一种镍基高温合金的电渣重熔方法与流程

1.本发明属于冶金技术领域，涉及一种电渣重熔方法，尤其是一种镍基高温合金的电渣重熔方法。


背景技术：

2.镍基高温合金具有卓越的使用性能，广泛用于航空航天、电力、造船、石油化工等领域。该合金在工作温度600～1000℃下，具有一定的持久强度、蠕变强度、热疲劳强度和韧性，还具有很强的抗氧化性能和耐蚀性能，合金具有单一稳定的γ固溶体组织，在大幅度的温度变化下组织基本不发生变化，为合金部件的安全使用提供了保障。
3.高温合金的生产一般有真空感应熔炼+电渣重熔、真空感应熔炼+真空自耗两种工艺流程，其中以真空感应熔炼+电渣重熔工艺生产的高温合金产量约占总高温合金产量的80％以上，所以作为终端工序电渣重熔，其冶金质量的好坏直接影响后续的热冷加工、热处理及焊接等工艺性能。目前，国内的航空发电机导向叶片、涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室、火箭发动机涡轮盘、轴类部件、进气导管、喷嘴、600mpa及以上的燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片用高温合金基本完全依赖进口，国产高温合金仅用于部分民用领域，如柴油机、汽油机的废气增压涡轮、石油催化裂化装置用烟气涡轮等，究其原因，主要是国产高温合金的高温强度和组织稳定性较差，这都归因于电渣冶金质量特别是组织成分的不均和不稳定性。
4.电渣重熔工艺中有许多关键参数影响高温合金铸锭的质量，化学元素的收得率影响成分的精确控制，局部凝固时间则影响电渣凝固组织的均匀性，所以，如何稳定电渣过程中元素收得率和局部凝固时间是电渣冶金的关键。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种镍基高温合金的电渣重熔方法，其包括以下步骤：
6.(1)将配比好的caf
2-cao-al2o
3-tio2渣系通电熔化，注入结晶器中，启动电渣重熔电源，将渣温升至1600～1700℃；所述渣系中al2o3、tio2的重量含量与镍基高温合金中的al和ti的重量含量之比η相关，具体关系式为：
[0007][0008]
其中，al/ti＝η；
[0009]
(2)进入重熔期，控制熔速v＝(0.8～1.5)*10-2
d，待金属熔池末端50～100mm范围全部位于电磁搅拌线圈区域时开启电磁搅拌电源，所述v为熔速，单位：kg/min，d为结晶器内直径，单位：mm；
[0010]
(3)开启抽锭系统至重熔期结束，抽锭速度(3)开启抽锭系统至重熔期结束，抽锭速度
[0011]
其中：γ-抽锭速度，单位：mm/min；
两相区-固相-渣皮热传导则比较慢，特别是镍基材料，所以，如何提高热量在金属熔池-渣皮的传导速率是减少局部凝固时间的关键。
[0031]
本发明在凝固前沿中施加电磁搅拌，均匀成分减轻偏析，搅动钢液使原有的传热方式由传导传热转变为对流传热，提高传热效率，减少局部凝固时间。本发明在结晶器内部距结晶器上沿200～400mm处设置co60液位检测装置和电磁搅拌线圈，用于检测液位和提供频率2～8hz、电流50～400a旋转磁场，在熔炼过程中仅对固液两相区和其上部液相区50～100mm范围内区域进行搅拌，打破凝固前沿的成分过冷，使溶质富集程度减轻，从而减轻凝固偏析；另一方面，通过搅动液相旋转使原有的液固相传导传热转变为液固相对流传热，使凝固前沿的温度梯度陡然加大，极大地提高传热速率，有效降低局部凝固时间，经检测铸态组织，合金二次枝晶间距减少了30～40％。
[0032]
