本發(fā)明涉及一種高速鋼冶煉方法，特別涉及一種加壓電渣重熔技術(shù)冶煉高品質(zhì)高速鋼的冶煉方法。
背景技術(shù)：
高速鋼一般指在使用狀態(tài)下具有高硬度的耐熱鋼，由于這種鋼含有大量的合金元素鎢、鉬、鉻、釩等，在鑄態(tài)組織中形成較多的共晶體碳化物，即萊氏體組織，故又稱它為萊氏體鋼。由于高速鋼在500℃～600℃仍可以保持高硬度和高耐磨性，其廣泛用于制作高速切削刀具、冷擠壓模和沖模等。
高速鋼由于含有較高的碳和合金元素，在凝固過程中難以避免碳的偏析，并容易在晶界上形成粗大的網(wǎng)狀碳化物導(dǎo)致脆性增加。目前降低碳化物偏析的一個有效手段即提高冷卻速率，冷卻速率越快，析出的先共析碳化物越少，共晶萊氏體網(wǎng)也越細。冷卻速率的快慢還會影響共晶碳化物的類型，冷卻速率越快，共晶碳化物將由近平衡態(tài)的M6C變?yōu)閬喎€(wěn)的M2C，亞穩(wěn)的M2C在后續(xù)的熱處理過程中會發(fā)生分解，進一步使碳化物細化、分布均勻。
傳統(tǒng)的高速鋼生產(chǎn)工藝中需要把爐外精煉的鋼水澆鑄成電渣重熔的自耗電極，利用電渣重熔技術(shù)進行二次精煉，以提高鋼的純凈度，改善鋼的低倍組織，細化鑄錠的組織和碳化物。傳統(tǒng)電渣重熔技術(shù)鑄錠在凝固過程中由于凝固收縮，在鑄錠表面與結(jié)晶器壁之間形成氣隙，減小鑄錠壁面的傳熱系數(shù)，限制了鑄錠冷卻速率的進一步提高。
加壓電渣重熔技術(shù)是電渣冶金領(lǐng)域的一項新技術(shù)，在德國已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化，其熔煉室內(nèi)的最大壓力高達4.2MPa。由于金屬熔體在固相線附近具有良好的流動性，增大鋼液中的靜壓力兩相區(qū)發(fā)生明顯變形，使鑄錠緊貼結(jié)晶器壁面，減小甚至消除鑄錠與結(jié)晶器之間的氣隙，進而顯著增大鑄錠與結(jié)晶器之間的界面換熱系數(shù)提高鑄錠的冷卻速率。傳統(tǒng)電渣重熔過程中，鑄錠與結(jié)晶器壁面之間的綜合傳熱系數(shù)為300W/(m2·K)～500W/(m2·K)，當(dāng)壓力從常壓增大到1.5MPa時，其界面綜合換熱系數(shù)增大到500W/(m2·K)～1200W/(m2·K)。采用加壓電渣重熔技術(shù)冶煉高速鋼，不僅保留了傳統(tǒng)電渣重熔過程的優(yōu)點，還可以進一步減少鑄錠與結(jié)晶器壁之間的氣隙；同時，在壓下作用下，鑄錠和底水箱接觸壓力增大，提高鑄錠的冷卻速率，細化凝固組織，提高碳化物的均勻度。
加壓電渣重熔過程中冶煉工藝和熔煉壓力的選擇是采用加壓電渣重熔技術(shù)冶煉高速鋼的核心技術(shù)，直接關(guān)系到最終產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。因此，如何選擇合理的工藝參數(shù)是采用加壓電渣重熔技術(shù)冶煉出組織致密、碳化物尺寸細小、分布均勻的高速鋼的關(guān)鍵問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決采用傳統(tǒng)電渣重熔技術(shù)冶煉高速鋼過程中鑄錠與結(jié)晶器之間的氣隙較大，限制了鑄錠的冷卻速率進一步提高的問題，本發(fā)明提供了一種采用加壓電渣重熔技術(shù)冶煉高速鋼的冶煉方法。該方法不僅可以保留傳統(tǒng)電渣重熔的優(yōu)點，還可以減小甚至消除鑄錠與結(jié)晶器壁之間的氣隙，增大鑄錠與底水箱接觸壓力，進一步提高鑄錠的冷卻速率，細化凝固組織，改善碳化物的均勻度。
