現有渣溝、波紋狀等表面質量問題，如圖2所示；渣皮薄而均勻，其厚度只有1.92mm，如圖3所示。
實施例2
一種導電結晶器電渣重熔制備H13鋼，其導電結晶器的直徑為280mm，具體包括如下步驟：
步驟1，配制渣料：
以螢石、石灰、氧化鋁和電熔鎂砂為原料，混合制得渣料，使渣料的質量百分比為：CaF2：52％，CaO：21％，Al2O3：23％，MgO：4％，渣料質量為16kg；
步驟2，烘烤渣料：
采用箱式電阻爐將渣料在700℃，保溫5h，隨用隨取；
步驟3，備料：
(1)將與H13鋼相同材質的引弧環放置在電渣爐的底水箱，在引弧環上放置引弧劑；其中，引弧劑為CaF2和TiO2的混合物制備的引弧屑，按質量比，CaF2∶TiO2＝(40～60)∶(40～60)；
(2)將烘烤后的渣料均勻的加入到導電結晶器內；
步驟4，起弧化渣：
閉合K1開關，打開K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源，采用固態起弧法起弧后，在氬氣氣體保護下進行化渣；其中，化渣過程中，惰性氣體流量為15L/min，化渣電壓為34V，化渣電流為3800A，化渣時間為20min；
步驟5，導電結晶器電渣重熔：
(1)當渣料全部熔清后，在閉合K3開關的基礎上，打開K1開關，再閉合K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣池→導電結晶器→電源；
(2)在氬氣氣體保護下，啟用導電結晶器進行電渣重熔，在電渣重熔過程中，分多次加入鋁粒進行脫氧；其中，電渣重熔的參數為：氬氣氣體流量為15L/min，重熔電壓為40V，重熔電流為4500A，熔速由電渣爐結晶器尺寸確定，為160kg/h；鋁粒加入量為0.4kg/噸鋼，每10min加一次，鋁粒加入可以使電渣錠中氧含量得到進一步的降低。
步驟6，脫模退火：
(1)當電渣重熔補縮結束，關閉氬氣氣閥，提升電極后30min，脫模得鋼錠；
(2)將脫模后的鋼錠，立即采用退火爐進行退火，退火溫度為880℃，退火時間為10h；
(3)將退火后的鋼錠，隨爐冷卻到300℃以下，制得H13鋼。
采用導電結晶器電渣重熔制備的H13鋼化學成分如表3所示。
表3 H13鋼申渣錠的化學成分(wt.％)
從表3中可以看出，H13鋼電渣錠的化學成分均符合要求，且雜質元素P、S、O、N的含量均較低，分別只有0.0119％、0.0027％、0.0015％、0.0068％，可見本發明冶煉的電渣錠具有較高的純凈度。此外，H13鋼電渣錠無明顯偏析，內部質量良好。
對本實施例制備的H13鋼進行表面質量檢驗后，錠身表面未發現有渣溝、波紋狀等表面質量問題，如圖4所示；渣皮薄而均勻，其厚度只有1.60mm，如圖5所示。
實施例3
一種導電結晶器電渣重熔制備H13鋼，其導電結晶器的直徑為600mm，具體包括如下步驟：
步驟1，配制渣料：
以螢石、石灰、氧化鋁和電熔鎂砂為原料，混合制得渣料，使渣料的質量百分比為：CaF2：54％，CaO：24％，Al2O3：20％，MgO：2％，渣料質量為72kg；
步驟2，烘烤渣料：
采用箱式電阻爐將渣料在800℃，保溫5h，隨用隨取；
步驟3，備料：
(1)將與H13鋼相同材質的引弧環放置在電渣爐的底水箱，在引弧環上放置引弧劑；其中，引弧劑為CaF2和TiO2的混合物制備的引弧屑，按質量比，CaF2∶TiO2＝(40～60)∶(40～60)；
(2)將烘烤后的渣料均勻的加入到導電結晶器內；
步驟4，起弧化渣：
