电渣重熔模具钢冶炼工艺研究

第页共页电渣重熔模具钢冶炼工艺研究摘要：把一般冶炼方法(如平炉、转炉、电弧炉或感应炉等)炼得的金属当作电极(该电极可以是铸造的、锻造的或钢的切头切尾焊成的)，通过熔渣电阻热进行二次重熔，电极熔入渣池、在渣池底金属液结晶形成铸锭，即为电渣重熔钢。电渣重熔钢一般没有缩孔、疏松、夹杂物聚集宏观偏析等缺陷，具有很高的组织致密性，成分均匀性和表面光洁。由于重熔设备简单、投资少、见效快，故广泛用于冶炼滚珠轴承钢、不锈钢、耐热钢、高强度结构钢、高速切削钢、热强钢等特殊钢种。电渣熔铸工艺从根本上解决了一般铸造工艺的主要矛盾，它综合了电渣重溶-获得高冶金质量的金属和铸造-浇铸异型零件精化毛坯的长处，并具有与普通冶炼的变形金属相近的致密组织以及无各向异性的特点。与普通锻件相比，电渣熔铸件的各项性能指标完全达到同钢种的变型金属指标，甚至还避免了锻件的一些不足之处。电渣重熔设备简单，投资较少，生产费用较低。电渣重熔的缺点是电耗较高，目前通用的渣料含CaF较多，在重熔过程中，污染环境，必须设除尘和去氟装置。模具钢是用来制造冷冲模、热锻模压铸模等模具的钢种。模具是机械制造、无线电仪表、电机、电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本、而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。冷作模具包括冷冲模、拉丝模、拉延模、压印模、搓丝模、滚丝板、冷镦模和冷挤压模等。冷作模具有钢，按其所制造具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性、足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。用于这类用途的合金工具用钢一般属于高碳合金钢，碳质量分数在0.80%以上，铬是这类钢的重要合金元素，其质量分数通常不大于5%。但对于一些耐磨性要求很高，淬火后变形很小模具用钢，最高铬质量分数可达13%，并且为了形成大量碳化物，钢中碳质量分数也很高，最高可达2.0%2.3%。冷作模具钢的碳含量较高，其组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢。常用的钢类有高碳低合金钢、高碳高铬钢、铬钼钢、中碳铬钨钏钢等。关键词：电渣重熔、冶炼、模具钢第页共页StudyofsteelsmeltingtechnologyofelectroslagremeltingdieAbstract:Thegeneralmethodofsmelting(suchasopenhearthfurnace,converter,electricarcfurnaceorinductionfurnacesmeltingofmetalelectrode)as(theelectrodecanbecutheadcasting,forgingorsteelcuttingtailwelded),forthetwotimebyslagremeltingelectroderesistanceheat,meltintotheslagpoolinthebottomofthepool,slagmetalliquidcrystalformationofingot,theESRsteel.Electroslagremeltingsteelgeneralnoshrinkage,porosity,inclusionsmacrosegregationdefects,hastheveryhightissuedensity,compositionuniformityandsurfacefinish.Duetotheremeltingofsimpleequipment,lessinvestment,quickeffect,itiswidelyusedforsmeltingbearingsteel,stainlesssteel,heat-resistantsteel,highstrengthsteel,highspeedcuttingsteel,heatresistantsteelandotherspecialsteel.Electroslagcastingprocessfundamentallysolvethemaincontradictionofgeneralcastingprocess,itcombinestheelectroslagremelting-metalandcastinghighmetallurgicalqualityofrefinedcastingspecial-shapedpartsblankstrengths,andhasadensetissuedeformationofmetalandordinarysmeltingsimilarandnoanisotropic.Comparedwiththeordinaryforging,variantmetalindexperformanceofElectroslagRemeltingCastingcanreachthesamesteelgrade,eventoavoidsomeshortcomingsofforgings.Electroslagremeltingofsimpleequipment,lessinvestment,lowerproductioncost.Electroslagremeltingishashigherpowerconsumption,theslagcontainingCaFismoregeneral,environmentalpollutionintheremeltingprocess,mustbesetup,dustremovalanddefluoridationdevice.Diesteelwasusedforthemanufactureofstampingdie,diecasting,hotforgingdie.Mouldisthemaintoolofmanufacturingmachinerymanufacturing,motor,electricalappliances,radioinstrumentindustryin.Moldqualitydirectlyaffectstheprocessingquality,theprecisionofproductyieldandproductioncost,andthequality第页共页andservicelifeofdieexceptbyreasonablestructuredesignandmachiningprecision,ismainlyaffectedbymouldmaterialandheattreatment.Coldworkingdieincludesadie,drawingdie,drawingdie,stampingdie,threadrollingdies,threadrollingplate,LengDunmoandcoldextrusiondie.Coldworkingdiesteel,accordingtotheirmanufacturingwithworkingconditions,shouldhavehighhardness,strength,wearresistance,enoughtoughness,andhighhardenability,hardenabilityandotherprocessperformance.Forthepurposuofalloytoolsteelisusuallybelongtothehighcarbonalloysteel,carboncontentwasabove0.80%,chromiumisanimportantalloyingelementofthiskindofsteel,themassfractionisusuallynotmorethan5%.Butforsomewearresistancerequirementisveryhigh,quenchingafterdeformationissmalldiesteel,highchromiumcontentupto13%,andinordertoformalargenumberofcarbide,carboncontentinsteelisalsoveryhigh,upto2.0%2.3%.Coldworkingdiesteelwithhighcarboncontent,theorganizationmostlyhypereutectoidsteelorledeburitesteel.Steelusedinhighcarbonlowalloysteel,highcarbonchromiumsteel,chromemolybdenumsteel,mediumcarbonchromiumtungstenBraceletsteeletc.Keyword：Electroslagremelting,smelting,diesteel第页共页目录1绪论11.1概述11.2选题背景、研究的目的和意义11.3本课题研究主要内容42文献综述52.1电渣重熔冶炼的定义52.1.1电渣重熔冶炼52.1.2电渣重熔的界定62.2电渣重熔的制备方法72.2.1电渣重熔法72.2.2.电渣重熔模具钢冶炼92.2.3其他熔炼方法103.1普通钢冶炼的特点123.1.1炼钢原理123.1.2炼钢反应143.1.3炼钢基本任务173.2.转炉炼钢方法193.2.1氧气顶吹转炉223.2.2转炉炼钢的应用领域273.3模具钢研究283.3.1模具钢工作条件293.3.2模具钢性能314结论365参考文献386致谢3901绪论1.1概述电渣重熔其主要目的是提纯金属并获得洁净组织均匀致密的钢锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀。电渣钢的铸态机械性能可达到或超过同钢种锻件的指标。电渣钢锭的质量取决于合理的电渣重熔工艺和保证电渣工艺的设备条件。电渣重熔工艺从根本上解决了一般铸造工艺的主要矛盾，它综合了电渣重溶-获得高冶金质量的金属和铸造-浇铸异型零件精化毛坯的长处，并具有与普通冶炼的变形金属相近的致密组织以及无各向异性的特点。与普通锻件相比，电渣熔铸件的各项性能指标完全达到同钢种的变型金属指标，甚至还避免了锻件的一些不足之处。电渣重熔基本过程在铜制水冷结晶器内盛有熔融的炉渣，自耗电极一端插入熔渣内。自耗电极、渣池、金属熔池、钢锭、底水箱通过短网导线和变压器形成回路。