冷作模具鋼短流程生產工藝與實踐

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Cr12MoV鋼是高碳高鉻萊氏體鋼，是一種應用廣泛的冷作模具鋼。該牌號鋼的熱處理畸變較小，耐磨性比一般低合金工具鋼高3～4倍［2］。冷作模具使用的工況條件通常都較為苛刻，常受到較高的循環應力及沖擊力作用，磨損是其最主要的失效形式［3-4］。國內高碳高合金冷作模具鋼生產主要是采用電弧爐冶煉→LF爐→VD爐→模鑄澆注→鍛造或軋制開坯→軋制成材工藝，這種多火次鍛造開坯/軋制的生產工藝存在效率低、成材率低、成本高等問題。關于板坯連鑄，有學者進行了大量研究工作［5-7］。連鑄工藝生產高碳高合金工模具鋼有著顯著的工藝優勢，主要體現在：（1）可大幅提高生產效率；（2）大幅度降低成本和能源消耗；（3）成材率大幅度提高；（4）有可能得到更為細化的萊氏體共晶組織，成分組織相對均勻穩定［8］。設計了Cr12MoV鋼的短流程工藝：電弧爐→LF爐→VD爐→矩形坯連鑄→一火次軋制成材。通過生產工藝流程模式的優化，尤其是連鑄工藝和設備的優化，實現了冷作模具鋼Cr12MoV的短流程工藝規模化生產，取得了良好的綜合性效果。

1化學成分

連鑄生產Cr12MoV鋼，對鋼水的可澆性，生產的順行提出更高的要求，同時對鑄坯質量及穩定性也將是一個新的考量。從化學元素對鋼的性能影響角度設定控制目標，對有害元素磷、硫及氧、氮、氫進行控制，并組織生產實施。由于化學成分的穩定性直接影響著材料熱處理工藝的制定、產品質量的穩定性，同時也影響著材料使用壽命、機械性能等。Cr12MoV鋼生產中要求以窄成分控制為目標，同一批次減小波動，通過降低P、S含量，可以提高材料的沖擊韌性和改善脆性，提高疲勞性能，控制鋼中氧含量，可以減少鋼中夾雜物，提高鋼的純凈度，進一步提升材料的綜合性能。Cr12MoV試驗鋼主要元素成分控制范圍及測定成分，見表1。

2生產工藝及過程控制

2.1短流程生產工藝

Cr12MoV鋼生產流程為：配料→90t電弧爐→90tLF爐→90tVD爐→立彎式連鑄機（2機2流）→紅送、緩冷或退火→加熱→950軋機軋制扁鋼。

2.2電弧爐控制

電弧爐水平連續加料，采用爐門氧槍加爐壁多功能氧槍吹氧助熔，分3批次加入1.5t石灰，造泡沫渣，低溫脫磷，P≤0.06%，出鋼留鋼30～40t，氧化渣不進入鋼包。出鋼C≥0.15%，出鋼過程加入鋁塊50kg，出鋼末期加入石灰500kg。出鋼合金化，為提高合金收得率和冶煉效率，將熔化的鉬鐵、釩鐵、高碳鉻鐵加入鋼包，全過程吹氬，促進成分、溫度均勻化。

2.3LF爐控制

Cr12MoV鋼合金加入量大，鋼包進站后快速送電、造渣、分析成分，加入專用精煉造渣劑300kg，喂Al線100m沉淀脫氧，分批次加入碳粉150kg、Al粉120kg、電石80kg，進行擴散脫氧，全過程埋弧操作，白渣時間≥30min。鋼包底吹氬氣攪拌，保證溫度、成分的均勻性，促進氣體及夾雜物上浮去除。

2.4VD爐控制

VD真空過程動態控制真空度及氬氣流量，避免溢渣。真空度≤67Pa時，真空時間≥20min，真空后軟吹氬≥20min，促進夾雜物上浮。

2.5連鑄控制

連鑄機為弧形半徑6.5m的二機二流立彎式連鑄機，試驗鋼澆鑄斷面150mm×630mm。中包過熱度25～40℃，拉速0.80m/min，組合式銅板結晶器，渦流檢測液面和自動液位控制，控制液面波動±3mm以內，結晶器非正弦振動，頻率80～180次/min，振幅3.0～6.0mm，結晶器和二冷區電磁攪拌。連鑄全程保護澆注，中間包采用整體式水口，鋼包采用長水口密封圈和吹氬保護。Cr12MoV鋼裂紋敏感性強，冷卻過程組織應力大，連鑄二冷采用弱冷，比水量為0.10～0.18L/kg。二冷段輥式電磁攪拌方式為正反轉，時間為15s-5s-15s。連鑄矩形坯定尺切割后紅送加熱爐。

2.6軋制控制

Cr12MoV鋼150mm×630mm矩形連鑄坯加熱到1180℃，均熱2h，開軋溫度為1050℃，終軋溫度＞850℃，高壓水除磷壓力32.0MPa。矩形連鑄坯經950往復式扁鋼軋機15道次軋制成19mm厚度的扁鋼，軋制速度10~20mm/s。軋制工藝見表2。軋制扁鋼退火后經專用精整線處理，上料機→矯平→在線探傷→表面檢查→自動鋸切→噴標→稱重收集→入庫。

3產品質量分析與討論

采用短流程工藝生產的Cr12MoV鋼150mm×630mm低倍實物如圖1所示。在矩形連鑄坯的整個橫截面取樣標準按GB/T226-2015，按YB/T4003-2016標準評定不同斷面低倍評級情況見表3。以150mm×630mm矩形連鑄坯為例，在整個橫截面范圍內，采用金屬原位分析方法（OPA）分析，無明顯的碳偏析，總體偏析情況控制較好，如圖2所示。Cr12MoV鋼矩形坯橫截面從表面到心部不同位置取樣，組織均勻，枝晶間距較小，共晶碳化物較細小分散，如圖3所示。與傳統的模鑄流程相比較，短流程冶煉爐容量大，全過程實現保護澆注，有利于脫氧產物的充分上浮去除，非金屬夾雜物控制優于傳統模鑄流程。雖然總的熱加工變形比較小，但不同厚度的成品扁鋼共晶碳化物不均勻級別均能夠滿足標準（GB/T1299-2014）I組≤3級的要求。對短流程工藝生產不同規格的成品扁鋼檢驗非金屬夾雜物（在寬度1/4處取樣，按GB/T10561-2005標準檢驗）、共晶碳化物不均勻度（在寬度1/4處取樣，按GB/T14979-1994標準檢驗）和低倍質量（整個橫截面取樣，按GB/T1979-2001標準評定），結果見表4。以40mm厚成品扁鋼為例，厚度方向邊部和心部取樣，整體的共晶碳化物不均勻度較好，如圖4所示。按GB/T4162-2008標準對扁鋼產品超聲探傷檢驗，質量等級達到A級、AA級。采用短流程生產Cr12MoV系列高碳高合金冷作模具鋼產品，與傳統的模鑄后多火次鍛造或軋制成材工藝相比較，工藝流程簡化，制造周期顯著縮短，鑄坯到成品材的綜合成材率可以達到92%，而模鑄長流程的成材率經過優化后只能達到80.12%［9］，工序能耗降低20%以上。特鋼廠已經采用短流程工藝實現工業化生產，2022年已生產近4萬噸，取得良好的經濟效益。

4結論

（1）短流程生產實踐工藝，成功生產出冷作模具鋼Cr12MoV扁鋼產品，并工業化生產；（2）短流程生產的Cr12MoV鋼連鑄坯低倍組織較好，中心疏松1.5級，中心偏析1級以下。宏觀碳偏析情況良好；（3）短流程生產的Cr12MoV扁鋼產品中心疏松，錠型偏析良好，共晶碳化物不均勻級別均≤3級；（4）短流程生產Cr12MoV系列高碳高合金冷作模具鋼產品，工藝流程簡化，生產周期縮短，年產近4萬余噸，綜合成材率達到92%。取得良好的經濟效益。

作者：朱喜達 陸家生 趙勇智 劉宇 李朋 單位：江陰華潤制鋼有限公司 上海大學（浙江）高端裝備基礎件材料研究院