冷作模具钢短流程生产工艺与实践

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Cr12MoV钢是高碳高铬莱氏体钢，是一种应用广泛的冷作模具钢。该牌号钢的热处理畸变较小，耐磨性比一般低合金工具钢高3～4倍［2］。冷作模具使用的工况条件通常都较为苛刻，常受到较高的循环应力及冲击力作用，磨损是其最主要的失效形式［3-4］。国内高碳高合金冷作模具钢生产主要是采用电弧炉冶炼→LF炉→VD炉→模铸浇注→锻造或轧制开坯→轧制成材工艺，这种多火次锻造开坯/轧制的生产工艺存在效率低、成材率低、成本高等问题。关于板坯连铸，有学者进行了大量研究工作［5-7］。连铸工艺生产高碳高合金工模具钢有着显著的工艺优势，主要体现在：（1）可大幅提高生产效率；（2）大幅度降低成本和能源消耗；（3）成材率大幅度提高；（4）有可能得到更为细化的莱氏体共晶组织，成分组织相对均匀稳定［8］。设计了Cr12MoV钢的短流程工艺：电弧炉→LF炉→VD炉→矩形坯连铸→一火次轧制成材。通过生产工艺流程模式的优化，尤其是连铸工艺和设备的优化，实现了冷作模具钢Cr12MoV的短流程工艺规模化生产，取得了良好的综合性效果。

1化学成分

连铸生产Cr12MoV钢，对钢水的可浇性，生产的顺行提出更高的要求，同时对铸坯质量及稳定性也将是一个新的考量。从化学元素对钢的性能影响角度设定控制目标，对有害元素磷、硫及氧、氮、氢进行控制，并组织生产实施。由于化学成分的稳定性直接影响着材料热处理工艺的制定、产品质量的稳定性，同时也影响着材料使用寿命、机械性能等。Cr12MoV钢生产中要求以窄成分控制为目标，同一批次减小波动，通过降低P、S含量，可以提高材料的冲击韧性和改善脆性，提高疲劳性能，控制钢中氧含量，可以减少钢中夹杂物，提高钢的纯净度，进一步提升材料的综合性能。Cr12MoV试验钢主要元素成分控制范围及测定成分，见表1。

2生产工艺及过程控制

2.1短流程生产工艺

Cr12MoV钢生产流程为：配料→90t电弧炉→90tLF炉→90tVD炉→立弯式连铸机（2机2流）→红送、缓冷或退火→加热→950轧机轧制扁钢。

2.2电弧炉控制

电弧炉水平连续加料，采用炉门氧枪加炉壁多功能氧枪吹氧助熔，分3批次加入1.5t石灰，造泡沫渣，低温脱磷，P≤0.06%，出钢留钢30～40t，氧化渣不进入钢包。出钢C≥0.15%，出钢过程加入铝块50kg，出钢末期加入石灰500kg。出钢合金化，为提高合金收得率和冶炼效率，将熔化的钼铁、钒铁、高碳铬铁加入钢包，全过程吹氩，促进成分、温度均匀化。

2.3LF炉控制

Cr12MoV钢合金加入量大，钢包进站后快速送电、造渣、分析成分，加入专用精炼造渣剂300kg，喂Al线100m沉淀脱氧，分批次加入碳粉150kg、Al粉120kg、电石80kg，进行扩散脱氧，全过程埋弧操作，白渣时间≥30min。钢包底吹氩气搅拌，保证温度、成分的均匀性，促进气体及夹杂物上浮去除。