在通电过程中，渣池放出焦耳热，将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用,迅速凝固形成钢锭。在电极端头液滴形成阶段,以及液滴穿过渣池滴落阶段,钢-渣充分接触，钢中非金属夹杂物为炉渣所吸收。钢中有害元素（硫、铅、锑、铋、锡）通过钢-渣反应和高温气化比较有效地去除。液态金属在渣池覆盖下，基本上避免了再氧化。因为是在铜制水冷结晶器内熔化、精炼、凝固的，这就杜绝了耐火材料对钢的污染。钢锭凝固前，在它的上端有金属熔池和渣池，起保温和补缩作用，保证钢锭的致密性。上升的渣池在结晶器内壁上形成一层薄渣壳，不仅使钢锭表面光洁，还起绝缘和隔热作用，使更多的热量向下部传导,有利于钢锭自下而上的定向结晶。由于以上原因,电渣重熔生产的钢锭的质量和性能得到改进，合金钢的低温、室温和高温下的塑性和冲击韧性增强，钢材使用寿命延长。1.2选题背景、研究的目的和意义1主要炼钢方法的发展概况现有的大规模炼钢方法都是1856年以后出现的。主要可分为转炉炼钢法、平炉炼钢法、电弧炉炼钢法三类。18601980年，各种炼钢方法所生产的钢，在钢的总产量中所占的百分比,如图2所示，从中可以看出各种炼钢法的兴起和衰落。空气转炉炼钢法最早发明的是酸性空气底吹转炉炼钢法，又称贝塞麦转炉炼钢法。此法炼钢过程中所需的热量，来自原料铁水物理热及所含硅、碳及其他元素的发热氧化反应，因此，不用另外的燃料，就能达到钢水浇铸所要求的高温。贝塞麦法由于冶炼过程快，而且能耗低，发明以后，迅速得到推广，基本上取代了原有的熟铁搅炼炉和坩埚炉炼钢法。从此，开始了人类大量用钢的新时代。但贝塞麦法用酸性耐火材料(氧化硅质)作炉衬，不能造碱性渣脱磷脱硫，因此只适用于低磷低硫原料。为了利用西欧大量的高磷铁矿资源，后来发展出了使用碱性耐火材料的碱性空气底吹转炉法（托马斯转炉炼钢法）。这种方法在西欧各国很快推广。平炉炼钢法又称马丁炉法或西门子-马丁炉法。此法用外来燃料加热，靠蓄热室把炉温提高到可以熔化钢的程度，这样就扩大了炼钢原料的范围，实际上可以采用0100的任何比例的废钢和生铁配料（图3）。最初的平炉也用酸性材料作炉衬，因此不能熔炼含磷高的生铁。和转炉一样，酸性平炉不久就被碱性平炉所取代。以空气作氧化剂的转炉，由于空气所含的氮从炉内带走大量的热，使炼钢原料中不能搭配很多废钢。碱性平炉法的突出优点，就是在废钢与生铁配比方面和生铁磷含量方面有宽广的适应能力，因而在发明后为全世界广泛采用。到了20世纪中叶，即在氧气顶吹转炉炼钢法崛起之前，平炉钢产量稳定地占了世界钢总产量约80。氧气转炉炼钢法50年代初，出现了碱性氧气顶吹转炉炼钢法。同原有的空气转炉相比，它的热平衡条件更为有利，所以原料中可以加入较多废钢（可达30左右），所产的钢含氮量低，质量更好。另一方面，同平炉相比，它不耗燃料，而且生产率高得多，利用废钢的能力虽差一些，但在废钢来源不多的多数地区也已够用。因此从60年代起，世界氧气转炉炼钢的产量和比例扶摇直上。现在,可以说氧气转炉已彻底淘汰了空气转炉,并在很大程度上取代了平炉的地位。60年代末出现了氧气底吹转炉炼钢法。近年来又发展了复合吹炼转炉炼钢法，已在许多国家应用。2电弧炉炼钢法从20世纪初开始，徐缓地向前发展，目前约占世界钢产量的20。电弧炉以电为热源，可以迅速熔化废钢和合金，而且可以基本密闭，排除大气的作用。另一方面，电弧炉一般容量较小（同转炉和平炉比），操作成本较高。由于这些特点，电弧炉炼钢法曾主要用来生产特殊钢或合金钢。但近年来，随着电弧炉本身大型化和加大功率的成功，降低了电弧炉钢的生产成本，加上用废钢作原料价格低廉，在工业发达国家中出现了许多专门炼普通钢的电弧炉钢厂。这种所谓小钢厂投资远比同样产量的高炉-转炉联合企业低,所以发展较快。有些厂原料中除废钢外，还掺用一部分海绵铁。中国的炼钢情况中华人民共和国成立以前，中国炼钢技术落后，生产设备以平炉为主，有少量的电弧炉和转炉。5060年代除鞍山、武汉和包头等钢铁基地扩建和新建了一些新型平炉以外，全国在较大范围内建立了许多小型空气侧吹转炉(见侧吹转炉炼钢)。60年代初，氧气顶吹转炉在首都钢厂投产。由于这种设备在经济上具有明显的优越性，后来在许多钢厂新建了较大的氧气顶吹转炉,最大的炉子容量为150吨。原有的空气侧吹转炉一部分停产,大部分改建成为氧气顶吹转炉。1980年中国各种设备在总的炼钢能力所占的比重约为：转炉44，平炉33，电炉23。电渣重熔其主要目的是提纯金属并获得洁净组织均匀致密的钢锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀。电渣钢的铸态机械性能可达到或超过同钢种锻件的指标。电渣钢锭的质量取决于合理的电渣重熔工艺和保证电渣工艺的设备条件。电渣重熔工艺从根本上解决了一般铸造工艺的主要矛盾，它综合了电渣重溶-获得高冶金质量的金属和铸造-浇铸异型零件精化毛坯的长处，并具有与普通冶炼的变形金属相近的致密组织以及无各向异性的特点。与普通锻件相比，电渣熔铸件的各项性能指标完全达到同钢种的变型金属指标，甚至还避免了锻件的一些不足之处。电渣重熔的产品品种多，应用范围广。其钢种有：碳素钢、合金结构钢、轴承钢、模具钢、高速钢、不锈钢、耐热钢、超高强度钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金、电热合金等400多个钢种。