【技术前沿】里程碑式变革！鞍钢采用“转炉 连铸 轧制”工艺生产模具钢中厚板！
一、研究的背景与问题
模具是发展高端制造业的基石，随着我国正由制造业大国向强国转型，模具行业对超宽、特厚模具钢的需求不断增加，对模具钢短流程制造周期的需求，对产品质量的长期稳定性日益迫切。
目前模具钢大多采用“电炉+模铸+锻造”制程，受制于钢锭生产的不连续性，产品长周期质量稳定性较差；受制于钢锭的工艺特性，产品的气体含量、夹杂物水平、选分偏析水平较高。2000年以来，以鞍钢为代表的企业成功采用“转炉+连铸+轧制”制程，开发的低合金模具钢中厚板产品逐渐打入模具钢市场，此类产品具有钢质纯净、产品质量稳定可控，板幅大且利用率高、生产短制程、高效率等优势，引发了模具钢领域第一次里程碑式变革。然而该技术在合金含量更高以及超宽、特厚规格的高端模具钢产品方面长期踯躅不前，相关材料短制程、稳定化关键技术以及产品质量亟待突破。
制约模具钢中厚板技术进步以及全行业推广三方面技术瓶颈如下：
1、高碳-高合金模具大板坯开发瓶颈——模具钢中厚板谱系化问题
受转炉冶炼高合金化损耗大、均质化困难，尺寸效应引发的大板坯裂纹问题制约，世界上尚没有采用“转炉+立弯式连铸” 进行高碳-高合金大板开发的先例（C：0.36-0.45wt%，合金：9-15wt%），基于不对称变形条件下等向冲击性能（≥0.8）及满足NADCA标准的组织控制技术，1000-4000mm超宽板短制程生产技术亦是空白。
2、复合模具钢开发瓶颈——模具钢中厚板厚度提升问题
真空复合坯料在成本上、生产节奏上优于钢锭，在轧制规格及内部质量方面上优于400mm以上规格连铸坯。其技术本质在于金属 “熔化-凝固”的延申，因此模具钢的易裂难焊性（CE:0.56-3.38）、模具钢的高磁性对电子束的磁偏吹等成为利用复合坯生产模具钢最大的技术瓶颈。世界上尚没有采用“真空电子束复合”技术进行模具钢开发的成功案例。
3、低圧缩比、短制程模具中厚板生产工艺瓶颈——生产的轧制极限和效率的问题
无论是谱系化模具钢中厚板生产，还是复合技术生产，均需最大程度的挖掘连铸坯料的轧制极限，即突破行业内中厚板生产最小压缩比，达到压缩比≤2的水平，同时实现短流程并保证质量长期稳定、可控。鞍钢股份有限公司赵坦带领项目团队，依托省、集团重大项目，开展高品质模具钢中厚板关键制备技术攻关，突破传统连铸生产模具钢的合金化极限，坯料规格极限以及压缩比极限，形成“高效生产-稳定控制”一体化工艺，实现“关键制备技术-材料应用”全链条自主创新，开发出五大系列30余种模具中厚板产品。
二、解决问题的思路与技术方案
1、主要技术路线
针对国内汽车、家电、电子以及医用等领域对高合金、超宽、超厚、高稳定性模具钢中厚板的迫切需求，鞍钢股份有限公司率先开展高碳高合金模具大板坯无缺陷连铸、高等向轧制等技术难题，以突破以连铸坯为原料模具钢中厚板的合金化极限；率先开展高磁性材料电子束焊接磁偏吹控制、高碳当量材料真空复合全流程裂纹控制、全品种短制程、超低压缩比控制等关键核心技术攻关，以突破以连铸坯为原料生产模具钢中厚板厚度极限。率先通过开展全流程组织数字化控制、均质化-短流程制备工艺的研发，突破了模具钢中厚板压缩比极限。基于上述三方面关键技术的研发，推动了我国高品质模具钢中厚板大规模生产应用的进程。
图1 项目总思路
2、技术方案及实施
（1）高碳高合金大板坯技术
高碳高合金模具大板连铸技术：开发了专用保护渣AOP-5和专用二冷水线，形成系统裂纹及铸坯组织控制技术。在此基础上，通过控制上机温度、覆盖剂控制温度辐射等措施保持过热度稳定控制；连铸过程控制并采取恒拉速浇铸技术，并对关键连铸工艺参数进行动态调整，减少结晶器液面波动带来的卷渣，减小初期坯壳的形成，降低漏钢风险以及由于强力弯矫区带来的裂纹发生率；凝固末端投入轻压下。通过上述措施，实现了无缺陷H13、60Si2Mn等大板坯连铸批量生产，坯料规格达到250×1650×Lmm。
