CN103008621B - 一种工业化生产3吨超纯净i-690合金电渣重熔锭的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电渣重熔技术领域，涉及对工业化生产Inconel690合金电渣重熔工艺的改进，具体说是一种工业化生产3吨超纯净、低偏析I-690合金电渣重熔锭的工艺方法。真空感应炉熔炼Φ430mm电极棒，结晶器尺寸为Φ503/Φ527mm×2400mm，重熔工艺参数：按I-690合金成分要求，重熔采用一种新配比的五元预熔渣系，组元为氟化钙、氧化钙、氧化铝、氧化镁和二氧化钛，不稳定氧化物杂质氧化锰、氧化亚铁和二氧化硅总含量小于0.5%。重熔前，电极经700℃烘烤8h以上，渣料经680℃烘烤8h以上后使用，重熔过程采用氩气保护。本工艺可使重熔后的I-690合金氧含量降到20ppm以下，做到重熔后不增氧或少增氧，而且硫含量降到5ppm以下，氧化物夹杂评级小于1，重熔后合金组织成分均匀，获得高质量的重熔合金。

Description

一种工业化生产3吨超纯净I-690合金电渣重熔锭的工艺方法

技术领域

本发明涉及电渣重熔领域，具体为一种工业化生产3吨I-690合金电渣重熔锭的工艺方法

背景技术

Inconel690(以下简称I-690)合金是美国牌号，其主要成分范围如下：

表1 Inconel690合金主要成分范围

I-690合金是核电蒸汽发生器上用的镍基高温合金，它要求具有优异的抗应力腐蚀开裂能力，良好的冶金稳定性和优良的加工性能等特点。而合金中存在的O、S等杂质元素，是影响其性能的致命元素，O是合金中夹杂物的主要形成元素，应尽量降低其在合金中的含量，从而减少夹杂物的含量，提高合金的性能。而对O含量的有效控制始终是高温和精密等合金重熔的难题，特别是重熔吨位越大，控制O含量越难，直径越粗，组织控制越难以掌握。

发明内容

本发明针对Inconel 690合金要求重熔后O含量≤20ppm，S含量≤5ppm，组织成分均匀，偏析小的要求，摒弃了传统的五元渣系(CaF₂:Al₂O₃:CaO:MgO:TiO₂＝71:15:5:5:4)，并针对I-690合金的成分特点，重新选择了一种碱度高的五元预熔渣进行重熔；并通过在底水箱上部铜底板上方设置启动板来保护结晶器不受高温熔渣和钢水侵蚀；向结晶器内通入一定量氩气，并通过调整重熔速率和冷却水温，控制重熔气氛，保证了组织的均匀。事实证明，采用该方法可生产出O含量小于20ppm、S含量小于5ppm，氧化物夹杂评级小于1，而且组织成分均匀，偏析小的高质量I-690合金重熔锭，提高了合金的高温塑性，改善合金的热加工性能。

本发明具体提供了一种工业化生产3吨I-690合金电渣重熔锭的工艺方法，其特征在于：采用真空感应炉冶炼重熔电极，选择新配比的五元预熔渣进行重熔；在底水箱上部铜底板上方设置两块焊接在一起的启动板以保护结晶器不受高温熔渣和钢水侵蚀；向结晶器内通入氩气，对重熔气氛进行控制；利用熔速限定和水温调节保证组织的均匀性；

其中所述五元预熔渣渣料配比为质量百分数：氟化钙60-65％、氧化钙12-18％、氧化铝12-18％、二氧化钛1-2％、氧化镁余量；该预熔渣与传统五元渣相比，碱度高，熔点低，经高温烘烤后，含水量低。

所述两块焊接在一起的启动板分别为第一启动板1与第二启动板2，其中第一启动板1为环形结构，其材料为低碳钢，厚度为6-8mm，外圆直径比结晶器下端内孔直径大30-40mm，内圆直径比第二启动板直径小15-20mm；第二启动板2为I-690电极切片，直径与电极直径相同，厚度30-50mm；

