CN105537548B - 一种复合交流电磁场下连续铸造镍基耐腐蚀合金的方法 - Google Patents

一种复合交流电磁场下连续铸造镍基耐腐蚀合金的方法 Download PDF

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Abstract

一种复合交流电磁场下连续铸造镍基耐腐蚀合金的方法，工艺步骤为：（1）将高频交流电磁场装置置于立式连铸机的结晶器附近，低频电磁搅拌器置于振动系统下方，靠近二冷区喷淋系统，将引锭杆升到结晶器的下端部位，并开启结晶器冷凝水和高频交流电磁场装置；（2）将精炼的镍基耐腐蚀合金液浇入结晶器中，保持金属熔体液面与高频交流电磁线圈的上沿齐平，开启振动系统，同时开启二冷区喷淋系统和低频电磁搅拌器；（3）开启铸造机，引锭杆向下运动，保持拉坯速度在0.4~1.5m/min；（4）待铸坯达到要求尺寸，截取出镍基耐腐蚀合金铸坯，开始下一批次铸坯的铸造。本发明方法制备的镍基耐腐蚀合金连铸坯，表面质量和内部质量均得到大幅度提高。

Description

一种复合交流电磁场下连续铸造镍基耐腐蚀合金的方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种复合交流电磁场下连续铸造镍基耐腐蚀合金的方法。
背景技术
镍基耐腐蚀合金是一种重要的耐腐蚀材料，与一般不锈钢、其它耐腐蚀金属和非金属材料相比，它们在各种腐蚀环境（包括电化学腐蚀和化学腐蚀）中，具有耐各种形式的腐蚀破坏（包括全面腐蚀、局部腐蚀以及应力腐蚀等）的能力，并且兼有很好的力学性能及加工性能，其综合耐腐蚀性能远比不锈钢和其它耐腐蚀金属材料优良，尤其适用于现代工业技术下苛刻的介质环境。目前，镍基耐腐蚀合金因其优异的抗腐蚀性能和卓越的机械性能而广泛地应用在石油和天然气等强腐蚀服役环境中。
随着我国国民经济持续高速发展，电力、石油、化工以及其他民用工业对高温耐腐蚀合金的需求不断提高，对镍基耐腐蚀合金的需求不断扩大，原有的生产工艺和技术已经无法满足日益扩大的市场需求。在过去镍基耐腐蚀合金的冶炼工艺大多采用传统的双联工艺或三联工艺，然而这种传统的模铸工艺存在着高能耗和低成材率等缺点，而且生产出的合金锭具有严重的偏析和晶粒粗大等问题。为了消除偏析的危害，后续还要经过漫长的热处理等工序，不但消耗大量能源而且也增加生产周期，从而造成了资源上和时间上的浪费。为了解决传统冶炼工艺上的弊端同时也为了满足镍基耐腐蚀合金产量和产品尺寸上的要求，国内外的研究者们争先研发镍基耐腐蚀合金的连铸技术。
根据文献（Effect of crystallization behavior of mold flux on slabsurface quality of a Ti-bearing Fe–Cr–Ni super alloy cast by means ofcontinuous casting process. Materials Science and Engineering A, 2005, 121–128）的报道，目前日本已经实现了Incoloy800和Incoloy825等镍基耐腐蚀合金的立式连铸+热轧成材的工业化生产，成材率显著提高，同时生产成本也明显降低，在国际的竞争市场中处于领先地位。近几年国内的宝钢自行研发出了一种镍基耐腐蚀合金立式连铸制造方法，专利公开号为CN102899582A的中国专利，在这方面取得了突破性的进展。