CN101624657A

CN101624657A - 磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法及装置

Info

Publication number: CN101624657A
Application number: CN200910050347A
Authority: CN
Inventors: 钟云波; 吴秋芳; 范洋旸; 雷作胜; 任维丽; 任忠鸣
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: CN101624657B

Abstract

本发明涉及一种磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法及装置。本方法是利用电磁激振效应，细化熔滴和凝固组织，以提高精炼效果，减少偏析。本装置包括铜模结晶器、水冷套、高温合金电极棒、水冷铜板底电极和电源。特点是在水冷铜模结晶器的外围设置一个磁场发生器产生磁场、与电渣熔炼的电流复合产生振荡洛伦兹力。本发明用于高温合金电渣重熔精炼，能提高精炼效果，减少铸锭偏析。

Description

磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种在高温合金的电渣重熔过程中提高精炼效果和减少铸锭偏析方法及其装置，属精炼工艺技术领域。

背景技术

传统电渣重熔工艺是把普通冶炼方法制成的高温合金电极，插入盛有高碱性熔渣的水冷结晶器中，利用熔融渣的导电性，往熔融渣池中通入强大的交变电流，使熔渣发热，高温合金电极在焦耳热的作用下，在与熔渣接触端逐熔化成熔滴，熔滴在汇聚和在渣池中沉降过程中，由于双电层效应以及电磁净化效应的作用，熔滴中的非金属夹杂物和杂质元素迁移至熔滴表面，然后经液态熔渣洗涤去除，经过洗涤的熔滴在下方的水冷结晶器中重新汇集、凝固而成为洁净的电渣铸锭。在电渣精炼过程中，熔渣反应温度高，渣池强烈搅拌，金属熔滴与高碱度渣充分接触，强化了钢渣界面反应，使金属合金的纯净度大大提高；精炼后的合金凝固过程，是在水冷金属结晶器的强制冷却条件下进行的。凝固过程中金属熔池的上方始终保持一个高温熔池，使得熔融金属自下而上地顺序凝固。因此，电渣熔铸金属的结晶组织较为致密。

电渣重熔技术是制备高温合金的关键精炼工艺之一。以Ni基高温合金为代表的高温合金，其化学成分复杂，对成分含量的控制尤为苛刻，尤其是一些有害元素，如氧、氮、氢、硫、磷，一般都要求控制其含量在数个ppm之下。目前，镍基高温合金均采用真空感应熔炼-真空电弧熔炼-电渣重熔的三联工艺，其中电渣重熔工序是制约合金锭纯净度的核心工序。然而，传统的电渣重熔技术仍然存在精炼效率不高，非金属夹杂物去除不彻底的不足，甚至其中仍然存在大于20um的非金属夹杂物，而为了得到纯净的电渣铸锭，还不得不多次采用电渣重熔工艺，既降低了电渣的生产效率，同时也使电渣锭的单位能耗大大增加，因此，如何强化电渣熔炼过程，提高其精炼效率，仍然是电渣工序的主攻方向之一。

在电渣重熔过程中，熔滴大小对提高杂质和夹杂物的去除效率至关重要，熔滴越小，夹杂物和杂质元素从熔滴内部迁移至熔滴表面所需的时间越短，杂质也更容易去除；熔滴越小，在渣池中沉降的时间也越长，也有利于渣洗过程的充分进行，夹杂物去除效率越高；此外，随着熔滴直径降低，在同样的电流强度下，流过熔滴的有效电流密度将显著增加，例如，熔滴直径降低一半，其有效电流密度增加四倍，而熔滴中由于交变电流经过而产生的洛伦兹力与其电流密度的平方成正比，也就是说，此时的洛伦兹力将增加16倍，而熔滴中的非金属夹杂物从中心往熔滴表面的迁移速度又与洛伦兹力成正比，也就是说，熔滴中的非金属夹杂物的迁移速度也增加16倍，显然，这对熔滴中的非金属夹杂物的去除无疑是非常有利的。但如何有效细化熔滴直径，目前尚未提出更好的方法。此外，渣池下方的电渣铸锭凝固时，由于在底部和周围均为通水冷却，因此，铸锭组织为粗大的斜向上生长的柱状晶或枝晶，枝晶间或柱状晶界区域仍然存在明显的晶界偏析，因此电渣锭在后续的塑性变形或切割分用时，必然造成不同区域或切块之间的成分的差异，从而对后续材料的成型零件质量产生影响。因此，如何提高电渣重熔精炼工艺的效率以及控制铸锭的宏观偏析仍然是制约该技术广泛应用的核心问题。

发明内容

本发明的目的是，针对已有技术存在的缺陷，提供一种磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法及装置，细化电渣重熔过程中熔滴尺寸，进而提高杂质和夹杂物净化效率、同时细化电渣锭凝固组织进而降低铸锭中的成分偏析。