閉合K1開關，打開K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源，采用固態起弧法起弧后，在氬氣氣體保護下進行化渣；其中，化渣過程中，惰性氣體流量為20L/min，化渣電壓為36V，化渣電流為4200A，化渣時間為25min；
步驟5，導電結晶器電渣重熔：
(1)當渣料全部熔清后，在閉合K3開關的基礎上，打開K1開關，再閉合K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣池→導電結晶器→電源；
(2)在氬氣氣體保護下，啟用導電結晶器進行電渣重熔，在電渣重熔過程中，分多次加入鋁粒進行脫氧；其中，電渣重熔的參數為：氬氣氣體流量為20L/min，重熔電壓為50V，重熔電流為9500A，熔速由電渣爐結晶器尺寸確定，為330kg/h；鋁粒加入量為0.5kg/噸鋼，每10min加一次，鋁粒加入可以使電渣錠中氧含量得到進一步的降低。
步驟6，脫模退火：
(1)當電渣重熔補縮結束，關閉氬氣氣閥，提升電極后40min，脫模得鋼錠；
(2)將脫模后的鋼錠，立即采用退火爐進行退火，退火溫度為870℃，退火時間為10h；
(3)將退火后的鋼錠，隨爐冷卻到300℃以下，制得H13鋼。
采用導電結晶器電渣重熔制備的H13鋼化學成分如表4所示。
表4 H13鋼申渣錠的化學成分(wt.％)
從表4中可以看出，H13鋼電渣錠的化學成分均符合要求，且雜質元素P、S、O、N的含量均較低，分別只有0.0128％、0.0024％、0.0013％、0.0055％，可見本發明冶煉的電渣錠具有較高的純凈度。此外，H13鋼電渣錠無明顯偏析，內部質量良好。
對本實施例制備的H13鋼進行表面質量檢驗后，錠身表面未發現有渣溝、波紋狀等表面質量問題；渣皮薄而均勻，其厚度只有2.16mm。
實施例4
一種導電結晶器電渣重熔制備H13鋼，其導電結晶器的直徑為800mm，具體包括如下步驟：
步驟1，配制渣料：
以螢石、石灰、氧化鋁和電熔鎂砂為原料，混合制得渣料，使渣料的質量百分比為：CaF2：60％，CaO：18％，Al2O3：20％，MgO：2％，渣料質量為130kg；
步驟2，烘烤渣料：
采用箱式電阻爐將渣料在700℃，保溫6h，隨用隨取；
步驟3，備料：
(1)將與H13鋼相同材質的引弧環放置在電渣爐的底水箱，在引弧環上放置引弧劑；其中，引弧劑為CaF2和TiO2的混合物制備的引弧屑，按質量比，CaF2∶TiO2＝(40～60)∶(40～60)；
(2)將烘烤后的渣料均勻的加入到導電結晶器內；
步驟4，起弧化渣：
閉合K1開關，打開K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源，采用固態起弧法起弧后，在氬氣氣體保護下進行化渣；其中，化渣過程中，惰性氣體流量為20L/min，化渣電壓為37V，化渣電流為4300A，化渣時間為25min；
步驟5，導電結晶器電渣重熔：
(1)當渣料全部熔清后，在閉合K3開關的基礎上，打開K1開關，再閉合K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣池→導電結晶器→電源；
(2)在氬氣氣體保護下，啟用導電結晶器進行電渣重熔，在電渣重熔過程中，分多次加入鋁粒進行脫氧；其中，電渣重熔的參數為：氬氣氣體流量為20L/min，重熔電壓為45V，重熔電流為12000A，熔速由電渣爐結晶器尺寸確定，為440kg/h；鋁粒加入量為0.6kg/噸鋼，每10min加一次，鋁粒加入可以使電渣錠中氧含量得到進一步的降低。
步驟6，脫模退火：
