CN102719682B

CN102719682B - Gh901合金的冶炼方法

Info

Publication number: CN102719682B
Application number: CN201210032711.8A
Authority: CN
Inventors: 裴丙红; 何云华
Original assignee: Pangang Group Jiangyou Changcheng Special Steel Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Jiangyou Changcheng Special Steel Co Ltd
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2032-02-14
Also published as: CN102719682A

Abstract

本发明公开了一种GH901合金的冶炼方法，所述冶炼方法包括如下步骤：a）将包括海绵钛或中间合金的原材料装入非真空感应炉中冶炼，所述中间合金至少含有Ti，冶炼时控制非真空感应炉中的化学成分为C0.025-0.035wt%、Ni 41-44wt%、Cr 11.8-13.2wt%、Mo 5.0-6.5wt%、B0.01-0.02wt%、Al 0.15-0.20wt%、Ti 3.2-3.25wt%及余量铁，出钢后浇注成GH901合金电极棒；b）用电渣炉对GH901合金电极棒进行电渣重熔，出炉后空冷得到GH901合金电渣锭。本发明使GH901合金的冶炼成本得到降低，并且冶炼的合金能满足性能要求，大大降低了产品成本。

Description

GH901合金的冶炼方法

技术领域

本发明涉及一种高温合金的冶炼方法，更具体地讲，涉及一种民用高温合金GH901合金的冶炼方法。

背景技术

GH901合金是一种仿制美国60年代初发展的Incoloy901的合金，该合金是一种以γ＇相（Ni3（TiAl））沉淀强化型的Fe-Ni-Cr基合金，基体为奥氏体组织。合金熔点为1360℃，密度为8.21g/cm³，合金在650℃以下具有较高的强度、抗氧化性和组织稳定性以及良好的综合性能。该合金是早期发展的较成熟的高温合金，广泛用于制造在650℃以下工作的航空及地面燃气涡轮发动机的转动盘形件（涡轮盘、压气机盘、轴颈等）、静结构件、涡轮外环及紧固件等零部件，也可以广泛应用于其它领域。

为了使高温合金具有所需的耐高温和抗腐蚀的能力，必须保证高温合金具有一定的化学成分、纯净度及合适的组织结构，而高温合金的化学成分及纯洁度主要取决于冶炼技术。高温合金冶炼的主要手段包括电弧炉、真空感应炉和非真空感应炉；合金重熔的主要手段包括真空自耗炉和电渣炉。对于不含或含有少量铝、钛的高温合金，一般可以采用电弧炉或非真空感应炉进行冶炼。

电弧炉冶炼是利用石墨电极与炉料之间放电产生的电弧热，借助辐射和电弧的直接作用将电能转化为热能，加热并熔化金属和炉渣。但电炉冶炼的缺点是:（1）易烧损元素Al、Ti等较难控制；（2）冶炼时严重增碳，无法将碳含量控制在0.03wt%；（3）元素的烧损以及钢液与耐火材料之间的化学反应会产生大量的夹杂物；（4）原材料的放气和脱氧剂运用不当等易导致脱氧不佳。

非真空感应炉冶炼是利用电磁感应原理将电能转化为热能来冶炼金属。非真空冶炼的优点是：（1）非真空感应炉采用电磁感应加热来熔化金属，避免了电炉采用石墨电极加热带来的增碳现象；（2）没有了电弧炉冶炼时的弧光高温区，金属的吸气可能性减小，熔炼的产品气体含量低；（3）非真空感应炉采用电磁搅拌作用，使冶炼过程中化学成分和温度均匀，并且能精准的调整和控制温度，保证了操作的稳定性；（4）由于感应炉单位质量金属液面面积较电弧炉小，而且没有了电弧的局部高温区，为减小Al、Ti等易烧损元素创造了有利条件。但由于感应炉炉渣不能被感应加热，因此炉渣温度低，不利于脱硫、脱P等冶金反应的进行，其非金属夹杂物的总量也偏高。