此专利利用立式连铸的方法成功实现了镍基耐腐蚀合金的连续铸造，但是，该专利仅涉及镍基耐腐蚀合金连铸坯的合金配比，和后续热处理工艺等常规的连铸工艺，并未解决实际生产中连铸坯所产生的质量缺陷问题。无论是日本还是宝钢的镍金耐腐蚀合金连铸技术均没有涉及施加电磁场的方法来解决镍基耐腐蚀合金连铸坯表面质量问题。因为镍基耐腐蚀合金本身的特性，在实际的连铸过程中还是存在许多问题。例如，由于镍基耐腐蚀合金普遍具有较宽的脆性温度区间，如Incoloy800和Incoloy825镍基耐腐蚀合金，其合金元素含量高，高温塑性很差，再加上连铸工艺的冷却强度过大，极易在铸坯表面出现凹陷、表面裂纹和较深的振痕等缺陷，较严重的表面纵裂纹甚至会导致铸坯直接报废。连铸坯振痕、冷隔、结疤、微裂纹等表面缺陷使得连铸坯在进入下道工序前必须进行表面清理，不仅降低产品生产率，而且造成贵金属原料的浪费，大幅增加生产成本。与此同时，由于镍基耐腐蚀合金元素含量高，以及铸坯内部温度和溶质浓度分布的不均匀也会在铸坯内部产生粗大柱状晶或穿晶、疏松、缩孔、中心偏析和内部裂纹等严重的连铸坯内部质量缺陷。因此当前急需一种有效的方法来解决镍基耐腐蚀合金连铸坯表面质量和内部质量问题。
在专利及文献的检索中，发现公开号为CN101199989B的中国专利“异频复合电磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法”，其内容涉及异频复合电磁场连续铸造。但是该专利只适合颗粒增强金属基复合材料的连续铸造，并不适合镍基耐腐蚀合金的连续铸造。具体原因有以下两点：1）该专利所用的电磁场参数不适合于镍基耐腐蚀合金的连续铸造。因为一般颗粒增强金属基复合材料的密度较小，粘稠度也较小，易于电磁场下的搅拌，而镍基耐腐蚀合金密度和粘稠度均很高，因此电磁连铸的相关参数会有很大的差别。2）镍基耐腐蚀合金连铸时不易像该专利中所描述，在结晶器的上方复合材料在熔池中进行电磁搅拌。这是因为镍基耐腐蚀合金对氧含量要求很高，在结晶器上方长时间静置搅拌会严重影响含氧量的控制。3）该专利主要是在金属基体中掺加非金属颗粒，但是所参加非金属颗粒的非导电性会减弱电磁场对熔体的作用，减弱高频电磁场所引起的焦耳热，从而削弱了高频磁场改善连铸坯表面质量的作用。
发明内容
本发明的目的是：针对目前镍基耐腐蚀合金连续铸造存在的铸坯表面裂纹、冷隔、凹坑、严重的振痕和内部组织缺陷的问题，提供一种复合交流电磁场下连续铸造镍基耐腐蚀合金的方法，使其表面质量和内部质量均得到大幅度的提高。
本发明的基本原理是：镍基耐腐蚀合金的表面纵裂纹和凹坑等缺陷是因为合金本身的脆性温度区间较宽，高温塑性较差，在连铸过程中由于结晶器弯月面形成的不均匀初生坯壳，受坯壳凝固收缩时的热应力、机械应力、钢液静压力和保护渣润滑不良等因素影响，在坯壳内部产生拉应力并在坯壳薄弱处形成应力集中，产生表面纵裂纹等缺陷。而镍基耐腐蚀合金的内部缺陷主要有内部裂纹、中心偏析、疏松与缩孔等，内部裂纹主要的形成原因是由于各种应力（包括热应力、机械应力等）作用在脆弱的凝固界面上产生的裂纹成为内部裂纹，同时大多附有严重的偏析存在。疏松和缩孔则一般是由于钢液凝固时柱状晶过于发达及局部柱状枝晶搭桥，使得铸坯中心最后凝固部分集中收缩而得不到钢液补充所致。这些缺陷也和铸坯内部冷却温度分布不均有很大关系。为了解决这些难题，本发明在镍基耐腐蚀合金的连续铸造过程中在结晶器处施加高频交流电磁场的同时在二冷区施加电磁搅拌，最终不但提高了连铸坯的表面质量，而且也能够抑制粗大柱状晶组织，增加等轴晶比例，同时防止铸坯内部中心偏析、疏松和缩孔等缺陷的产生，从而提高了铸坯内部质量，得到质量优异的镍基耐腐蚀合金连铸坯。
