Cr12型模具钢氧化法冶炼工艺

D0L:10.13374h.issn1001-053x.2007.s1.012 第29卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.1 2007年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun 2007 Cr12型模具钢氧化法冶炼工艺 陈三芽)董凯)李国丰2) 1)新余钢铁有限责任公司，新余3380012)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 摘要：介绍了传统电炉的返回吹氧法生产C12型高合金模具钢的工艺特点.通过分析传统工艺的优劣，针对“EBT 十LF”二步法治炼工艺的特点，客观上确定了新工艺流程治炼该钢种的可行性.通过合理安排电弧炉生产，总结生产 中的各种要求，逐步解决了新工艺治炼C12模具钢中存在的困难.产品质量检验表明：使用该生产工艺，C12型模 具钢成分稳定，终点控制命中率高，有利于保持产品质量的稳定性，氧化法治炼C12型模具钢较之返回吹氧法有明 显的经济效益，合计吨钢效益达到787元九. 关健词：模具钢：氧化法：C12型模具钢 分类号：TH162.1 1工艺开发背景 2返回吹氧法冶炼工艺 近年来，我国国产模具产值每年平均递增 C12型模具钢传统治炼方法是电炉返回吹氧 15.5%,但国产模具的自配率不足80%，其中，中 法，其工艺流程如下： 低档模具供过于求，而高档模具近50%靠进口，尤 废钢装炉→电炉冶炼→出钢→浇注原料钢→原 其是大型、精密、复杂、长寿命的模具缺口更大，中 料钢加返回料加铁合金装炉→电炉冶炼→出钢→红 国是模具进口大国，年进口金额相当于国产模具产 送退火→冷精整→钢锭入库， 值的25%-30%. 返回吹氧法冶炼设备参数： CI2型高合金模具钢应用于金属制品行业山， 40tEBT电炉变压器功率12500kW,40tLF 用于制作冷冲模、拉拨模、剪断模等高尺寸稳定 精炼炉，变压器功率6000kW,钢包最大容量48t, 性要求的模。由于该类型钢种为高碳、高铬钢，成 钢包中心底吹Ar. 分特殊，冶炼困难，长期以来，只在小电炉（出钢量 返回吹氧法治炼要求电炉两次冶炼才能得到 20t以下)上采用返回吹氧法治炼.1992年，由于 一炉成品钢锭，第一次为冶炼原料钢，要求原料钢 我公司5t小电炉拆除，冶炼C12型模具钢的任务 为高碳低磷成分，便于第二次冶炼时配料，冶炼原 转移到40t电炉上进行，仍采用传统的返回法冶炼， 料钢的主要目的是为了克服返回吹氧法无法脱磷的 产品成分均匀、质量稳定，但生产成本高.1997年， 特点，而先期降低组成成品钢的主要原料（废钢）中 将40t电炉改造为偏心炉底出钢电炉，取消传统电 的磷含量，同时为提高第二次冶炼时的配碳准确 炉“三阶段式”（熔化、氧化、还原）冶炼工艺，改为 性，将原料中的碳含量调整到较高含量水平，第二 熔氧结合和钢包合金化的二步法电炉炼钢新工 次治炼成品钢按成品钢成分要求将原料钢、本钢种 艺.对一般的合金钢而言，采用二步法新工艺治炼 返回料和铁合金一起装炉，电炉通电熔化，全熔后 是成功的，明显地缩短了电炉冶炼时间，提高了产 达到一定程度吹氧，脱碳保铬、去气去夹杂，最后 量，降低了治炼电耗，成本明显下降.全部钢水经 还原出钢. 过钢包精炼成分、温度控制准确，夹杂物上浮充分， 保证了产品质量.但对于C12型高碳高铬钢来说， 3Cr12型模具钢氧化冶炼的可 采用二步法（电炉氧化法）冶炼能否可行，是本课题 性行分析 的研究内容. EBT+LF”的二步法冶炼工艺的特点是将 收膏日期：2007-02-01 倦回日期：2007-04-15 作者简介：陈三芽(1972一)，男