将感应炉放在真空下冶炼即为真空感应炉冶炼，该冶炼方法有诸多优点：（1）冶炼出的高温合金真空度高；（2）可精确控制高温合金的化学成分，对于易烧损元素可控制在很窄的范围内；（3）真空下良好的去气条件，使熔炼的合金气体含量低；（4）利用五害等元素低熔点的特性，真空冶炼可得以挥发，使材料得到提纯；（5）脱氧产物为CO，利用真空条件可将其抽出，使反应不断进行，从而克服了采用进出脱氧所带来的脱氧产物。但真空感应炉冶炼也存在一定的缺点：（1）存在熔体与坩埚耐火材料的反应，玷污熔体，合金的结晶组织晶粒粗大且不均匀，凝固偏析严重；（2）冶炼成本高；（3）对于脱硫要求高的合金要采取特殊方法；（4）生产量小。

由此可知，对于易烧损元素钛含量较高的GH901合金，最适合在真空下冶炼，现有技术中GH901合金的冶炼也主要采用真空冶炼+真空自耗冶炼工艺。但近年由于民用市场的飞速发展，GH901合金的市场需求大，双真空冶炼方法的成本高、生产量不足等缺点制约了GH901合金冶炼的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能降低GH901合金的冶炼成本，同时满足合金产品技术标准要求的GH901合金的冶炼方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种GH901合金的冶炼方法，所述冶炼方法包括如下步骤：

a）将包括海绵钛或中间合金的原材料装入非真空感应炉中冶炼，所述中间合金至少含有Ti，冶炼时控制非真空感应炉中的化学成分为C0.025-0.035wt%、Ni 41-44wt%、Cr 11.8-13.2wt%、Mo 5.0-6.5wt%、B0.01-0.02wt%、Al 0.15-0.20wt%、Ti 3.2-3.25wt%及余量铁，出钢后浇注成GH901合金电极棒；

b）用电渣炉对GH901合金电极棒进行电渣重熔，出炉后空冷得到GH901合金电渣锭。

根据本发明的GH901合金的冶炼方法，其中，所述中间合金含有14-17wt%的Ti、48-51wt%的Ni、小于或等于0.3wt%的Al以及余量Fe。

根据本发明的GH901合金的冶炼方法，其中，所述中间合金优选为含有17wt%的Ti、50wt%的Ni、0.3wt%的Al及余量的Fe。

根据本发明的GH901合金的冶炼方法，其中，在步骤b）中，采用CaF₂:Al₂O₃:MgO:TiO₂的质量比为76:10:6:8的四元渣系并充填饱满。

根据本发明的GH901合金的冶炼方法，其中，在步骤a）中，控制熔清温度为1480-1490℃、出钢温度为1500-1520℃、冶炼时间为3-4h。

根据本发明的GH901合金的冶炼方法，其中，在步骤b）中，加入Al粉进行脱氧处理，控制重熔时电压为60-64V、电流为7500-8000A、充填时间≥20min，炉冷时间≥25min、水温为50-60℃。

根据本发明的GH901合金的冶炼方法，其中，步骤a）中的原材料中还包括0-90wt%GH901合金电极棒的返回料。

根据本发明的GH901合金的冶炼方法，其中，在步骤a）中，加入Ca-Si块进行脱氧处理，具体分三批加入，分别为熔清时加入第一批，冶炼10-20分钟后加入第二批，出钢前加入第三批。

根据本发明的GH901合金的冶炼方法，其中，所述冶炼方法还包括在冶炼之前将原材料在500℃下烘烤4小时以上，在重熔之前将CaF₂、Al₂O₃、MgO、TiO₂渣料进行不间断地烘烤。

本发明与现有技术相比，GH901合金的生产成本得到大幅度的降低，并且制得的GH901合金台阶轴锻件能够全面满足相关标准要求。此外，合金投料最大可使用90wt%的本钢返回，产品成本得到大大降低。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的GH901合金的冶炼方法进行详细地描述。

本发明利用非真空感应炉冶炼电极棒与电渣炉重熔冶炼电渣钢锭的方法冶炼GH901合金，通过改变冶炼原材料和冶炼参数，既可以实现上述冶炼工艺，也能保证冶炼成本的降低和合金质量的稳定。

