一种利用ZG0Cr17Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法
【专利摘要】本发明提供一种利用ZG0Cr17Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法，属不锈钢领域。按照以下步骤进行：(1)返回料的净化处理；(2)熔化返回料采用500kg半连续真空感应熔炼炉进行熔炼，将返回料分2～3批装入到坩埚中，在真空下进行熔炼，送电真空度不大于0.67Pa；(3)加入脱氧剂、高真空高温精炼、真空下除渣；(4)充氩补加元素并浇注成品合金锭：采用100％返回料用真空熔炼工艺方案生产ZG0Cr17Ni4Cu3Nb返回料合金，该方案实现了贵重金属元素Cr、Ni、Nb的重复使用，降低铸件的生产成本，生产每吨合金节省费用约4万元，按年生产ZG0Cr17Ni4Cu3Nb返回料合金5吨计算，年创效益可达20万元。
【专利说明】—种利用ZGOCH7Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及不锈钢领域，特别涉及一种利用ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法。
【背景技术】
[0002]ZG0Crl7Ni4Cu3Nb是一种沉淀硬化铸造不锈钢，它具有强度高、塑性好、铸造性能优良，具有良好的抗腐蚀性能，广泛用于制造在320°C以下要求耐腐蚀、耐磨的燃气轮机结构件。一般生产ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金锭的方法是用新料或返回料采用电弧炉装入法熔炼或中频炉熔炼后浇注合金锭，用这种方法在非真空下生产的合金锭气体含量接近甚至超出技术要求上限，杂质含量易超标，难以满足燃气轮机零件的使用要求。采用真空感应炉熔炼ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金锭,可显著降低合金中的气体及杂质含量,化学成分稳定,机械性能超出规定指标的15%，足以保证零件的使用要求。
[0003]由于ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金在燃气轮机精铸件的生产过程中用量较大，生产中产生了大量的浇道、冒口及废铸件。在铸件的生产中，合金的利用率约为35%。目前产生的大量浇道、冒口及废铸件等返回料还没有得到有效的回收利用，造成了金属材料的浪费，破坏生态环境。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明一种利用ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法，通过用100%的ZG0Crl7Ni4Cu3Nb返回料利用方案，用真空感应炉采用高真空高温精炼+硅钡钙合金脱氧+真空下除渣+惰性气体保护合金化工艺技术生产出满足产品使用要求的合金锭，提高了材料利用率，减少资源浪费。合金中的Cr、N1、Nb都属于贵重金属元素，在保证合金使用安全的前提下对返回料合理利用，可显著降低生产成本。用于制造燃气轮机的铸件质量要求高且不允许铸件存在任何缺陷，因此对合金的冶金质量要求高、对成分及杂质含量控制严格。
[0005]本发明一种利用ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法，按照以下步骤进行:
[0006](I)返回料的净化处理
[0007]对铸造生产过程中产生的浇道、冒口及废铸件等返回料滚磨(5?6)小时，再对返回料表面进行吹砂，除掉表面的锈蚀、模壳、夹杂、夹砂等，用压缩空气将返回料表面逐块吹净，清除表面粘附的杂物；
[0008](2)熔化返回料
[0009]采用500kg半连续真空感应熔炼炉进行熔炼，将返回料分2?3批装入到坩埚中，在真空下进行熔炼，送电真空度不大于0.67Pa ；
[ΟΟ?Ο] (3)加入脱氧剂、闻真空闻温精炼、真空下除禮:
[0011]合金的精炼温度控制在(1600?1620) °C;精炼时间控制在(25?35)min，精炼期真空度不大于1.33Pa，合金精炼前加入占合金质量百分含量0.1 %的硅钙钡复合脱氧剂，完成合金精炼后，在真空下对合金熔体表面进行除渣操作；