高碳高合金模具大板低偏析控制技术：高碳高合金模具中厚板中碳含量高达0.36-0.45wt%，合金含量高达9-15wt%，研发初期大板产品厚度截面存在“水波纹”及“亮带”组织。随着坯料规格，尤其随着坯宽的增大，这种组织有加剧的趋势。这同中心偏析疏松带和电磁搅拌带来的环绕偏析带密切相关。研究发现电磁搅拌对于高碳高合金类模具钢大板不利，取消电磁搅拌的情况下，通过加强二冷水进行梯度温度场控制，增加了柱状晶的比例，加速了凝固过程，有效的控制了宏观偏析及枝晶间的偏析，局部初生碳化物基本消除。
基于转炉双联等工艺的超低P、S及合金化控制关键技术：开发出高碳高合金模具钢转炉双联冶炼技术实现超低P控制。开发了“铁水预处理+LF+VD”三阶段处理技术实现超低S纯净钢控制。将钢水温度升到1600℃再进行深脱硫处理和成分调整，采用高碱度CaO-Al2O3渣系。升温的同时结合采用合金预烘烤技术解决了合金化困难问题，LF炉钢水成分和温度命中目标后再进行稠渣操作和真空处理。VD炉通过控制深真空循环时间，进一步提高钢水洁净度。经过深脱硫处理后，钢水硫含量小于0.001%，脱硫率达到了80%-90%，开发的H13成分控制水平达到NADCA超级钢标准要求。
高均质性、高等向性轧制工艺技术：研发出超宽幅模具钢高等向性能控制技术。通过坯料升温速率控制、均热时间控制，进一步降低了坯料局部偏析，显著细化了坯料原始晶粒；通过坯料优化设计及宽展变形控制，有效细化了横向晶粒；针对模具钢连铸坯料组织特性，采用高温回火替代了传统退火工艺，实现原始碳化物的优化控制，减化了流程时间，节约了生产能耗。开发的满足NADCA#207超级钢标准的4000mm H13模具钢特厚板，为世界之最，均质度控制在10HBW范围内，等向性能优于日本高周波同类产品。
（2）模具钢复合大板技术
高碳当量复合模具钢材料全流程止裂技术：针对模具钢全电子束复合焊接裂纹、再热裂纹等行业共性难题，建立了模具钢复合热源焊接模型，误差≤10%。建立了模具钢电子束焊接残余应力控制数学模型，明确了典型模具钢焊后残余应力的大小及分布及不同焊接参数下（束流、焊速）钢种的残余应力的变化规律。电子束是一种高能束焊接方法，能量密度大，对钢板的热输入相对较小。但随着坯料厚度增大，碳当量增加，焊后的冷速特别快，极易产生淬硬组织，冷裂纹倾向十分严重。通过理论计算，综合考虑淬硬因素和真空环境氢含量因素，确定了焊后坯料预处理温度及快速升温避过敏感区的策略，有效控制了再热裂纹。形成了模具钢焊接裂纹控制技术，实现了高碳钢真空复合板坯的连续稳定生产。
高磁性、高碳当量材料磁偏吹条件下稳定焊接技术：通过“补偿磁偏吹偏移量”和“分段焊接”的点焊和连续焊接方式（对于极强磁性复合坯料需提前采用加热的方式进行居里温度消磁），有效消除了强磁性钢种复合焊接过程产生的“磁偏吹”影响，实现了高碳当量、高磁性复合板坯的稳定生产，并克服了常规消磁设备无法实现的强消磁功能。
界面高冶金复合技术：揭示了复合轧制工艺对界面冶金复合结合率的影响规律，随着压下量的增大，复合界面带状组织逐渐改善，且粗大的组织逐渐细化。温度超过1000℃，压下量达到20%时，可完全消除复合界面带状组织并实现界面冶金复合。
（3）“短制程-低偏析-超低压缩比”制备技术
智慧化铸坯组织识别及控制技术：通过连铸坯质量数字化定量化表征的方法,来优化控制连铸坯质量,从而提高钢材力学性能和稳定性。首创了偏析组织数字化识别技术，形成了连铸坯偏析组织数字化提取及评级软件，基于此为每一块铸坯生产前快速建立了档案，搭建起连铸工艺参数、连铸坯质量和产品性能的关系，通过积累连铸坯质量参数反应对产品性能的影响，形成连铸工艺优化方案。