第 29 卷 增刊 1 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol.29 Suppl.1 2007 年 6 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun 2007 收稿日期：2007−02−01 修回日期：2007−04−15 作者简介：陈三芽 (1972—)，男 Cr12 型模具钢氧化法冶炼工艺 陈三芽 1) 董 凯 2) 李国丰 2) 1) 新余钢铁有限责任公司，新余 338001 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 摘 要：介绍了传统电炉的返回吹氧法生产 Cr12 型高合金模具钢的工艺特点．通过分析传统工艺的优劣，针对“EBT ＋LF”二步法冶炼工艺的特点，客观上确定了新工艺流程冶炼该钢种的可行性．通过合理安排电弧炉生产，总结生产 中的各种要求，逐步解决了新工艺冶炼 Cr12 模具钢中存在的困难．产品质量检验表明：使用该生产工艺，Cr12 型模 具钢成分稳定，终点控制命中率高，有利于保持产品质量的稳定性．氧化法冶炼 Cr12 型模具钢较之返回吹氧法有明 显的经济效益，合计吨钢效益达到 787 元/t． 关键词：模具钢；氧化法；Cr12 型模具钢 分类号：TH162+ .1 1 工艺开发背景 近年来，我国国产模具产值每年平均递增 15.5%，但国产模具的自配率不足 80%，其中，中 低档模具供过于求，而高档模具近 50%靠进口，尤 其是大型、精密、复杂、长寿命的模具缺口更大．中 国是模具进口大国，年进口金额相当于国产模具产 值的 25%~30%． Cr12 型高合金模具钢应用于金属制品行业[1], 用于制作冷冲模[2]、拉拨模、剪断模等高尺寸稳定 性要求的模．由于该类型钢种为高碳、高铬钢，成 分特殊，冶炼困难，长期以来，只在小电炉(出钢量 20 t 以下)上采用返回吹氧法冶炼．1992 年，由于 我公司 5 t 小电炉拆除，冶炼 Cr12 型模具钢的任务 转移到 40 t 电炉上进行，仍采用传统的返回法冶炼， 产品成分均匀、质量稳定，但生产成本高．1997 年， 将 40 t 电炉改造为偏心炉底出钢电炉，取消传统电 炉“三阶段式”(熔化、氧化、还原)冶炼工艺，改为 熔氧结合和钢包合金化的二步法电炉炼钢新工 艺．对一般的合金钢而言，采用二步法新工艺冶炼 是成功的，明显地缩短了电炉冶炼时间，提高了产 量，降低了冶炼电耗，成本明显下降．全部钢水经 过钢包精炼成分、温度控制准确，夹杂物上浮充分， 保证了产品质量．但对于 Cr12 型高碳高铬钢来说， 采用二步法(电炉氧化法)冶炼能否可行，是本课题 的研究内容． 2 返回吹氧法冶炼工艺 Cr12 型模具钢传统冶炼方法是电炉返回吹氧 法．其工艺流程如下： 废钢装炉→电炉冶炼→出钢→浇注原料钢→原 料钢加返回料加铁合金装炉→电炉冶炼→出钢→红 送退火→冷精整→钢锭入库． 返回吹氧法冶炼设备参数： 40 t EBT 电炉变压器功率 12500 kW，40 t LF 精炼炉，变压器功率 6000 kW，钢包最大容量 48 t， 钢包中心底吹Ａr． 返回吹氧法[3]冶炼要求电炉两次冶炼才能得到 一炉成品钢锭，第一次为冶炼原料钢，要求原料钢 为高碳低磷成分，便于第二次冶炼时配料，冶炼原 料钢的主要目的是为了克服返回吹氧法无法脱磷的 特点，而先期降低组成成品钢的主要原料(废钢)中 的磷含量[4]，同时为提高第二次冶炼时的配碳准确 性，将原料中的碳含量调整到较高含量水平．第二 次冶炼成品钢按成品钢成分要求将原料钢、本钢种 返回料和铁合金一起装炉，电炉通电熔化，全熔后 达到一定程度吹氧，脱碳保铬、去气去夹杂，最后 还原出钢． 3 Ｃr12 型模具钢氧化法冶炼的可 性行分析 “EBT+LF”的二步法冶炼工艺的特点 [5]是 将 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2007.s1.012

·126* 北京科技大学学报 2007年增刊1 EBT电炉的熔化过程与LF炉的还原过程分开在不 的成品钢. 同的容器中完成，功能专一、优势明显，但对于冶 炼Cl2型模具钢而言，困难在于大量的合金和本钢 Cr12型模具钢氧化法冶炼工艺实 种返回料如何加入.EBT电炉只能作为一个熔化废 践 钢和完成氧化去P、去气、去夹杂任务的容器，如 果在电炉加入铁合金或本钢种返回料，必然引起大 电炉氧化法冶炼CI2型模具钢试验在40t 量合金元素被氧化，造成去P困难，无法得到合格 EBT电炉上进行，2005年3月共冶炼3炉Cr12模 的成品钢：如果将铁合金和本钢种返回料加入钢包 具钢试验获得成功. 