[0012](4)充気补加元素并烧注成品合金锭
[0013]在高真空条件下冷冻时间大于30min，排除合金中的杂质；冷冻结束后充入氩气至熔炼室真空表压力值为0.075MPa?0.06MPa,再送电冲膜；补充加入0.3%的Mn和0.15?0.2%的Cu;熔化后在(1530?1550) °C、送电功率(140?150) kW的条件下，精炼(5?8)min,然后进行烧注,成为成品合金锭。
[0014]所述硅钙钡复合脱氧剂为:硅钙钡合金，其中按质量百分比计含S1:55%?60%、Ca: 15%?20%、Ba:14%?18%。
[0015]所述返回料是指浇道、冒口及废铸件。
[0016]所述ZG0Crl7Ni4Cu3Nb的化学成分为按质量百分比计:C彡0.06、Cr (15.50-16.70)、Si (0.50-1.00)、Ni (3.80-4.60)、Cu (2.90-3.50)、Nb (0.20-0.40)、Al ( 0.050,Ta ( 0.050,Sn ( 0.020,N ( 0.050,Mn ( 0.70,S ( 0.030,P ( 0.040、为余量Fe
[0017]所述步骤(2)熔化返回料具体为:采用500kg半连续真空感应熔炼炉进行熔炼；将第一批返回料装到坩埚中，当真空度达到不大于0.67Pa时，开始送电熔化，先用(120?140) kW功率对返回料加热(20?30)min，再用200kW功率对返回料加热(30?45)min，待料表面变成暗红色后，以240?300kW功率送电，直到料全熔；在真空下将第二批返回料从加料室加入坩埚中，然后用240?300kW功率送电，直到料全熔；将第三批返回料从加料室加入坩埚中，然后用240?300kW功率送电，直到料全熔；每炉钢水量480?500kg。
[0018]所述步骤(3)加入脱氧剂、高真空高温精炼、真空下除渣，具体为:全部炉料熔化后，继续送电15?20min，用接触式热电偶测量合金熔体温度，当熔体温度达到(1600?1620) 1:时，加入0.1 %的硅钙钡复合脱氧剂；保持熔炼室真空度不大于1.33Pa，送电功率控制在(120?130) kW，使合金熔体在这个条件下保持(25?35) min，利用高温及高真空条件，对合金进行精炼，利用电磁搅拌使返回料合金中低熔点的杂质元素及低密度的夹杂物能够充分上浮，每隔7min进行翻转坩埚操作2次，将部分夹杂物粘附到坩埚壁上，使钢水得到净化，脱除合金中的氧、硫、氮；完成合金精炼后，在真空度不大于1.33Pa条件下对合金熔体的表面进行除渣操作，收集表面的浮渣后，将除渣装置提升，关闭插板阀并将渣排出炉外。
[0019]所述步骤(4)充氩补加元素并浇注成品合金锭具体为:在高真空条件下合金熔体冷冻时间大于30min，使钢液面结膜，进一步排除合金中的气体；冷冻结束后充入氩气至熔炼室真空表压力值为0.075MPa?0.06MPa，再送电冲膜；加入0.3%的Mn和0.15%?0.2%的Cu，熔化后在(1530?1550) °C、送电功率(140?150)kW的条件下，精炼(5?8)min，然后将钢液浇注到锭模中。
[0020]本发明返回料合金的化学成分(用PDA-55002型直读光谱仪、TC-436型气体分析仪及HCS-040G高频红外碳硫分析仪分析)、机械性能均达到新料合金的水平；合金中的N含量低于0.0065%, S含量低于0.0045% ;经(I 150± 10) °C均匀化+(540±5) °C时效处理后，合金的σ。2大于1030MPa、Ψ高于45% (用WDW-300万能材料试验机测定)。
[0021]采用100%返回料用真空熔炼工艺方案生产ZG0Crl7Ni4Cu3Nb返回料合金，该方案实现了贵重金属元素Cr、N1、Nb的重复使用，降低铸件的生产成本，生产每吨合金节省费用约4万元，按年生产ZG0Crl7Ni4Cu3Nb返回料合金5吨计算，年创效益可达20万元。
【具体实施方式】
[0022]下面通过实施例对本发明进行进一步的解释。
[0023]光谱仪为PDA-55002型直读光谱仪。
[0024]分析仪为TC-436型气体分析仪以及HCS-040G高频红外碳硫分析仪。
[0025]材料性能测试采用WDW-300万能材料试验机。
[0026]实施例1
[0027]I)、返回料的净化处理
