一种复合交流电磁场下连续铸造镍基耐腐蚀合金的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种复合交流电磁场下连续铸造镍基耐 腐蚀合金的方法。
【背景技术】
[0002] 镍基耐腐蚀合金是一种重要的耐腐蚀材料，与一般不锈钢、其它耐腐蚀金属和非 金属材料相比，它们在各种腐蚀环境(包括电化学腐蚀和化学腐蚀）中，具有耐各种形式的 腐蚀破坏(包括全面腐蚀、局部腐蚀以及应力腐蚀等）的能力，并且兼有很好的力学性能及 加工性能，其综合耐腐蚀性能远比不锈钢和其它耐腐蚀金属材料优良，尤其适用于现代工 业技术下苛刻的介质环境。目前，镍基耐腐蚀合金因其优异的抗腐蚀性能和卓越的机械性 能而广泛地应用在石油和天然气等强腐蚀服役环境中。
[0003] 随着我国国民经济持续高速发展，电力、石油、化工以及其他民用工业对高温耐腐 蚀合金的需求不断提高，对镍基耐腐蚀合金的需求不断扩大，原有的生产工艺和技术已经 无法满足日益扩大的市场需求。在过去镍基耐腐蚀合金的冶炼工艺大多采用传统的双联工 艺或三联工艺，然而这种传统的模铸工艺存在着高能耗和低成材率等缺点，而且生产出的 合金锭具有严重的偏析和晶粒粗大等问题。为了消除偏析的危害，后续还要经过漫长的热 处理等工序，不但消耗大量能源而且也增加生产周期，从而造成了资源上和时间上的浪费。 为了解决传统冶炼工艺上的弊端同时也为了满足镍基耐腐蚀合金产量和产品尺寸上的要 求，国内外的研究者们争先研发镍基耐腐蚀合金的连铸技术。
[0004] 根据文南犬（Effect of crystallization behavior of mold flux on slab surface quality of a Ti-bearing Fe-Cr-Ni super alloy cast by means of continuous casting process. Materials Science and Engineering A, 2005, 121-128)的报道，目前日本已经实现了 Incoloy800和Incoloy825等镍基耐腐蚀合金的立式连铸 +热乳成材的工业化生产，成材率显著提高，同时生产成本也明显降低，在国际的竞争市场 中处于领先地位。近几年国内的宝钢自行研发出了一种镍基耐腐蚀合金立式连铸制造方 法，专利公开号为CN102899582A的中国专利，在这方面取得了突破性的进展。此专利利用立 式连铸的方法成功实现了镍基耐腐蚀合金的连续铸造，但是，该专利仅涉及镍基耐腐蚀合 金连铸坯的合金配比，和后续热处理工艺等常规的连铸工艺，并未解决实际生产中连铸坯 所产生的质量缺陷问题。无论是日本还是宝钢的镍金耐腐蚀合金连铸技术均没有涉及施加 电磁场的方法来解决镍基耐腐蚀合金连铸坯表面质量问题。因为镍基耐腐蚀合金本身的特 性，在实际的连铸过程中还是存在许多问题。例如，由于镍基耐腐蚀合金普遍具有较宽的脆 性温度区间，如IncoloySOO和Inc 〇l〇y825镍基耐腐蚀合金，其合金元素含量高，高温塑性很 差，再加上连铸工艺的冷却强度过大，极易在铸坯表面出现凹陷、表面裂纹和较深的振痕等 缺陷，较严重的表面纵裂纹甚至会导致铸坯直接报废。连铸坯振痕、冷隔、结疤、微裂纹等表 面缺陷使得连铸坯在进入下道工序前必须进行表面清理，不仅降低产品生产率，而且造成 贵金属原料的浪费，大幅增加生产成本。与此同时，由于镍基耐腐蚀合金元素含量高，以及 铸坯内部温度和溶质浓度分布的不均匀也会在铸坯内部产生粗大柱状晶或穿晶、疏松、缩 孔、中心偏析和内部裂纹等严重的连铸坯内部质量缺陷。因此当前急需一种有效的方法来 解决镍基耐腐蚀合金连铸坯表面质量和内部质量问题。