在进行重熔时稳态熔化速率为7.2-7.8kg/min，结晶器冷却水入水温度在20-25℃，出水口温度在30-35℃。

本发明所述工业化生产3吨I-690合金电渣重熔锭的工艺方法，其特征在于：所述五元预熔渣其渣系各组元纯度>98.5％，不稳定氧化物杂质MnO、FeO和SiO₂的总含量小于0.5％，且渣料经680℃烘烤8h以上后使用。

本发明所述工业化生产3吨I-690合金电渣重熔锭的工艺方法，其特征在于：所述工艺方法的具体步骤如下：

1)准备电极：电极尺寸采用φ430mm×2980mm规格；重熔前将电极进行切割和打磨处理，保证两端面平行、平整，柱面打磨干净，无锈渍，并将其在700℃下烘烤8h以上；

2)准备结晶器：结晶器采用Φ503/527mm×2400mm规格；重熔前将结晶器内表面污物处理干净，保证表面干燥，无污物；

3)用抛光设备将底水箱上面的铜底板表面打磨干净，去除上表面粘附物；

4)将与电极同材料的第二启动板2焊接至材料为低碳钢的环形第一启动板1上方，将焊接在一起的两启动板放置在底水箱上面的铜底板中心处；

5)将结晶器吊装至底水箱上，并使其下端底法兰与环形第一启动板压触；安装密封罩；

6)吊装电极并调整位置，使其位于结晶器的中心；

7)向结晶器内部通入氩气：通过一个连接结晶器底部的软管向结晶器和气罩内吹氩气，氩气流速为150-200L/min，保持25-40分钟直至气罩内残留氧含量低于0.5％容量，再调整氩气流速为50-60L/min，直至重熔结束；

8)引弧化渣：将混合均匀的渣料按设定程序分批分阶段，加入结晶器内，即引弧开始第3～6分钟时加入占总渣量质量百分数为23～27％的渣料，第24～30分钟时加入剩余渣量的15～19％，第37～43分钟时再加入剩余渣量的38～42％，第57～63分钟时将剩余渣料完全加入结晶器；

9)稳态熔化期：稳态熔化速率为7.2-7.8kg/min，结晶器冷却水入水温度在20-25℃，出水口温度在30-35℃；

10)补缩期：补缩在重熔结束前50-60分钟进行，减小功率，减缓电极下降速度，减小电流，结束重熔时，停止下降电极，令其末端自行熔化，直到电极露出渣面并发生电弧时停电；

11)重熔结束1h后，从结晶器中取出电渣锭。

本发明具有如下优点：

1、结晶器底部，使用了低碳钢第一启动板和与电极同材料的第二启动板对底水箱上面的紫铜板加以保护，既保证引弧期间紫铜板表面不被损坏，又能阻止铜作为杂质元素进入到重熔锭中。

2、利用氩气比重大于空气比重的特点，向结晶器底部通入氩气，可将其内部的空气(特别是氧气)排出，降低了渣池上方的氧分压。

3、重熔所用的渣料为高碱度的五元渣系，熔化温度较低(约1300℃)，低于I-690合金熔点70-80℃左右(见表2)，这有利于渣池的建立和电渣过程的稳定及较好的脱硫；高纯度的(＞98.5％)渣系组元及总含量＜0.5％不稳定氧化物杂质，降低了氧通过渣池向金属熔池传递的几率。

4、结晶器冷却水温选择合理，7.2-7.8kg/min的熔速不但保证了组织的均匀，而且有效保证工业生产的效率性和经济性。

表2传统五元渣系与新的预熔渣系熔点比较

附图说明

图1第一启动板与第二启动板焊接方式主视图(1、第一启动板，2、第二启动板，3、焊点)。

图2第一启动板与第二启动板焊接方式左视图。

图3重熔后合金纵向切片低倍组织。

图4重熔后合金横向切片低倍组织。

具体实施方式

实施例1

一种工业化生产3吨I-690合金电渣重熔锭的工艺方法，具体操作步骤如下：

1)准备电极：电极尺寸采用φ430mm×2980mm规格，重熔前将电极进行切割和打磨处理，保证两端面平行、平整，柱面打磨干净，其表面不得有严重的裂纹、重皮、飞翅、结疤和夹渣等缺陷，无氧化皮或铁锈，表面所粘附的油脂、耐火材料碎块等清除干净；并将其在700℃下烘烤8h。

