CN102776378B - 真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法采用CaO粉末和金属Ca块进行联合脱硫，其中，脱硫过程分为前期脱硫和后期脱硫两个阶段，前期脱硫阶段为开始通电熔化原料至完成炉中熔清且CaO粉末作为原料加入，后期脱硫阶段为加入金属Ca块至出钢完成冶炼。本发明能够有效地降低高温合金中的硫含量，满足其苛刻的硫含量要求，脱硫效果明显，进而提高了高温合金的热加工塑性和成材率，有利于增加更多的经济效益。

Description

真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法
技术领域
本发明涉及冶金行业合金纯净化冶炼的领域，更具体地讲，涉及一种真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法。
背景技术
硫在合金中是作为杂质元素夹杂物存在的，是疲劳裂纹的萌生源及扩展通道，同时这些夹杂物还会成为结晶核心，导致合金的性能下降。而高温合金是现代航空发动机、火箭发动机、燃汽轮机所必需的重要金属材料，它能在高温（一般600-900℃）、氧化气氛和燃汽腐蚀条件下，承受较大应力并长期使用。
高温合金冶炼通常使用真空感应炉进行，真空感应炉熔炼的脱气效果好，但是脱硫则很困难。当脱硫剂使用不足或不当时，易造成高温合金中硫含量不满足标准要求或硫含量较高，当脱硫剂（钙基脱硫剂）使用过量时则会使合金中钙的残余量增加，造成钙不满足标准成分的要求，并且会降低高温合金的热加工塑性，只有同时保证和满足硫和钙含量成分要求，才能生产出的合格的高温合金产品。因此，需要保证高温合金冶炼时的脱硫效果，以降低高温合金中的硫含量。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。
本发明的目的在于提供一种能够降低高温合金中的硫含量进而提高高温合金的热加工塑性的真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法，所述脱硫方法采用CaO粉末和金属Ca块进行联合脱硫，其中，脱硫过程分为前期脱硫和后期脱硫两个阶段，前期脱硫阶段为开始通电熔化原料至完成炉中熔清且CaO粉末作为原料加入，后期脱硫阶段为加入金属Ca块至出钢完成冶炼。
根据本发明的真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法的一个实施例，所述脱硫方法还包括在冶炼前选择硫含量低的原料的步骤。
根据本发明的真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法的一个实施例，所述脱硫方法还包括在熔清后取样进行硫含量分析的步骤。
根据本发明的真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法的一个实施例，所述脱硫方法还包括在后期脱硫阶段充入氩气的步骤。
本发明能够有效地降低高温合金中的硫含量，满足其苛刻的硫含量要求，脱硫效果明显，进而提高了高温合金的热加工塑性和成材率，有利于增加更多的经济效益。
具体实施方式
根据本发明示例性实施例的真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法，所述脱硫方法采用CaO粉末和金属Ca块进行联合脱硫，其中，脱硫过程分为前期脱硫和后期脱硫两个阶段，前期脱硫阶段为开始通电熔化原料至完成炉中熔清且CaO粉末作为原料加入，后期脱硫阶段为加入金属Ca块至出钢完成冶炼。
CaO是冶金企业冶炼高温合金时常用的原材料之一，并且用钢渣进行脱硫是较为高效的脱硫方法，但真空感应熔炼高温合金时，不能通过大幅度增加渣量和换渣操作来进行脱硫。采用CaO是利用其能脱硫的优点，采用金属Ca是利用其不会明显增加真空感应炉中的渣量并同时有脱硫作用的优点，因而采用CaO粉末和金属Ca块两种材料联合脱硫。
其中，CaO粉末密度轻，不易在钢液中形成夹杂，并且CaO粉末可与钢液中的Al和S发生反应，即3CaO+3S+2Al→Al2O3+3CaS，达到脱硫的目的；金属Ca在不增加真空感应炉坩埚内钢液表面渣量的情况下同样具有脱硫效果，有实验数据显示当高温合金中Ca含量过高时会造成高温合金热加工塑性下降，因而只能在熔炼的后期加入。钙基脱硫是较为高效的脱硫方式，另外脱硫产物CaS在其他形式的脱硫产物中有着密度轻的优点（Ce2S3密度为5.18g/cm3；MgS密度为2.82g/cm3；CaS密度为2.18g/cm3），不易造成高温合金夹杂。
将本发明的脱硫过程分为两个阶段，主要是因为分阶段进行脱硫可充分发挥CaO粉末前期的脱硫作用，在不能加大渣量的情况下，渣量太大存在浇注困难和堵塞浇注口的风险，因而在后期采用不增加渣量的金属Ca继续脱硫。