其中在结晶器弯月面附近施加高频交流电磁场的作用机理和功能：通过在感应线圈中通入交流电，在线圈周围产生交变磁场，交变磁场作用于结晶器内的金属液产生感生电流，感生电流与感应线圈产生的高频磁场相互作用，主体产生垂直于铸坯表面指向液芯的电磁力和一部分起旋转作用的电磁力，与此同时还在金属液内产生大量的焦耳热，提高镍基耐腐蚀合金液的温度。一方面，指向液芯的电磁压力作用于弯月面处的金属液，减轻了初始凝固坯壳和结晶器壁之间的接触压力，有利于保护渣液更加顺畅地渗流到初始凝固坯壳与结晶器之间，从而改善其界面传热条件和润滑条件。另一方面，高频磁场产生的大量焦耳热使得熔点比碳钢低很多的镍基耐腐蚀合金的初始凝固点更加显著地下移。以上两方面的作用，有利于减轻连铸表面振痕、冷隔、表面微裂纹和皮下质量等缺陷，达到提高镍基耐腐蚀合金连铸坯表面质量的作用。再者，高频交流磁场在金属液内产生的部分起旋转作用的电磁力，对结晶器内的金属液产生搅拌作用，促进结晶器内金属液内部温度和溶质浓度分布的均匀化，有利于抑制粗大柱状晶，提高初始凝固坯壳的均匀，为后续与二冷区电磁搅拌相配合提高镍金耐腐蚀合金连铸坯内部质量提供了有利的前提条件。
二冷区电磁搅拌机理和作用：当频率较低的电磁场以一定的速度切割金属液时，便在金属液内产生频率相同的感生电流，液体金属作为载流导体，在外加电磁场的作用下产生电磁力，该电磁力能够驱动金属液进行有规律的运动。电磁搅拌技术的实质在于借助电磁力的作用强化铸坯液穴中金属液的运动，通过改善铸坯凝固过程中的熔体流动、传热和传质条件来细化晶粒、增加等轴晶率、减轻中心缩孔和偏析、减少夹杂及气孔、从而达到提高铸坯质量的目的。对于合金元素含量高、钢液相对粘稠，易于造成合金元素严重偏析、疏松和缩孔的镍金耐腐蚀合金连铸，在二冷区施加电磁搅拌，接续结晶器弯月面施加高频交流磁场产生的部分电磁搅拌作用，两者相匹配更有利于消除粗大柱状晶，提高等轴晶率，减轻或消除铸坯中心偏析、疏松和缩孔等缺陷，提高镍金耐腐蚀合金连铸坯内部质量。
本发明的技术方案如下：
一种复合交流电磁场下连续铸造镍基耐腐蚀合金的方法，按照以下工艺步骤进行：
（1）先将高频交流电磁场装置置于立式连铸机的结晶器附近，再将低频电磁搅拌器置于振动系统下方，靠近二冷区喷淋系统，然后将引锭杆升到结晶器的下端部位，并开启结晶器冷凝水和高频交流电磁场装置；
（2）将精炼的镍基耐腐蚀合金液浇入结晶器中，保持金属熔体液面与高频交流电磁线圈的上沿齐平，液面浮动范围控制在±10mm，当金属熔体液面稳定时开启振动系统，同时开启二冷区喷淋系统和低频电磁搅拌器；
（3）开启铸造机，引锭杆向下运动，铸造开始，保持拉坯速度在0.4~1.5m/min，控制结晶器冷却水流速在5~60m3/h，二冷水流速在3~20m3/h；
（4）待铸坯达到要求尺寸，截取出镍基耐腐蚀合金铸坯，开始下一批次铸坯的铸造。
上述方法中，所述步骤（1）中高频交流电磁场装置的功率为50~500kW，频率为20~300kHz。
上述方法中，所述步骤（2）中低频电磁搅拌器的电流为100~2500A，频率为3~30Hz。
上述方法中，步骤（2）需要控制好结晶器内金属熔体的液面高度，确保金属熔体液面与高频交流电磁线圈的上沿齐平，使高频交流电磁场充分作用在铸坯表面上，以达到良好的作用效果。