[0028]对铸造生产过程中产生的浇道、冒口及废铸件等返回料首先进行5小时滚磨处理，去除材料表面的富氮层，之后对返回料表面进行吹砂，去除返回料表面尖角内的粘附物及残存的型壳等，达到表面光洁，再用压缩空气将返回料表面逐块吹净，清除表面粘附的杂物，经分拣后，用于返回料合金熔炼用原料。
[0029]2)、熔化返回料
[0030]采用500kg半连续真空感应熔炼炉进行熔炼。将第一批返回料装到坩埚中，当真空度达到不大于0.67Pa时，开始送电熔化，先用120kW功率对返回料加热30min，再用200kff功率对返回料加热30min，待料表面变成暗红色后，以高于240kW功率送电，直到料全熔。在真空下将第二批返回料从加料室加入坩埚中，然后用高于240kW功率送电，直到料全熔；将第三批返回料从加料室加入坩埚中，然后用高于240kW功率送电，直到料全熔；每炉钢水量480?500kg。
[0031]3)、加入脱氧剂、高真空高温精炼、真空下除渣
[0032]全部炉料熔化后，继续送电15min，用接触式热电偶测量合金熔体温度，当熔体温度达到1620°C时，加入0.1 %的硅钙钡复合脱氧剂。保持熔炼室真空度不大于1.33Pa，送电功率控制在120kW，使合金熔体在这个条件下保持35min，利用高温及高真空条件，对合金进行精炼，利用电磁搅拌使返回料合金中低熔点的杂质元素及低密度的夹杂物能够充分上浮，每隔7min进行翻转坩埚操作2次，将部分夹杂物粘附到坩埚壁上，使钢水得到净化，脱除合金中的氧、硫、氮；完成合金精炼后，在真空度不大于1.33Pa条件下对合金熔体的表面进行除渣操作，收集表面的浮渣后，将除渣装置提升，关闭插板阀并将渣排出炉外。
[0033]4)、充氩补加元素并浇注成品合金锭
[0034]在高真空条件下合金熔体冷冻时间大于30min，使钢液面结膜，进一步排除合金中的气体；冷冻结束后充入氩气至熔炼室真空表压力值为0.06MPa，再送电冲膜；加入0.3%的Mn和0.15%?0.2%的Cu，熔化后在1530°C、送电功率150kW的条件下，精炼8min，然后将钢液浇注到锭模中。
[0035]采用PDA-55002型直读光谱仪、TC-436型气体分析仪及HCS-040G高频红外碳硫分析仪分析返回料合金的化学成分、机械性能均达到新料合金的水平；合金中的N含量为:0.0058%, S含量为0.0041% ;经(1150± 10) °C均匀化+(540±5) °C时效处理后，合金的ο 02为 1040MPa、Ψ 为 49%。
[0036]实施例2
[0037]I)、返回料的净化处理
[0038]对铸造生产过程中产生的浇道、冒口及废铸件等返回料首先进行5.5小时滚磨处理，去除材料表面的富氮层，之后对返回料表面进行吹砂，去除返回料表面尖角内的粘附物及残存的型壳等，达到表面光洁，再用压缩空气将返回料表面逐块吹净，清除表面粘附的杂物，经分拣后，用于返回料合金熔炼用原料。
[0039]2)、熔化返回料
[0040]采用500kg半连续真空感应熔炼炉进行熔炼。将第一批返回料装到坩埚中，当真空度达到不大于0.67Pa时，开始送电熔化，先用140kW功率对返回料加热20min，再用200kff功率对返回料加热30min，待料表面变成暗红色后，以高于240kW功率送电，直到料全熔。在真空下将第二批返回料从加料室加入坩埚中，然后用高于240kW功率送电，直到料全熔；将第三批返回料从加料室加入坩埚中，然后用高于240kW功率送电，直到料全熔；每炉钢水量480?500kg。
[0041]3)、加入脱氧剂、高真空高温精炼、真空下除渣
[0042]全部炉料熔化后，继续送电20min，用接触式热电偶测量合金熔体温度，当熔体温度达到1600°C时，加入0.1 %的硅钙钡复合脱氧剂。保持熔炼室真空度不大于1.33Pa，送电功率控制在130kW，使合金熔体在这个条件下保持25min，利用高温及高真空条件，对合金进行精炼，利用电磁搅拌使返回料合金中低熔点的杂质元素及低密度的夹杂物能够充分上浮，每隔7min进行翻转坩埚操作2次，将部分夹杂物粘附到坩埚壁上，使钢水得到净化，脱除合金中的氧、硫、氮；完成合金精炼后，在真空度不大于1.33Pa条件下对合金熔体的表面进行除渣操作，收集表面的浮渣后，将除渣装置提升，关闭插板阀并将渣排出炉外。
[0043]4)、充氩补加元素并浇注成品合金锭