本發(fā)明的一種加壓電渣重熔技術(shù)冶煉高品質(zhì)高速鋼的方法的步驟如下：
(1)渣料的準(zhǔn)備
首先配制渣料，混勻后放入電阻爐內(nèi)600℃～800℃下烘烤4～6小時，充分去除渣料中的水分，然后關(guān)閉電源，讓渣料隨爐降溫；然后將與所冶煉鋼種相同材質(zhì)的底墊、渣料和引弧屑放到底水箱中央；
(2)熔化渣料
安裝好上部的爐殼封閉爐體，然后向熔煉室內(nèi)以10L/min～15L/min的速度通入氬氣5min～10min，排除熔煉室內(nèi)的空氣，同時向結(jié)晶器內(nèi)通入常壓水，采用固渣啟動的方法化渣，其化渣電壓為35V～40V，化渣電流為2000A～3000A，化渣時間為15min～30min。
(3)加壓電渣重熔
渣料熔清后，逐漸增大熔煉室內(nèi)氬氣的壓強至2MPa～3MPa，并同步增大冷卻水的壓力，使結(jié)晶器兩側(cè)水和氣體的壓力基本保持一致。此后調(diào)整電壓和電流，正式進入熔煉階段。
(4)遞減功率補縮
在電渣重熔后期，為了保證鑄錠上部的凝固質(zhì)量，需要進行遞減功率的補縮操作，在保證爐口電壓/重熔電流的比值不變的條件下，同時按比例降低電壓和電流，達到遞減功率的目的。
(5)泄壓脫模
補縮結(jié)束后，抬升電極并關(guān)閉電源，打開泄壓閥泄至常壓，并同步降低冷卻水的壓力，等鑄錠完全冷卻后脫模。
根據(jù)本發(fā)明公開的加壓電渣重熔技術(shù)冶煉高品質(zhì)高速鋼的方法，將與所冶煉鋼種同材質(zhì)的底墊、渣料和引弧劑全部放入底水箱，采用固渣啟動的方法化渣。
根據(jù)本發(fā)明公開的加壓電渣重熔技術(shù)冶煉高品質(zhì)高速鋼的方法，在化渣期間采用常壓，正常熔煉期間熔煉室內(nèi)采用2MPa～3MPa的壓力。化渣期間采用常壓，可以減少渣池向結(jié)晶器的散熱，提高化渣效率。正常熔煉期間熔煉室內(nèi)采用2MPa～3MPa的壓力，可以減小鑄錠與結(jié)晶器之間的氣隙，強化結(jié)晶器和底水箱的冷卻效果，提高鑄錠的冷卻速率。
根據(jù)本發(fā)明公開的加壓電渣重熔技術(shù)冶煉高品質(zhì)高速鋼的方法，其在熔煉末期采用功率遞減的補縮操作。在熔煉末期，保持電壓/電流的比值恒定，同時按比例降低電流和電壓，達到補縮的效果，以獲得更好的凝固質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明公開的加壓電渣重熔技術(shù)冶煉高品質(zhì)高速鋼的方法，在熔煉結(jié)束后，打開泄壓閥泄至常壓，并同步降低冷卻水的壓力，在常壓下使鑄錠降溫至室溫。
根據(jù)本發(fā)明公開的加壓電渣重熔技術(shù)冶煉高品質(zhì)高速鋼的方法，首先在常壓下進行化渣，然后提升熔煉室內(nèi)的壓力至2MPa～3MPa進行加壓熔煉。該方法不僅能夠保留傳統(tǒng)電渣重熔過程的優(yōu)點，提高鑄錠的純凈度，改善鑄錠低倍組織的質(zhì)量，還能在壓力的作用下減小氣隙，強化結(jié)晶器和底水箱的冷卻效果，提高鑄錠的冷卻速率，細化凝固組織，提高碳化物分布的均勻性，從而獲得冶金質(zhì)量良好、性能優(yōu)異的高速鋼鑄錠。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例詳細說明本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的具體實施方式不局限于下述的實施例。