2)准备结晶器：结晶器规格为上内口直径503mm，下内口直径527mm，长为2400mm；重熔前将结晶器内表面污物处理干净，保证表面干燥，无污物。

3)用抛光设备将底水箱上面的铜底板表面打磨干净，去除上表面粘附物。

4)将与电极同材料的第二启动板2焊接至材料为低碳钢的环形第一启动板上方，焊接方式如图1、2所示，其中第一启动板1厚度为8mm，其外圆直径比结晶器下端内孔直径大35mm，内圆直径比第二启动板2的直径小15mm；第二启动板2为I-690电极切片，直径与电极直径相同，厚度50mm。两只启动板表面要干燥、平整、光洁、无氧化皮，便于二者紧密接触，导电良好。将焊接在一起的两启动板放置在底水箱上面的铜底板中心处。

5)将结晶器吊装至底水箱上，并使其下端底法兰与环形第一启动板压触；安装密封罩。

6)吊装电极并调整位置，使其位于结晶器的中心。

7)向结晶器内部通入氩气：通过一个连接结晶器底部的软管向结晶器和气罩内吹氩气，气体流量的速度为200L/min，保持30min直至气罩内残留氧含量低于0.5％容量，调整氩气流量的速度为60L/min，直至重熔结束。

8)引弧化渣：将混合均匀的渣料按设定程序分批分阶段加入结晶器内，即引弧开始第3分钟时加入总渣量(质量分数)的25％，第27分钟时加入剩余渣量的17％(即占总渣量的质量分数为75％×17％)，第40分钟时再加入剩余渣量的40％，第60分钟时将剩余渣料完全加入结晶器。渣料配比为(质量分数)：氟化钙65％、氧化钙15％、氧化铝15％、二氧化钛1％、余料为氧化镁。渣系各组元纯度>98.5％，不稳定氧化物杂质氧化锰(MnO)、氧化亚铁(FeO)和二氧化硅(SiO₂)总含量(质量分数)小于0.5％。渣量90kg，渣料经680℃烘烤10h后使用。

9)稳态熔化期：熔化期电压、电流(见表3)变化情况，应保证重熔过程和重熔速率的稳定，稳态熔化速率为7.6kg/min，结晶器冷却水入水水温控制在25℃，出水水温控制在35℃。

10)补缩期：补缩在重熔结束前60min左右进行，逐渐减小功率，减慢电极下降速度，减小电流，结束重熔时，停止下降电极，令其末端自行熔化，直到电极露出渣面并发生电弧时方可停电。

11)重熔结束1h后，从结晶器中取出电渣锭。

重熔后合金的化学成分分析数据如表4所示，由表4数据可知，采用新的五元预熔渣系重熔后的I-690合金其O含量明显比未使用该渣系重熔的合金低20ppm左右，且O含量＜20ppm，S含量＜5ppm。

表3重熔过程中电压、电流随电渣锭重量的变化趋势

实施例2

与实施例1的不同之处在于：

所用渣料配比为(质量分数)：氟化钙64％、氧化钙16％、氧化铝15％、二氧化钛1.5％、余料为氧化镁。

第一启动板厚度为7mm，其外圆直径比结晶器下端内孔直径大40mm，内圆直径比第二启动板的直径小17mm；第二启动板的厚度为40mm。

向结晶器内部通入氩气时，气体流量的速度为180L/min，保持35min直至气罩内残留氧含量低于0.5％容量，调整氩气流量的速度为55L/min。稳态熔化期的稳态熔化速率为7.8kg/min。重熔后合金的化学成分分析数据如表4所示。

实施例3

与实施例1的不同之处在于：

所用渣料配比为(质量分数)：氟化钙63％、氧化钙14％、氧化铝16％、二氧化钛2％、余料为氧化镁。

第一启动板厚度为6mm，其外圆直径比结晶器下端内孔直径大30mm，内圆直径比第二启动板的直径小20mm；第二启动板的厚度为30mm。

向结晶器内部通入氩气时，气体流量的速度为150L/min，保持40min直至气罩内残留氧含量低于0.5％容量，调整氩气流量的速度为50L/min。稳态熔化期的稳态熔化速率为7.2kg/min。重熔后合金的化学成分分析数据如表4所示。

