模具鋼的電弧爐冶煉技術
模具鋼的冶煉可以用平爐、轉爐、電弧爐、電渣重熔、感應爐或真空感應爐等設備，由于模具鋼的批量小、規格品種繁多，并且有的鋼種合金含量較高，廣泛采用的還是電弧爐和感應冶煉較多，模具鋼的冶煉一般采用50t以下的電弧爐為宜。
電弧爐冶煉的一般特點：
①熱效率高，鋼液溫度可根據鋼種和工藝操作要求來調整。而且容易控制。
②冶金過程容易控制，通過控制物理化學反應過程，除去鋼中的氣體和夾雜物，獲得比較純凈的鋼液。
③可以冶煉各種合金鋼，品種變化的適應性強。
④設備相對比較簡單，投產快。
目前，我國特殊鋼廠大多數采用堿性電弧爐冶煉生產模具鋼，可以用氧化法和不氧化法冶煉，大都采用氧化法冶。
電弧爐冶煉的基本任務：
煉鋼的基本任務是：向溶池供氧，把爐料中的碳氧化到規定范圍；造渣去除原料中的S、P、O以及鋼中氣體如H、N及非金屬夾雜物，以保證鋼的質量；調整合金成分，符合出鋼的溫度的要求。
總之，基本任務可以歸納為“四脫（C、O、S、P）二去（去氣、去夾雜）二調整（成分、溫度）”。采用的主要技術手段為“供氧、造渣、升溫、加脫氧劑、合金化操作”。
⑴配料   采用氧化法冶煉時，模具鋼的冶煉要盡量配一些好料，尤其是對于要求較高的合金模具鋼。為一保證去氣和夾雜的效果，應保證氧化期沸騰的去碳量，碳（質量分數）應比成品規格高0.6%~0.7%，其他元素可以不特殊配入，但含Mo鋼應在中限。對于高Cr的合金工具鋼，爐料應使用低Si、低Mo的返回鋼和鐵合金。
⑵裝料   鋼鐵料裝入之前，可加入適量石灰或碎礦石，以利于前期提前造渣和脫磷操作，裝爐時以能使鋼鐵料熔化形成熔池為原則，將部分小料裝在底部，中間裝入大料和廢料，上層放入剩余小料，不易拉化的鐵合金可以隨爐裝入，但不要入在電極下面。要裝入的鐵合金等應經過烘烤。
⑶熔氧期   目前，大部分的電爐鋼廠都采用強化冶煉，即在還原之前強化用氧，將熔化期和氧化期合并為熔氧期。因此，應根據爐料中的磷含量于裝料前預先在爐底加入一定數量的石灰和礦石（盡量不用或少用礦石），爭取在爐料熔化90%時，造成適當的堿度的氧化渣，在溫度還不太高的時候以自動流渣方式將70%的磷去除，亦即在熔化期完成去磷任務。與此同時，在適當的去碳速度下，一般大約≥0.2%的去碳速度，就能保證熔氧期畢鋼中具有較低的氫含量。我國大多數鋼廠在采用氧化法冶煉時，熔氧期的脫碳量（質量分數）大于0.2%。熔氧初期，爐溫較低，這時力爭在氧化渣下脫去大部分的磷。后期則利用大變壓器快速升溫脫碳去氣，以便熔氧期的溫度能符合要求。
⑷還原期   扒除氧化渣后就進入還原期。該期的任務是脫氧、去硫、合金化，最后調整成分及溫度，使之達到規定的要求。扒完氧化渣后，應立即加入稀薄渣料（一般用氧化鈉、石灰和火磚=1：4：1）以防止進氣。加入量為鋼液重量的3%左右。薄渣料加入后，根據鋼種的要求加入Mn-Si合金和Al（一般為0.5~1kg/t鋼）進行預脫氧。薄渣形成后，加入Fe-Si粉和C粉進行脫氧，一般第一批的保持15min以上，加2~3批，每批間隔時間5min。在還原期要勤測溫，勤攪拌，促使溫度和成分均勻，要控制好渣量和渣況，保證足夠的堿度和良好的流動性，保證白渣出鋼。還原期應保持適當高的溫度，一般高出鋼種的熔點80~120℃。近年來為有效地提高金剛的質量和純結度，還原精煉階段一般移到鋼包中進行，采用爐外二次精煉工藝。如日本1991年電爐冶煉的特殊鋼采用爐外二次精煉的比例達到94.5%。