预硬化大板低偏析、短制程控制技术：开发出坯料组织及偏析前处理控制技术，为短流程工艺的实施奠定基础，阐明了特厚钢板热处理“温度-相变-应力”多场耦合作用机制，构建了均质化、柔性化连续热处理工艺理论体系，为大厚度模具钢板低偏析、短流程控制技术研发提供支撑。阐明了特厚模具钢板高精度加热热流耦合作用与换热机理。阐明了非稳态对流-辐射-传导耦合传热控制机理。在上述技术的基础上，取消了原有淬火及正火工序，极大的降低了工艺成本。
基于高渗透轧制的超厚模具钢板内部组织控制关键技术：成功开发基于温控形变控制的高渗透性轧制技术，提高了系列模具钢内部质量。在此基础上，采用高过热度-高拉速-凝固末端轻压下等手段，通过增加铸坯凝固前沿的温度梯度，促进了柱状晶生长，有效的抑制了连铸坯中心偏析和疏松，采用优化堆垛工艺，加热工艺控制加强了坯料排H处理，最终形成全流程工艺优化控制方案。形成了“连铸-堆垛-装炉-轧制”全流程工艺优化控制方案，＞150mm规格钢板按照GB/T 6402 3级锻件标准探伤合格率提升至99%。
三、主要创新性成果
项目围绕制约我国模具钢中厚板在高合金、超宽、超厚规格高端模具钢产品发展的诸多关键技术瓶颈，围绕模具钢行业对短制程、高稳定化模具钢制备技术的迫切需求。率先实现模具钢中厚板谱系化开发，实现“工艺理论-关键制备技术-材料”的全链条自主创新。开发出五大系列模具钢产品，产品质量、生产工艺及应用效果达到国际先进水平，开创性的高碳高合金模具钢大板坯连铸及生产技术（C：0.36-0.45wt%，合金：9-15%），复合模具钢生产技术（CE：0.56-3.28）实现国际首发，填补国内外空白，达到国际领先水平。具体如下：
1、国际上率先突破系列高碳高合金模具大板坯连铸及板材生产技术
开发出新制程下连铸裂纹控制、低偏析控制、不对称变形下高等向轧制以及多路径碳化物控制四大关键技术；突破立弯式连铸极限，实现最大250×1650mm断面H13等连铸坯稳定生产；开发的满足NADCA超级钢标准的4000mm超宽H13厚板，韧性和等向性能优于世界先进企业日本高周波，效率是“电炉+模铸+锻造”制程的12.9倍。
2、国际上率先掌握高碳当量模具钢全真空电子束复合组坯及关键生产工艺
攻克了模具钢全电子束复合焊接裂纹、再热裂纹，高磁性材料电子束磁偏吹、低圧缩比约束下界面冶金复合等行业共性难题，建立了模具钢复合热源焊接模型，误差≤10%。国际上首次开发出FH45、FH50、FH2311及FH40Cr13等复合模具钢，最高碳当量达3.28，实现批量应用。使得采用连铸坯为原料，大批量生产高质量、高稳定性200-1000mm特钢产品成为可能，前景广阔。
3、形成具有自主知识产权的全系模具钢“短制程-低偏析-超低压缩比”制备技术
基于铸坯数字化识取技术、均质化连续处理工艺理论体系，及高渗透性超低压缩比轧制技术的开发，采用1.43倍压缩比开发出满足锻件探伤要求的412mm FH45，效率较“锭+轧”制程提高25%以上；开发出短制程、高均质的五大系列30余种模具钢中厚板。
四、应用情况与效果
项目整体攻关十余载，授权发明专利40项，授权实用新型专利26项，企业标准5项，形成企业核心技术12项。形成了以高碳高合金连铸大板坯技术和高碳当量全真空电子束焊接技术为代表的一整套具有自主知识产权的国际独有领先技术。仅2018.1-2020.11，即实现高品质模具钢中厚板产品供货122.45万吨，其中高合金大板产品国内市场占有率＞50%，超宽幅大板国内市场占有率达100%，复合模具钢国内市场占有率达100%。新增产值44.86亿元，新增纯利润4.47亿元。
系列产品成功应用于全球第二大、亚洲最大的工业铝型材研发制造企业——辽宁忠旺集团有限公司高精密大截面工业铝型材模具、亚洲最大的塑胶模热流道系统制造企业——柳道万和（苏州）热流道系统有限公司高端热流道系统制造等项目，为高端中国制造提供强有力的基础材料保障。