中，则造成钢水温度大幅降低，可能造成钢包底吹 主要原材料要求：采用普通废钢、生铁作炉料， Ar失败而无法精炼，也无法获得合格的钢锭，然而 铁合金和返回料要求成分稳定、块度均匀、干燥无 进一步分析电炉冶炼特点，通过电炉获得高碳低磷 油污，还原用电石和Fe-Si粉要求保持干燥. 高温的粗钢液（相当于原料钢）是可能的.如果将铁 从表1可以得出，氧化法治炼工艺的最大优点 合金和返回料分批次地加入钢包中，并通过LF精 在于缩短了电炉冶炼时间和电耗，其次是提高了合 炼炉的加热工位不断对钢液加热升温，使固态原料 金回收率.另外在消化本钢种返回料方面，亦有较 逐渐熔化，形成“升温→熔化一再升温一再熔化”的 大的灵活性，可保证本炉次钢锭在锻造生产时产生 冶炼过程，最终可获得成分、温度均匀，气体夹杂 的切头、切尾等返回料全部在下一炉冶炼时消化， 物含量低的合格钢水，经浇注成锭后可以获得合格 进一步节约合金用量. 表1Cl2钢不同冶炼工艺效果对比表 治炼 高铬用量 返回料用量 合格钢锭量 电炉治炼时间 精炼时间 治炼电耗 工艺 炉号 总量1t单耗1(kgt) 总耗/t单耗/(kgt) /t 1(分炉 1(分炉- /(kW-h) 返回吹氧法6炉平均8.90 200.1 8 179.8 44.488 425 0 1129” D05-328 7.45 170 91.3 43.824 132 143 628 D05-547 7.4 171.4 5.3 122.8 43.16 141 132 608, 氧化法 D05-770 7.15 163.2 9.68 220.9 43.824 126 121 642 平均 7.33 169.2 6.32 145 43.6 133 132 626 比较 -1.57 -30.9 -1.68 -34.8 -0.888 -292 +132 -503 注：包括治炼原料钢的治炼时间： ”包括治炼原料钢的电耗： “包括电炉精炼炉的治炼电耗. 3炉试验工艺生产的Cr12钢硬度值见表3. 5产品质量检测 表3氧化法冶炼Cr12钢材硬度值 化学成分检测：3炉氧化工艺生产的C12钢的 炉号 硬度值HB 硬度值HRC 化学成分见表2. D05-328 229 62-65 D05-547 223 61-64 表2氧化法生产C12化学成分（质量分数） % D05-770 235 62-66 炉号C Mn S P Si Cr Ni Cu D05-3282.090.130.0090.0230.2312.720.060.07 6 经济效益分析 D05-5472.100.160.0030.0200.2812.800.080.07 D05-7702.170.130.0010.0150.2112.280.090.09 氧化法冶炼C12型模具钢较之返回吹氧法有 明显的经济效益，从表1的数据可计算经济效益. 表2说明按该工艺生产，化学成分控制稳定， 按内部考核价计算： 命中率高，有利于保持产品质量的稳定性 电炉冶炼时间平均为160min,每炉钢产量 低倍检测：经检测3炉试验工艺生产的钢一般 44t,吨钢固定费用200元. 疏松、中心疏松和偏析情况，分别不大于1.0级、 高碳铬铁价格5556元/L,本钢返回料价格1600 0.5级、0.5级，完全符合产品质量标准要求. 元/L,普通炉料价格1000元/L. 硬度检测：对锻造后的成品钢材进行硬度检测， 经济效益计算如下：

• 126 • 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 1 EBT 电炉的熔化过程与 LF 炉的还原过程分开在不 同的容器中完成，功能专一、优势明显，但对于冶 炼 Cr12 型模具钢而言，困难在于大量的合金和本钢 种返回料如何加入．EBT 电炉只能作为一个熔化废 钢和完成氧化去Ｐ、去气、去夹杂任务的容器，如 果在电炉加入铁合金或本钢种返回料，必然引起大 量合金元素被氧化，造成去Ｐ困难，无法得到合格 的成品钢；如果将铁合金和本钢种返回料加入钢包 中，则造成钢水温度大幅降低，可能造成钢包底吹 Ar 失败而无法精炼，也无法获得合格的钢锭，然而 进一步分析电炉冶炼特点，通过电炉获得高碳低磷 高温的粗钢液(相当于原料钢)是可能的．