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明根据镍基高温合金中铝钛比，合理设计电渣渣系中al2o3和tio2的含量，有效抑制重熔过程中液滴穿越渣池中的反应进程，可稳定保持铝、钛收得率在95％以上；电渣过程中，采用抽锭式结晶器，利用co60液位检测装置定位金属熔池，在凝固前沿50～100mm范围内施加旋转磁场，可减轻成分过冷、减少元素偏析，转变传热模式、提高传热效率，电渣锭中nb、cr、ni、al、ti等主要元素宏观偏析指数为0.95～1.05之间，二次枝晶间距比传统电渣减少30～40％。
具体实施方式
[0033]
实施例1
[0034]
本实施例电渣重熔自耗电极为φ120
×
1500mm规格镍基高温合金，成分：c 0.1％，si 0.03％，mn 0.04％，p 0.012％，s 0.005％，cr 17％，mo 3.3％，ni 50％，ti 1.15％，al 0.2％，nb 4.75％，余量为铁及不可避免的杂质。结晶器规格φ150
×
600mm，内部距结晶器上沿200～400mm处内置co60液位检测装置和搅拌线圈。按下述步骤进行电渣重熔：
[0035]
(1)η＝al/ti＝0.2/1.15＝0.174，
[0036][0037]
根据上述公式计算出渣系中al2o3、tio2的重量含量分别为23.6％、4.9％，渣系其它成分的重量含量分别为caf2：55％、cao：16.5％；
[0038]
将配比好的caf
2-cao-al2o
3-tio2渣系5kg通电熔化，熔清后升温至1450℃，维持30min充分脱除水分后，注入结晶器中，下降气氛保护罩，接通氩气，维持罩内压力1000pa，启动电渣重熔电源，以25v电压、1.5ka电流供电，将渣温升至1600℃。
[0039]
(2)进入重熔期，调整电压为30v、电流为2.5ka，控制熔速v为1.2kg/min，启动co60液位检测装置，待金属熔池末端50mm范围全部位于电磁搅拌线圈区域时开启电磁搅拌电源，电磁搅拌的频率2hz、电流50a。
[0040]
(3)开启抽锭系统，根据公式γ＝4ξ*106v/[πρ(d-2)2]，计算抽锭速度γ为8.62mm/min，至重熔期结束；
[0041]
其中，ξ为结晶器参数，此处取值为1；
[0042]
ρ为合金固相密度，为8.1g/cm3；
[0043]
d为结晶器内直径，为150mm。
[0044]
(4)补缩期逐步调整电压至25v、电流1.5ka，持续时间15min，熔炼结束。
[0045]
(5)熔炼结束30min后脱模，所得铸锭置于400℃加热炉内缓冷。
[0046]
进行两炉次试验，1#炉次按照上述工艺步骤操作，对比炉次2#炉次不开启电磁搅拌，其他步骤及参数与上述一致，两炉次所得铸锭进行分析，在距铸锭底部150mm和200mm处切片，在150mm截面取低倍样，分析低倍质量；在200mm截面中心处、r/4处、r/2处、3r/4处、边部取五个屑状样和金相样，检测化学成分和二次枝晶间距，得出元素收得率和偏析指数等参数，结果见表1。
[0047]
表1.所得铸锭质量及各元素的收得率情况
[0048][0049]
可以看出，1#、2#铸锭均无低倍缺陷；1#铸锭偏析指数优于2#铸锭，二次枝晶间距1#铸锭也小于2#铸锭30-40％。由此可见，该渣系选择非常合理，铸锭各项指标优良，特别是磁控电渣铸锭均匀性明显优于传统电渣。
[0050]
实施例2
[0051]
本实施例电渣重熔自耗电极为φ210
×
1800mm规格镍基高温合金，成分：c 0.08％，si 0.025％，mn 0.035％，p 0.015％，s 0.005％，cr 19％，mo 3％，ni 52％，ti 0.65％，al 1.25％，nb 5.05％，余量为铁及不可避免的杂质。结晶器规格φ300
×
700mm，内部距结晶器上沿200～400mm处内置co60液位检测装置和搅拌线圈。按下述步骤进行电渣重熔：