[0005]在专利及文献的检索中，发现公开号为CN101199989B的中国专利"异频复合电磁 场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法"，其内容涉及异频复合电磁场连续铸造。但 是该专利只适合颗粒增强金属基复合材料的连续铸造，并不适合镍基耐腐蚀合金的连续铸 造。具体原因有以下两点：1)该专利所用的电磁场参数不适合于镍基耐腐蚀合金的连续铸 造。因为一般颗粒增强金属基复合材料的密度较小，粘稠度也较小，易于电磁场下的搅拌， 而镍基耐腐蚀合金密度和粘稠度均很高，因此电磁连铸的相关参数会有很大的差别。2)镍 基耐腐蚀合金连铸时不易像该专利中所描述，在结晶器的上方复合材料在熔池中进行电磁 搅拌。这是因为镍基耐腐蚀合金对氧含量要求很高，在结晶器上方长时间静置搅拌会严重 影响含氧量的控制。3)该专利主要是在金属基体中掺加非金属颗粒，但是所参加非金属颗 粒的非导电性会减弱电磁场对熔体的作用，减弱高频电磁场所引起的焦耳热，从而削弱了 高频磁场改善连铸坯表面质量的作用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是:针对目前镍基耐腐蚀合金连续铸造存在的铸坯表面裂纹、冷隔、 凹坑、严重的振痕和内部组织缺陷的问题，提供一种复合交流电磁场下连续铸造镍基耐腐 蚀合金的方法，使其表面质量和内部质量均得到大幅度的提高。
[0007] 本发明的基本原理是:镍基耐腐蚀合金的表面纵裂纹和凹坑等缺陷是因为合金本 身的脆性温度区间较宽，高温塑性较差，在连铸过程中由于结晶器弯月面形成的不均匀初 生坯壳，受坯壳凝固收缩时的热应力、机械应力、钢液静压力和保护渣润滑不良等因素影 响，在坯壳内部产生拉应力并在坯壳薄弱处形成应力集中，产生表面纵裂纹等缺陷。而镍基 耐腐蚀合金的内部缺陷主要有内部裂纹、中心偏析、疏松与缩孔等，内部裂纹主要的形成原 因是由于各种应力(包括热应力、机械应力等)作用在脆弱的凝固界面上产生的裂纹成为内 部裂纹，同时大多附有严重的偏析存在。疏松和缩孔则一般是由于钢液凝固时柱状晶过于 发达及局部柱状枝晶搭桥，使得铸坯中心最后凝固部分集中收缩而得不到钢液补充所致。 这些缺陷也和铸坯内部冷却温度分布不均有很大关系。为了解决这些难题，本发明在镍基 耐腐蚀合金的连续铸造过程中在结晶器处施加高频交流电磁场的同时在二冷区施加电磁 搅拌，最终不但提高了连铸坯的表面质量，而且也能够抑制粗大柱状晶组织，增加等轴晶比 例，同时防止铸坯内部中心偏析、疏松和缩孔等缺陷的产生，从而提高了铸坯内部质量，得 到质量优异的镍基耐腐蚀合金连铸坯。
[0008] 其中在结晶器弯月面附近施加高频交流电磁场的作用机理和功能:通过在感应线 圈中通入交流电，在线圈周围产生交变磁场，交变磁场作用于结晶器内的金属液产生感生 电流，感生电流与感应线圈产生的高频磁场相互作用，主体产生垂直于铸坯表面指向液芯 的电磁力和一部分起旋转作用的电磁力，与此同时还在金属液内产生大量的焦耳热，提高 镍基耐腐蚀合金液的温度。一方面，指向液芯的电磁压力作用于弯月面处的金属液，减轻了 初始凝固坯壳和结晶器壁之间的接触压力，有利于保护渣液更加顺畅地渗流到初始凝固坯 壳与结晶器之间，从而改善其界面传热条件和润滑条件。另一方面，高频磁场产生的大量焦 耳热使得熔点比碳钢低很多的镍基耐腐蚀合金的初始凝固点更加显著地下移。以上两方面 的作用，有利于减轻连铸表面振痕、冷隔、表面微裂纹和皮下质量等缺陷，达到提高镍基耐 腐蚀合金连铸坯表面质量的作用。再者，高频交流磁场在金属液内产生的部分起旋转作用 的电磁力，对结晶器内的金属液产生搅拌作用，促进结晶器内金属液内部温度和溶质浓度 分布的均匀化，有利于抑制粗大柱状晶，提高初始凝固坯壳的均匀，为后续与二冷区电磁搅 拌相配合提高镍金耐腐蚀合金连铸坯内部质量提供了有利的前提条件。
