CN106801146B - 一种电渣重熔制备镍基高温合金空心钢锭的方法 - Google Patents
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Abstract
一种电渣重熔制备镍基高温合金空心钢锭的方法，属于冶金技术领域。其特征是设备中采用了单电源双回路供电、T型导电结晶器和内结晶器，制备方法包括：准备自耗电极组，制取成分合适的渣系，经烘烤和熔化后浇入由T型导电结晶器和内结晶器形成的空腔内，同时先开启导电回路Ⅱ的电源，在开启导电回路Ⅰ的电源，将自耗电极组插入熔渣中进行熔炼、抽锭，自耗电极组剩余较少时及时更换，直至冶炼结束。该方法可制造出成分均匀、内外表面质量良好的镍基高温合金空心钢锭。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种单电源双回路电渣重熔制备镍基高温合金空心钢锭的方法。
背景技术
随着我国石油化工、航空发动机和700℃先进超超临界高压锅炉产业的发展，对各种合金管材的高温强度、抗蠕变断裂及耐蚀性能的要求越来越高。传统的奥氏体耐热钢等材料已无法满足实际生产需求而镍基高温合金是制作上述合金管材的理想材料。镍基高温合金是指镍含量一般大于50％、在650～1000℃范围内具有较高强度和良好的耐高温、耐氧化和耐腐蚀性能的高温合金。
传统的合金管材的生产以实心钢锭为原料，经锻造、冲孔、扩孔、拔长等多道工序制成。由于镍基高温合金具有较高的热变形抗力和较差的热塑性，在多次的镦粗和冲孔过程中容易出现开裂的现象，因此严重影响此类管材的生产效率。此外，这种工艺工序长，材料利用率低，经过多次加热和锻造成本大幅提高。中国发明专利(申请号：201010538461.6)公开了一种以离心铸造技术制备的空心钢锭为原料，经热挤压和冷轧或冷拔工艺制造镍基高温合金管材的方法。但是离心铸造制备的空心钢锭存在气孔、夹杂、缩孔等缺陷，且不能制备合金元素比重差异较大的材料铸锭。因此，该方法具有较大的局限性。
发明内容
针对目前镍基高温合金管材生产工艺中的缺点和以空心钢锭为原料生产镍基高温合金管材的优势，本发明提供一种单电源双回路导电结晶器电渣重熔镍基高温合金空心钢锭的方法。该方法采用单电源双回路供电方式和T型导电结晶器，允许更大直径的自耗电极和交换电极工艺的采用，并调整渣系的成分和配比，抑制易氧化元素的烧损。选用合适的工艺参数后，可制备成分均匀、内外表面质量良好的镍基高温合金空心钢锭。
本项发明公开了一种电渣重熔制备镍基高温合金空心钢锭设备，其特征是设备中采用了单电源双回路供电、T型导电结晶器和内结晶器，其具体结构如附图1和图2所示：由附图可见，该设备设主要由电源1、电抗器2、底水箱3、下结晶器4、绝缘体5、导电结晶器6、横梁7、右侧自耗电极组8、左侧自耗电极组9、内结晶器10、渣池11、中结晶器12、金属熔池13、空心钢锭14、开关K1和开关K2组成；其中由电源1→开关K1→电抗器2→两个并联自耗电极8和9→渣池11→空心钢锭14→底水箱3→电源1依次串联构成导电回路Ⅰ；由电源1→开关K2→导电结晶器6→渣池11→空心钢锭14→底水箱3→电源1依次串联构成导电回路Ⅱ；T型导电结晶器分为三段，其中上段为导电结晶器6，中段为中结晶器12，中结晶器12属于过渡段，下段为下结晶器4，T型导电结晶器的上、中、下三段合在一起呈上大下小的漏斗形结构，其中上、下两段均为直筒形，中间过渡段为圆台形，下结晶器4用于钢液凝固成型，T型导电结晶器的上、中、下三段之间均有绝缘体5将其各自分开，内结晶器10为圆柱形，其上表面固定在横梁7中间位置，且位于圆形T型导电结晶器的中线同轴，横梁7的两端被固定在T型导电结晶器的上法兰上，横梁7两侧对称空间供右侧自耗电极组8和左侧自耗电极组9穿过，每个自耗电极组有4～5支规格相同的自耗电极；
上述设备中的内结晶器10外径Φ＝400～500mm，T型导电结晶器的下结晶器4内径Φ＝200～900mm，内结晶器10外径尺寸和T型导电结晶器的下结晶器4内径尺寸统称为内外结晶器的成型段尺寸，每支自耗电极直径Φ＝160～200mm。