⑸出鋼   在出鋼前2~3min，向鋼液中插Al進行終脫氧，以進一步降低鋼中的氧含量，合金模具鋼約為0.5kg/t鋼。出鋼過程常采用鋼渣混出，以增加鋼液和渣的進一步接觸，繼續脫硫，同時使鋼液減少二次氧化。當休用爐外精煉時，應采用擋渣出鋼。目前國外發展最快的的偏心爐低出鋼。避免鋼渣進入鋼包。
出鋼溫度對于模具鋼十分重要，一般模具鋼的電爐出鋼溫度控制在1550~1620℃左右，與鋼種、是否精煉等有關。
⑹模具鋼澆注   在設備條件一定和冶煉鋼種確定時，澆注工藝是十分重要的，澆注工藝中最重要的兩個工藝參數就是澆注溫度與澆注速度。它決定鋼錠的表面質量，如冒口的收縮、氣體逸出與夾雜物的上浮、鋼的偏析、疏松、縮孔等質量問題。對于澆注溫度的確定，一般采用如下公式：
T澆注=T熔點+T過熱
式中T澆注——鋼種的液相線溫度；
T熔點——包括根據鋼種決定的澆注最小過熱量。因澆注方法和錠型等因素，要求增減的溫度以及整個澆注過程中鋼液的溫度下降值；
T過熱——開澆時鋼液溫度。
模具鋼尤其是一些高合金模具鋼的澆注，一般都采用低溫快注的原則，以減少鋼中偏析和疏松，出鋼溫度控制在高于鋼的熔點80~100℃，根據鋼種、錠型和鋼包的大小而定。澆注速度是與澆注溫度密不可分的，通常用“高溫慢注”與“低溫快注”來概括注溫與注速的關系。因此必須根據注溫調節注速，如注速過快，相當于擠高了澆注溫度，因為同一時間內帶入鋼錠模具內的熱量增加，整個鋼錠的凝固時間延長，成分偏析嚴重，夾雜物增加，氣體也不易排出，還可能出現翻皮缺陷。另外，在模具鋼的澆注過程中，一定要注意補縮。至補縮的時間與錠型、鋼種等有關系。
⑺錠模   模鑄常采用帶保溫帽和整體的錠模系統，材質一般是鑄鐵。為了減少鋼錠在凝固時的縮孔和疏松，鋼錠應保持一定的錐度，錐度一大小選擇應考慮生產的鋼種、錠重和以后的加工方式，對于模具鋼鋼錠的錐度，應大于3%，其計算方法是：α錐=(D大-D小)/2H*100%。對解剖錐度小于3%的鋼錠，發現其冒口線下100mm左右比較致密，而下部則疏松比較嚴重，尤其像A2(Cr5Mo1V)A8等鋼，則中心疏松與縮孔更嚴重。錠身錐度一般應選用3%~5%，錠模的壁厚常選用下部較上部厚些，以便快速凝固。
鋼錠模的斷面的形狀可分為方形、矩形、圓形、多邊形等。多邊形鋼錠散熱面大而均勻，鋼錠不宜產生熱裂紋，矩形錠（扁錠）存在的問題是在澆注中寬邊散熱比窄邊慢，容易產生熱裂紋，所以外形弧形錠模，并將寬邊模壁加厚，強化冷卻。方形錠模使用最多，它又分直邊、凸邊、凹邊和波浪形邊四種。鋼錠模的另一個重要的參數，就是高寬比（H/D），對模具鋼鋼錠的高寬比不應過大，否則會增加鋼錠的中心疏松、二次縮孔和熱裂的傾向；同時因鋼液面過高，靜壓力增大，對鋼中氣體和夾雜物的排出不利。