此外，可用电渣法直接熔铸异形铸件，3可以铸代锻，简化生产工序，提高金属的利用率。电渣重熔技术在军事上早有应用，坦克炮的寿命是衡量一个国家坦克制造水平的重要标志。以前俄罗斯及中国制造的坦克炮的寿命一般只有100-500发，而西方国家比如说德国的坦克炮采用了电渣重熔、内膛镀铬技术，使其寿命达到了800-1000发，大大提高了军事装备的水平。当然通过近年来的不断的科技投入，中国的坦克炮技术与西方国家的技术差距在逐渐缩小。电渣重熔设备简单，投资较少，生产费用较低。电渣重熔的缺点是电耗较高，目前通用的渣料含CaF较多，在重熔过程中，污染环境，必须设除尘和去氟装置。现代的转炉、平炉、电弧炉炼钢工艺可以不同程度地保证钢的纯净，能够满足一般用户对钢质量的要求。随着科学技术的发展，需要质量更高、品种更多的高级钢。为了满足这种要求，第二次世界大战以来，出现了多种钢水炉外处理（又称炉外精炼）的方法，对转炉、平炉和电弧炉炼出的钢水进行附加处理，然后浇铸。根据处理的目的不同，发展出了多种多样的方法。应用最广的炉外处理有：吹氩处理、真空脱气、炉外脱硫等，使用这些方法以后，不论转炉、平炉和电弧炉都可以生产高级的钢种。某些尖端技术或特殊用途要求特高质量的钢，如果用炉外处理的办法也达不到要求，则要用特殊炼钢法炼制，例如电渣重熔法，和不同形式的真空冶金法。1.3本课题研究主要内容研究和使用电渣熔铸产品。在发展这项新工艺方面，原苏联、日本和美国的研究成果较多，其次是西德、捷克斯洛伐克、英国、瑞典和法国。东北大学电冶金研究室在发展电渣熔铸新近些年来，电渣熔铸新工艺逐渐引起了国内外工程技术界的重视，许多工业部门在加紧工艺研究。本文主要研究炼钢基本任务、钢生产的基本原料和基本途径、主要炼钢方法的发展概况、钢水炉外处理和特殊炼钢法、转炉炼钢、转炉炼钢基本任务、转炉炼钢生产的基本原料和基本途径、电渣重熔炼模具钢基本任务、电渣重熔炼模具钢生产的基本原料和基本途径。主要做以下几方面的工作：（1）研究炼钢基本任务、钢生产的基本原料和基本途径、主要炼钢方法的4发展概况、钢水炉外处理和特殊炼钢法。（2）研究转炉炼钢、转炉炼钢基本任务、转炉炼钢生产的基本原料和基本途径。（3）通过以上研究，研究电渣重熔炼模具钢基本任务、电渣重熔炼模具钢生产的基本原料和基本途径。2文献综述2.1电渣重熔冶炼的定义电渣重熔（熔铸）是一种二次精炼技术，集钢水二次精炼与定向凝固相结合的综合冶金铸造过程。其原理是电流通过液态渣池渣阻热，将金属电极熔化，熔化的金属汇集成熔滴，滴落时穿过渣层进入金属熔池，然后于水冷结晶器中结晶凝固成钢锭。其主要目的是提纯金属并获得洁净组织均匀致密的钢锭。经电渣重熔的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、洁净均匀致密、金相组织和化学成分均匀。电渣钢的铸态机械性能可达到或超过同钢种锻件的指标。电渣钢锭的质量取决于合理的电渣重熔工艺和保证电渣工艺的设备条件。2.1.1电渣重熔冶炼在铜制水冷结晶器内盛有熔融的炉渣，自耗电极一端插入熔渣内。自耗电极、渣池、金属熔池、钢锭、底水箱通过短网导线和变压器形成回路。在通电过程中，渣池放出焦耳热，将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用,迅速凝固形成钢锭。在电极端头液滴形成阶段,以及液滴穿过渣池滴落阶段,钢-渣充分接触，钢中非金属夹杂物为炉渣所吸收。钢中有害元素（硫、铅、锑、铋、锡）通过钢-渣反应和高温气化比较有效地去除。液态金属在渣池覆盖下，基本上避免了再氧化。因为是在铜制水冷结晶器内熔化、精炼、凝固的，这就杜绝了耐火材料对钢的污染。钢锭凝固前，在它的上端有金属熔池和渣池，起保温和补缩作用，保证钢锭的致密性。上升的渣池在结晶器内壁上形成一层薄渣壳，不仅使钢锭表面光洁，还起绝缘和隔热作用，使更多的热量向下部传导,有利于钢锭自下而上的定向结晶。由于以上原因,电渣重熔生产的钢锭的质量和性能得到改进，合金钢的低温、室温和高温下的塑性和冲击韧性增强，钢材使用寿命延长。52.1.2电渣重熔的应用电渣重熔的产品品种多，应用范围广。其钢种有：碳素钢、合金结构钢、轴承钢、模具钢、高速钢、不锈钢、耐热钢、超高强度钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金、电热合金等400多个钢种。此外，可用电渣法直接熔铸异形铸件，可以铸代锻，简化生产工序，提高金属的利用率。近些年来，电渣熔铸新工艺逐渐引起了国内外工程技术界的重视，许多工业部门在加紧研究和使用电渣熔铸产品。在发展这项新工艺方面，原苏联、日本和美国的研究成果较多，其次是西德、捷克斯洛伐克、英国、瑞典和法国。我们东北大学电冶金研究室在发展电渣熔铸新工艺以及研制使用它的异型件方面取得了以下成果：电渣重熔电渣熔铸冷轧辊、阀体、三通管、厚壁中空管、石油裂解炉管、齿轮毛坯、各种模具(包括冲压模具)和柴油机曲轴等。目前，国外著名的电渣炉制造厂家，如美国的CONSARC、德国的ALD和奥地利的INTECO等公司均采用基于PLC和工控机的2级计算机控制系统，能实现整个重熔过程的设备和工艺的全自动控制。东北大学从20世纪90年代开始研制以液压传动或滚珠丝杠传动为核心的新6型机械设备，以工控机和PLC为硬件，以专家控制为软件的智能化计算控制系统的新一代电渣炉，目前已有近20台设备成功应用于国内的工业生产中，使用效果良好。