CN104451178A - 大尺寸、超纯净、高性能镍基合金690的电渣重熔方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺寸、超纯净、高性能镍基合金690的电渣重熔方法，用电渣重熔装置进行电渣重熔，经真空感应熔炼、引弧化渣，稳态熔化期，补缩期，冷却，得到合金690重熔锭。采用该方法可以有效控制合金中有害元素含量，生产出夹杂物含量低、纯净度高，且组织成分均匀，偏析小，高性能的合金重熔锭，所述合金具有良好的高温塑性，热加工性能好。

Description

大尺寸、超纯净、高性能镍基合金690的电渣重熔方法

技术领域

本发明涉及金属冶炼领域，特别涉及一种大尺寸、超纯净、高性能镍基合金690的电渣重熔方法。

背景技术

大尺寸合金重熔锭是指重熔冶炼时使用的结晶器的直径为800-1000mm，或重量为7-10吨的合金锭。通常生产这种重熔锭，需购大直径浇注模，并且采用普通的电渣重熔工艺容易产生偏析，使得金属组织不均匀，由于合金中中的O，S，P等杂质元素，是影响其性能的致命元素，其O为夹杂物的主要形成元素，因此，在生产过程中应尽量降低其在合金中的含量，而重熔锭其尺寸越大，控制O含量的难度越大，直径越粗，组织控制也越难实现。

镍基合金690是一种在各种类型高温水中显示出优异的低腐蚀速率和抗应力腐蚀能力，且具有高的强度，良好的冶金稳定性和优良加工特性的高铬、镍基合金。因其特性，被广泛应用于蒸汽发生器传热管，隔板，管板及核电部件。

电渣重熔是一种重要的提纯材料改善组织的冶金工艺技术，对材料的性能有着非常大的影响。通常大尺寸镍基合金690生产工艺，采用普通的电渣重熔工艺，这种方法容易产生偏析，使得金属组织不均匀。如何通过合适的电渣重熔工艺，有效的降低有害元素，细化夹杂使杂质均匀化分布，细化组织使组织均匀化等，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种大尺寸、超纯净、高性能镍基合金690的电渣重熔方法，采用该方法可以有效控制合金中有害元素含量，生产出夹杂物含量低、纯净度高，且组织成分均匀，偏析小，高性能的合金重熔锭，所述合金具有良好的高温塑性，热加工性能好。

本发明的技术方案是：

大尺寸、超纯净、高性能镍基合金690的电渣重熔方法，其特征在于，用电渣重熔装置进行电渣重熔，该装置包括自熔电极、结晶器、铜板和底水箱，所述自熔电极采用4根同外径、同长度铸锭作为电极棒，再将电极棒两两并排连接，电极棒的顶端连接有假电极棒；铜板放置在水箱的顶部，铜板上铺设碳粉层，碳粉层外侧设置有石棉层，导电板平放在碳层上，通气圈放置在结晶器的顶端，通气圈的内壁设置有若个向其圆心延伸的并与通气圈连通的支管，通气圈的外壁上设置有进气管；结晶器的底端与石棉层接触；自熔电极放置在结晶器中并位于导电板的上方；

采用电渣重熔装置进行电渣重熔的方法，有以下步骤：

1)将自熔电极放在结晶器中心线上并位于导电板的上方；

2)引弧化渣：将合金屑放置在导电板中心，再将部分混合均匀的渣料放置在导电板及合金屑上，通入氩气，电极引弧开始重熔；渣料在电渣重熔过程中分阶段加入；

3)稳态熔化期：重熔电压60～80V，电流14000～17000A；重熔熔化速率为14.0～16.0kg/小时，结晶器冷却水入水温度在15～20℃，出水温度在25～30℃；

4)补缩期：在重熔结束前50～60分钟进行补缩，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，令其未端自行熔化，直到电极露出渣面并产生电弧时停电；