如果将铁 合金和返回料分批次地加入钢包中，并通过 LF 精 炼炉的加热工位不断对钢液加热升温，使固态原料 逐渐熔化，形成“升温→熔化→再升温→再熔化”的 冶炼过程，最终可获得成分、温度均匀，气体夹杂 物含量低的合格钢水，经浇注成锭后可以获得合格 的成品钢． 4 Cr12 型模具钢氧化法冶炼工艺实 践 电炉氧化法冶炼 Cr12 型模具钢试验在 40 t EBT 电炉上进行，2005 年 3 月共冶炼 3 炉 Cr12 模 具钢试验获得成功． 主要原材料要求：采用普通废钢、生铁作炉料， 铁合金和返回料要求成分稳定、块度均匀、干燥无 油污，还原用电石和 Fe−Si 粉要求保持干燥． 从表 1 可以得出，氧化法冶炼工艺的最大优点 在于缩短了电炉冶炼时间和电耗，其次是提高了合 金回收率．另外在消化本钢种返回料方面，亦有较 大的灵活性，可保证本炉次钢锭在锻造生产时产生 的切头、切尾等返回料全部在下一炉冶炼时消化， 进一步节约合金用量． 表 1 Cr12 钢不同冶炼工艺效果对比表 冶炼 高铬用量 返回料用量 工艺 炉号 总量 / t 单耗 / (kg⋅t −1 ) 总耗 / t 单耗 / (kg⋅t −1 ) 合格钢锭量 / t 电炉冶炼时间 / (分⋅炉−1 ) 精炼时间 / (分⋅炉−1 ) 冶炼电耗 / (kW·h) 返回吹氧法 6 炉平均 8.90 200.1 8 179.8 44.488 425* 0 1129** D05−328 7.45 170 4 91.3 43.824 132 143 628*** D05−547 7.4 171.4 5.3 122.8 43.16 141 132 608*** D05−770 7.15 163.2 9.68 220.9 43.824 126 121 642*** 氧化法 平均 7.33 169.2 6.32 145 43.6 133 132 626*** 比较 −1.57 −30.9 −1.68 −34.8 −0.888 −292 +132 −503 注：* 包括冶炼原料钢的冶炼时间；**包括冶炼原料钢的电耗；***包括电炉精炼炉的冶炼电耗． 5 产品质量检测 化学成分检测：3 炉氧化工艺生产的 Cr12 钢的 化学成分见表 2． 表 2 氧化法生产 Cr12 化学成分(质量分数) % 炉号 C Mn S P Si Cr Ni Cu D05−328 2.09 0.13 0.009 0.023 0.23 12.72 0.06 0.07 D05−547 2.10 0.16 0.003 0.020 0.28 12.80 0.08 0.07 D05−770 2.17 0.13 0.001 0.015 0.21 12.28 0.09 0.09 表 2 说明按该工艺生产，化学成分控制稳定， 命中率高，有利于保持产品质量的稳定性． 低倍检测：经检测 3 炉试验工艺生产的钢一般 疏松、中心疏松和偏析情况[6]，分别不大于 1.0 级、 0.5 级、0.5 级，完全符合产品质量标准要求． 硬度检测：对锻造后的成品钢材进行硬度检测， 3 炉试验工艺生产的 Cr12 钢硬度值见表 3． 表 3 氧化法冶炼 Cr12 钢材硬度值 炉号 硬度值 HB 硬度值 HRC D05−328 229 62~65 D05−547 223 61~64 D05−770 235 62~66 6 经济效益分析 氧化法冶炼 Cr12 型模具钢较之返回吹氧法有 明显的经济效益，从表 1 的数据可计算经济效益． 按内部考核价计算： 电炉冶炼时间平均为 160 min，每炉钢产量 44 t，吨钢固定费用 200 元． 高碳铬铁价格 5556 元/t，本钢返回料价格 1600 元/t，普通炉料价格 1000 元/t． 经济效益计算如下：