[0009]二冷区电磁搅拌机理和作用：当频率较低的电磁场以一定的速度切割金属液时， 便在金属液内产生频率相同的感生电流，液体金属作为载流导体，在外加电磁场的作用下 产生电磁力，该电磁力能够驱动金属液进行有规律的运动。电磁搅拌技术的实质在于借助 电磁力的作用强化铸坯液穴中金属液的运动，通过改善铸坯凝固过程中的熔体流动、传热 和传质条件来细化晶粒、增加等轴晶率、减轻中心缩孔和偏析、减少夹杂及气孔、从而达到 提高铸坯质量的目的。对于合金元素含量高、钢液相对粘稠，易于造成合金元素严重偏析、 疏松和缩孔的镍金耐腐蚀合金连铸，在二冷区施加电磁搅拌，接续结晶器弯月面施加高频 交流磁场产生的部分电磁搅拌作用，两者相匹配更有利于消除粗大柱状晶，提高等轴晶率， 减轻或消除铸坯中心偏析、疏松和缩孔等缺陷，提高镍金耐腐蚀合金连铸坯内部质量。 [0010]本发明的技术方案如下： 一种复合交流电磁场下连续铸造镍基耐腐蚀合金的方法，按照以下工艺步骤进行： (1) 先将高频交流电磁场装置置于立式连铸机的结晶器附近，再将低频电磁搅拌器置 于振动系统下方，靠近二冷区喷淋系统，然后将引锭杆升到结晶器的下端部位，并开启结晶 器冷凝水和高频交流电磁场装置； (2) 将精炼的镍基耐腐蚀合金液浇入结晶器中，保持金属熔体液面与高频交流电磁线 圈的上沿齐平，液面浮动范围控制在± l〇mm，当金属恪体液面稳定时开启振动系统，同时开 启二冷区喷淋系统和低频电磁搅拌器； (3 )开启铸造机，引锭杆向下运动，铸造开始，保持拉坯速度在0.4~1.5m/min，控制结晶 器冷却水流速在5~60m3/h，二冷水流速在3~20m3/h; (4)待铸坯达到要求尺寸，截取出镍基耐腐蚀合金铸坯，开始下一批次铸坯的铸造。
[0011] 上述方法中，所述步骤（1)中高频交流电磁场装置的功率为50~500kW，频率为20~ 300kHz〇
[0012] 上述方法中，所述步骤(2)中低频电磁搅拌器的电流为100~2500A，频率为3~30Hz。
[0013] 上述方法中，步骤(2)需要控制好结晶器内金属熔体的液面高度，确保金属熔体液 面与高频交流电磁线圈的上沿齐平，使高频交流电磁场充分作用在铸坯表面上，以达到良 好的作用效果。
[0014] 本发明的有益效果为:本发明与现有技术相比，在使用立式连铸机进行镍基耐腐 蚀合金连铸的基础上增加了在结晶器上施加高频交流电磁场的同时在二冷水区域施加电 磁搅拌的特点，其具体作用在于：1)结晶器上施加高频交流电磁场所产生的电磁力可以抵 消金属液与结晶器之间的接触压力，减少了金属液与结晶器之间的摩擦，降低拉坯阻力，减 轻了铸坯表面振痕，提高铸坯表面质量。2 )根据调查，镍基耐腐蚀合金连铸坯表面的纵裂纹 是严重影响铸坯表面质量，严重的甚至会使得整个铸坯报废，而纵裂纹的产生和保护渣的 均匀流入有着直接关系。坯壳和结晶器之间的保护渣不均匀流入将会使得凝固初期的凝固 坯壳不均匀凝固，在连铸拉坯振动的过程中引起拉伸热应力最终产生纵裂纹。然而高频交 流电磁场的施加大大地拓宽了初始凝固坯壳与结晶器之间的保护渣通道，改善了润滑条件 让保护渣更加均匀顺畅地流入从而在凝固初期产生均匀的凝固坯壳，防止铸坯表面纵裂纹 的产生。3)由于镍基耐腐蚀合金本身属性，具有较宽的脆性温度区间，高