模具鋼的冶煉可以用平爐、轉(zhuǎn)爐、電弧爐、電渣重熔、感應(yīng)爐或真空感應(yīng)爐等設(shè)備，由于模具鋼的批量小、規(guī)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(yīng)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(diǎn)：

①熱效率高，鋼液溫度可根據(jù)鋼種和工藝操作要求來(lái)調(diào)整。而且容易控制。

②冶金過(guò)程容易控制，通過(guò)控制物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(yīng)性強(qiáng)。

④設(shè)備相對(duì)比較簡(jiǎn)單，投產(chǎn)快。

目前，我國(guó)特殊鋼廠大多數(shù)采用堿性電弧爐冶煉生產(chǎn)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(wù)：

煉鋼的基本任務(wù)是：向溶池供氧，把爐料中的碳氧化到規(guī)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(zhì)量；調(diào)整合金成分，符合出鋼的溫度的要求。

總之，基本任務(wù)可以歸納為“四脫（C、O、S、P）二去（去氣、去夾雜）二調(diào)整（成分、溫度）”。采用的主要技術(shù)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(shí)，模具鋼的冶煉要盡量配一些好料，尤其是對(duì)于要求較高的合金模具鋼。為一保證去氣和夾雜的效果，應(yīng)保證氧化期沸騰的去碳量，碳（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）應(yīng)比成品規(guī)格高0.6%~0.7%，其他元素可以不特殊配入，但含Mo鋼應(yīng)在中限。對(duì)于高Cr的合金工具鋼，爐料應(yīng)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(shí)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(yīng)經(jīng)過(guò)烘烤。

⑶熔氧期 目前，大部分的電爐鋼廠都采用強(qiáng)化冶煉，即在還原之前強(qiáng)化用氧，將熔化期和氧化期合并為熔氧期。因此，應(yīng)根據(jù)爐料中的磷含量于裝料前預(yù)先在爐底加入一定數(shù)量的石灰和礦石（盡量不用或少用礦石），爭(zhēng)取在爐料熔化90%時(shí)，造成適當(dāng)?shù)膲A度的氧化渣，在溫度還不太高的時(shí)候以自動(dòng)流渣方式將70%的磷去除，亦即在熔化期完成去磷任務(wù)。與此同時(shí)，在適當(dāng)?shù)娜ヌ妓俣认?，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(guó)大多數(shù)鋼廠在采用氧化法冶煉時(shí)，熔氧期的脫碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）大于0.2%。熔氧初期，爐溫較低，這時(shí)力爭(zhēng)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(jìn)入還原期。該期的任務(wù)是脫氧、去硫、合金化，后調(diào)整成分及溫度，使之達(dá)到規(guī)定的要求。扒完氧化渣后，應(yīng)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(jìn)氣。加入量為鋼液重量的3%左右。薄渣料加入后，根據(jù)鋼種的要求加入Mn-Si合金和Al（一般為0.5~1kg/t鋼）進(jìn)行預(yù)脫氧。薄渣形成后，加入Fe-Si粉和C粉進(jìn)行脫氧，一般批的保持15min以上，加2~3批，每批間隔時(shí)間5min。在還原期要勤測(cè)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(dòng)性，保證白渣出鋼。還原期應(yīng)保持適當(dāng)高的溫度，一般高出鋼種的熔點(diǎn)80~120℃。近年來(lái)為有效地提高金剛的質(zhì)量和純結(jié)度，還原精煉階段一般移到鋼包中進(jìn)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(dá)到94.5%。

⑸出鋼 在出鋼前2~3min，向鋼液中插Al進(jìn)行終脫氧，以進(jìn)一步降低鋼中的氧含量，合金模具鋼約為0.5kg/t鋼。出鋼過(guò)程常采用鋼渣混出，以增加鋼液和渣的進(jìn)一步接觸，繼續(xù)脫硫，同時(shí)使鋼液減少二次氧化。當(dāng)休用爐外精煉時(shí)，應(yīng)采用擋渣出鋼。目前國(guó)外發(fā)展快的的偏心爐低出鋼。避免鋼渣進(jìn)入鋼包。