把平炉、转炉、电弧炉或感应炉冶炼的钢铸造或锻压成为电极，通过熔渣电阻热进行二次重熔的精炼工艺，英文简称ESR。美国霍普金斯(R.K.Hopkins)于20世纪40年代首先提出这种精炼方法的原理。其后苏联和美国相继建立工业生产用的电渣炉。60年代中期由于航空、航天、电子、原子能等工业的发展，电渣重熔在苏联、西欧、美国获得较快的发展。生产的品种包括：优质合金钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金以及铝、铜、钛、银等有色金属的合金。1980年世界电渣重熔钢生产能力已超过120万吨。中国1960年建成第一座电渣炉,其后得到很大发展。最大的是上海重型机器厂电渣炉，钢锭重达200吨.大连远东工具的电渣重熔钢生产能力已经进入国内领先水平。2.2电渣重熔的主要设备2.2.1电渣重熔炉1980年4月，一台200吨级的大型电渣重熔炉在上海重型机器厂试制成功。它是中国最大，也是世界上最大的一台电渣重熔炉。这台电渣炉有以下特点：双极串联供电，可以减少回路感应，提高电功率因数；采用三相电源，有利于外网络电压平衡；三摇臂轮换电极，用小截面电极重熔大钢锭，有利于控制电极成分偏析；采用抽锭操作，能用短结晶器重熔长的钢锭。用它重熔钢锭制成的锻件，1982年通过国家鉴定，同意用这台电渣炉为中国第一台核电站秦山30万千瓦核电站生产安全一级压力容器用钢锭。接着为核电站的蒸发器和稳压器提供了所需的全部大型电渣锭。其中最大的两只电渣锭单重分别为205吨和207吨。后还用这台电渣炉重熔了火电锻件和化工容器用的大型电渣锭。它生产的大型电渣锭经过国家鉴定，表明电渣钢纯度高，成份均匀，性能良好，韧性特别优良。从而为中国优质大型锻件的制造开辟了一条新的途径。大型电渣炉7建设是一项重大工程。整个工程由副总工程师林宗棠负责领导和组织，北京钢铁学院朱觉教授任顾问，上海重型机器厂和北京钢铁学院共同开发研制。重熔工艺和车间设计由刘椿林负责；电渣重熔设备由皇甫埏负责设计；高压和低压电气由苏烨和谈家宝负责设计；土建和公用部分由上海机电设计研究院设计。从1972年11月起到1974年12月止，刘椿林和北京钢院教师刘海洪带领试验小组在上重厂和有关工厂先后进行了多项试验，以确定电渣炉设备的设计参数、重熔和抽锭工艺参数。这台三相三摇臂双极串联式的大型电渣炉由三个小机架呈等边三角形布置构成。每个小机架有一根18米高的立柱。三根立柱的底部固定在地基上，中部和顶部用曲梁连结，构成电渣炉本体。在中部曲梁上安放直径2.8米的铜衬钢壳水冷结晶器。每根立柱的上部通过传动装置装有可以上下运动又能左右旋转的摇臂。摇臂的一端装有电极夹持机构，可以夹持相互绝缘而串联的两根电极。三个摇臂共悬挂六根电极。每两根电极由一台单相变压器供电。这样六根电极便组成三相双极串联回路。电极直径为500毫米，每根重约5吨。结晶器下部有一台带水冷却底板的电动平车，平车载重可达300吨。平车放在能沿三根立柱上下运动的活动平台上。重熔开始前，活动平台上升使水冷底板将结晶器下部封住，然后在结晶器内造渣和重熔电极。六根钢电极同时进行重熔，经过一定时间电极重熔将尽，三个摇臂轮流地换上新的电极，以便熔炼出一个大的电渣锭。随着钢电极的重熔，结晶器的渣液面便不断上升，达到一定高度后便进行抽锭操作，即在渣液面上涨的同时不断将水冷底板向下缓慢降落，以得到有一定长度和所需吨位的大型电渣锭。钢锭炼成后，平台下降，钢锭便从结晶器内抽出，电动平车载着钢锭沿着轨道开出炉外。82.2.2模具钢的研究模具钢是用来制造冷冲模、热锻模压铸模等模具的钢种。模具是机械制造、无线电仪表、电机、电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本、而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。模具钢大致可分为（冷作模具钢）、（热作模具钢）和（塑料模具钢）3类，用于锻造、冲压、切型、压铸等。由于各种模具用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢，按其所制造模具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性，足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。由于这类用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢的性能要求也不同。冷作模具包括冷冲模、拉丝模、拉延模、压印模、搓丝模、滚丝板、冷镦模和冷挤压模等。冷作模具有钢，按其所制造具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性、足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。用于这类用途的合金工具用钢一般属于高碳合金钢，碳质量分数在0.80%以上，铬是这类钢的重要合金元素，其质量分数通常不大于5%。但对于一些耐磨性要求很高，淬火后变形很小模具用钢，最高铬质量分数可达13%，并且为了形成大量碳化物，钢中碳质量分数也很高，最高可达2.0%2.3%。