5)开启结晶器中的循环冷水冷却2h，得到电渣锭，取出，移至铁皮罩内，封罩口，缓冷6h。

重熔前，渣料和自熔电极放进结晶器前需要在800℃烘烤10～14h。

碳粉层的面积与导电板面积相同。

步骤2)所述通入氩气重熔前氩气流速为600～800L/min，保持30～40min至结晶器；随后调整氩气流速为200～300L/min，至重熔结束。

步骤2)所述渣料各组分的重量百分含量为：CaF₂：55～80％；CaO：5～20％；Al₂O₃：5～15％；MgO：5～10％。

步骤2)所述渣料各组元纯度＞98.5％，不稳定氧化物杂质氧化锰、氧化亚铁、二氧化硅总含量小于0.5％，粒度小于50目。

步骤2)所述合金屑各组元纯度＞98.5％，不稳定氧化物杂质氧化锰、氧化亚铁、二氧化硅总含量小于0.5％，粒度小于50目。

步骤2)所述渣料分阶段加入为引弧开始前，加入渣料总重量的30～40％；引弧成功后的10～35分钟内逐步加入剩余渣料的40～50％；第40～55分钟，逐步加入剩余渣料的50～60％；第60～75分钟，将剩余渣料完全加入到结晶器。

本发明的有益效果：

1)采用的自熔电极棒，无需增购大直径浇注模，在保证自熔电极棒与结晶器之间填充比的前提下，可达到有效的降低有害元素，细化夹杂使杂质均匀化分布，细化组织使组织均匀化的目的。

2)在铜板上放置的石棉层及导电板(含碳粉导电层)以保护结晶器和铜板，既保证保护结晶器和铜板不受引弧剂打弧损害表面，又能阻止铜作为杂质元素进入重熔锭中；

3)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，降低渣池上方的氧分压；

4)重熔所用渣料为四元渣系，有利于渣池的建立和电渣过程的稳定及较好的脱硫、脱磷；高纯度的(＞98.5％)渣系组元及总含量＜0.5％的不稳定氧化物杂质，降低了氧通过渣池向金属熔池传递的几率；

5)结晶器14.0～16.0kg/min的熔化速率，冷却水控制入水温度在15～20℃，出水温度在25～30℃，不但有效保证了组织的均匀，而且保证了生产的效率和经济性。

本发明所述的电渣重熔方法特别适用于大尺寸合金重熔锭镍基合金、铁基合金。

附图说明

图1是电渣重熔装置的结构简图；

图2是碳粉层、石棉层、导电板在底水箱的分布图；

图3是图1的俯视图；

图4是氩气通气圈的示意图；

图5是镍基合金690电渣锭的铸态显微组织—12.5X；

图6是镍基合金690电渣锭生产的产品夹杂物形貌；

图7是镍基合金690电渣锭生产的产品显微组织—100X(规格为δ280×1650×1950mm)；

图8是镍基合金690电渣锭生产的产品显微组织—100X(规格为Φ220×2000mm)。

图中，1为进气管；2为结晶器；3为底水箱；4为电极棒；5为假电极棒；6为碳粉层；7为石棉层；8为导电板；9为通气圈；10为支管；11为铜板。

具体实施方式

本发明所述的电渣重熔方法特别适用于大尺寸合金重熔锭镍基合金、铁基合金。本实施例以大尺寸镍基合金690重熔锭为例进行说明。

实施例1

参见图1～图4。

电渣重熔装置包括自熔电极、结晶器2、铜板11和底水箱3。所述自熔电极采用4根同外径、同长度铸锭作为电极棒4，本实施例采用规格为Φ245×1200～1800mm真空铸锭作为电极棒。电极棒表面进行砂磨精整，保证电极棒表面无重皮、飞翅、结疤和夹渣等缺陷，无明显锈渍或氧化皮，粘附的油脂、耐火材料碎块等清理干净，再将4根电极棒两两并排焊接成一个矩阵，电极棒的顶端连接有假电极棒5，在800℃烘烤10h。