为达到上述目的，本发明的构思是：利用稳恒磁场与交变电流作用，或交变磁场与直流电流作用产生振荡洛伦兹力，使熔滴细化，延长熔滴在渣中的停留时间，从而使熔滴中的夹杂物和杂质有充足的时间分离；同时，熔滴细化时，可以显著提高熔滴中的电磁挤压力，从而显著提高熔滴中夹杂物的迁移速率，精炼效率也就得到显著提高；此外，在铸锭凝固时，再复合恒定磁场，在凝固界面前沿产生强烈的振荡洛伦兹力，打碎枝晶，细化凝固组织，从而实现成分均匀化的目的。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法，其特点在于利用电磁激振效应，细化熔滴和凝固组织，以提高精炼效果，减少偏析；具体操作步骤如下：

1)将熔融渣液浇入水冷的铜模结晶器中；

2)将待精炼的高温合金电极棒插入铜模结晶器的熔融渣液中；

3)将高温合金电极棒和铜模结晶器底部的水冷底电极用电缆分别连接外接电源的电流输出端；

4)同时采用磁场发生器提供磁场，施以垂直于高温合金电极棒和电渣铸锭轴向的磁场；

5)调整磁场、电极、电渣铸锭的相对位置，以确保高温合金电极棒的熔化区以及电渣铸锭的固液界面均位于磁场区域中；

6)控制电渣熔炼电流，当其产生的热量将高温合金电极棒逐滴熔化后，控制磁场强度，利用电磁产生的振荡洛仑兹力，细化熔滴尺寸和细化电渣铸锭的凝固组织；

7)随着高温合金电极棒的熔化以及电渣铸锭的往上生长，磁场区域也逐渐上移，以保证熔化和凝固过程均处于磁场区域中。

上述合金电极棒为待精炼的镍基高温合金、或轴承钢、不锈钢、合金钢等需要采用电渣熔炼的金属。

上述电源为交流电源，为电渣熔炼提供交流电流，所述磁场发生器提供的磁场为稳恒磁场，从而产生电磁激振效应。

上述电源为调压调频电源，其电流强度为500-1200A，频率为0.001-3000Hz，磁场发生器提供的磁感应强度为0.1-12T。

上述电源也可以为直流电源，为电渣熔炼提供直流电流，而所述磁场发生器提供的磁场则为交变磁场，同样能产生电磁激振效应。

一种磁控电渣重熔高效精炼高温合金的装置，应用于上述方法，包括铜模结晶器、设置于铜模结晶器周壁外的水冷套、作为底电极的水冷铜板及其水冷套和电源及其用于连接底电极和插入铜模结晶器熔融渣液中的高温合金电极棒的水冷电缆，其特征在于在所述铜模结晶器的水冷套的外围设置一个磁场发生器。

上述结晶器水冷套和底电极水冷套分别有进水口接水源及出水口接水槽。

本发明方法的机理和原理叙述如下：

在本发明中，将电渣重熔过程置于恒定磁场中进行，利用磁场与适当频率和适当强度的交变电流配合产生的电磁激振效应，细化熔滴和凝固组织，以提高精炼效果，减少偏析。

另外，本发明方法的特点如下所述：

(1)凝固组织的细晶程度同施加的电流与磁场大小有关，其乘积越大，所获得的铸锭组织越细小，宏观偏析也就越小；

(2)恒定磁场与交变电流相互作用，产生交变的洛伦兹力，可以震落熔滴，或者加速熔滴的颈缩，从而细化熔滴的直径，在可以延长熔滴在熔渣中的停留时间的同时，缩短夹杂物或杂质由熔滴心部迁移至表面然后被熔渣吸收的时间，并显著增加熔滴中非金属夹杂物的迁移速率，从而提高精炼效率。实验研究表明在同等电流强度下，熔滴的尺寸与施加的磁场强度呈线性关系，磁场强度越高熔滴越小。

附图说明

图1为本发明方法一个实施例的装置结构示意图。

图2为本发明的机理示意图。

图3为本发明细化的电渣熔滴中非金属夹杂物净化机理示意图。

具体实施方式

现将本发明的优选实施例结合附图叙述于后。

实施例一：

参见图1，本磁控电渣重熔高效精炼高温合金的装置是由待精炼高温合金电极1、水冷铜模结晶器2、恒定磁场发生器3、调压调频交流电源4、已凝固金属电渣铸锭5、熔融渣液6、水冷铜板底电极7、水冷电缆14、上下水冷套13、15、上下水冷套进水口7、12和上下水冷套出水口10、11组成。将待精炼高温合金电极1插入置于水冷铜模结晶器2的熔融渣液6中。将待精炼高温合金电极1与水冷铜板底电极7分别接入调压调频交流电源4中。将水冷铜模结晶器2、待精炼高温合金电极1的熔化端置于恒定磁场发生器3中，其中恒定磁场发生器3产生的磁场强度在0.1～12T之间，方向垂直于待精炼高温合金电极1。

应用上述装置，本磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法是利用电磁激振效应，细化熔滴和凝固组织，以提高精炼效果，减少偏析。具体操作过程如下所述：