本发明的有益效果为：本发明与现有技术相比，在使用立式连铸机进行镍基耐腐蚀合金连铸的基础上增加了在结晶器上施加高频交流电磁场的同时在二冷水区域施加电磁搅拌的特点，其具体作用在于：1）结晶器上施加高频交流电磁场所产生的电磁力可以抵消金属液与结晶器之间的接触压力，减少了金属液与结晶器之间的摩擦，降低拉坯阻力，减轻了铸坯表面振痕，提高铸坯表面质量。2）根据调查，镍基耐腐蚀合金连铸坯表面的纵裂纹是严重影响铸坯表面质量，严重的甚至会使得整个铸坯报废，而纵裂纹的产生和保护渣的均匀流入有着直接关系。坯壳和结晶器之间的保护渣不均匀流入将会使得凝固初期的凝固坯壳不均匀凝固，在连铸拉坯振动的过程中引起拉伸热应力最终产生纵裂纹。然而高频交流电磁场的施加大大地拓宽了初始凝固坯壳与结晶器之间的保护渣通道，改善了润滑条件让保护渣更加均匀顺畅地流入从而在凝固初期产生均匀的凝固坯壳，防止铸坯表面纵裂纹的产生。3）由于镍基耐腐蚀合金本身属性，具有较宽的脆性温度区间，高温塑性很差，合金很容易产生裂纹，因此在结晶器中需要相对缓和的冷却条件来避免裂纹的产生，而施加高频交流电磁场时，电磁场会在结晶器和铸坯初始凝固壳之间产生焦耳热，改善传热条件，使铸坯表面到内部的温度更加均匀，缓解结晶器内过大的冷却强度从而减小热应力，抑制裂纹的产生。4）二冷区电磁搅拌可以使铸坯内部金属液产生强制对流，打碎粗大的柱状晶枝晶，防止柱状晶搭桥减轻中心疏松和缩孔，同时破碎的枝晶可以成为等轴晶形核核心，促进等轴晶的形成同时细化晶粒。与此同时，电磁搅拌的作用还会减小合金液的温度梯度，加快了合金液温度的散失，使内部温度分布更加均匀，减小热应力抑制了内部裂纹的萌生。5）由于在结晶器弯月面所施加的高频交流磁场会产生部分电磁搅拌作用，与二冷区的电磁搅拌相结合，强化电磁搅拌作用，更有利于减小温度梯度和促进粗大柱状晶组织向细小等轴晶组织的转化。
附图说明
图1为镍基耐腐蚀合金在立式连铸机和复合交流电磁场下的连铸示意图，其中1、侵入式水口，2、高频交流电磁场装置，3、低频电磁搅拌器，4、连铸坯，5、结晶器，6、振动系统，7、二冷区喷淋系统，8、引锭杆。
图2为本发明实施例1制备的镍基耐腐蚀合金Incoloy800H铸坯与无复合交流电磁场作用制备的镍基耐腐蚀合金Incoloy800H铸坯的表面质量对比图，其中(a)为无复合交流电磁场作用下制备得到，(b)为本发明实施例1制备得到。
图3为本发明实施例1制备的镍基耐腐蚀合金Incoloy800H铸坯与无复合交流电磁场作用制备的镍基耐腐蚀合金Incoloy800H铸坯横切面的内部组织对比图，其中(a)为无复合交流电磁场作用下制备得到，(b)为本发明实施例1制备得到。
图4为本发明实施例1制备的镍基耐腐蚀合金Incoloy800H铸坯与无复合交流电磁场作用制备的镍基耐腐蚀合金Incoloy800H铸坯纵切面的内部组织对比图，其中(a)为无复合交流电磁场作用下制备得到，(b)为本发明实施例1制备得到。
具体实施方式
本发明实施采用的是立式连铸机，其结晶器为切缝式结晶器。
本发明实施采用的高频交流电磁场装置为：感应线圈+全固态超音频电源，感应线圈缠绕在切缝式结晶器上。
本发明实施采用的低频电磁搅拌器为以下几种：旋转型电磁搅拌器用于镍基耐腐蚀合金方坯或圆坯制备过程；线性电磁搅拌器用于镍基耐腐蚀合金板坯制备过程。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