冷作模具钢的碳含量较高，其组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢。常用的钢类有高碳低合金钢、高碳高9铬钢、铬钼钢、中碳铬钨钏钢等。热作模具分为锤锻、模锻、挤压和压铸几种主要类型，包括热锻模、压力机锻模、冲压模、热挤压模和金属压铸模等。热变形模具在工作中除要承受巨大的机械应力外，还要承受反复受热和冷却的做用，而引起很大的热应力。热作模具钢除应具有高的硬度、强度、红硬性、耐磨性和韧性外，还应具有良好的高温强度、热疲劳稳定性、导热性和耐蚀性，此外还要求具有较高的淬透性，以保证整个截面具有一致的力学性能。对于压铸模用钢，还应具有表面层经反复受热和冷却不产生裂纹，以及经受液模具钢态金属流的冲击和侵蚀的性能。这类钢一般属于中碳合金钢，碳质量分数在0.30%0.60%，属于亚共析钢，也有一部分钢由于加入较多的合金元素（如钨、钼、钒等）而成为共析或过共析钢。常用的钢类有铬锰钢、铬镍钢、铬钨钢等。塑料模具包括热塑性塑料模具和热固性塑料模具。塑料模具用钢要求具有一定的强度、硬度、耐磨性、热稳定性和耐蚀性等性能。此外，还要求具有良好的工艺性，如热处理变小、加工性能好、耐蚀性好、研磨和抛光性能好、补焊性能好、粗糙度高、导热性好和工作条件尺寸和形状稳定等。一般情况下，注射成形或挤压成形模具可选用热作模具钢；热固性成形和要求高耐磨、高强度的模具可选用冷作模具钢。2.2.3其他熔炼方法现有的大规模炼钢方法都是1856年以后出现的。主要可分为转炉炼钢法、平炉炼钢法、电弧炉炼钢法三类。18601980年，各种炼钢方法所生产的钢，在钢的总产量中所占的百分比。空气转炉炼钢法最早发明的是酸性空气底吹转炉炼钢法，又称贝塞麦转炉炼钢法。此法炼钢过程中所需的热量，来自原料铁水物理热及所含硅、碳及其他元素的发热氧化反应，因此，不用另外的燃料，就能达到钢水浇铸所要求的高温。贝塞麦法由于冶炼过程快，而且能耗低，发明以后，迅速得到推广，基本上取代了原有的熟铁搅炼炉和坩埚炉炼钢法。从此，开始了人类大量用钢的新时代。但贝塞麦法用酸性耐火材料(氧化硅质)作炉衬，不能造碱性渣脱磷脱硫，因此只适用于低磷低硫原料。为了利用西欧大量的高磷铁矿资源，后来发展出了使用碱性耐火材料的碱性空气底吹转炉法（托马斯转炉炼钢法）。这种方法在西欧各国很快推广。10平炉炼钢法又称马丁炉法或西门子-马丁炉法。此法用外来燃料加热，靠蓄热室把炉温提高到可以熔化钢的程度，这样就扩大了炼钢原料的范围，实际上可以采用0100的任何比例的废钢和生铁配料。氧气转炉炼钢法50年代初，出现了碱性氧气顶吹转炉炼钢法。同原有的空气转炉相比，它的热平衡条件更为有利，所以原料中可以加入较多废钢（可达30左右），所产的钢含氮量低，质量更好。另一方面，同平炉相比，它不耗燃料，而且生产率高得多，利用废钢的能力虽差一些，但在废钢来源不多的多数地区也已够用。因此从60年代起，世界氧气转炉炼钢的产量和比例扶摇直上。现在,可以说氧气转炉已彻底淘汰了空气转炉,并在很大程度上取代了平炉的地位。60年代末出现了氧气底吹转炉炼钢法。近年来又发展了复合吹炼转炉炼钢法，已在许多国家应用。电弧炉炼钢法从20世纪初开始，徐缓地向前发展，目前约占世界钢产量的20。电弧炉以电为热源，可以迅速熔化废钢和合金，而且可以基本密闭，排除大气的作用。另一方面，电弧炉一般容量较小（同转炉和平炉比），操作成本较高。由于这些特点，电弧炉炼钢法曾主要用来生产特殊钢或合金钢。但近年来，随着电弧炉本身大型化和加大功率的成功，降低了电弧炉钢的生产成本，加上用废钢作原料价格低廉，在工业发达国家中出现了许多专门炼普通钢的电弧炉钢厂。这种所谓小钢厂投资远比同样产量的高炉-转炉联合企业低,所以发展较快。有些厂原料中除废钢外，还掺用一部分海绵铁。中国的炼钢情况中华人民共和国成立以前，中国炼钢技术落后，生产设备以平炉为主，有少量的电弧炉和转炉。5060年代除鞍山、武汉和包头等钢铁基地扩建和新建了一些新型平炉以外，全国在较大范围内建立了许多小型空气侧吹转炉(见侧吹转炉炼钢)。60年代初，氧气顶吹转炉在首都钢厂投产。由于这种设备在经济上具有明显的优越性，后来在许多钢厂新建了较大的氧气顶吹转炉,最大的炉子容量为150吨。原有的空气侧吹转炉一部分停产,大部分改建成为氧气顶吹转炉。1980年中国各种设备在总的炼钢能力所占的比重约为：转炉44，平炉33，电炉23。113普通钢冶炼的特点3.1普通钢冶炼3.1.1炼钢原理炼钢:1、反应原理高温下，用氧化剂把生铁里过多的碳和其它杂质氧化成气体或炉渣而除去。2、目的：降碳、调硅锰、去硫磷。3主要反应（分三个阶段）（1）氧化造渣2FeO22FeOQ2FeOSiSiO22FeQFeOMnFeMnOQFeOCCOFeQ生成的二氧化硅、氧化锰与造渣材料生石灰相互作用成为炉渣。（2）去硫、磷FeS+CaOFeO+CaS2P+5FeO+3CaO5Fe+Ca3(PO4)2（3）脱氧用硅铁、锰铁或金属铝来还原钢水中含有的少量FeO2FeO+SiSiO2+2Fe3FeO+2Al3Fe+Al2O3FeO+MnFe+MnO生成的二氧化硅等大部分形成炉渣而除去，部分的硅、锰等留在钢里以调整钢的成分。钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧成各种钢材。方法：转炉、电炉、平炉。