根据本发明的GH901合金的冶炼方法包括如下几个步骤。

首先，将包括海绵钛或中间合金的原材料装入非真空感应炉中进行冶炼，其中，所述中间合金至少含有Ti。

GH901合金标准要求应含有2.7-3.1wt%的Ti元素，最佳控制为2.85-3.0wt%，工业用Ti元素原材料的存在方式通常是固体颗粒状，学名海绵钛（99.5%Ti）。由于海绵钛密度轻，在非真空冶炼的后期加入阶段中，海绵钛会漂浮于钢液表面，操作工人必须通过人工搅拌的方法将其搅入钢液，此过程中工人面对1500℃以上的钢水，劳动强度非常大并且很不安全。此外，Ti元素很活泼，在冶炼过程中易氧化，如果在冶炼时直接加入，不仅收得率低，而且不稳定，使合金成分难以控制。因此，本发明采用配加海绵钛或含有Ti的中间合金的原材料装炉进行非真空感应炉冶炼的思路，即先配好一定量的海绵钛或先冶炼所需组分的中间合金，再将海绵钛或中间合金与其他原材料一起作为非真空冶炼的原材料装炉冶炼。在实际生产中，配料时主要利用高Ti含量的中间合金中的Ti元素配入Ti，只需添加合适重量的中间合金将GH901合金中的Ti元素配入控制在3.25wt%左右即可。由于中间合金可以事先炼好，待冶炼GH901合金时直接投入使用即可；但若使用海绵钛，则将提高成本和工人的劳动强度。因此，优选使用含有Ti的中间合金，具体地，所使用的中间合金含有14-17wt%的Ti、48-51wt%的Ni、小于或等于0.3wt%的Al以及余量Fe。优选地，中间合金含有17wt%的Ti、50wt%的Ni、0.3wt%的Al及余量的Fe，但中间合金的成分不限于此。采用Ti含量较高且Al含量很低的中间合金作为原材料，不仅可以提高Ti元素的收得率，而且减少了工人的工作强度。通过合理的控制非真空感应炉中的化学成分，不仅可保证电渣重熔时合金中易烧损元素的控制，而且可以保证合金的力学性能水平。

非真空感应炉冶炼过程中，控制熔清温度为1480-1490℃、出钢温度为1500-1520℃、冶炼时间为3-4h，出钢后浇注成GH901合金电极棒。冶炼时控制非真空感应炉中物料的化学成分为C 0.025-0.035wt%、Ni 41-44wt%、Cr11.8-13.2wt%、Mo 5.0-6.5wt%、B 0.01-0.02wt%、Al 0.15-0.20wt%、Ti3.2-3.25wt%及余量铁。

为了节省冶炼成本并且提高原材料的利用率，上述原材料中还可以包括0-90wt%GH901合金电极棒的返回料。由于GH901合金电极棒的返回料的化学成分与所要冶炼的钢种成分基本一致，因此仅从原材料使用方面而言使用返回比可以达到95wt%（95wt%以下都可以），但考虑到合金的综合性能，返回比的数值需经过试验验证。经过验证，目前本发明可以采用90wt%的最高返回比冶炼GH901合金，使冶炼成本得到大大降低并且有利于钢厂降低成本。

在高温合金中，氧是形成非金属夹杂物最主要的元素之一，O元素作为有害的元素，应当尽可能降低其含量。目前，冶炼脱氧最常用的方法有Ce处理、Mg处理、Ca处理几种方法。在GH901非真空冶炼过程通常使用Mg处理、Ca处理两种方法，本发明创新性的使用Ca-Si处理的方法。

Ce处理可以取得非常理想的脱氧效果，但由于Ce元素比Ca、Mg密度大，不易于漂浮且形成的是高熔点化合物，导致合金纯净度下降，因此Ce处理的用量须很小。对于GH901合金而言，由于Mg元素溶解度有限，因此采用Mg处理达不到理想脱氧的效果。经过分析比较和实践验证，Ca处理是最有效的脱氧脱硫方法，在Ca处理时可通过夹杂物的变性和形貌控制作用，改善合金的性能。

优选地，在非真空感应炉冶炼过程中，加入Ca-Si块进行脱氧处理，分三批加入，具体为熔清时加入第一批，冶炼10-20分钟后加入第二批，出钢前加入第三批。

其次，用电渣炉对合金电极棒进行电渣重熔，优选地采用CaF₂:Al₂O₃:MgO:TiO₂的质量比为76:10:6:8的四元渣系进行电渣重熔。

GH901合金采用上述四元渣系进行电渣重熔，具体的渣系成分比例经过长时间的验证，已非常精确。重熔时，需保证渣料充填饱满，并且必须用优质渣料。

重熔时，加入Al粉进行脱氧处理，Al粉的加入重量根据GH901合金电极棒的成分而定。控制重熔时电压为60-64V、电流为7500-8000A、充填时间≥20min，炉冷时间≥25min、水温为50-60℃，出炉后空冷得到GH901合金电渣锭。