出鋼溫度對(duì)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(guān)。

⑹模具鋼澆注 在設(shè)備條件一定和冶煉鋼種確定時(shí)，澆注工藝是十分重要的，澆注工藝中重要的兩個(gè)工藝參數(shù)就是澆注溫度與澆注速度。它決定鋼錠的表面質(zhì)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(zhì)量問(wèn)題。對(duì)于澆注溫度的確定，一般采用如下公式：

T澆注=T熔點(diǎn)+T過(guò)熱

式中T澆注——鋼種的液相線溫度；

T熔點(diǎn)——包括根據(jù)鋼種決定的澆注小過(guò)熱量。因澆注方法和錠型等因素，要求增減的溫度以及整個(gè)澆注過(guò)程中鋼液的溫度下降值；

T過(guò)熱——開(kāi)澆時(shí)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(diǎn)80~100℃，根據(jù)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(lái)概括注溫與注速的關(guān)系。因此必須根據(jù)注溫調(diào)節(jié)注速，如注速過(guò)快，相當(dāng)于擠高了澆注溫度，因?yàn)橥粫r(shí)間內(nèi)帶入鋼錠模具內(nèi)的熱量增加，整個(gè)鋼錠的凝固時(shí)間延長(zhǎng)，成分偏析嚴(yán)重，夾雜物增加，氣體也不易排出，還可能出現(xiàn)翻皮缺陷。另外，在模具鋼的澆注過(guò)程中，一定要注意補(bǔ)縮。至補(bǔ)縮的時(shí)間與錠型、鋼種等有關(guān)系。

⑺錠模 模鑄常采用帶保溫帽和整體的錠模系統(tǒng)，材質(zhì)一般是鑄鐵。為了減少鋼錠在凝固時(shí)的縮孔和疏松，鋼錠應(yīng)保持一定的錐度，錐度一大小選擇應(yīng)考慮生產(chǎn)的鋼種、錠重和以后的加工方式，對(duì)于模具鋼鋼錠的錐度，應(yīng)大于3%，其計(jì)算方法是：α錐=(D大-D小)/2H*。對(duì)解剖錐度小于3%的鋼錠，發(fā)現(xiàn)其冒口線下100mm左右比較致密，而下部則疏松比較嚴(yán)重，尤其像A2(Cr5Mo1V)\A8等鋼，則中心疏松與縮孔更嚴(yán)重。錠身錐度一般應(yīng)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(chǎn)生熱裂紋，矩形錠（扁錠）存在的問(wèn)題是在澆注中寬邊散熱比窄邊慢，容易產(chǎn)生熱裂紋，所以外形弧形錠模，并將寬邊模壁加厚，強(qiáng)化冷卻。方形錠模使用多，它又分直邊、凸邊、凹邊和波浪形邊四種。鋼錠模的另一個(gè)重要的參數(shù)，就是高寬比（H/D），對(duì)模具鋼鋼錠的高寬比不應(yīng)過(guò)大，否則會(huì)增加鋼錠的中心疏松、二次縮孔和熱裂的傾向；同時(shí)因鋼液面過(guò)高，靜壓力增大，對(duì)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(jié)約能源和工敢流程短等優(yōu)點(diǎn)，加之近年來(lái)連鑄技術(shù)的發(fā)展，為了提高鋼的成材率和降低能耗，國(guó)外一些鋼廠已采用連鑄工藝生產(chǎn)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(yàn)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(jī)，機(jī)型多采用水平、立式或大半徑連鑄機(jī)。如日本大同特殊鋼公司采用二流弧型大方坯連鑄機(jī)，鑄坯尺寸370mm*380mm；德國(guó)蒂森公司增設(shè)了雙流連鑄機(jī)，結(jié)晶器的截面尺寸為340mm*475mm 。為了保證質(zhì)量，一般都采用保護(hù)澆注、液面控制和多級(jí)電磁攪拌等技術(shù)。

德國(guó)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(yàn)。

用大板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)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(guó)外已普通應(yīng)用，大大降低了生產(chǎn)成本。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始采用連鑄工藝生產(chǎn)塑料模具鋼。