一种复合交流电磁场下连续铸造Incoloy800H型镍基耐腐蚀合金方坯的方法，所述Incoloy800H型镍基耐腐蚀合金的化学成分按照质量百分比为：C 0.08%，Si 0.52%，Mn0.80%，P 0.023%，S 0.002%，Cr 20.13%，Ni 30.88%，Ti 0.52%，Al 0.28%，Fe为余量，其在立式连铸机和复合交流电磁场下的连铸示意图如图1所示，按照以下工艺步骤进行：
（1）先将高频交流电磁场装置置于立式连铸机的结晶器附近，再将低频旋转型电磁搅拌器置于振动系统下方，靠近二冷区喷淋系统，然后将引锭杆升到结晶器的下端部位，并开启结晶器冷凝水和高频交流电磁场装置，其中高频交流电磁场装置的功率为70kW，频率为40kHz；
（2）将精炼的镍基耐腐蚀合金液通过水口浇入结晶器中，保持金属熔体液面与高频交流电磁线圈的上沿齐平，液面浮动范围控制在±10mm，当金属熔体液面稳定时开启振动系统，同时开启二冷区喷淋系统和低频旋转型电磁搅拌器，其中低频旋转型电磁搅拌器的电流为400A，频率为5Hz；
（3）开启铸造机，引锭杆向下运动，铸造开始，保持拉坯速度在0.6m/min，控制结晶器冷却水流速在6.4m3/h，二冷水流速在3.5m3/h；
（4）待铸坯达到要求尺寸，截取出镍基耐腐蚀合金铸坯，开始下一批次铸坯的铸造。
图2~4分别给出本实施例制备的镍基耐腐蚀合金Incoloy800H方坯铸坯与无复合交流电磁场作用制备的镍基耐腐蚀合金Incoloy800H方坯铸坯的表面质量、横切面的内部组织和纵切面的内部组织对比图，经过对比可以发现，采用本发明连铸出来的铸坯表面质量和内部质量都得到了明显的改善，铸坯表面光洁无缺陷，并且振痕较小，基本省去了磨皮去皮等繁琐的工序，同时连铸坯的内部组织也非常致密且无缺陷，中心等轴晶比例为42.03%，明显增大，晶粒尺寸为1.28mm，大大减小。
实施例2
一种复合交流电磁场下连续铸造Incoloy800HT型镍基耐腐蚀合金板坯的方法，所述Incoloy800HT型镍基耐腐蚀合金的化学成分按照质量百分比为：C 0.10%，Si 0.52%，Mn1. 0%，P 0.023%，S 0.002%，Cr 23.46%，Ni 34.58%，Ti 0.6%，Al 0.6%，Fe为余量，其在立式连铸机和复合交流电磁场下的连铸示意图如图1所示，按照以下工艺步骤进行：
（1）先将高频交流电磁场装置置于立式连铸机的结晶器附近，再将低频线性电磁搅拌器置于振动系统下方，靠近二冷区喷淋系统，然后将引锭杆升到结晶器的下端部位，并开启结晶器冷凝水和高频交流电磁场装置，其中高频交流电磁场装置的功率为460 kW，频率为 170kHz；
（2）将精炼的镍基耐腐蚀合金液通过水口浇入结晶器中，保持金属熔体液面与高频交流电磁线圈的上沿齐平，液面浮动范围控制在±10mm，当金属熔体液面稳定时开启振动系统，同时开启二冷区喷淋系统和低频线性电磁搅拌器，其中低频线性电磁搅拌器的电流为2000 A，频率为 10Hz；
（3）开启铸造机，引锭杆向下运动，铸造开始，保持拉坯速度在1.2m/min，结晶器冷却水流速保持在56m3/h，二冷水流速保持在18m3/h；
（4）待铸坯达到要求尺寸，截取出镍基耐腐蚀合金铸坯，开始下一批次铸坯的铸造。
本实施例制备的Incoloy800HT型镍基耐腐蚀合金板坯铸坯表面光洁无缺陷，并且振痕较小，基本省去了磨皮去皮等繁琐的工序，同时连铸坯的内部组织也非常致密且无缺陷，中心等轴晶比例为49.75%，晶粒尺寸为1.76mm。