(1)當電渣重熔補縮結束，關閉氬氣氣閥，提升電極后50min，脫模得鋼錠；
(2)將脫模后的鋼錠，立即采用退火爐進行退火，退火溫度為860℃，退火時間為11h；
(3)將退火后的鋼錠，隨爐冷卻到300℃以下，制得H13鋼。
采用導電結晶器電渣重熔制備的H13鋼化學成分如表5所示。
表5 H13鋼電渣錠的化學成分(wt.％)
從表5中可以看出，H13鋼電渣錠的化學成分均符合要求，且雜質元素P、S、O、N的含量均較低，分別只有0.0136％、0.0029％、0.0016％、0.0058％，可見本發明冶煉的電渣錠具有較高的純凈度。此外，H13鋼電渣錠無明顯偏析，內部質量良好。
對本實施例制備的H13鋼進行表面質量檢驗后，錠身表面未發現有渣溝、波紋狀等表面質量問題；渣皮薄而均勻，其厚度只有2.24mm。
實施例5
一種導電結晶器電渣重熔制備H13鋼，其導電結晶器的直徑為1000mm，具體包括如下步驟：
步驟1，配制渣料：
以螢石、石灰、氧化鋁和電熔鎂砂為原料，混合制得渣料，使渣料的質量百分比為：CaF2：52％，CaO：18％，Al2O3：25％，MgO：5％，渣料質量為200kg；
步驟2，烘烤渣料：
采用箱式電阻爐將渣料在600℃，保溫8h，隨用隨取；
步驟3，備料：
(1)將與H13鋼相同材質的引弧環放置在電渣爐的底水箱，在引弧環上放置引弧劑；其中，引弧劑為CaF2和TiO2的混合物制備的引弧屑，按質量比，CaF2∶TiO2＝(40～60)∶(40～60)；
(2)將烘烤后的渣料均勻的加入到導電結晶器內；
步驟4，起弧化渣：
閉合K1開關，打開K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源，采用固態起弧法起弧后，在氬氣氣體保護下進行化渣；其中，化渣過程中，惰性氣體流量為20L/min，化渣電壓為38V，化渣電流為4500A，化渣時間為25min；
步驟5，導電結晶器電渣重熔：
(1)當渣料全部熔清后，在閉合K3開關的基礎上，打開K1開關，再閉合K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣池→導電結晶器→電源；
(2)在氬氣氣體保護下，啟用導電結晶器進行電渣重熔，在電渣重熔過程中，分多次加入鋁粒進行脫氧；其中，電渣重熔的參數為：氬氣氣體流量為20L/min，重熔電壓為46V，重熔電流為15000A，熔速由電渣爐結晶器尺寸確定，為550kg/h；鋁粒加入量為0.6kg/噸鋼，每10min加一次，鋁粒加入可以使電渣錠中氧含量得到進一步的降低。
步驟6，脫模退火：
(1)當電渣重熔補縮結束，關閉氬氣氣閥，提升電極后60min，脫模得鋼錠；
(2)將脫模后的鋼錠，立即采用退火爐進行退火，退火溫度為870℃，退火時間為11h；
(3)將退火后的鋼錠，隨爐冷卻到300℃以下，制得H13鋼。
采用導電結晶器電渣重熔制備的H13鋼化學成分如表6所示。
表6 H13鋼申渣錠的化學成分(wt.％)
從表6中可以看出，H13鋼電渣錠的化學成分均符合要求，且雜質元素P、S、O、N的含量均較低，分別只有0.0141％、0.0030％、0.0018％、0.0062％，可見本發明冶煉的電渣錠具有較高的純凈度。此外，H13鋼電渣錠無明顯偏析，內部質量良好。
對本實施例制備的H13鋼進行表面質量檢驗后，錠身表面未發現有渣溝、波紋狀等表面質量問題；渣皮薄而均勻，其厚度只有2.38mm。
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