⑻連鑄   由于連鑄具有金屬收得率高、成本低和節約能源和工敢流程短等優點，加之近年來連鑄技術的發展，為了提高鋼的成材率和降低能耗，國外一些鋼廠已采用連鑄工藝生產模具鋼。低合金鋼（主要是塑料模具鋼）已正式采用此工藝，高合金工具鋼連鑄工藝天在試驗研究。由于模具鋼的大截面材的比例較多，一般采用大截面連鑄機，機型多采用水平、立式或大半徑連鑄機。如日本大同特殊鋼公司采用二流弧型大方坯連鑄機，鑄坯尺寸370mm*380mm；德國蒂森公司增設了雙流連鑄機，結晶器的截面尺寸為340mm*475mm 。為了保證質量，一般都采用保護澆注、液面控制和多級電磁攪拌等技術。
德國Siegen Krupp采用的工藝路線：
UHP→鋼包處理（直空冶煉、氣體攪拌、合金化）→連鑄→連軋→熱處理→去氧化皮、剝皮→矯直、修磨→檢驗。
用大板坯連鑄機生產出的大型板坯直接軋制成中厚反制造各種塑料模具，代替模鑄鍛造或軋制成型，在國外已普通應用，大大降低了生產成本。近些年來，國內也開始采用連鑄工藝生產塑料模具鋼。
⑼真空爐外精煉   真空爐外精煉技術是冶金工業技術的重大進步，精煉鋼的質量比末精煉鋼的質量好得多。通過精煉，鋼中氣體含量、硫含量等一步降低，夾雜物的含量也進一步降低。表2-8中說明普通電爐冶煉與真空處理的模具鋼H13鋼的夾雜物對比。真空處理的方法很多，實際就是將初煉鋼液倒入鋼包中，移到真空室內，通過吹Ar攪拌，鋼液在真空條件下激烈沸騰，隨著Ar氣泡流，鋼液被驅動而形成環流，使鋼液中的氣體隨Ar氣排出，夾雜物上浮，并進行脫硫，通過補加合金成分使成分控制準確、均勻。
真空精煉設備很多，一般有LF+VD，VAD、VOD、AOD、DH、RH、VHD等。國內目前生產模具鋼的冶金廠較多采用LF+VD或VHD、VAD等精煉工藝裝置。VD裝置真空度一般保持在約10~100Pa的水平，由于處理過程中無加熱裝置，處理時鋼液溫度下降，因而進入鋼包的鋼液溫度要比規定溫度高80~120℃，處理時間不宜過長。通過真空處理后，氣體含量降低，夾雜物減少，鋼的韌度有所改善。
表2-8 電解法測定用不同冶煉工藝生產H13鋼的氧化物的含量（質量分數，%）
氧化物種類 電弧爐冶煉 電弧爐+VHD精煉
氧化物總量 0.0084 0.0046
SiO2 0.0010 0.0010
MnO 痕 痕
FeO 0.0001 痕
Cr2O 痕 痕
CaO 無 無
A l2O3 0.0050 0.0028
MgO 0.0012 0.0030
另一類精煉設備是增加加熱裝置，如VAD、VHD法、瑞典的真空鋼包精煉ASEA-SKF法。這兩種設備的工藝操作基本相同，先除去初煉爐的熔渣重新造渣，在生產要求低S的模具鋼時采用高堿度渣。VHD法與ASEA-SKF法在加熱操作時真空度不同，VAD法真空度約為（2.0~2.4）*104Pa，ASEA-SKF法的真空度約為53Pa，它主要是通過電磁感應攪拌而產生鋼液上下流動。經過這類精煉的鋼材其氫含量可降到20*10-6以下，氧含量比不精煉時降低40%~60%，脫S率一般在40%以下。
