电渣重熔熔池结构的调控及对高速钢碳化物的作用机制研究

The carbide segregation of high-speed steel during the solidification process will seriously affect the processing performance and service performance, which is a bottleneck problem preventing the development of large cross-section high-speed steels. Electroslag remelting (ESR) is a predominant method for smelting high-quality high-speed steels, but the molten bath structure of conventional ESR restricts its ability to control carbide segregation. For controlling the carbide segregation, the molten bath structure should be shallow and flat to effectively decrease the solidification condition differences between the surface and center parts of steel ingot. In order to control carbide segregation, homogenize and refine the carbide particles, a shallow and flat molten bath will be achieved by using secondary aerosol cooling and crystallizer shunt effect to make the high-speed steel rapid solidification. This project aims to explore the mechanisms and methods of structure regulation of ESR molten bath, clarify the coordinating mechanism of slag bath conduction mode and additional rapid-cooling to the molten bath structure, reveal the effects of bath structure on carbide size and distribution, clarify the refinement and homogenization mechanism of high-speed steel’s carbides under the shallow and flat molten bath structure. The results will provide a theoretical basis for controlling carbide segregation of large cross-section high-speed steel and has an important role in preparing low-cost large cross-section high-speed steels.

高速钢凝固过程的碳化物偏析严重影响其加工性能和使用性能，已成为制约大截面高速钢发展的瓶颈问题。电渣重熔法是冶炼高品质高速钢的主要方法，但传统电渣重熔的熔池结构限制了其控制碳化物偏析的能力，研究表明熔池结构需要同时满足“浅”和“平”才能有效降低钢锭表面和心部的凝固条件差异从而控制碳化物偏析。本项目拟通过二次气雾冷却和结晶器分流的方法实现电渣重熔过程的熔池浅平，使高速钢在低过热度条件下快速凝固从而控制碳化物偏析，减小碳化物不均匀度并细化碳化物颗粒。项目旨在探索电渣重熔过程熔池结构的调控机制和方法，阐明渣池导电模式和外加快速冷却对熔池结构的协调作用机制，揭示熔池结构对碳化物尺寸和分布的影响规律，明晰浅平熔池条件下高速钢碳化物的细化和均匀化机理，以期为控制大截面高速钢的碳化物偏析提供理论依据，对实现低成本制备大截面高速钢具有重要推动作用。

高速钢是高碳高合金莱氏体钢，具有硬度高、红硬性好、耐热耐磨等特点，主要用于制作各种切削工具、高载荷模具等。近年来，随着大型装备制造业的迅速发展，对高速钢的尺寸规格和性能要求不断提高。然而高速钢的高碳高合金的成分特点使得其容易发生碳化物偏析，而且钢锭截面越大碳化物偏析越严重，这使得其碳化物的不均匀度高、颗粒粗大、严重影响了高速钢的加工性能和使用性能。本项目通过探索电渣重熔过程熔池结构的调控机制和方法，研究熔池结构对高速钢凝固过程碳化物特征的影响机理。研究成果可以为控制大截面高速钢碳化物偏析提供理论依据，同时为电渣重熔法生产其他类型的大截面的实心钢锭提供参考。研究表明：二次气雾冷却能够明显改变电渣重熔过程的温度场分布，使熔池的低温区上移，相比传统电渣重熔工艺（ESR），增加二次气雾冷却系统的抽锭式电渣重熔工艺（ESR-SAC）使熔池液相线深度减小20mm，固相线深度减小30mm，同时使熔池的结晶角度减小，整个熔池结构更加浅平；增加二次气雾冷却使钢锭在凝固过程中获得的冷却速度增大、碳化物的平均网距减小，碳化物在组织中分布的均匀程度显著提高；二次气雾系统能够在增大碳化物相面积的同时使组织中尺寸粗大的碳化物数量减少，碳化物晶粒更加细小；增加二次气雾冷却能够抑制碳化物的增厚行为，使碳化物层厚度减小；增加二次气雾冷却系统后碳化物的类型未发生改变，仍然以M2C和M6C为主，但能够使碳化物的形貌发生改变，促使M2C型碳化物由层片状逐渐向弯曲短棒状转变。