对比例

与实施例1的不同之处在于，本实施例采用传统的五元渣系(CaF₂:Al₂O₃:CaO:MgO:TiO₂＝71:15:5:5:4)进行电渣重熔，重熔后合金的化学成分分析数据如表4所示。

表4保护气氛下，不同渣系重熔的I-690合金个别微量元素成分(wt％)

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种工业化生产3吨I-690合金电渣重熔锭的工艺方法，其特征在于：采用真空感应炉冶炼重熔电极，选择新配比的五元预熔渣进行重熔；在底水箱上部铜底板上方设置两块焊接在一起的启动板以保护结晶器不受高温熔渣和钢水侵蚀；向结晶器内通入氩气，对重熔气氛进行控制；利用熔速限定和水温调节保证组织的均匀性；

其中所述五元预熔渣渣料配比为质量百分数：氟化钙60-65％、氧化钙12-18％、氧化铝12-18％、二氧化钛1-2％、氧化镁余量；不稳定氧化物杂质MnO、FeO和SiO₂的总含量小于0.5％，且渣料经680℃烘烤8h以上后使用；

所述两块焊接在一起的启动板分别为第一启动板(1)与第二启动板(2)，其中第一启动板(1)为环形结构，其材料为低碳钢，厚度为6-8mm，外圆直径比结晶器下端内孔直径大30-40mm，内圆直径比第二启动板直径小15-20mm；第二启动板(2)为I-690电极切片，直径与电极直径相同，厚度30-50mm；

在进行重熔时稳态熔化速率为7.2-7.8kg/min，结晶器冷却水入水温度在20-25℃，出水口温度在30-35℃。

2.按照权利要求1所述工业化生产3吨I-690合金电渣重熔锭的工艺方法，其特征在于：所述五元预熔渣其渣系各组元纯度>98.5％。

3.按照权利要求1所述工业化生产3吨I-690合金电渣重熔锭的工艺方法，其特征在于：所述工艺方法的具体步骤如下：

1)准备电极：电极尺寸采用φ430mm×2980mm规格；重熔前将电极进行切割和打磨处理，保证两端面平行、平整，柱面打磨干净，无锈渍，并将其在700℃下烘烤8h以上；

2)准备结晶器：结晶器采用Φ503/527mm×2400mm规格；重熔前将结晶器内表面污物处理干净，保证表面干燥，无污物；

3)用抛光设备将底水箱上面的铜底板表面打磨干净，去除上表面粘附物；

4)将与电极同材料的第二启动板(2)焊接至材料为低碳钢的环形第一启动板(1)上方，将焊接在一起的两启动板放置在底水箱上面的铜底板中心处；

5)将结晶器吊装至底水箱上，并使其下端底法兰与环形第一启动板压触；安装密封罩；

6)吊装电极并调整位置，使其位于结晶器的中心；

7)向结晶器内部通入氩气：通过一个连接结晶器底部的软管向结晶器和气罩内吹氩气，氩气流速为150-200L/min，保持25-40分钟直至气罩内残留氧含量低于0.5％容量，再调整氩气流速为50-60L/min，直至重熔结束；

8)引弧化渣：将混合均匀的渣料按设定程序分批分阶段，加入结晶器内，即引弧开始第3～6分钟时加入占总渣量质量百分数为23～27％的渣料，第24～30分钟时加入剩余渣量的15～19％，第37～43分钟时再加入剩余渣量的38～42％，第57～63分钟时将剩余渣料完全加入结晶器；

9)稳态熔化期：稳态熔化速率为7.2-7.8kg/min，结晶器冷却水入水温度在20-25℃，出水口温度在30-35℃；

10)补缩期：补缩在重熔结束前50-60分钟进行，减小功率，减缓电极下降速度，减小电流，结束重熔时，停止下降电极，令其末端自行熔化，直到电极露出渣面并发生电弧时停电；

11)重熔结束1h后，从结晶器中取出电渣锭。