[0044]在高真空条件下合金熔体冷冻时间大于30min,使钢液面结膜,进一步排除合金中的气体；冷冻结束后充入氩气至熔炼室真空表压力值为0.07MPa，再送电冲膜；加入0.3%的Mn和0.15%?0.2%的Cu，熔化后在1540°C、送电功率145kW的条件下，精炼7min，然后将钢液浇注到锭模中。
[0045]采用用PDA-55002型直读光谱仪、TC-436型气体分析仪及HCS-040G高频红外碳硫分析仪分析返回料合金的化学成分、机械性能均达到新料合金的水平；合金中的N含量为:(λ 0063%, S含量为0.0042% ;经(I 150± 10) °C均匀化+ (540±5) °C时效处理后，合金的 ο 0.2 为 1045MPa、Ψ 为 48%。
[0046]实施例3
[0047]I)、返回料的净化处理
[0048]对铸造生产过程中产生的浇道、冒口及废铸件等返回料首先进行6小时滚磨处理，去除材料表面的富氮层，之后对返回料表面进行吹砂，去除返回料表面尖角内的粘附物及残存的型壳等，达到表面光洁，再用压缩空气将返回料表面逐块吹净，清除表面粘附的杂物，经分拣后，用于返回料合金熔炼用原料。
[0049]2)、熔化返回料
[0050]采用500kg半连续真空感应熔炼炉进行熔炼。将第一批返回料装到坩埚中，当真空度达到不大于0.67Pa时，开始送电熔化，先用130kW功率对返回料加热25min，再用200kW功率对返回料加热40min，待料表面变成暗红色后，以高于240kW功率送电，直到料全熔。在真空下将第二批返回料从加料室加入坩埚中，然后用高于240kW功率送电，直到料全熔；将第三批返回料从加料室加入坩埚中，然后用高于240kW功率送电，直到料全熔；每炉钢水量480?500kg。
[0051]3)、加入脱氧剂、高真空高温精炼、真空下除渣
[0052]全部炉料熔化后，继续送电18min，用接触式热电偶测量合金熔体温度，当熔体温度达到1610°C时，加入0.1 %的硅钙钡复合脱氧剂。保持熔炼室真空度不大于1.33Pa，送电功率控制在125kW，使合金熔体在这个条件下保持30min，利用高温及高真空条件，对合金进行精炼，利用电磁搅拌使返回料合金中低熔点的杂质元素及低密度的夹杂物能够充分上浮，每隔7min进行翻转坩埚操作2次，将部分夹杂物粘附到坩埚壁上，使钢水得到净化，脱除合金中的氧、硫、氮；完成合金精炼后，在真空度不大于1.33Pa条件下对合金熔体的表面进行除渣操作，收集表面的浮渣后，将除渣装置提升，关闭插板阀并将渣排出炉外。
[0053]4)、充氩补加元素并浇注成品合金锭
[0054]在高真空条件下合金熔体冷冻时间大于30min,使钢液面结膜,进一步排除合金中的气体；冷冻结束后充入氩气至熔炼室真空表压力值为0.075MPa，再送电冲膜；加入0.3%的Mn和0.15%?0.2%的Cu，熔化后在1550°C、送电功率140kW的条件下，精炼6min，然后将钢液浇注到锭模中。
[0055]采用PDA-55002型直读光谱仪、TC-436型气体分析仪及HCS-040G高频红外碳硫分析仪分析返回料合金的化学成分、机械性能均达到新料合金的水平；合金中的N含量为:0.0055%, S含量为0.0038% ;经(1150± 10) °C均匀化+(540±5) °C时效处理后，合金的σ。2 为 1050MPa、Ψ 为 46%。
【权利要求】
1.一种利用ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法，其特征在于按照以下步骤进行: (1)返回料的净化处理 对铸造生产过程中产生的浇道、冒口及废铸件等返回料滚磨(5?6)小时，再对返回料表面进行吹砂，除掉表面的锈蚀、模壳、夹杂、夹砂等，用压缩空气将返回料表面逐块吹净，清除表面粘附的杂物； (2)熔化返回料 采用500kg半连续真空感应熔炼炉进行熔炼，将返回料分2?3批装入到坩埚中，在真空下进行熔炼，送电真空度不大于0.67Pa ； (3)加入脱氧剂、高真空高温精炼、真空下除渣 合金的精炼温度控制在(1600?1620) °C;精炼时间控制在(25?35)min，精炼期真空度不大于1.33Pa，合金精炼前加入占合金质量百分含量0.1 %的硅钙钡复合脱氧剂，完成合金精炼后，在真空下对合金熔体表面进行除渣操作； (4)充IS补加元素并烧注成品合金锭 在高真空条件下冷冻时间大于30min，排除合金中的杂质；冷冻结束后充入氩气至熔炼室真空表压力值为0.075MPa?0.06MPa,再送电冲膜；补充加入0.3%的Mn和0.15?.0.2%的Cu ;熔化后在(1530?1550) °C、送电功率(140?150)kW的条件下，精炼(5?8)min,然后进行烧注,成为成品合金锭。