實施例1
采用加壓電渣重熔技術(shù)冶煉M42高速鋼，其化學(xué)成分如表1所示。結(jié)晶器直徑200mm，電極直徑140mm，電極插入深度15mm。
表1 M42高速鋼化學(xué)成分范圍(wt.％)
采用加壓電渣重熔技術(shù)冶煉M42高速鋼的步驟如下：
(1)渣料的準(zhǔn)備
首先配制渣料，渣料的質(zhì)量百分比為CaF2：55％，CaO：20％，Al2O3：20％，SiO2：5％，渣量為10kg，混勻后放入電阻爐，在600℃下烘烤5小時，去除渣料中的水分，然后關(guān)閉電源讓渣料隨爐降溫；然后將與所冶煉鋼種相同材質(zhì)的底墊、渣料和引弧屑放到底水箱中央；
(2)熔化渣料
安裝好上部的爐殼封閉爐體，然后向熔煉室內(nèi)以11L/min的速度通入氬氣10min，排除熔煉室內(nèi)的空氣，同時向結(jié)晶器內(nèi)通入常壓水，采用固渣啟動的方法化渣，化渣電壓為35V，化渣電流為2000A，化渣時間為15min。
(3)加壓電渣重熔
渣料熔清后，逐漸增大熔煉室內(nèi)氬氣的壓強至2.3MPa，并同步增大冷卻水的壓力，使結(jié)晶器兩側(cè)水和氣體的壓力保持一致。此后調(diào)整電壓和電流分別為45V和4500A，正式進入熔煉階段。
(4)遞減功率補縮
在電渣重熔后期，為了保證鑄錠上部的凝固質(zhì)量，需要進行遞減功率的補縮操作。在保證爐口電壓/重熔電流的比值不變的條件下，同時按比例降低電壓和電流，電流每5min降低500A。
(5)泄壓脫模
補縮結(jié)束后抬升電極關(guān)閉電源，打開泄壓閥泄至常壓，并同步降低冷卻水的壓力，等鑄錠完全冷卻后脫模。
將脫模后的鑄錠加熱至1180℃，保溫2小時，沿軸向方向鍛造成φ40mm的圓棒，終鍛溫度為910℃。球化退火工藝的退火溫度為880℃，退火時間為10小時。按照GB/T14979-94標(biāo)準(zhǔn)，取樣后用10％的硝酸酒精溶液腐蝕，對碳化物顆粒度和不均勻度進行評定，并和常壓電渣重熔的結(jié)果進行比較，結(jié)果如下表2所示。從表2中可看出，加壓電渣重熔冶煉的M42高速鋼鑄錠中碳化物尺寸細小，分布比較均勻，有利于提高高速鋼的紅硬性和耐磨性。
表2碳化物的顆粒度及不均勻度等級
實施例2
采用加壓電渣重熔技術(shù)冶煉M2高速鋼，其化學(xué)成分如下表3所示。結(jié)晶器直徑350mm，電極直徑220mm，電極插入深度10mm。
表3 M2高速鋼化學(xué)成分范圍(wt.％)
采用加壓電渣重熔技術(shù)冶煉M2高速鋼的步驟如下：
(1)渣料的準(zhǔn)備
首先配制渣料，渣料的質(zhì)量百分比為CaF2：70％，Al2O3：30％，渣量為30kg，混勻后放入電阻爐，在600℃下烘烤5小時，去除渣料中的水分，然后關(guān)閉電源讓渣料隨爐降溫；然后將與所冶煉鋼種相同材質(zhì)的底墊、渣料和引弧屑放到底水箱中央；
(2)熔化渣料
安裝好上部的爐殼封閉爐體，然后向熔煉室內(nèi)以10L/min～15L/min的速度通入氬氣8min，排除熔煉室內(nèi)的空氣，同時向結(jié)晶器內(nèi)通入常壓水，采用固渣啟動的方法化渣。化渣電壓為35V，化渣電流為2200A，化渣時間為20min。
(3)加壓電渣重熔
