模具钢的冶炼可以用平炉、转炉、电弧炉、电渣重熔、感应炉或真空感应炉等设备，由于模具钢的批量小、规格品种繁多，并且有的钢种合金含量较高，广泛采用的还是电弧炉和感应冶炼较多，模具钢的冶炼一般采用50t以下的电弧炉为宜。

电弧炉冶炼的一般特点：

①热效率高，钢液温度可根据钢种和工艺操作要求来调整。而且容易控制。

②冶金过程容易控制，通过控制物理化学反应过程，除去钢中的气体和夹杂物，获得比较纯净的钢液。

③可以冶炼各种合金钢，品种变化的适应性强。

④设备相对比较简单，投产快。

目前，我国特殊钢厂大多数采用碱性电弧炉冶炼生产模具钢，可以用氧化法和不氧化法冶炼，大都采用氧化法冶。

电弧炉冶炼的基本任务：

炼钢的基本任务是：向溶池供氧，把炉料中的碳氧化到规定范围；造渣去除原料中的S、P、O以及钢中气体如H、N及非金属夹杂物，以保证钢的质量；调整合金成分，符合出钢的温度的要求。

总之，基本任务可以归纳为“四脱（C、O、S、P）二去（去气、去夹杂）二调整（成分、温度）”。采用的主要技术手段为“供氧、造渣、升温、加脱氧剂、合金化操作”。

⑴配料 采用氧化法冶炼时，模具钢的冶炼要尽量配一些好料，尤其是对于要求较高的合金模具钢。为一保证去气和夹杂的效果，应保证氧化期沸腾的去碳量，碳（质量分数）应比成品规格高0.6%~0.7%，其他元素可以不特殊配入，但含Mo钢应在中限。对于高Cr的合金工具钢，炉料应使用低Si、低Mo的返回钢和铁合金。

⑵装料 钢铁料装入之前，可加入适量石灰或碎矿石，以利于前期提前造渣和脱磷操作，装炉时以能使钢铁料熔化形成熔池为原则，将部分小料装在底部，中间装入大料和废料，上层放入剩余小料，不易拉化的铁合金可以随炉装入，但不要入在电极下面。要装入的铁合金等应经过烘烤。

⑶熔氧期 目前，大部分的电炉钢厂都采用强化冶炼，即在还原之前强化用氧，将熔化期和氧化期合并为熔氧期。因此，应根据炉料中的磷含量于装料前预先在炉底加入一定数量的石灰和矿石（尽量不用或少用矿石），争取在炉料熔化90%时，造成适当的碱度的氧化渣，在温度还不太高的时候以自动流渣方式将70%的磷去除，亦即在熔化期完成去磷任务。与此同时，在适当的去碳速度下，一般大约≥0.2%的去碳速度，就能保证熔氧期毕钢中具有较低的氢含量。我国大多数钢厂在采用氧化法冶炼时，熔氧期的脱碳量（质量分数）大于0.2%。熔氧初期，炉温较低，这时力争在氧化渣下脱去大部分的磷。后期则利用大变压器快速升温脱碳去气，以便熔氧期的温度能符合要求。

⑷还原期 扒除氧化渣后就进入还原期。该期的任务是脱氧、去硫、合金化，后调整成分及温度，使之达到规定的要求。扒完氧化渣后，应立即加入稀薄渣料（一般用氧化钠、石灰和火砖=1：4：1）以防止进气。加入量为钢液重量的3%左右。薄渣料加入后，根据钢种的要求加入Mn-Si合金和Al（一般为0.5~1kg/t钢）进行预脱氧。薄渣形成后，加入Fe-Si粉和C粉进行脱氧，一般批的保持15min以上，加2~3批，每批间隔时间5min。在还原期要勤测温，勤搅拌，促使温度和成分均匀，要控制好渣量和渣况，保证足够的碱度和良好的流动性，保证白渣出钢。还原期应保持适当高的温度，一般高出钢种的熔点80~120℃。近年来为有效地提高金刚的质量和纯结度，还原精炼阶段一般移到钢包中进行，采用炉外二次精炼工艺。如日本1991年电炉冶炼的特殊钢采用炉外二次精炼的比例达到94.5%。

⑸出钢 在出钢前2~3min，向钢液中插Al进行终脱氧，以进一步降低钢中的氧含量，合金模具钢约为0.5kg/t钢。出钢过程常采用钢渣混出，以增加钢液和渣的进一步接触，继续脱硫，同时使钢液减少二次氧化。当休用炉外精炼时，应采用挡渣出钢。目前国外发展快的的偏心炉低出钢。避免钢渣进入钢包。

出钢温度对于模具钢十分重要，一般模具钢的电炉出钢温度控制在1550~1620℃左右，与钢种、是否精炼等有关。

⑹模具钢浇注 在设备条件一定和冶炼钢种确定时，浇注工艺是十分重要的，浇注工艺中重要的两个工艺参数就是浇注温度与浇注速度。它决定钢锭的表面质量，如冒口的收缩、气体逸出与夹杂物的上浮、钢的偏析、疏松、缩孔等质量问题。对于浇注温度的确定，一般采用如下公式：