本实施例采用结晶器2为上内口直径860mm，下内口直径920mm，长为2250mm的规格；重熔前将结晶器内表面杂物清理干净，保证其表面清洁、干燥；

将铜板11放置在底水箱3的顶部，铜板上铺设碳粉层，用抛光工具将底水箱3和铜板11表面打磨干净，去除杂物，保证表面的清洁、平整。将直径比结晶器下端内孔直径小15mm的圆铁圈放置在铜板中心，沿铁圈外用直径Φ16mm石棉绳绕制至少5圈，形成石棉层7，以保证石棉层的直径大于结晶器的外径。在圆铁圈内平铺一层与导电板8面积相同的碳粉，形成碳粉层6，随后将厚度30mm的导电板8平放在碳粉上，确认平整后撤去圆铁圈。

通气圈9放置在结晶器的顶端，使氩气从结晶器的顶部流向结晶器中，使结晶器中形成氩气保护气氛。通气圈的内壁设置有若个向其圆心延伸的并与通气圈连通的支管10，通气圈的外壁上设置有进气管1；结晶器的底端与石棉层接触。

将自熔电极的放置在结晶器中并位于导电板的上方，其自熔电极中心线与结晶器的中心线重合。

通入氩气：通气圈的进气管通入氩气，氩气从支管进入结晶器中。分阶段向结晶器中通入氩气：正常重熔前，氩气流速为600L/min，保持30min至结晶器内基本无残留氧(放入燃烧的棉绳，若熄灭，则物残留氧，反之则还有残留氧)；随后调整氩气流速为200L/min，直至重熔结束；

准备渣料：渣料各自组分的重量百分含量：CaF₂：65％；CaO：12％；Al₂O₃：15％；MgO：8％。渣料各组元纯度＞98.5％，不稳定氧化物杂质氧化锰、氧化亚铁、二氧化硅总含量小于0.5％，粒度小于50目，渣料称重320kg，在800℃烘烤10h。

引弧化渣：将8kg的镍基合金690屑摆放于启动板中心，并把320kg混合均匀且烘烤好的渣料分批分阶段加入结晶器内：通入氩气，电极引弧开始重熔。

渣料在电渣重熔过程中分阶段加入：引弧开始前，加入渣量总重量的30％；引弧成功后，从第10分钟开始，逐步加入渣料，加入量为渣量总重量的70％×50％；第40分钟，逐步加入渣料，加入量为渣量总重量的70％×50％×60％；第60分钟，将剩余渣料全部加入结晶器。

稳态熔化期：熔化期电压、电流(见表1)应保证重熔过程和速率的稳定。控制熔化速率为14.6kg/min，结晶器冷却水入水温度在18℃，出水温度在26℃。

补缩期：补缩在重熔结束前50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，令其未端自行熔化，直到电极露出渣面并发生电弧时停电；

开启结晶器中的循环冷水冷却2h，得到电渣锭。从结晶器中取出电渣锭，移至铁皮罩内，用沙堆封罩口，缓冷6h后出罩。

重熔时，开启底水箱进、出水口，用冷水循环为其降温；设置在底水箱顶部的铜板也可以将热量迅速传递到大气中，起到给水箱降温的作用。

表1重熔过程配电参数随电渣锭重量的变化趋势

自熔电极重量(kg)	1000	2000	4000	6000	8000	9000
							电流(A)	16000	16400	16200	16000	16000	16000
电压(V)	74	78	77	78	78	72

