模具鋼電渣重熔工藝
電渣重熔是金屬及其合金的一種特殊的冶煉方法，雖然電渣冶金可劃分出多種技術(shù)方法和應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，但其基本和核心的技術(shù)是電渣重熔(Electroslag Remelting，簡稱ESR)。電渣重熔的基本原理是：在銅制水冷結(jié)晶器中加入固態(tài)或液態(tài)的爐渣，將自耗電極的端部插入其中。當(dāng)自耗電極、爐渣和底水箱通過短網(wǎng)與變壓器形成供電回路時(shí)，有電流從變壓器輸出通過液態(tài)熔渣。由于在上述供電回路中熔渣的電阻相對較大，占據(jù)了變壓器二次電壓的大部分壓降低，從而在渣池在產(chǎn)生大量的熱，使其處于高溫的熔融狀態(tài)，由于渣池的溫度遠(yuǎn)大于金屬的熔點(diǎn)，從而使自耗電極的端部逐漸加熱熔化，熔化的金屬匯聚成液滴，在重力的作用下金屬熔滴從電極的端頭脫落，穿過渣池進(jìn)入金屬熔池，由于水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻，液態(tài)金屬逐漸形成鋼錠。
1．電渣重熔的特點(diǎn)
電渣重熔屬于二次精煉方法，自耗電極是其原料，自耗電極可由其他的冶煉方法獲昨，如電弧爐、感應(yīng)爐、真空感應(yīng)爐和真空自耗爐等制備。電渣重熔的目的是在初煉的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提純鋼、合金和改善鋼錠的結(jié)晶組織，從而獲得高質(zhì)量的金屬產(chǎn)品，與其他的冶金方法相比，具有以下的特點(diǎn)：
①金屬的熔化、澆注和凝固在一個(gè)較純凈的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，減少了鋼液的污染。
②具有良好的冶金反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，電渣重熔過程中渣池溫度通常在1750℃以上，電極下端至金屬熔池中心區(qū)域的熔渣溫度可達(dá)1900℃左右，鋼液的過熱度可達(dá)450℃左右，高溫熔池促進(jìn)了冶金物理化學(xué)反應(yīng)。良好的動(dòng)力學(xué)條件表面在電渣重熔過程中鋼渣能進(jìn)行充分接觸，同時(shí)由于電磁力的攪拌作用，不斷更新了鋼渣打的接觸面，強(qiáng)化了冶金反應(yīng)，促進(jìn)了有害雜質(zhì)和非金屬夾雜物的去除。
③自上而下的順序凝固條件保證了重熔金屬錠結(jié)晶組織均勻致密。
在電渣重熔過程中電極的熔化和熔融金屬的結(jié)晶是同時(shí)進(jìn)行的。鋼錠上端始終有液態(tài)金屬溶池和發(fā)熱的渣池，既保溫又有足夠的液態(tài)金屬填充凝固過程中因收縮而產(chǎn)生的縮孔，可以有效的消除一般鋼錠的疏松和縮孔，現(xiàn)時(shí)金屬液中的氣體和夾雜物也易于上浮，所以鋼錠的組織致密、均勻。
④在水冷結(jié)晶器與鋼錠之間形成的薄而均勻的渣殼，保證了重熔鋼錠的表面光潔。
2．電渣重熔的工藝要素：
由于電渣重熔的獨(dú)特的優(yōu)勢，近些年來，在合金模具鋼的生產(chǎn)中大量被應(yīng)用。但在其生產(chǎn)工藝方面，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：
①電力制度
重熔時(shí)的電流大小的變化將影響熔化速度和電力消耗，也直接影響鋼錠的結(jié)晶狀態(tài)。這三個(gè)因素是相互關(guān)聯(lián)的，如增大充填比后，為避免熔速過快，使熔池過深而影響冶金質(zhì)量，就應(yīng)降低輸入功率。但為保證穩(wěn)定的熔煉過程，一般均采用較低的工作電壓。正確地選用電力制度十分重要。
②渣系及渣量
爐渣在電渣冶金中十分重要，爐渣不但能起到發(fā)熱劑的作用和精煉作用，而且是在電極熔化末端，熔滴形成和下落，在渣池與金屬熔池界面上，熔渣與金屬液之間要發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，如脫硫、去氣和吸收非金屬夾雜物，鋼中的活潑元素的氧化或某些氧化物的還原等反應(yīng)，從而對鋼的純凈度和化學(xué)成分的控制產(chǎn)生重要的影響。在模具鋼的冶煉中大部分的品種采用二元系，即CaF2-Al2O3系，這也是電渣重熔常用的渣系，一般比例為70%/30%。也有用CaF2-Al2O3-CaO三元渣系和CaF2-Al2O3-CaO-MgO四元渣系的。渣的用量一般視錠重而定。
③充填比
所謂的充填比是指電極截面積的大小和結(jié)晶器截面積之比。充填比與電渣熔煉時(shí)的熔池的大小，深度和形狀等有很大的關(guān)系，從而影響電渣鋼的質(zhì)量。加大充寺紫會(huì)降低電耗，加深熔池的深度，但過大會(huì)帶事操作的不便。小的充填比有利于夾雜物的去除，并且有利于鋼錠良好的結(jié)晶組織。
電渣重熔后，模具鋼的組織和性能有顯著提高，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1、改善鋼的低倍組織。在電渣重熔時(shí)，由于鋼液的快速凝固，其結(jié)晶的方向發(fā)生了變化，比普通的模鑄鋼錠相比有明顯的改善。重熔時(shí)樹枝狀晶的晶間距離縮小了，如H13(4Cr5MoSiV1)鋼材的中心部分檢查發(fā)現(xiàn)，模鑄鋼錠為750μm，而電渣錠生產(chǎn)時(shí)為490μm，細(xì)化的枝晶有利于組織和成分的均勻化。
2、降低鋼中的非金屬夾雜物的含量。經(jīng)電渣重熔后，鋼中的非金屬夾雜物的含量顯著降低，尤其是硫化物夾雜在形態(tài)和數(shù)量上都有明顯的變化和減少，硅酸鹽夾雜也大量被去除，氧化物多為Al2O3，但數(shù)量也明顯減少。日本JIS標(biāo)準(zhǔn)的SKD61（相當(dāng)于GB的4Cr5MoSiV1），有不同的冶煉方法生產(chǎn)的鋼材的病例雜物水平見表2-11，從表中可以得知，通過電渣重熔后鋼的純潔度明顯提高。
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