为了除去GH901合金冶炼和重熔过程中的气体，优选地，所述冶炼方法还包括在冶炼之前对Ni材进行退火去氢处理（GH901合金含40-45wt%的Ni），将原材料在500℃下烘烤4小时以上，在重熔之前将CaF₂、Al₂O₃、MgO、TiO₂渣料进行不间断地烘烤。为杜绝渣料在大气下吸气（空气中的水蒸气等），冶金厂都有自制的烘烤设备来烘烤各种渣料。具体地，本发明冶炼了

两种不同规格的电极棒，其对应的电渣锭直径分别为

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述。

实施例1：

非真空冶炼：炉料由1#Ni板、金属铬、金属钼、金属铝、海绵钛、硼铁合金、镍镁合金、精钢材、GH901合金电极棒的返回料、高铬合金以及中间合金等组成（其中，1#Ni标准为:Ni+Co≥99.9wt%且Co不大于0.1wt%、C≤0.01wt%、Fe≤0.03wt%、Si≤0.002wt%、S+P≤0.001wt%、Cu≤0.02wt%）。中间合金含有17wt%的Ti、50wt%的Ni、0.3wt%的Al及余量的Fe。炉料的纯度、块度、表面须符合非真空感应炉原材料要求。渣料及脱氧剂由CaO粉、CaF₂粉、Ca-Si块、Al-CaO剂等组成。

其中，中间合金的冶炼锭型为620mm方锭，为方便冶炼过程中其作为原材料的熔化，生产时要将中间合金破碎成大小不等的小块，但此小块一般也在100Kg以上。为方便生产此处还额外配入12Kg海绵钛，其原因有两方面，一是原材料出料过程便于工人操作，可以通过选择该少量海绵钛来“调称”；二是配入的该少量海绵钛先不随炉加入，等炉中取样分析结果出来后，再调整Ti到最理想的控制范围，否则如果Ti含量偏高，冶炼过程要降低Ti含量是非常困难的。其中，镍镁合金具体含17wt%的Mg、余量的Ni，加入镍镁合金主要是为提高GH901合金的持久性能并且Mg元素的加入对脱硫也有好处，具体在出钢时将镍镁合金加入钢包中。

本实施例炉料的装入量为6000kg，其具体炉料为GH901合金电极棒的返回料2000Kg、中间合金1000Kg、金属铬516Kg、1#Ni 1179Kg、金属钼232Kg、硼铁3Kg、金属铝2Kg、海绵钛12Kg、高铬16Kg、精钢材（纯Fe）1040Kg。

冶炼时，硼铁合金在出钢前10min加入，14Kg的镍镁合金在出钢时随钢流加入，Al块、海绵Ti在熔化约90%、温度1480℃左右时加入，高铬合金在调碳时加入，金属钼随炉熔化依次加入，其它合金料一次装入炉中。其中，由于非真空感应炉在大气下冶炼，空气中的氧会导致合金中的活泼元素例如钛元素少量烧损，其烧损的多少可以通过炉中取样分析钢液的Ti含量，此时要进行微量调整，由于中间合金块度大，无法精确地调整钛含量到最佳范围，这种情况下通过添加一部分颗粒状的海绵钛使其达到最佳范围。

熔化功率由小到大，在熔化的同时造渣。熔清后测温1480-1490℃，将起脱氧脱硫作用的Al-CaO剂分两批加入，并继续添加海绵Ti，在温度1500±10℃时取全分析样2个，冶炼时按照表1控制合金的化学成分。冶炼采用Ca-Si块脱氧、加入量分别为5Kg、4Kg、3Kg。其中出钢前加入3kg，成份报回后调整成份合格后出钢。出钢温度1500～1520℃，红包出钢。浇注的电极棒10支，镇静时间≥5min。控制浇注速度及充填质量，锭身130～150秒，充填﹥90秒，浇注时用氩气保护，浇注后模冷时间＞1h。

电渣重熔：四元渣系的质量比CaF₂:Al₂O₃:MgO:TiO₂=76:10:6:8。具体地，渣料量为35.5kg，CaF₂26.9kg，Al₂O₃3.55kg，MgO2.13kg，TiO₂2.84kg。