渣料熔清后，逐漸增大熔煉室內(nèi)氬氣的壓強至2.8MPa，并同步增大冷卻水的壓力，使結(jié)晶器兩側(cè)水和氣體的壓力基本保持一致。此后調(diào)整電壓和電流分別為48V和6500A，正式進入熔煉階段。
(4)遞減功率補縮
在電渣重熔后期，為了保證鑄錠上部的凝固質(zhì)量，需要進行遞減功率的補縮操作。在保證爐口電壓/重熔電流的比值不變的條件下，同時按比例降低電壓和電流，電流每5min降低500A。
(5)泄壓脫模
補縮結(jié)束后抬升電極關(guān)閉電源，打開泄壓閥泄至常壓，并同步降低冷卻水的壓力，等鑄錠完全冷卻后脫模。
將脫模后的鑄錠加熱至1160℃，保溫3小時，沿軸向方向鍛造成φ80mm的圓棒，終鍛溫度為940℃。球化退火工藝的退火溫度為920℃，退火時間為12小時。按照GB/T14979-94標(biāo)準(zhǔn)，取樣后用10％的硝酸酒精溶液腐蝕，對碳化物顆粒度和不均勻度進行評定，并和常壓電渣重熔的結(jié)果進行比較，結(jié)果如下表4所示。從表4中可看出，加壓電渣重熔冶煉的M2高速鋼鑄錠中碳化物尺寸細小，分布比較均勻，有利于提高高速鋼的紅硬性和耐磨性。
表4碳化物的顆粒度及不均勻度等級
實施例3
采用加壓電渣重熔技術(shù)冶煉W9Mo3Cr4V高速鋼，其化學(xué)成分如下表5所示。結(jié)晶器直徑500mm，電極直徑350mm，電極插入深度10mm。
表5 W9Mo3Cr4V高速鋼化學(xué)成分范圍(wt.％)
采用加壓電渣重熔技術(shù)冶煉W9Mo3Cr4V高速鋼的步驟如下：
(1)渣料的準(zhǔn)備
首先配制渣料，渣料的質(zhì)量百分比為CaF2：40％，CaO：30％，Al2O3：30％，渣量為66kg，混勻后放入電阻爐，在600℃～800℃下烘烤4～6小時，去除渣料中的水分，然后關(guān)閉電源讓渣料隨爐降溫；然后將與所冶煉鋼種相同材質(zhì)的底墊、渣料和引弧屑放到底水箱中央；
(2)熔化渣料
安裝上部的爐殼封閉爐體，然后向熔煉室內(nèi)以10L/min～15L/min的速度通入氬氣5min～10min，排除熔煉室內(nèi)的空氣，同時向結(jié)晶器內(nèi)通入常壓水，采用固渣啟動的方法化渣?；妷簽?8V，化渣電流為3500A，化渣時間為25min。
(3)加壓電渣重熔
渣料熔清后，逐漸增大熔煉室內(nèi)氬氣的壓強至2MPa～3MPa，并同步增大冷卻水的壓力，使結(jié)晶器兩側(cè)水和氣體的壓力基本保持一致。此后調(diào)整電壓和電流分別為50V和10000A，正式進入熔煉階段。
(4)遞減功率補縮
在電渣重熔后期，為了保證鑄錠上部的凝固質(zhì)量，需要進行遞減功率的補縮操作。在保證爐口電壓/重熔電流的比值不變的條件下，同時按比例降低電壓和電流，電流每5min降低500A。
(5)泄壓脫模
補縮結(jié)束后抬升電極關(guān)閉電源，打開泄壓閥泄至常壓，并同步降低冷卻水的壓力，等鑄錠完全冷卻后脫模。
將脫模后的鑄錠加熱至1140℃，保溫4小時，沿軸向方向鍛造成φ100mm的圓棒，終鍛溫度為920℃。球化退火工藝的退火溫度為750℃，退火時間為14小時。按照GB/T14979-94標(biāo)準(zhǔn)，取樣后用10％的硝酸酒精溶液腐蝕，對碳化物顆粒度和不均勻度進行評定，并和常壓電渣重熔的結(jié)果進行比較，結(jié)果如下表6所示。從表6中可看出，加壓電渣重熔冶煉的W9Mo3Cr4V高速鋼鑄錠中碳化物尺寸細小，分布比較均勻，有利于提高高速鋼的紅硬性和耐磨性。
表6碳化物的顆粒度及不均勻度等級