T浇注=T熔点+T过热

式中T浇注——钢种的液相线温度；

T熔点——包括根据钢种决定的浇注小过热量。因浇注方法和锭型等因素，要求增减的温度以及整个浇注过程中钢液的温度下降值；

T过热——开浇时钢液温度。

模具钢尤其是一些高合金模具钢的浇注，一般都采用低温快注的原则，以减少钢中偏析和疏松，出钢温度控制在高于钢的熔点80~100℃，根据钢种、锭型和钢包的大小而定。浇注速度是与浇注温度密不可分的，通常用“高温慢注”与“低温快注”来概括注温与注速的关系。因此必须根据注温调节注速，如注速过快，相当于挤高了浇注温度，因为同一时间内带入钢锭模具内的热量增加，整个钢锭的凝固时间延长，成分偏析严重，夹杂物增加，气体也不易排出，还可能出现翻皮缺陷。另外，在模具钢的浇注过程中，一定要注意补缩。至补缩的时间与锭型、钢种等有关系。

⑺锭模 模铸常采用带保温帽和整体的锭模系统，材质一般是铸铁。为了减少钢锭在凝固时的缩孔和疏松，钢锭应保持一定的锥度，锥度一大小选择应考虑生产的钢种、锭重和以后的加工方式，对于模具钢钢锭的锥度，应大于3%，其计算方法是：α锥=(D大-D小)/2H*。对解剖锥度小于3%的钢锭，发现其冒口线下100mm左右比较致密，而下部则疏松比较严重，尤其像A2(Cr5Mo1V)\A8等钢，则中心疏松与缩孔更严重。锭身锥度一般应选用3%~5%，锭模的壁厚常选用下部较上部厚些，以便快速凝固。

钢锭模的断面的形状可分为方形、矩形、圆形、多边形等。多边形钢锭散热面大而均匀，钢锭不宜产生热裂纹，矩形锭（扁锭）存在的问题是在浇注中宽边散热比窄边慢，容易产生热裂纹，所以外形弧形锭模，并将宽边模壁加厚，强化冷却。方形锭模使用多，它又分直边、凸边、凹边和波浪形边四种。钢锭模的另一个重要的参数，就是高宽比（H/D），对模具钢钢锭的高宽比不应过大，否则会增加钢锭的中心疏松、二次缩孔和热裂的倾向；同时因钢液面过高，静压力增大，对钢中气体和夹杂物的排出不利。

⑻连铸 由于连铸具有金属收得率高、成本低和节约能源和工敢流程短等优点，加之近年来连铸技术的发展，为了提高钢的成材率和降低能耗，国外一些钢厂已采用连铸工艺生产模具钢。低合金钢（主要是塑料模具钢）已正式采用此工艺，高合金工具钢连铸工艺天在试验研究。由于模具钢的大截面材的比例较多，一般采用大截面连铸机，机型多采用水平、立式或大半径连铸机。如日本大同特殊钢公司采用二流弧型大方坯连铸机，铸坯尺寸370mm*380mm；德国蒂森公司增设了双流连铸机，结晶器的截面尺寸为340mm*475mm 。为了保证质量，一般都采用保护浇注、液面控制和多级电磁搅拌等技术。

德国Siegen Krupp采用的工艺路线：

UHP钢包处理（直空冶炼、气体搅拌、合金化）连铸连轧热处理去氧化皮、剥皮矫直、修磨检验。

用大板坯连铸机生产出的大型板坯直接轧制成中厚反制造各种塑料模具，代替模铸锻造或轧制成型，在国外已普通应用，大大降低了生产成本。近些年来，国内也开始采用连铸工艺生产塑料模具钢。

⑼真空炉外精炼 真空炉外精炼技术是冶金工业技术的重大进步，精炼钢的质量比末精炼钢的质量好得多。通过精炼，钢中气体含量、硫含量等一步降低，夹杂物的含量也进一步降低。表2-8中说明普通电炉冶炼与真空处理的模具钢H13钢的夹杂物对比。真空处理的方法很多，实际就是将初炼钢液倒入钢包中，移到真空室内，通过吹Ar搅拌，钢液在真空条件下激烈沸腾，随着Ar气泡流，钢液被驱动而形成环流，使钢液中的气体随Ar气排出，夹杂物上浮，并进行脱硫，通过补加合金成分使成分控制准确、均匀。

真空精炼设备很多，一般有LF+VD，VAD、VOD、AOD、DH、RH、VHD等。国内目前生产模具钢的冶金厂较多采用LF+VD或VHD、VAD等精炼工艺装置。VD装置真空度一般保持在约10~100Pa的水平，由于处理过程中无加热装置，处理时钢液温度下降，因而进入钢包的钢液温度要比规定温度高80~120℃，处理时间不宜过长。通过真空处理后，气体含量降低，夹杂物减少，钢的韧度有所改善。