2.根据权利要求1所述的一种利用ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法，其特征在于所述硅钙钡复合脱氧剂为:硅钙钡合金，其中按质量百分比计含S1:55%?60%、Ca:15%?20%、Ba:14%?18%。
3.根据权利要求1所述的一种利用ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法，其特征在于所述返回料是指浇道、冒口及废铸件。
4.根据权利要求1所述的一种利用ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法，其特征在于所述ZG0Crl7Ni4Cu3Nb的化学成分为按质量百分比计:C < 0.06、Cr (15.50-16.70)、Si (0.50-1.00)、Ni (3.80-4.60)、Cu (2.90-3.50)、Nb (0.20-0.40)、Al ( 0.050,Ta ( 0.050,Sn ( 0.020,N ( 0.050,Mn ( 0.70,S ( 0.030,P ( 0.040、为余量Fe。
5.根据权利要求1所述的一种利用ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法，其特征在于所述步骤(2)熔化返回料具体为:采用500kg半连续真空感应熔炼炉进行熔炼；将第一批返回料装到坩埚中，当真空度达到不大于0.67Pa时，开始送电熔化，先用(120?140) kW功率对返回料加热(20?30)min，再用200kW功率对返回料加热(30?45)min，待料表面变成暗红色后，以240?300kW功率送电，直到料全熔；在真空下将第二批返回料从加料室加入坩埚中，然后用240?300kW功率送电，直到料全熔；将第三批返回料从加料室加入坩埚中，然后用240?300kW功率送电，直到料全熔；每炉钢水量480?500kg。
6.根据权利要求1所述的一种利用ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法，其特征在于所述步骤(3)加入脱氧剂、高真空高温精炼、真空下除渣，具体为:全部炉料熔化后，继续送电15?20min，用接触式热电偶测量合金熔体温度，当熔体温度达到(1600?1620) 1:时，加入0.1 %的硅钙钡复合脱氧剂；保持熔炼室真空度不大于1.33Pa，送电功率控制在(120?130) kW，使合金熔体在这个条件下保持(25?35)min，利用高温及高真空条件，对合金进行精炼，利用电磁搅拌使返回料合金中低熔点的杂质元素及低密度的夹杂物能够充分上浮，每隔7min进行翻转坩埚操作2次，将部分夹杂物粘附到坩埚壁上，使钢水得到净化，脱除合金中的氧、硫、氮；完成合金精炼后，在真空度不大于1.33Pa条件下对合金熔体的表面进行除渣操作，收集表面的浮渣后，将除渣装置提升，关闭插板阀并将渣排出炉外。
7.根据权利要求1所述的一种利用ZG0Crl7Ni4Cu3Nb合金返回料熔炼铸造不锈钢的方法，其特征在于所述步骤(4)充氩补加元素并浇注成品合金锭具体为:在高真空条件下合金熔体冷冻时间大于30min,使钢液面结膜,进一步排除合金中的气体；冷冻结束后充入氩气至熔炼室真空表压力值为0.075MPa?0.06MPa,再送电冲膜；加入0.3 %的Mn和.0.15%?0.2%的Cu，熔化后在(1530?1550) °C、送电功率(140?150) kW的条件下，精炼(5?8)min，然后将钢液浇注到锭模中。
【文档编号】C22C38/48GK104357732SQ201410567527
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月21日 优先权日:2014年10月21日
【发明者】满延林, 王宇飞, 王鸿光, 倪伟, 崔文虎 申请人:沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司