[0052]
(1)η＝al/ti＝1.25/0.65＝1.92，
[0053][0054]
根据上述公式计算出渣系中al2o3、tio2的重量含量分别为36％、4.5％，渣系其它成分的重量含量分别为caf2：44.5％、cao：15％；
[0055]
将配比好的caf
2-cao-al2o
3-tio2渣系30kg通电熔化，熔清后升温至1550℃，维持40min充分脱除水分后，注入结晶器中，下降气氛保护罩，接通氩气，维持罩内压力1500pa，启动电渣重熔电源，以35v电压、3.5ka电流供电，将渣温升至1650℃。
[0056]
(2)进入重熔期，调整电压为45v、电流为5.5ka，控制熔速v为4kg/min，启动co60液位检测装置，待金属熔池末端80mm范围全部位于电磁搅拌线圈区域时开启电磁搅拌电源，电磁搅拌的频率2hz、电流100-200a。
[0057]
(3)开启抽锭系统，根据公式γ＝4ξ*106v/[πρ(d-2)2]，计算抽锭速度γ为7.17mm/
min，至重熔期结束；
[0058]
其中，ξ为结晶器参数，此处取值为1；
[0059]
ρ为合金固相密度，为8.0g/cm3；
[0060]
d为结晶器内直径，为300mm。
[0061]
(4)补缩期逐步调整电压至35v、电流3.5ka，持续时间45min，熔炼结束。
[0062]
(5)熔炼结束40min后脱模，所得铸锭置于550℃加热炉内缓冷。
[0063]
进行三炉次试验，1#、2#炉次采用不同的电磁搅拌参数，按照上述工艺步骤操作，对比炉次3#炉次不开启电磁搅拌，其他步骤及参数与上述一致，三炉次所得铸锭进行分析，在距铸锭底部200mm和300mm处切片，在200mm截面取低倍样，分析低倍质量；在300mm截面中心处、r/4处、r/2处、3r/4处、边部取五个屑状样和金相样，检测化学成分和二次枝晶间距，结果见表2。
[0064]
表2.各炉次电磁搅拌参数、所得铸锭质量及各元素的收得率
[0065][0066]
可以看出，1#、2#、3#铸锭均无低倍缺陷；1#、2#铸锭偏析指数均优于3#铸锭，二次枝晶间距1#、2#铸锭也小于3#铸锭30-40％，1#、2#铸锭质量差别不大，2#铸锭成分和组织更加均匀。由此可见，本例所选渣系合理，化学成分能够精确控制，铸锭质量优良；与此同时，电磁搅拌对于铸锭组织成分均匀性也起到了积极的作用。
[0067]
实施例3
[0068]
本实施例电渣重熔自耗电极为φ300
×
2000mm规格镍基高温合金，成分：c 0.06％，si 0.035％，mn 0.035％，p 0.005％，s 0.008，cr 21％，mo 2.8％，ni 55％，ti 1.05％，al 1.95％，nb 5.55％，余量为铁及不可避免的杂质。结晶器规格φ400
×
850mm，内部距结晶器上沿200～400mm处内置co60液位检测装置和搅拌线圈。按下述步骤进行电渣重熔：
[0069]
(1)η＝al/ti＝1.95/1.05＝1.86，
[0070][0071]
根据上述公式计算出渣系中al2o3、tio2的重量含量分别为35.6％、4.55％，渣系其它成分的重量含量分别为caf2：30％、cao：30％；
[0072]
将配比好的caf
2-cao-al2o
3-tio2渣系50kg通电熔化，熔清后升温至1600℃，维持60min充分脱除水分后，注入结晶器中，下降气氛保护罩，接通氩气，维持罩内压力2000pa，
启动电渣重熔电源，以60v电压、5.5ka电流供电，将渣温升至1700℃。
[0073]
(2)进入重熔期，调整电压为50v、电流为7.5ka，控制熔速v为6kg/min，启动co60液位检测装置，待金属熔池末端100mm范围全部位于电磁搅拌线圈区域时开启电磁搅拌电源，电磁搅拌的频率6-8hz、电流300-400a。