Vol.29 Suppl.1 陈三芽等：C12型模具钢氧化法冶炼工艺 127· (a)缩短电炉治炼时间吨钢增效：368元/L. (4)本工艺可以进一步为其他高合金钢的冶炼 (b)降冶炼电耗吨钢增效：226元L. 工艺改进提供参考， (c)降低合金用量吨钢增效：172元L. 参考文献 (d)降低返回料用量吨钢增效：21元/L. 合计吨钢效益：787元1. [1】杨贵根，朱祖昌.世界模具钢生产的现状和进展.热处理技术 与装备，2006,27(6)：5 7结论 2]刘柄，居来提·买提肉孜。多元高合金冷作模具钢的研究。， 造，2005,5410)：975 (1)采用EAF-EBT+LF”二步法（电炉氧化法） [3)]董俊，李广田.返回吹氧法治炼工艺对C13钢质量的影响.特 生产C12型模具钢在生产工艺上是可行的，且工艺 殊钢.2000,21(6)：51 [4】王齐铭，杨进权，刘凯旋.电炉治炼不锈钢1C12Mo脱磷工艺 简单，操作方便 的试验.钢铁研究，2000,116(5)：11 (2)试生产实践证明C12型模具钢采用氧化法 [⑤】张平，罗仕清，罗定样.电站锅炉用钢T91治炼工艺探讨.四 冶炼工艺与传统返回法吹氧法相比，成本可降低 川治金，2000,1：6 787元/t,产品质量稳定. 6]刘炳，蔡建国，居来提·买提肉孜.新型高碳高合金冷作模具 (3)C12型模具钢氧化法治炼工艺可以灵活调 钢的退火组织和性能.机械工程材料，2006,30(9：48 整返回料用量，不会造成本钢种返回料的堆积. Cr12 die steel smelted by oxidizing process CHEN Sanya )DONG Kai),LI Guofeng2) 1)Xinyu Iron and Steel Co.Ltd.,Xinyu 338001,China 2)Metallurgical and Ecological Engineering School,University and Science Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The technique of producing Cr12 high alloy die steel by the traditional recirculating metal oxygen lancing process was introduced.By analyzing the merits and the disadvantage of the traditional process and the smelting characteristics of the "EBT+LF"two-step process,the feasibility of producing Cr12 die steel by the new oxidizing process was defined.By reasonable arranging EAF production and summing-up the various pro- duction requirements,the existing difficulties of the new technology were gradually resolved.The results of product quality testing show that by using the oxidizing process,the components of Cr12 die steel are stable and the end-point hit rate is high,which is conducive to maintaining the stability of product quality.Compared with the traditional process,the oxidation smelting of Cr12 die steel brings obvious economic benefits,and the total efficiency reaches 787 RMB/t. KEY WORDS die steel:oxidation:Cr12 die steel