氧气顶吹转炉炼钢法（1）转炉的构造（2）原料：生铁（液态）、氧气、适量的造渣材料（如生石灰等）、脱氧剂。（3）热源：依靠熔融铁水中的杂质等被氧气氧化所放出的热量，不需要燃料。12133.1.2炼钢反应钢水炉外处理和特殊炼钢法现代的转炉、平炉、电弧炉炼钢工艺可以不同程度地保证钢的纯净，能够满足一般用户对钢质量的要求。随着科学技术的发展，需要质量更高、品种更多的高级钢。为了满足这种要求，第二次世界大战以来，出现了多种钢水炉外处理（又称炉外精炼）的方法，对转炉、平炉和电弧炉炼出的钢水进行附加处理，然后浇铸。根据处理的目的不同，发展出了多种多样的方法。应用最广的炉外处理有：吹氩处理、真空脱气、炉外脱硫等，使用这些方法以后，不论转炉、平炉和电弧炉都可以生产高级的钢种。某些尖端技术或特殊用途要求特高质量的钢，如果用炉外处理的办法也达不到要求，则要用特殊炼钢法炼制，例如电渣重熔法，和不同形式的真空冶金法。1415163.1.3炼钢基本任务炼钢基本任务炼钢的基本任务可以归纳为“四脱”（脱碳、氧、磷和硫）、“二去”（去气和去夹杂）、“二调整”（调整成分和温度）。采用的主要技术手段为：供氧、造渣、升温、加脱氧剂和合金化操作钢生产的基本原料和基本途径从根本上说，钢的原料是铁矿石。从铁矿石到钢，有几种不同的工艺途径。最主要的是“高炉途径”，铁矿石先在高炉内炼成生铁（见高炉炼铁），再以生铁为原料，用不同方法炼成钢。通过这种途径炼成的钢，占世界钢产量的98左右。另一途径是通过直接还原炼铁，将矿石在低于矿石熔化温度下炼成“海绵铁”，用它作原料，然后主要用电炉冶炼成钢，这种工艺流程，现只在较特殊的矿石资源和能源条件下采用；随着能源条件的改变，今后可能得到发展。另外还有一种粉末冶金方法，用于制造某些特殊的17零件，近年来也用于高速工具钢等特殊用钢，在钢的总产量中，所占比重很小。除生铁和海绵铁外，废钢也是重要的炼钢原料。在工业发达国家，废钢来源丰富，价格通常比生铁、海绵铁低，而且用作炼钢的原料还可以节约大量能源。在20世纪的前40年，由于炼钢工业使用越来越多的废钢，世界生铁产量对钢产量的比例不断下降。事实上百余年来炼钢方法的发明和发展，同废钢的供求情况密切相关。183.2转炉炼钢方法转炉炼钢（convertersteelmaking）是以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。转炉按耐火材料分为酸性和碱性，按气体吹入炉内的部位有顶吹、底吹和侧吹；按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。转炉主要用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。一种不需外加热源，主要以液态生铁为原料的炼钢方法。转炉炼钢法的主要特点是：靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。炉料主要为铁水和造渣料（如石灰、石英、萤石等），为调整温度，可加入废钢以及少量的冷生铁块和矿石等。转炉按炉衬的耐火材料性质分为碱性（用镁砂或白云石为内衬）和酸性（用硅质材料为内衬）;按气体吹入炉内的部位分为底吹、顶吹和侧吹;按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧气转炉。酸性转炉不能去除生铁中的硫和磷，须用优质生铁，因而应用范围受到限制。碱性转炉适于用高磷生铁炼钢，曾在西欧得到较大发展。空气吹炼的转炉钢，因含氮量高，质量不如平炉钢，且原料有局限性，又不能多配废钢，未能像平炉那样在世界范围内广泛采用。1952年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代空气吹炼的转炉和平炉，现在已经成为世界上主要炼钢方法。简史1856年，英国贝塞麦(H.Bessemer)发明了底吹酸性转炉炼钢法，以后被称为贝塞麦转炉炼钢法。从此开创了大规模炼钢的新时代。1879年英国托马斯(S.G.Thomas)创造了碱性转炉炼钢法。造碱性渣除磷,适用于西欧丰富的高磷铁矿的冶炼，一般称托马斯转炉炼钢法。1891年，法国特罗佩纳(Tropenas)创造了侧面吹风的酸性侧吹转炉炼钢法，曾在铸钢厂得到应用。用氧气代替空气的优越性早被认识，但因未能获得大量廉价的工业纯氧，长期未能实现。到20世纪40年代，空气分离制氧以工业规模进行生产之后，炼钢大量用氧有了可能。但是,旧有转炉改用氧气吹炼,炉底风眼烧损很快，甚至使吹炼无法进行。1948年杜雷尔(R.Durrer)在瑞士采用水冷氧枪垂直插入炉内19吹炼铁水获得成功，1952年奥地利林茨(Linz)和多纳维茨(Donawiz)钢厂建立30吨氧气顶吹转炉车间。后来就按这两个地名的第一个字母称氧气顶吹转炉炼钢法为LD炼钢法。50年代，LD炼钢法传播到世界各国，逐步取代平炉炼钢法。随着顶吹氧转炉的问世，也出现了其他类型吹氧炼钢方法，如卡尔多转炉(Kaldo)炼钢法,罗托转炉(Rotor)炼钢法,但都未能推广。喷石灰粉的氧气顶吹转炉炼钢法,称LD-AC法，可以吹炼含磷高的生铁，在氧气底吹转炉问世前曾应用于高磷生铁炼钢生产。尽管氧气顶吹转炉法得到广泛发展，有人认为由底部供气,熔池搅拌力强,冶炼过程较为合理。1965年加拿大空气液化公司试验成功用同心吹氧管同时吹入气态碳氢化合物来冷却喷嘴的技术。