2.4VD炉控制

VD真空过程动态控制真空度及氩气流量，避免溢渣。真空度≤67Pa时，真空时间≥20min，真空后软吹氩≥20min，促进夹杂物上浮。

2.5连铸控制

连铸机为弧形半径6.5m的二机二流立弯式连铸机，试验钢浇铸断面150mm×630mm。中包过热度25～40℃，拉速0.80m/min，组合式铜板结晶器，涡流检测液面和自动液位控制，控制液面波动±3mm以内，结晶器非正弦振动，频率80～180次/min，振幅3.0～6.0mm，结晶器和二冷区电磁搅拌。连铸全程保护浇注，中间包采用整体式水口，钢包采用长水口密封圈和吹氩保护。Cr12MoV钢裂纹敏感性强，冷却过程组织应力大，连铸二冷采用弱冷，比水量为0.10～0.18L/kg。二冷段辊式电磁搅拌方式为正反转，时间为15s-5s-15s。连铸矩形坯定尺切割后红送加热炉。

2.6轧制控制

Cr12MoV钢150mm×630mm矩形连铸坯加热到1180℃，均热2h，开轧温度为1050℃，终轧温度＞850℃，高压水除磷压力32.0MPa。矩形连铸坯经950往复式扁钢轧机15道次轧制成19mm厚度的扁钢，轧制速度10~20mm/s。轧制工艺见表2。轧制扁钢退火后经专用精整线处理，上料机→矫平→在线探伤→表面检查→自动锯切→喷标→称重收集→入库。

3产品质量分析与讨论

采用短流程工艺生产的Cr12MoV钢150mm×630mm低倍实物如图1所示。在矩形连铸坯的整个横截面取样标准按GB/T226-2015，按YB/T4003-2016标准评定不同断面低倍评级情况见表3。以150mm×630mm矩形连铸坯为例，在整个横截面范围内，采用金属原位分析方法（OPA）分析，无明显的碳偏析，总体偏析情况控制较好，如图2所示。Cr12MoV钢矩形坯横截面从表面到心部不同位置取样，组织均匀，枝晶间距较小，共晶碳化物较细小分散，如图3所示。与传统的模铸流程相比较，短流程冶炼炉容量大，全过程实现保护浇注，有利于脱氧产物的充分上浮去除，非金属夹杂物控制优于传统模铸流程。虽然总的热加工变形比较小，但不同厚度的成品扁钢共晶碳化物不均匀级别均能够满足标准（GB/T1299-2014）I组≤3级的要求。对短流程工艺生产不同规格的成品扁钢检验非金属夹杂物（在宽度1/4处取样，按GB/T10561-2005标准检验）、共晶碳化物不均匀度（在宽度1/4处取样，按GB/T14979-1994标准检验）和低倍质量（整个横截面取样，按GB/T1979-2001标准评定），结果见表4。以40mm厚成品扁钢为例，厚度方向边部和心部取样，整体的共晶碳化物不均匀度较好，如图4所示。按GB/T4162-2008标准对扁钢产品超声探伤检验，质量等级达到A级、AA级。采用短流程生产Cr12MoV系列高碳高合金冷作模具钢产品，与传统的模铸后多火次锻造或轧制成材工艺相比较，工艺流程简化，制造周期显著缩短，铸坯到成品材的综合成材率可以达到92%，而模铸长流程的成材率经过优化后只能达到80.12%［9］，工序能耗降低20%以上。特钢厂已经采用短流程工艺实现工业化生产，2022年已生产近4万吨，取得良好的经济效益。

4结论

（1）短流程生产实践工艺，成功生产出冷作模具钢Cr12MoV扁钢产品，并工业化生产；（2）短流程生产的Cr12MoV钢连铸坯低倍组织较好，中心疏松1.5级，中心偏析1级以下。宏观碳偏析情况良好；（3）短流程生产的Cr12MoV扁钢产品中心疏松，锭型偏析良好，共晶碳化物不均匀级别均≤3级；（4）短流程生产Cr12MoV系列高碳高合金冷作模具钢产品，工艺流程简化，生产周期缩短，年产近4万余吨，综合成材率达到92%。取得良好的经济效益。

作者：朱喜达 陆家生 赵勇智 刘宇 李朋 单位：江阴华润制钢有限公司 上海大学（浙江）高端装备基础件材料研究院