Vol.29 Suppl.1 陈三芽等：Cr12 型模具钢氧化法冶炼工艺 • 127 • (a) 缩短电炉冶炼时间吨钢增效：368 元/t． (b) 降冶炼电耗吨钢增效：226 元/t． (c) 降低合金用量吨钢增效：172 元/t． (d) 降低返回料用量吨钢增效：21 元/t． 合计吨钢效益：787 元/t． 7 结论 (1) 采用“EAF−EBT + LF”二步法(电炉氧化法) 生产 Cr12 型模具钢在生产工艺上是可行的，且工艺 简单，操作方便． (2) 试生产实践证明 Cr12 型模具钢采用氧化法 冶炼工艺与传统返回法吹氧法相比，成本可降低 787 元/t，产品质量稳定． (3) Cr12 型模具钢氧化法冶炼工艺可以灵活调 整返回料用量，不会造成本钢种返回料的堆积． (4) 本工艺可以进一步为其他高合金钢的冶炼 工艺改进提供参考． 参 考 文 献 [1] 杨贵根，朱祖昌. 世界模具钢生产的现状和进展. 热处理技术 与装备，2006，27(6)：5 [2] 刘柄，居来提·买提肉孜. 多元高合金冷作模具钢的研究. 铸 造，2005，54(10)：975 [3] 董俊，李广田. 返回吹氧法冶炼工艺对 Cr13 钢质量的影响. 特 殊钢. 2000，21(6)：51 [4] 王齐铭，杨进权，刘凯旋. 电炉冶炼不锈钢 1Cr12Mo 脱磷工艺 的试验. 钢铁研究，2000，116(5)：11 [5] 张平，罗仕清，罗定祥. 电站锅炉用钢 T91 冶炼工艺探讨. 四 川冶金，2000，1：6 [6] 刘炳，蔡建国，居来提·买提肉孜. 新型高碳高合金冷作模具 钢的退火组织和性能. 机械工程材料，2006，30(9)：48 Cr12 die steel smelted by oxidizing process CHEN Sanya 1), DONG Kai 2), LI Guofeng 2) 1) Xinyu Iron and Steel Co. Ltd., Xinyu 338001, China 2) Metallurgical and Ecological Engineering School, University and Science Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT The technique of producing Cr12 high alloy die steel by the traditional recirculating metal oxygen lancing process was introduced. By analyzing the merits and the disadvantage of the traditional process and the smelting characteristics of the “EBT + LF” two-step process, the feasibility of producing Cr12 die steel by the new oxidizing process was defined. By reasonable arranging EAF production and summing-up the various pro￾duction requirements, the existing difficulties of the new technology were gradually resolved. The results of product quality testing show that by using the oxidizing process, the components of Cr12 die steel are stable and the end-point hit rate is high, which is conducive to maintaining the stability of product quality. Compared with the traditional process, the oxidation smelting of Cr12 die steel brings obvious economic benefits, and the total efficiency reaches 787 RMB/t. KEY WORDS die steel; oxidation; Cr12 die steel