VHD爐也是附有加熱裝置的精煉設備的一種，是由鋼包、加熱和攪拌裝置，以及加熱和真空系統構成。鋼液進入鋼包后通過造新渣進一步脫硫，并在2~5*104Pa的真空度下加熱，調整鋼液溫度和吹氬攪拌脫氣，促進非金屬夾雜物上浮排除，并使鋼液的成分均勻化，同時降低氣體的含量。在合金工具鋼的生產中，也采用LFV爐精煉技術是鋼包爐（Ladle Furnace）+真空（Vacuum）的爐外精煉法。這種集電弧加熱、氣體攪拌、真空脫氣（或真空吹氧）于一體的精煉法，通過強化熱力學和動力學條件，使鋼液在短時間內得到高度凈化和均勻，從而達到了各種冶金目的。LF爐是在大氣下利用電弧加熱調整鋼液溫度，較長時間的吹氬（一般吹氬量達50~1000m3/min）攪拌使成分和溫度均勻，使夾雜物充分上浮而排除。
⑽鋼包噴粉精煉   鋼包噴粉是爐外精煉方法之一，其特點是用氣體（最好是惰性氣體）作載體，將粉狀精煉劑通過浸入式噴槍，穿過渣層直接噴入鋼包的熔池深處，對鋼液進行氣-粉混合吹煉、洗煉、凈化?？梢钥焖倜摿?、脫氧和脫磷，獲得純凈的優質模具鋼。噴射系統由噴射罐、噴槍、氣體輸送裝置、控制系統和鋼包組成。根據工藝要求和噴射粉末品種將噴粉罐制成用途不同的各種容器，如增碳用噴粉罐、脫磷或脫硫用噴粉罐以及合金化用的噴粉罐。
噴粉精煉的工藝過程是向經電弧爐或平爐熔煉的鋼液深處噴入Ca-Si粉或CaC2粉，并進行吹氬、脫硫、脫氣凈化鋼液的工藝。噴粉量大約為2.5~3.0kg/t鋼液，噴粉時間一般不大于10min。采用CaF2-CaC2系混合粉末精煉脫磷，噴粉量約為20~40kg/min。
噴粉精煉可以提高鋼的純法度，也改善了鋼的某些性能，表2-9中列出了噴粉工藝對模具鋼的純凈度的影響。關于噴粉工藝的影響主要有以下幾個方面；
表2-9 冶煉工藝對鋼中夾雜物含量的影響
冶煉工藝 夾雜物總含量/質量分數% 各類夾雜物含量（質量分數%）
  Al2O3 SiO2 TiO2 FeO Cr2o3 MnO
電弧爐 0.0127 0.0089 0.0012 0.0001 0.0003 0.0004 痕
電弧爐+噴粉 0.0015 0.0001 0.0012 0.0001 0.0001 0.0002 痕
Ⅰ 噴粉脫硫。一般來說，高堿度渣的渣量在2%~3%時能使鋼中的硫含量下降到W(S)00.005%以下，可以達到良好的脫硫效果。如在冶煉5CrNiMo鋼中噴入Si-Ca粉后，鋼中的硫含量可低于W(S)0.004%，鋼中硫化物夾雜由系長密集的硫化錳變成球形分散的硫化物或復合硫化物。
Ⅱ 噴粉脫磷。噴吹鼓手CaC2-CaF2粉后，鋼中磷形成4CaO*P2O3或Ca3P2而進入爐渣中。如在高Cr模具鋼中噴粉后平均脫磷率為27.3%，在GCr15鋼中平均脫磷率達53%。
Ⅲ 提高鋼的等向性。噴粉后鋼中磷和硫的含量降低，夾雜物形態和分布改善，從而改善了鋼材的力學性能，特別是改善了鋼材的韌性和塑性。對5CrNiMo鋼噴粉精煉后，其斷面收縮和沖擊韌度顯著提高。