[0074]
(3)开启抽锭系统，根据公式γ＝4ξ*106v/[πρ(d-2)2]，计算抽锭速度γ为4.60mm/min，至重熔期结束；
[0075]
其中，ξ为结晶器参数，此处取值为0.8；
[0076]
ρ为合金固相密度，为8.4g/cm3；
[0077]
d为结晶器内直径，为400mm。
[0078]
(4)补缩期逐步调整电压至45v、电流4.5ka，持续时间60min，熔炼结束。
[0079]
(5)熔炼结束60min后脱模，所得铸锭置于600℃加热炉内缓冷。
[0080]
进行四炉次试验，1#、2#、3#炉次采用不同的电磁搅拌参数，按照上述工艺步骤操作，对比炉次4#炉次不开启电磁搅拌，其他步骤及参数与上述一致，四炉次所得铸锭进行分析，在距铸锭底部300mm和400mm处切片，在300mm截面取低倍样，分析低倍质量；在400mm截面中心处、r/4处、r/2处、3r/4处、边部取五个屑状样和金相样，检测化学成分和二次枝晶间距，结果见表3。
[0081]
表3.各炉次电磁搅拌参数、所得铸锭质量及各元素的收得率
[0082][0083]
试验表明，1#、2#、3#、4#铸锭均无低倍缺陷；1#、2#、3#铸锭偏析指数均优于4#铸锭，1#、2#、3#铸锭二次枝晶间距也小于4#铸锭30-40％；1#、2#、3#铸锭质量差别不大，2#、3#铸锭成分和组织更加均匀。由此可见，本例所选渣系非常合理，元素命中率高，铸锭质量优良，与此同时，磁控电渣铸锭组织成分均匀性明显好于传统电渣。
[0084]
实施例4
[0085]
本实施例电渣重熔自耗电极为φ240
×
1800mm规格镍基高温合金，成分：c 0.04％，si 0.045％，mn 0.020％，p 0.010％，s 0.015％，cr 18％，mo 3.1％，ni 51％，ti 0.92％，al 1.46％，nb 5.33％，余量为铁及不可避免的杂质。结晶器规格φ350
×
750mm，内部距结晶器上沿200～400mm处内置co60液位检测装置和搅拌线圈。按下述步骤进行电渣重熔：
[0086]
(1)η＝al/ti＝1.46/0.92＝1.59，
[0087][0088]
根据上述公式计算出渣系中al2o3、tio2的重量含量分别为34％、4.65％，渣系其它成分的重量含量分别为caf2：42％、cao：19.65％；
[0089]
将配比好的caf
2-cao-al2o
3-tio2渣系40kg通电熔化，熔清后升温至1488℃，维持35min充分脱除水分后，注入结晶器中，下降气氛保护罩，接通氩气，维持罩内压力1810pa，启动电渣重熔电源，以54v电压、2.9ka电流供电，将渣温升至1617℃。
[0090]
(2)进入重熔期，调整电压为33v、电流为6.4ka，控制熔速v为5.5kg/min，启动co60液位检测装置，待金属熔池末端50mm范围全部位于电磁搅拌线圈区域时开启电磁搅拌电源，电磁搅拌的频率3-5hz、电流200-400a。
[0091]
(3)开启抽锭系统，根据公式γ＝4ξ*106v/[πρ(d-2)2]，计算抽锭速度γ为6.35mm/min，至重熔期结束；
[0092]
其中，ξ为结晶器参数，此处取值为0.9；
[0093]
ρ为合金固相密度，为8.2g/cm3；
[0094]
d为结晶器内直径，为350mm。
[0095]
(4)补缩期逐步调整电压至35v、电流2.8ka，持续时间46min，熔炼结束。
[0096]
(5)熔炼结束53min后脱模，所得铸锭置于445℃加热炉内缓冷。
[0097]