⑼真空爐外精煉 真空爐外精煉技術(shù)是冶金工業(yè)技術(shù)的重大進(jìn)步，精煉鋼的質(zhì)量比末精煉鋼的質(zhì)量好得多。通過(guò)精煉，鋼中氣體含量、硫含量等一步降低，夾雜物的含量也進(jìn)一步降低。表2-8中說(shuō)明普通電爐冶煉與真空處理的模具鋼H13鋼的夾雜物對(duì)比。真空處理的方法很多，實(shí)際就是將初煉鋼液倒入鋼包中，移到真空室內(nèi)，通過(guò)吹A(chǔ)r攪拌，鋼液在真空條件下激烈沸騰，隨著Ar氣泡流，鋼液被驅(qū)動(dòng)而形成環(huán)流，使鋼液中的氣體隨Ar氣排出，夾雜物上浮，并進(jìn)行脫硫，通過(guò)補(bǔ)加合金成分使成分控制準(zhǔn)確、均勻。

真空精煉設(shè)備很多，一般有LF+VD，VAD、VOD、AOD、DH、RH、VHD等。國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)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(guò)程中無(wú)加熱裝置，處理時(shí)鋼液溫度下降，因而進(jìn)入鋼包的鋼液溫度要比規(guī)定溫度高80~120℃，處理時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。通過(guò)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(cè)定用不同冶煉工藝生產(chǎn)H13鋼的氧化物的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

氧化物種類(lèi) 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(wú) 無(wú)

A l2O3 0.0050 0.0028

MgO 0.0012 0.0030

另一類(lèi)精煉設(shè)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(shè)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(chǎn)要求低S的模具鋼時(shí)采用高堿度渣。VHD法與ASEA-SKF法在加熱操作時(shí)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(guò)電磁感應(yīng)攪拌而產(chǎn)生鋼液上下流動(dòng)。經(jīng)過(guò)這類(lèi)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(shí)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(shè)備的一種，是由鋼包、加熱和攪拌裝置，以及加熱和真空系統(tǒng)構(gòu)成。鋼液進(jìn)入鋼包后通過(guò)造新渣進(jìn)一步脫硫，并在2~5*104Pa的真空度下加熱，調(diào)整鋼液溫度和吹氬攪拌脫氣，促進(jìn)非金屬夾雜物上浮排除，并使鋼液的成分均勻化，同時(shí)降低氣體的含量。在合金工具鋼的生產(chǎn)中，也采用LFV爐精煉技術(shù)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(guò)強(qiáng)化熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，使鋼液在短時(shí)間內(nèi)得到高度凈化和均勻，從而達(dá)到了各種冶金目的。LF爐是在大氣下利用電弧加熱調(diào)整鋼液溫度，較長(zhǎng)時(shí)間的吹氬（一般吹氬量達(dá)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(diǎn)是用氣體（是惰性氣體）作載體，將粉狀精煉劑通過(guò)浸入式噴槍?zhuān)┻^(guò)渣層直接噴入鋼包的熔池深處，對(duì)鋼液進(jìn)-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(yōu)質(zhì)模具鋼。噴射系統(tǒng)由噴射罐、噴槍、氣體輸送裝置、控制系統(tǒng)和鋼包組成。根據(jù)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(guò)程是向經(jīng)電弧爐或平爐熔煉的鋼液深處噴入Ca-Si粉或CaC2粉，并進(jìn)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(shí)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(duì)模具鋼的純凈度的影響。關(guān)于噴粉工藝的影響主要有以下幾個(gè)方面；

表2-9 冶煉工藝對(duì)鋼中夾雜物含量的影響

冶煉工藝 夾雜物總含量/質(zhì)量分?jǐn)?shù)% 各類(lèi)夾雜物含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

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(lái)說(shuō)，高堿度渣的渣量在2%~3%時(shí)能使鋼中的硫含量下降到W(S)00.005%以下，可以達(dá)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(zhǎng)密集的硫化錳變成球形分散的硫化物或復(fù)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(jìn)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(dá)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(tài)和分布改善，從而改善了鋼材的力學(xué)性能，特別是改善了鋼材的韌性和塑性。對(duì)5CrNiMo鋼噴粉精煉后，其斷面收縮和沖擊韌度顯著提高。