实施例2：

本实施例中GH901钢的冶炼条件与实施例1一致，但非真空感应炉的炉料不同，其具体炉料为GH901合金电极棒的返回料4500Kg、金属铬204Kg、1#Ni 638Kg、金属钼91Kg、硼铁1.8Kg、金属铝3.2Kg、海绵钛65Kg、高铬12Kg、精钢材（纯Fe）485Kg。合计6000Kg。此外，12Kg的镍镁合金在出钢时随钢流加入。

表1示出了采用双真空工艺和采用本发明的非真空+电渣重熔工艺冶炼时对电极棒合金成分的控制范围（实施例1）：

表1GH901合金冶炼过程两种工艺成分控制对比

注：表1中标注（1）为原双真空冶炼工艺

表1中标注（2）为本发明的冶炼工艺

从表1可以看出采用本发明的非真空+电渣重熔工艺冶炼时，电极棒中易烧损元素Ti的含量提高了0.2wt%左右，并超出了标准规格，效果良好。

表2电极棒Ti含量在3.12-3.27wt%时Ti元素的重熔结果

表2示出了实施例1中电极棒Ti含量在3.12-3.27wt%时，重熔电渣锭中的Ti含量检测结果，表2中依次列出了15炉电极棒的Ti含量在3.12-3.27wt%之间的GH901合金经过电渣重熔的Ti含量结果。由表2可以看出，当电极棒的Ti含量在3.12-3.27wt%时，一次取样的合格率达到94.2%，重取的合格率达100%。在此Ti含量范围内添加的脱氧剂量随电极棒的Ti含量的降低而增高，具体数值见表2所述。

在实施例2中由于使用75wt%的GH901合金电极棒返回料，海绵钛的用量为65kg，使用量并不太大，未使用中间合金。冶炼过程中熔清后加入海绵钛，实际的Ti收得率约85wt%，其后电渣重熔Ti含量的烧损及各项性能检测值与使用中间合金相当，效果良好。

采用本发明所冶炼的GH901合金能满足CJX-S058-2010标准要求，生产的台阶轴锻件也满足以上力学性能标准要求，冶炼工艺成本得到降低。本申请将Ti以海绵钛或中间合金的方式在冶炼开始之前以原材料的方式先加入非真空感应炉中，既可减少Ti的烧损，有利于合金中易烧损元素的控制，也可以减少工人高温操作，实现了生产效率的提高并降低了成本。

本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明权利要求保护范围的情况下，可以进行各种变形和修改。

Claims

1.一种GH901合金的冶炼方法，其特征在于所述冶炼方法包括如下步骤：

a）将包括中间合金的原材料装入非真空感应炉中冶炼，所述中间合金含有14-17wt%的Ti、48-51wt%的Ni、小于或等于0.3wt%的Al以及余量Fe，冶炼时控制熔清温度为1480-1490℃、出钢温度为1500-1520℃、冶炼时间为3-4h，并加入Ca-Si块进行脱氧处理，共分三批加入，熔清时加入第一批，冶炼10-20分钟后加入第二批，出钢前加入第三批；控制非真空感应炉中的化学成分为C0.025-0.035wt%、Ni41-44wt%、Cr11.8-13.2wt%、Mo5.0-6.5wt%、B0.01-0.02wt%、Al0.15-0.20wt%、Ti3.2-3.25wt%及余量铁，出钢后浇注成GH901合金电极棒；

b）用电渣炉对GH901合金电极棒进行电渣重熔，采用CaF₂:Al₂O₃:MgO:TiO₂的质量比为76:10:6:8的四元渣系并充填饱满，加入Al粉进行脱氧处理，控制重熔时电压为60-64V、电流为7500-8000A、充填时间≥20min，炉冷时间≥25min、水温为50-60℃，出炉后空冷得到GH901合金电渣锭。

2.根据权利要求1所述的GH901合金的冶炼方法，其特征在于，所述中间合金含有17wt%的Ti、50wt%的Ni、0.3wt%的Al及余量Fe。

3.根据权利要求1所述的GH901合金的冶炼方法，其特征在于，步骤a）中的原材料中还包括0-90wt%的GH901合金电极棒的返回料。

4.根据权利要求1所述的GH901合金的冶炼方法，其特征在于，所述冶炼方法还包括在冶炼之前将原材料在500℃下烘烤4小时以上，在重熔之前将CaF₂、Al₂O₃、MgO、TiO₂渣料进行不间断地烘烤。