本项发明公开了一种电渣重熔制备镍基高温合金空心钢锭的方法，该种方法采用如上所述的设备，按如下步骤进行实施：
(1)首先，准备由镍基高温合金制得的多个自耗电极组，分为右侧自耗电极组8和左侧自耗电极组9，两排电极组左右对称，使用时要能够顺利从横梁7两侧的对称空间插入渣池11中；
(2)制作预熔渣料，按照CaF2：42±3％、Al2O3：20±2％、CaO：30±2％、MgO：2.0±1.0％、TiO2：4.0±1.0％、SiO2：2.0±1.0％的比例混合后并搅拌均匀，在电弧炉内熔化，并在1550～1580℃下精炼至少30分钟，然后浇铸在铸铁盘内冷却，并采用破碎机破碎筛分出1～10mm的部分，装袋后以供电渣炉使用；
(3)将制备好的预熔渣料称重后放入电阻炉中，在600～700℃烘烤4小时，去除水分；
(4)将经烘烤过的预熔渣料置于化渣炉中，插入石墨电极进行化渣，把预熔渣料熔清后将液态熔渣浇入到由内结晶器10和T型导电结晶器的之间形成的空腔内，并闭合开关K2，构成由电源1→开关K2→导电结晶器6→渣池11→底水箱3→电源1依次串联构成导电回路Ⅱ；
(5)将由镍基高温合金制得的右侧自耗电极组8和左侧自耗电极组9分别插入渣池11中，闭合开关K1，构成由电源1→开关K1→电抗器2→两个并联的自耗电极组8和9→渣池11→空心钢锭14→底水箱3→电源1依次串联形成的导电回路Ⅰ，设定合适的电流和电压，进行电渣重熔镍基高温合金空心钢锭的熔炼；
(6)当熔化的液态金属在结晶器中达到合适高度时，开始按照一定的抽锭速度进行抽锭；
(7)当右侧自耗电极组8和左侧自耗电极组9的剩余高度在50～80mm时，开始交换电极组操作。将旧自耗电极组抬离渣面，更换成新的右侧自耗电极组8或左侧自耗电极组9，重复步骤(5)～(7)，直至冶炼完成。
上述方法中的具体工艺参数为：预熔渣量要保证结晶器内渣池高度为200～280mm；电渣炉导电回路Ⅰ的正常熔炼电压为60～75V，电流为15～25KA；导电回路Ⅱ的电流，通过调节电抗器使电流控制在8～10KA范围内；熔化速率为600～950kg/h；抽锭速度为3～10mm/min。
单电源双回路导电结晶器电渣重熔镍基高温合金空心钢锭采用的是抽锭工艺，所以渣系中添加适量的SiO2。SiO2作为酸性氧化物能形成复杂阴离子团，可以抑制熔渣在冷却过程中矿相的析出，提高熔渣的黏度稳定性，使熔渣具有长渣性质；此外，为了抑制镍基高温合金中Al、Ti等易氧化元素的烧损，渣系中添加较高量的CaO，使二元碱度CaO/SiO2≥15，降低SiO2的活度，同时还添加了适量的TiO2。
上述方法中，单电源双回路导电结晶器电渣重熔镍基高温合金空心钢锭过程使用单电源双回路供电方式。其供电具有的优势是：(1)在正常熔炼时，可通过电抗器进行电流分配，导电回路Ⅰ控制电极熔化速度，导电回路Ⅱ控制表面质量，进而保证镍基合金在低熔速下获得良好的内部和外部质量；(2)在交换电极时，经过自耗电极的电流的回路断开，仍有另一个回路为渣池供电，避免渣池温度大幅降低，保证电极交换时结合处的内部质量和表面质量。
本项发明的优点在于：
(1)节约制造成本。以空心钢锭为原料，直接进行镍基高温合金管材的生产，省去镦粗和冲孔两道工序，具有缩短工艺流程，减少锻造火次，提高金属成材率，节约成本等优点。据统计，使用空心钢锭直接生产筒形大锻件可节约材料费30％、加热费50％、锻造费30％。
(2)提高产品质量。电渣重熔镍基高温合金空心钢锭过程中，液态金属在内外水冷结晶器中同时冷却，可显著提高铸锭的冷却强度，抑制宏观偏析的产生和脆性相的析出，改善合金铸态组织的热加工性和耐腐蚀性能。同时，电渣重熔产品还具有组织致密、成分均匀、洁净度高、定向凝固等优点。
(3)工艺技术先进。采用单电源双回路导电结晶器进行电渣重熔镍基高温合金空心钢锭的制造工艺，可通过调节电抗器，控制电流分配，进而控制电极熔化速度，能够在较低熔速的情况下，使得金属熔池形状浅平，凝固前沿局部凝固时间短，有利于减轻易偏析元素的偏析程度；同时由于电流可以从结晶器壁通过，又保证了结晶器壁上的渣皮有足够的熔化量，从而获得薄而均匀的渣皮。同时保证镍基合金空心钢锭内部质量和外部质量。