其中，CaO粉末的加入量以其在真空感应炉坩埚内钢液表面的渣量所占钢液表面的面积百分比进行参照确定，为使高温合金熔炼过程中取成分样不受影响，通常以CaO粉末或渣占钢液表面面积的比例不超过钢液表面面积的25%进行添加，通常CaO粉末的加入量为24Kg/炉；而金属Ca块在脱硫过程中存在升华的现象，因而利用率较低，但通常加入量不超过12Kg/炉。
优选地，还包括在冶炼前选择硫含量低的原料的步骤，以进一步减轻真空感应炉熔炼脱硫的强度。
优选地，还包括在熔清后取样进行硫含量分析的步骤，以准确获知前期脱硫阶段的脱硫结果，及时进行脱硫方案的调整和优化。
优选地，还包括在后期脱硫阶段充入氩气的步骤，以提高金属Ca块的利用率和脱硫效果。
为了更好地理解本发明、下面结合具体示例进行详细描述。若无其它说明，其中涉及的百分比均为重量百分比。
具体实施时首先精选原料，选择较纯的硫含量较低的原料，以减轻真空感应炉熔炼脱硫的强度。然后进行分阶段脱硫，使硫含量逐渐降低，并达到标准和相关内控质量要求，具体是采用CaO粉末和金属Ca块联合脱硫，将真空感应熔炼过程分为前期脱硫和后期脱硫两个阶段，前期脱硫阶段为从开始送电使原材料（包括CaO粉末）熔化至完成炉中熔清，并且取样进行硫含量分析；后期脱硫阶段为从开始加入金属Ca块进行脱硫至带电出钢完成冶炼，在整个真空感应熔炼过程中采用CaO粉末前期脱硫和金属Ca块后期脱硫。当进入后期脱硫阶段时，充入1000Pa左右的氩气，以提高金属Ca块的利用率和脱硫效果。
根据上述步骤进行了如表1所示的两种高温合金的四组试验，其中：
1）GH710中间合金的原材料：C块2.4Kg；金属Cr1170Kg；1#Ni板3660Kg；Co板1050Kg；Al块114Kg；CaO粉末24Kg，金属Ca块12Kg。其中，GH710中间合金原材料的硫含量为0.006%左右。
2）GH4169合金的原材料：金属Al35Kg；1#Ni板3323Kg；金属Mo189Kg；海绵Ti65Kg；纯铁1125Kg；金属Cr1202Kg；金属Nb334Kg；CaO粉末24Kg，金属Ca块12Kg。其中，GH4169合金原材料的硫含量为0.007%左右。
选用优质CaO块，经破碎成粉末，与上述高温合金的原材料一起加入炉中。当炉中真空度小于1Pa时，给电熔化原材料，经工频搅拌钢液20min左右，温度控制在1560℃左右，使钢液和渣（包括CaO粉末）充分接触、混合，以提高CaO粉末的利用率和脱硫效果。待原材料熔化完全后，取成分样分析钢液中硫的成分含量，通常此时钢液中的硫含量为0.0035%左右，完成前期脱硫处理后，进入后期脱硫阶段。先充入1000Pa左右的氩气，然后分批次加入金属Ca块，通常的加入顺序为6Kg→4Kg→2Kg，视实际钢液中的硫含量进行加入，当钢液中的硫含量小于0.002%时，即可带电出钢，每组脱硫试验的结果如表1所示。
表1不同炉熔炼所得高温合金的脱硫结果
编号 钢种 炉号 最终硫含量（%）
1 GH710中间合金 T12M4-38 0.0015
2 GH4169合金 T07M4-220 0.0018
3 GH4169合金 T11M4-92 0.001
4 GH4169合金 T12M4-87 0.0009
由表1所示的脱硫结果，本方法的脱硫方法是有效且可行的，极大地降低了高温合金中的硫含量。由于本发明的真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法是扩散脱硫方法，脱硫材料（CaO粉末和金属Ca块）和脱硫产物（CaS）均不进入钢液，而是漂浮在钢液表面，因而不易造成夹杂，不会对钢液质量造成影响。经过长时间的实践和生产验证，事实证明采用本发明的真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法生产的GH4169合金和GH710合金在热加工塑性方面得到极大改善，有效提高了合金成材率，并且产品质量和性能稳定。
综上所述，本发明的真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法通过分段进行脱硫，有效地降低高温合金中的硫含量，满足其苛刻的硫含量要求，脱硫效果明显，进而提高了高温合金的热加工塑性和成材率，有利于增加更多的经济效益。
尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明的真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (1)

1.一种真空感应炉熔炼高温合金的脱硫方法，其特征在于，在冶炼前选择硫含量低的原料并采用CaO粉末和金属Ca块进行联合脱硫，其中，脱硫过程分为前期脱硫和后期脱硫两个阶段，前期脱硫阶段为开始通电熔化原料至完成炉中熔清且CaO粉末作为原料加入，在熔清后取样进行硫含量分析；后期脱硫阶段为加入金属Ca块至出钢完成冶炼，并在后期脱硫阶段充入氩气。
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