参见图1、图2和图3，以40％CaF₂，25％CaO，12.5％Al₂O₃，15％MgO作为熔渣成分，采用合适的熔化装置熔化后浇入水冷铜模结晶器(2)中。将镍基高温合金浇注成待精炼高温合金电极棒1，将待精炼高温合金电极棒1插入熔融渣液6中。并且将待精炼镍基高温合电极棒1与水冷铜板底电极7一同接入到调压调频交流电源4中。交变电流16通过待精炼高温合金电极棒1与熔融渣液6时产生大量的焦耳热，待熔融渣液6内温度达到待精炼高温合金电极棒1熔点时，待精炼高温合金电极棒1的前端开始熔化。熔化的金属液滴8穿过熔融渣液6，达到水冷铜板底电极7底部被强制水冷凝固。此时打开恒定磁场发生器3，参见图2，将磁场的中心始终对准下落的熔滴19以及正在凝固的部分，磁力线17和交变电流16垂直，并产生交变的洛伦兹力18。调节恒定磁场发生器3的磁场强度18，在0.1～12T时下坠的熔滴19将得以细化、细化的金属熔滴(8)由于交变电流流经熔滴产生巨大的向心洛伦兹挤压力，在该力作用下，金属熔滴8中的非金属夹杂物20将快速迁移至金属熔滴8表面，并经熔融渣液6的洗涤而得到净化，提高精炼效果，同时交变电流流经电渣铸锭5时进一步与外加的磁力线17作用，在凝固前沿形成巨大的电磁振荡力，打碎枝晶，从而使电渣铸锭5的凝固组织显著细化，成分偏析程度将显著降低。

实施例二：

本实施例基本上与实施例一相同，所不同之处是；将调压调频交流电源4改为直流电源，为电渣熔炼提供直流电流，将磁场发生器3提供的磁场改为交变磁场，同样可以产生电磁激振效应，细化下坠的熔滴9和电渣铸锭5。

Claims

1.一种磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法，其特点在于利用电磁激振效应，细化熔滴和凝固组织，以提高精炼效果，减少偏析；具体操作步骤如下：

a.将熔融渣液(6)浇入水冷铜模结晶器(2)中；

b.将待精炼高温合金电极棒(1)插入水冷铜模结晶器(2)的熔融渣液(6)中；

c.将待精炼高温合金电极棒(1)和水冷铜模结晶器(2)底部的水冷铜板底电极(7)外接调压调频交流电源(4)；

d.同时磁场发生器(3)提供恒定磁场，施以垂直于待精炼高温合金电极棒(1)和电渣铸锭(5)轴向的磁场；

e.调整磁场、电极、电渣铸锭的相对位置，以确保待精炼高温合金电极棒(1)的熔化区以及电渣铸锭(5)的固液界面均位于磁场区域中；

f.控制电渣熔炼电流，当其产生的热量将待精炼高温合金电极棒(1)逐滴熔化后，控制磁场强度，利用电磁相互作用产生的振荡洛仑兹力，细化熔滴尺寸和细化电渣铸锭(5)的凝固组织；

g.随着待精炼高温合金电极棒(1)的熔化以及电渣铸锭(5)的往上生长，磁场区域也逐渐上移，以保证熔化和凝固过程均处于磁场区域中。

2.根据权利要求1所述的磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法，其特征在于所述待精炼高温合金电极棒(1)为待精炼的镍基高温合金、轴承钢、不锈钢、合金钢等需要采用电渣熔炼的金属或合金。

3.根据权利要求1所述的磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法，其特征在于所述调压调频交流电源(4)为交流电源，为电渣熔炼提供交流电流，所述磁场发生器(3)提供的磁场为稳恒磁场，从而产生电磁激振效应。

4.根据权利要求3所述的磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法，其特征在于所述调压调频交流电源(4)能提供交变电流，其电流强度为500-1200A，频率为0.001-3000Hz，磁场发生器(3)提供的磁感应强度为0.1-12T。

5.根据权利要求1所述的磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法，其特征在于所述调压调频交流电源(4)为直流电源，为电渣熔炼提供直流电流，所述磁场发生器(3)提供的磁场则需提供交变磁场，从而产生电磁激振效应。

6.一种磁控电渣重熔高效精炼高温合金的装置，应用于根据权利要求1所述磁控电渣重熔高效精炼高温合金的方法，包括水冷铜模结晶器(2)、设置于水冷铜模结晶器周壁外的水冷套(15)、作为铜模结晶器底座的水冷铜板底电极(7)、设置于水冷铜板底电极(7)下面的水冷套(13)和调压调频交流电源(4)及其用于连接水冷铜板底电极(7)和插入水冷铜模结晶器(2)熔融渣液(6)中的待精炼高温合金电极棒(1)的水冷电缆(14)，其特征在于在所述水冷铜模结晶器(2)的水冷套(15)的外围设置一个恒定磁场发生器(3)。

7.根据权利要求6所述的磁控电渣重熔高效精炼高温合金的装置，其特征在于所述上水冷套(15)和下水冷套(13)分别有进水口(7、12)接水源及出水口(10、11)接水槽。