实施例3
一种复合交流电磁场下连续铸造Incoloy825型镍基耐腐蚀合金方坯的方法，所述Incoloy825型镍基耐腐蚀合金的化学成分按照质量百分比为：C 0.016%，Si 0.203%，Mn0.506%，P 0.033%，S 0.017%，Cr 22.5%，Ni 39.1%，Ti 0.709%，Mo 3.51%，Cu 2.15%，Al0.129%，Fe为余量，其在立式连铸机和复合交流电磁场下的连铸示意图如图1所示，按照以下工艺步骤进行：
（1）先将高频交流电磁场装置置于立式连铸机的结晶器附近，再将低频旋转型电磁搅拌器置于振动系统下方，靠近二冷区喷淋系统，然后将引锭杆升到结晶器的下端部位，并开启结晶器冷凝水和高频交流电磁场装置，其中高频交流电磁场装置的功率为156kW，频率为80kHz；
（2）将精炼的镍基耐腐蚀合金液通过水口浇入结晶器中，保持金属熔体液面与高频交流电磁线圈的上沿齐平，液面浮动范围控制在±10mm，当金属熔体液面稳定时开启振动系统，同时开启二冷区喷淋系统和低频旋转型电磁搅拌器，其中低频旋转型电磁搅拌器的电流为450A，频率为8Hz；
（3）开启铸造机，引锭杆向下运动，铸造开始，保持拉坯速度在0.8m/min，结晶器冷却水流速保持在21m3/h，二冷水流速保持在10m3/h；
（4）待铸坯达到要求尺寸，截取出镍基耐腐蚀合金铸坯，开始下一批次铸坯的铸造。
本实施例制备的Incoloy825型镍基耐腐蚀合金板坯铸坯表面光洁无缺陷，并且振痕较小，基本省去了磨皮去皮等繁琐的工序，同时连铸坯的内部组织也非常致密且无缺陷，中心等轴晶比例为55.75%，晶粒尺寸为1.21mm。
表1给出采用本发明制备的镍基耐腐蚀合金铸坯的表面质量和内部质量与现有技术制备的镍基耐腐蚀合金铸坯的对比结果，如下：
表1 对比结果
项目 普通连续铸造 本发明 效果
表面缺陷 有较为严重的表面裂纹，且有较多的冷隔和凹坑 无裂纹、无冷隔和凹坑 表面缺陷基本清除
表面光洁度 差 高 表面光洁度大幅度提高
内部缺陷 有较为严重的疏松和缩孔，同时中心处有裂纹 内部组织致密，无疏松、无缩孔、无裂纹 内部缺陷基本清除
中心等轴晶比例 铸坯横截面中心基本无等轴晶，形成穿晶 41.45~56% 明显扩大了中心等轴晶区域
晶粒尺度 粗大 细小 晶粒等到明显细化

Claims (1)

1.一种复合交流电磁场下连续铸造镍基耐腐蚀合金的方法，其特征在于按照以下工艺步骤进行：
(1)先将高频交流电磁场装置置于立式连铸机的结晶器附近，再将低频电磁搅拌器置于振动系统下方，靠近二冷区喷淋系统，然后将引锭杆升到结晶器的下端部位，并开启结晶器冷凝水和高频交流电磁场装置；其中高频交流电磁场装置的功率为50～500kW，频率为20～300kHz；
(2)将精炼的镍基耐腐蚀合金液浇入结晶器中，保持金属熔体液面与高频交流电磁线圈的上沿齐平，液面浮动范围控制在±10mm，当金属熔体液面稳定时开启振动系统，同时开启二冷区喷淋系统和低频电磁搅拌器；其中低频电磁搅拌器的电流为400～2500A，频率为5～30Hz；
(3)开启铸造机，引锭杆向下运动，铸造开始，保持拉坯速度在0.4～1.5m/min，控制结晶器冷却水流速在5～60m3/h，二冷水流速在3～20m3/h；
(4)待铸坯达到要求尺寸，截取出镍基耐腐蚀合金铸坯，开始下一批次铸坯的铸造。
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