表2-8 电解法测定用不同冶炼工艺生产H13钢的氧化物的含量（质量分数，%）

氧化物种类 电弧炉冶炼 电弧炉+VHD精炼

氧化物总量 0.0084 0.0046

SiO2 0.0010 0.0010

MnO 痕 痕

FeO 0.0001 痕

Cr2O 痕 痕

CaO 无 无

A l2O3 0.0050 0.0028

MgO 0.0012 0.0030

另一类精炼设备是增加加热装置，如VAD、VHD法、瑞典的真空钢包精炼ASEA-SKF法。这两种设备的工艺操作基本相同，先除去初炼炉的熔渣重新造渣，在生产要求低S的模具钢时采用高碱度渣。VHD法与ASEA-SKF法在加热操作时真空度不同，VAD法真空度约为（2.0~2.4）*104Pa，ASEA-SKF法的真空度约为53Pa，它主要是通过电磁感应搅拌而产生钢液上下流动。经过这类精炼的钢材其氢含量可降到20*10-6以下，氧含量比不精炼时降低40%~60%，脱S率一般在40%以下。

VHD炉也是附有加热装置的精炼设备的一种，是由钢包、加热和搅拌装置，以及加热和真空系统构成。钢液进入钢包后通过造新渣进一步脱硫，并在2~5*104Pa的真空度下加热，调整钢液温度和吹氩搅拌脱气，促进非金属夹杂物上浮排除，并使钢液的成分均匀化，同时降低气体的含量。在合金工具钢的生产中，也采用LFV炉精炼技术是钢包炉（Ladle Furnace）+真空（Vacuum）的炉外精炼法。这种集电弧加热、气体搅拌、真空脱气（或真空吹氧）于一体的精炼法，通过强化热力学和动力学条件，使钢液在短时间内得到高度净化和均匀，从而达到了各种冶金目的。LF炉是在大气下利用电弧加热调整钢液温度，较长时间的吹氩（一般吹氩量达50~1000m3/min）搅拌使成分和温度均匀，使夹杂物充分上浮而排除。

⑽钢包喷粉精炼 钢包喷粉是炉外精炼方法之一，其特点是用气体（是惰性气体）作载体，将粉状精炼剂通过浸入式喷枪，穿过渣层直接喷入钢包的熔池深处，对钢液进-粉混合吹炼、洗炼、净化。可以快速脱硫、脱氧和脱磷，获得纯净的优质模具钢。喷射系统由喷射罐、喷枪、气体输送装置、控制系统和钢包组成。根据工艺要求和喷射粉末品种将喷粉罐制成用途不同的各种容器，如增碳用喷粉罐、脱磷或脱硫用喷粉罐以及合金化用的喷粉罐。

喷粉精炼的工艺过程是向经电弧炉或平炉熔炼的钢液深处喷入Ca-Si粉或CaC2粉，并进行吹氩、脱硫、脱气净化钢液的工艺。喷粉量大约为2.5~3.0kg/t钢液，喷粉时间一般不大于10min。采用CaF2-CaC2系混合粉末精炼脱磷，喷粉量约为20~40kg/min。

喷粉精炼可以提高钢的纯法度，也改善了钢的某些性能，表2-9中列出了喷粉工艺对模具钢的纯净度的影响。关于喷粉工艺的影响主要有以下几个方面；

表2-9 冶炼工艺对钢中夹杂物含量的影响

冶炼工艺 夹杂物总含量/质量分数% 各类夹杂物含量（质量分数%）

Al2O3 SiO2 TiO2 FeO Cr2o3 MnO

电弧炉 0.0127 0.0089 0.0012 0.0001 0.0003 0.0004 痕

电弧炉+喷粉 0.0015 0.0001 0.0012 0.0001 0.0001 0.0002 痕

Ⅰ 喷粉脱硫。一般来说，高碱度渣的渣量在2%~3%时能使钢中的硫含量下降到W(S)00.005%以下，可以达到良好的脱硫效果。如在冶炼5CrNiMo钢中喷入Si-Ca粉后，钢中的硫含量可低于W(S)0.004%，钢中硫化物夹杂由系长密集的硫化锰变成球形分散的硫化物或复合硫化物。

Ⅱ 喷粉脱磷。喷吹鼓手CaC2-CaF2粉后，钢中磷形成4CaO*P2O3或Ca3P2而进入炉渣中。如在高Cr模具钢中喷粉后平均脱磷率为27.3%，在GCr15钢中平均脱磷率达53%。

Ⅲ 提高钢的等向性。喷粉后钢中磷和硫的含量降低，夹杂物形态和分布改善，从而改善了钢材的力学性能，特别是改善了钢材的韧性和塑性。对5CrNiMo钢喷粉精炼后，其断面收缩和冲击韧度显著提高。