进行四炉次试验，1#、2#、3#炉次采用不同的电磁搅拌参数，按照上述工艺步骤操作，对比炉次4#炉次不开启电磁搅拌，其他步骤及参数与上述一致，四炉次所得铸锭进行分析，在距铸锭底部300mm和400mm处切片，在300mm截面取低倍样，分析低倍质量；在400mm截面中心处、r/4处、r/2处、3r/4处、边部取五个屑状样和金相样，检测化学成分和二次枝晶间距，结果见表4。
[0098]
表4.所得铸锭质量及各元素的收得率情况
[0099][0100]
试验表明，1#、2#、3#、4#铸锭均无低倍缺陷；1#、2#、3#铸锭偏析指数均优于4#铸锭，1#、2#、3#铸锭二次枝晶间距也小于4#铸锭30-40％；1#、2#、3#铸锭质量差别不大，2#、3#铸锭成分和组织更加均匀。由此可见，本例所选渣系非常合理，元素收得率高，铸锭质量优
良，与此同时，磁控电渣铸锭组织成分均匀性明显好于传统电渣。
[0101]
实施例5
[0102]
本实施例电渣重熔自耗电极为φ400
×
2200mm规格镍基高温合金，成分：c 0.05％，si 0.033％，mn 0.045％，p 0.007％，s 0.009％，cr 20％，mo 2.9％，ni 54％，ti 0.76％，al 0.66％，nb 4.89％，余量为铁及不可避免的杂质。结晶器规格φ500
×
800mm，内部距结晶器上沿200～400mm处内置co60液位检测装置和搅拌线圈。按下述步骤进行电渣重熔：
[0103]
(1)η＝al/ti＝0.66/0.76＝0.87，
[0104][0105]
根据上述公式计算出渣系中al2o3、tio2的重量含量分别为29.9％、4.8％，渣系其它成分的重量含量分别为caf2：46％、cao：19.3％；
[0106]
将配比好的caf
2-cao-al2o
3-tio2渣系70kg通电熔化，熔清后升温至1574℃，维持52min充分脱除水分后，注入结晶器中，下降气氛保护罩，接通氩气，维持罩内压力1360pa，启动电渣重熔电源，以52v电压、5.6ka电流供电，将渣温升至1674℃。
[0107]
(2)进入重熔期，调整电压为60v、电流为7.0ka，控制熔速v为8.5kg/min，启动co60液位检测装置，待金属熔池末端50mm范围全部位于电磁搅拌线圈区域时开启电磁搅拌电源，电磁搅拌的频率8-10hz、电流300-500a。
[0108]
(3)开启抽锭系统，根据公式γ＝4ξ*106v/[πρ(d-2)2]，计算抽锭速度γ为4.2mm/min，至重熔期结束；
[0109]
其中，ξ为结晶器参数，此处取值为0.8；
[0110]
ρ为合金固相密度，为8.3g/cm3；
[0111]
d为结晶器内直径，为500mm。
[0112]
(4)补缩期逐步调整电压至48v、电流4.7ka，持续时间71min，熔炼结束。
[0113]
(5)熔炼结束45min后脱模，所得铸锭置于550℃加热炉内缓冷。
[0114]
进行四炉次试验，1#、2#、3#炉次采用不同的电磁搅拌参数，按照上述工艺步骤操作，对比炉次4#炉次不开启电磁搅拌，其他步骤及参数与上述一致，四炉次所得铸锭进行分析，在距铸锭底部300mm和400mm处切片，在300mm截面取低倍样，分析低倍质量；在400mm截面中心处、r/4处、r/2处、3r/4处、边部取五个屑状样和金相样，检测化学成分和二次枝晶间距，结果见表5。
[0115]
表5.所得铸锭质量及各元素的收得率情况
[0116][0117][0118]
试验表明，1#、2#、3#、4#铸锭均无低倍缺陷；1#、2#、3#铸锭偏析指数均优于4#铸锭，1#、2#、3#铸锭二次枝晶间距也小于4#铸锭30-40％；1#、2#、3#铸锭质量差别不大，2#、3#铸锭成分和组织更加均匀。由此可见，本例所选渣系非常合理，铸锭成分组织优良，与此同时，磁控电渣铸锭组织成分均匀性明显好于传统电渣，相比而言，增加电流比增加频率对组织的均匀性作用更为明显。