实施例2

与实施例1的不同之处在于：

所用渣料各自组分的重量百分含量：CaF₂：70％；CaO：8％；Al₂O₃：12％；MgO：10％。渣量称重330kg。

启动板的厚度40mm。

向结晶器内部吹入氩气时，重熔前，氩气流速为750L/min，保持35min至结晶器内基本无残留氧；随后可调整氩气流速为260L/min，直至重熔结束。

控制稳态熔化速率为15.2kg/min，结晶器冷却水入水温度在20℃，出水温度在30℃。

重熔后合金的化学成分分析数据及夹杂物含量如表3所示。

实施例3

与实施例1的不同之处在于：

所用渣料各组分的重量百分含量为：CaF₂：75％；CaO：10％；Al₂O₃：10％；MgO：5％。

启动板的厚度40mm。

向结晶器内部吹入氩气时，开始正常重熔前，氩气流速为800L/min，保持40min至结晶器内基本无残留氧；随后可调整氩气流速为300L/min，直至重熔结束。

控制稳态熔化速率为15.5kg/min。

重熔后合金的化学成分分析数据及夹杂物含量如表2所示。由表3数据可知，采用此法电渣重熔后690合金的杂质元素控制在较低水平，达到了提纯的目的。

表2不同渣系电渣重熔的690合金部分元素成分(wt％)及夹杂物

本实施例所得电渣重熔后690合金样品按国标GB/T14999.2规定，经酸蚀后观察，未发现裂纹、缩孔、气泡、夹渣、白点等低倍缺陷。

本实施例所得电渣重熔后690合金产品，制样后进行力学性能测试，其结果如表3所述，其金相组织如图5～图8所示。

表3力学性能

Claims (7)

1.一种大尺寸、超纯净、高性能镍基合金690的电渣重熔方法，其特征在于，用电渣重熔装置进行电渣重熔，该装置包括自熔电极、结晶器、铜板和底水箱，所述自熔电极采用4根同外径、同长度铸锭作为电极棒，再将电极棒两两并排连接，电极棒的顶端连接有假电极棒；铜板放置在底水箱的顶部，铜板上铺设碳粉层，碳粉层外侧设置有石棉层，导电板平放在碳层上，通气圈放置在结晶器的顶端，通气圈的内壁设置有若个向其圆心延伸的并与通气圈连通的支管，通气圈的外壁上设置有进气管；结晶器的底端与石棉层接触；自熔电极放置在结晶器中并位于导电板的上方；

采用电渣重熔装置进行电渣重熔的方法，有以下步骤：

1)将自熔电极放在结晶器中心线上并位于导电板的上方；

2)引弧化渣：将合金屑放置在导电板中心，再将部分混合均匀的渣料放置在导电板及合金屑上，通入氩气，电极引弧开始重熔；渣料在电渣重熔过程中分阶段加入；

3)稳态熔化期：重熔电压60～80V，电流14000～17000A；重熔熔化速率为14.0～16.0kg/小时，结晶器冷却水入水温度在15～20℃，出水温度在25～30℃；

4)补缩期：在重熔结束前50～60分钟进行补缩，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，令其未端自行熔化，直到电极露出渣面并产生电弧时停电；

5)开启结晶器中的循环冷水冷却2h，得到电渣锭，取出，移至铁皮罩内，封罩口，缓冷6h。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：重熔前，渣料和自熔电极放进结晶器前需要在800℃烘烤10～14h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：碳粉层的面积与导电板面积相同。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)所述通入氩气重熔前氩气流速为600～800L/min，保持30～40min至结晶器；随后调整氩气流速为200～300L/min，至重熔结束。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)所述渣料各组分的重量百分含量为：CaF₂：55～80％；CaO：5～20％；Al₂O₃：5～15％；MgO：5～10％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)所述渣料各组元纯度＞98.5％，不稳定氧化物杂质氧化锰、氧化亚铁、二氧化硅总含量小于0.5％，粒度小于50目。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)所述渣料分阶段加入为引弧开始前，加入渣料总重量的30～40％；引弧成功后的10～35分钟内逐步加入剩余渣料的40～50％；第40～55分钟，逐步加入剩余渣料的50～60％；第60～75分钟，将剩余渣料完全加入到结晶器。