随后法国也试成用燃料油冷却喷嘴的技术。较好地解决了氧气底吹风口烧损快的问题,使底吹转炉炼钢方法得以复苏。1967年后在联邦德国和法国分别采用上述两项技术建造氧气底吹转炉投入生产,称为”OBM”法(即OxygenBottom-blowMaximilian)和“LWS”法(为Loire、Wendel/Sidelor和Sprunck三公司的缩写)。1971年美国引进“OBM”的技术，用于底吹氧气喷石灰粉吹炼含磷生铁，取名“Q-BOP”法，Q表示不平静quiet快quick和优质quality，BOP为碱性氧气法（见氧气底吹转炉炼钢）。氧气顶吹转炉采用喷嘴或透气砖自底部吹入少量惰性气体或氧气,可明显地改善熔池的搅拌力,而兼有底吹和顶吹的优点，1974年英国首先在1.25吨转炉上、1975年法国和卢森堡合作在65吨转炉上先后试验顶底复合吹炼转炉炼钢成功。随后开始在世界范围内推广应用。2021中国于3040年代曾在各地用侧吹酸性转炉炼钢，总生产能力约10万吨年。50年代，唐山钢厂试用碱性炉衬吹炼成功，并推广到全国各地。5060年代侧吹转炉钢产量曾达中国钢总产量的20以上。50年代末，首先在北京建成30吨氧气顶吹转炉车间开始生产。以后在各地相继建成投产。1980年氧气转炉钢的产量占全国钢的总产量40.64。3.2.1氧气顶吹转炉原理转炉炼钢法同其他炼钢法主要区别在于他不借助外加能源，仅靠吹入熔池的空气或氧气与生铁水中各种元素的放热氧化反应完成脱碳和脱除杂质的任务，并将钢液加热到出钢（1600或更高）温度。22氧化当空气或氧气吹入铁水时，生铁中易氧化元素就开始氧化,产生的氧化物和加入的石灰形成炉渣。各项元素按其与氧结合能力的顺序依次氧化。首先氧化的是硅、锰和少量的铁。开始时因温度低(12001300)，而且石灰溶解很慢，组成低氧化钙的铁-锰-硅酸渣。随着温度升高，碳开始激烈地进行氧化。随石灰逐渐溶解，炉渣转变为硅酸钙渣或磷酸钙渣,磷和硫亦被脱除,熔池铁液中各种元素氧化的先后顺序为硅、钒、锰、铬。碳随着温度的提高而分别先于有关元素氧化。脱氧转炉吹炼终了时，钢液中存在着少量过剩的溶解氧，一般为0.010.08。其含量主要取决于终点钢水的碳含量。但在固体钢中氧的溶解度很低,仅为0.0020.003,因此在浇铸后的钢水凝固过程中，氧便以FeO形式析出,影响钢的质量。所以,要炼成合格的钢,就必须脱氧。脱氧是将与氧亲和力较大的元素及其合金作为脱氧剂加入钢液中，利用脱氧产物不溶于钢液而析出上浮脱离钢液的原理,使钢中的含氧量降到规定限度之下。各元素在1600时的脱氧能力比较见图2。在生产中常用的脱氧元素锰、硅、铝,它们的脱氧能力依次递增。为提高脱氧效率,使脱氧产物易于形成大颗粒排出，脱氧剂的加入一般应采用由弱到强的顺序，即先加锰铁，再加硅铁，最后加铝（或铝铁）。23氧气顶吹转炉总图筒球型氧气顶吹转炉主要尺寸241一水冷炉口；2一锥形炉帽；3一出钢口；4一护板；5,9一上、下卡板；6,8一上、下卡板槽，7一斜块；10一圆柱形炉身；11一销钉和斜楔；12一可拆卸活动炉底炉帽水箱式埋管式托圈与耳轴25263.2.2转炉炼钢的应用领域氧气转炉炼钢法50年代初，出现了碱性氧气顶吹转炉炼钢法。同原有的空气转炉相比，它的热平衡条件更为有利，所以原料中可以加入较多废钢（可达30左右），所产的钢含氮量低，质量更好。另一方面，同平炉相比，它不耗燃料，而且生产率高得多，利用废钢的能力虽差一些，但在废钢来源不多的多数地区也已够用。因此从60年代起，世界氧气转炉炼钢的产量和比例扶摇直上。现在,可以说氧气转炉已彻底淘汰了空气转炉,并在很大程度上取代了平炉的地位。60年代末出现了氧气底吹转炉炼钢法。近年来又发展了复合吹炼转炉炼钢法，已在许多国家应用。273.3模具钢分类28模具钢大致可分为（冷作模具钢）、（热作模具钢）和（塑料模具钢）3类，用于锻造、冲压、切型、压铸等。由于各种模具用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢，按其所制造模具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性，足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。由于这类用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢的性能要求也不同。冷作模具包括冷冲模、拉丝模、拉延模、压印模、搓丝模、滚丝板、冷镦模和冷挤压模等。冷作模具有钢，按其所制造具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性、足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。用于这类用途的合金工具用钢一般属于高碳合金钢，碳质量分数在0.80%以上，铬是这类钢的重要合金元素，其质量分数通常不大于5%。但对于一些耐磨性要求很高，淬火后变形很小模具用钢，最高铬质量分数可达13%，并且为了形成大量碳化物，钢中碳质量分数也很高，最高可达2.0%2.3%。冷作模具钢的碳含量较高，其组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢。