模具鋼H13連鑄關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化與應(yīng)用

葉德新,曾令宇,余大華

（寶武集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司，廣東韶關(guān) 512123）

熱作模具H13鋼在淬硬條件下具有較高韌度、優(yōu)良的抗熱裂性能，是一種強韌兼具的空冷硬化型熱作模具用鋼，適用于制造壓鑄模、擠壓模、熱切邊模、熱鍛模的熱沖孔模具等［1-3］。H13鋼因具有良好的性價比及工藝性能，廣受市場的青睞，該鋼種已經(jīng)成為國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的熱作模具鋼種之一。

某鋼廠熱作模具鋼H13鋼中Si、Cr、V、Mo等元素含量高，導(dǎo)致其導(dǎo)熱性能差、裂紋敏感性強，在大方坯連鑄時存在脫引錠困難、鑄坯切不斷、切割端面不平、鑄坯低倍質(zhì)量差等問題，而無法保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性及鑄坯質(zhì)量［4-7］。因此，對H13鋼連鑄關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以保證生產(chǎn)的順行，同時提升鑄坯產(chǎn)品的質(zhì)量，顯得尤為重要。

1 連鑄生產(chǎn)流程及大方坯連鑄參數(shù)

以某鋼廠熱作模具鋼H13為研究對象，其組成成分列于表1。

表1 H13鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of H13

H13鋼的連鑄生產(chǎn)工藝流程：合格鋼水—大包回轉(zhuǎn)臺—中間罐—結(jié)晶器—二冷段—拉矯機—鑄坯切割—輸送輥道—鑄坯噴號標(biāo)識—鑄坯檢驗入庫。大方坯連鑄機的主要技術(shù)參數(shù)列于表2。

表2 連鑄主要工藝參數(shù)Table 2 Main process parameters of continuous casting

2 連鑄存在的問題及改進(jìn)

2.1 鑄坯脫引錠合格率提升

鋼廠在大方坯生產(chǎn)H13等高合金系列鋼時，澆次各流的坯頭出最后一架拉矯機時經(jīng)常會出現(xiàn)翹起，導(dǎo)致脫不了引錠，使整體脫引錠合格率僅為60%。這對鑄坯切割順行帶來了極大的負(fù)面影響，常引起滯坯，制約了連鑄正常生產(chǎn)。

通過現(xiàn)場分析及查找相關(guān)資料得知，造成這種現(xiàn)象的主要原因是H13等高合金系列鋼的合金成分含量高、導(dǎo)熱性較普鋼的差，當(dāng)拉坯速度較低和調(diào)整至目標(biāo)拉速的時間過長時，拉坯速度與冷卻速度不適應(yīng)，導(dǎo)致鑄坯表面溫度低冷卻收縮過快，造成鑄坯頭出最后一架拉矯機時翹起，從而導(dǎo)致脫引錠困難。

2.1.1 脫引錠位置優(yōu)化

鑄坯頭出第9架拉矯機時，由于鑄坯表面溫度降低而易翹起，同時脫引錠的位置靠前或靠后也會造成脫引錠輥接觸不到鑄坯頭，使之起不到脫引的作用。經(jīng)試驗摸索發(fā)現(xiàn)，各流鑄坯頭運行至脫引錠輥前面時，需進(jìn)行脫引操作，對鑄坯頭和引錠頭的結(jié)合部施加作用力，提高脫引效果，使脫引錠的合格率由60%提升至70%。

2.1.2 拉矯機熱坯壓力優(yōu)化

坯頭出最后一架拉矯機時，鑄坯表面溫度低易使其翹起，造成脫引錠輥接觸不到坯頭而起不到脫引的作用。拉矯機熱坯壓力由原每機架設(shè)定的7200 kg，調(diào)整為前5架拉矯機壓力由原設(shè)定的7200 kg提高到15 000 kg，而后4架提高至25 000 kg。對足夠強度的坯頭施加較大的壓下力，可使鑄坯出最后一架拉矯機時不會翹頭，從而保證了脫引錠成功率穩(wěn)步提升至100%。試驗結(jié)果列于表3。

表3 拉矯機壓力影響統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of the influence of tension leveler pressure

2.2 鑄坯切割優(yōu)化及改進(jìn)

對H13鋼進(jìn)行火焰切割時，由于其Cr含量較高，易造成切割火焰對鑄坯氧化失敗，無法進(jìn)行正常切割，同時由于氧化渣倒噴把切割嘴包住，造成此流徹底無法割斷。因此，在高Cr鋼切割時需噴射起助熔作用的鐵粉，如果鐵粉噴射不均勻連續(xù)或者流量不夠，均無法正常切割。

通過現(xiàn)場生產(chǎn)跟蹤及分析發(fā)現(xiàn)，H13鋼鑄坯切割成功率低下的主要因素：（1）高合金鋼切割時，選用2.9（氧孔直徑，mm）型號的割嘴，該割嘴型號偏小；割嘴距鑄坯表面高度為40—50 mm，該距離不合理，易引起氧化渣倒噴而包住割嘴，造成無法切割；（2）因鑄機較長時間不生產(chǎn)高合金鋼，對鐵粉裝置本體設(shè)備維護(hù)較差，噴射器、橡膠管等影響使用的關(guān)鍵設(shè)備部件磨損、老化嚴(yán)重，維護(hù)和更換不及時；（3）切割行程短，在當(dāng)前拉速和切割槍速下，切割行程短而成為無法完全切斷的影響因素。

2.2.1 切割前準(zhǔn)備工作的優(yōu)化

切割前需對噴槍、割嘴、切割用能源介質(zhì)的壓力和噴粉裝置等進(jìn)行優(yōu)化，以保證切割正常進(jìn)行。主、副槍均采用3.6（氧孔直徑，mm）型號割嘴，調(diào)整切割火焰，火焰垂直長度應(yīng)超出坯厚50—100 mm。割嘴清理應(yīng)做到割嘴表面無冷渣，檢查切割機能源介質(zhì)管道是否泄漏，對不良的軟管及時更換。切割用能源介質(zhì)的壓力調(diào)整和確認(rèn)，切割氧（高壓氧氣）壓力為1.0—1.2 MPa、預(yù)熱氧氣壓力為0.5—0.7 MPa、切割氣源壓力約為1.5—2.0 MPa，生產(chǎn)前由設(shè)備方調(diào)整好壓力，再根據(jù)實際火焰微調(diào)壓力，盡可能的保證足夠的氧氣和切割氣源。噴粉裝置的準(zhǔn)備，操作人員將鐵粉罐內(nèi)的氮封壓力調(diào)整為0.05—0.10 MPa，噴射器1和噴射器2的氮氣壓力為0.2—0.3 MPa，打開噴粉裝置的氮封和氮氣噴射開關(guān)，檢查噴頭氣流是否流暢，接口是否漏氣，噴頭與割嘴呈一條直線。

首先將鐵粉加入鐵粉罐中，然后打開火焰進(jìn)行噴粉測試，同時觀察噴粉狀態(tài)。對注射器氮氣壓力進(jìn)行微調(diào)，使噴頭噴射方向調(diào)整到火焰的中心。噴粉測試時目測切割火焰的狀態(tài)，已確認(rèn)噴粉狀態(tài)良好，同時保持氮氣注射器閥門常開及噴粉管道內(nèi)暢通。

2.2.2 生產(chǎn)過程的切割操作優(yōu)化

在生產(chǎn)過程中需對切割操作過程進(jìn)行優(yōu)化。切割速度由160 mm·min-1調(diào)整至110—130 mm·min-1，在切割時需注意進(jìn)槍時段，以便隨時退槍，防止噴槍。進(jìn)槍后要注意升速過程不能太快，切割速度要分段輸入，其分別為100、120、130 mm·min-1。注意噴槍的同時也要注意切割行程，保證有效的時間段內(nèi)完成切割。如有較大的噴槍現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)放棄切割，防止噴頭堵塞，保證下一次切割正常完成。

2.2.3 鑄坯切割改善效果

優(yōu)化前后鑄坯切割過程如圖1所示。對切割優(yōu)化前后鑄坯切斷情況進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果列于表4。從圖1及表4可以看出：切割優(yōu)化前鑄坯切不斷，需要人工補切，補切率達(dá)48.97%；對切割噴粉設(shè)備（割嘴、管道、氣源壓力）、切割操作（切割速度、異常處置）優(yōu)化改善后，鑄坯切割不斷的情況大為改善，鑄坯切不斷概率降至5.20%以內(nèi)。

圖1 鑄坯切割情況Figure 1 Slab cutting

表4 鑄坯切割統(tǒng)計Table 4 Statistics of slab cutting

2.3 鑄坯內(nèi)部質(zhì)量改善

由于H13鋼中合金含量高，其在大方坯連鑄過程中極易產(chǎn)生中心疏松、中心偏析及縮孔等內(nèi)部缺陷，改善上述缺陷最有效的手段即采用合適的電磁攪拌和輕壓下工藝［8-11］。

2.3.1 電磁攪拌工藝參數(shù)優(yōu)化

電磁攪拌借助在鑄坯的液相穴內(nèi)感生的電磁力強化液相穴內(nèi)鋼水的運動，由此強化鋼水的對流、傳熱和傳質(zhì)過程，從而控制鑄坯的凝固過程，對提高鑄坯質(zhì)量具有積極的作用。連鑄坯液相穴內(nèi)鋼水對流運動對消除過熱度、改善鑄坯凝固組織和成分偏析等有重大影響，其可以有效地降低鑄坯縮孔、疏松、偏析等中心缺陷級別［12-14］。根據(jù)工藝試驗對比結(jié)果，最終確定H13鋼結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)為680—720 A/2.5 Hz，末端電磁攪拌參數(shù)為680—750 A/3.5 Hz。

2.3.2 輕壓下工藝參數(shù)優(yōu)化

輕壓下技術(shù)是在鑄坯凝固末端指定區(qū)域內(nèi)施加均勻的外力，從而形成一定的壓下量，以抵消鑄坯中心液相凝固的體積收縮，使枝晶間富集溶質(zhì)的剩余液相仍保留在其原來的位置，進(jìn)而實現(xiàn)減輕甚至消除中心偏析和疏松的目的［15-16］。輕壓下工藝的效果主要取決于壓下位和壓下量［17-20］。通過多輪輕壓下工藝試驗，確定了H13鋼的總壓下為9 mm，壓下量分配列于表5。

表5 壓下參數(shù)Table 5 Reduction parameters

2.3.3 低倍檢驗情況

圖2為H13鋼連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量改善前后的低倍組織照片。從圖2可見：改善前，連鑄坯中心區(qū)域存在明顯的中心疏松、中心偏析缺陷；改善后，鑄坯中心疏松、中心偏析明顯減輕。

圖2 H13鋼連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量改善前后的低倍組織Figure 2 Macrostructure of H13 steel continuous casting slab before and after improvement of internal quality

圖3為鑄坯中心疏松低倍檢驗評級統(tǒng)計情況。從圖3可見：H13鋼內(nèi)部質(zhì)量改善后，其低倍中心疏松等級為1.0以內(nèi)的等級比例由52.4%增至85.5%，而等級為2.0以上的比例由28%降至1.5%；H13鋼低倍中心偏析等級為1.0以內(nèi)的比例由75%增至100%，表明鑄坯中心疏松得到明顯改善。

圖3 鑄坯低倍檢驗評級Figure 3 Low magnification inspection rating of slab

綜上所述，優(yōu)化電磁攪拌及輕壓下工藝參數(shù)后，使用壓下9 mm輕壓下后，H13熱作模具鋼低倍中心疏松、中心偏析得到明顯的改善。

3 結(jié)論

（1）通過優(yōu)化脫引錠時機及熱坯壓力，鑄坯脫引錠合格率由60%提升至100%。

（2）鑄坯切不斷問題得到解決，鑄坯切不斷概率由50%降至5%，有效地改善了人工勞動強度，同時保證了鑄坯入坑的緩冷時間。

（3）優(yōu)化電磁攪拌及壓下工藝后，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量得到大幅提升，鑄坯中心疏松、中心偏析的情況改善明顯，為其它類似產(chǎn)品生產(chǎn)提供了有利參考。

（4）關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用，有效地解決了H13鋼連鑄生產(chǎn)中存在的難題，保證了連鑄過程的穩(wěn)定性，提高了鑄坯的產(chǎn)品質(zhì)量。