本发明的单电源双回路导电结晶器电渣重熔镍基高温合金空心钢锭的方法，可为镍基高温合金管材的生产提供空心钢锭原料，直接用于后续的锻造工艺。不仅可以缩短工序，提高金属收得率，节约成本，还能改善合金铸态组织的热加工性和耐腐蚀性能，提高镍基高温合金管材的质量。
附图说明
图1是本发明实施例中的单电源双回路导电结晶器电渣重熔制备镍基高温合金空心钢锭的设备的俯视示意图；
图2是沿图1中的线A-A截取的剖视示意图，在图中：1为电源、2为电抗器、3为底水箱、4为下结晶器、5为绝缘体、6为导电结晶器、7为横梁、8为右侧自耗电极组、9为左侧自耗电极组、10为内结晶器、11为渣池、12为中结晶器、13为金属熔池、14为空心钢锭，K1和K2为开关。
具体实施方式
实施例1
利用如前所述的单电源双回路导电结晶器电渣重熔镍基高温合金空心钢锭设备，采取如下方法制备Inconel740H镍基高温合金空心钢锭，具体步骤如下：
(1)首先是准备多个Inconel740H镍基高温合金自耗电极组，每支自耗电极用量为370kg，分为右侧自耗电极组8和左侧自耗电极组9，两排电极组左右对称；
(2)制取预熔渣料，按照CaF2：41％、Al2O3：20％、CaO：30％、MgO：2.0％、TiO2：5.0％、SiO2：2.0％的比例混合后并搅拌均匀，在电弧炉内熔化，并在1560～1580℃下精炼40分钟，然后浇铸在铸铁盘内冷却，并采用破碎机破碎筛分出1～10mm的部分，装袋后以供电渣炉使用；
(3)将预熔的渣料称重后放入电阻炉中，在650℃烘烤4小时，去除水分；
(4)将烘烤后的渣料置于化渣炉中，插入石墨电极进行化渣，把渣料熔清后将液态熔渣浇入到由内结晶器10和T型导电结晶器的之间形成的空腔内，并闭合开关K2，构成由电源1→开关K2→导电结晶器6→渣池11→底水箱3→电源1依次串联构成导电回路Ⅱ；
(5)将由镍基高温合金制得的右侧自耗电极组8和左侧自耗电极组9插入渣池11中，闭合开关K1，构成由电源1→开关K1→电抗器2→两个并联自耗电极组8和9→渣池11→空心钢锭14→底水箱3→电源1依次串联形成的成导电回路Ⅰ，设定合适的电流和电压，进行电渣重熔镍基高温合金空心钢锭的熔炼过程；
(6)当熔化的液态金属在结晶器中达到合适高度时，开始按照一定的抽锭速度进行抽锭；
(7)当自耗电极的剩余高度在50～80mm时，开始交换电极操作。将旧自耗电极抬离渣面，重复步骤(5)～(7)，直至冶炼完成。
结晶器尺寸和具体的工艺参数如下：内外结晶器的成型段尺寸为Φ500/Φ900mm，自耗电极尺寸为Φ160mm，10支(每组5支)；预熔渣量要保证结晶器内渣池高度为260～280mm，本实施例用量为370kg；电渣炉导电回路Ⅰ的正常熔炼电压为65～70V，电流为18～20KA；导电回路Ⅱ的电流，通过调节电抗器使电流控制在8～10KA范围内；熔化速率为800～950kg/h；抽锭速度为5～6mm/min。
采用单电源双回路导电结晶器电渣重熔镍基高温合金空心钢锭的方法制备的Inconel740H镍基高温合金空心钢锭，内外表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷。对空心钢锭的头、中、尾取样进行成分分析，发现头、中、尾成分均匀，且均在目标范围内，成分合格。
实施例2
利用如前所述的单电源双回路导电结晶器电渣重熔镍基高温合金空心钢锭设备，采用如下方法制备Inconel617B镍基高温合金空心钢锭，具体步骤如下：
(1)首先是准备多个Inconel617B镍基高温合自耗电极组，每个电极组右侧自耗电极组8和左侧自耗电极组9两部分组成，以便能通过固定内结晶器的横梁；
(2)预熔渣料，按照CaF2：41％、Al2O3：20％、CaO：30％、MgO：2.0％、TiO2：5.0％、SiO2：2.0％的比例混合后并搅拌均匀，在电弧炉内熔化，并在1550～1580℃下精炼50分钟，然后浇铸在铸铁盘内冷却，并采用破碎机破碎筛分出1～10mm的部分，装袋后以供电渣炉使用；
(3)将预熔的渣料称重后放入电阻炉中，在700℃烘烤4小时，去除水分；
(4)将烘烤后的渣料置于化渣炉中，插入石墨电极进行化渣，把渣料熔清后将液态熔渣浇入到由内结晶器10和T型导电结晶器的之间形成的空腔内，并闭合开关K2，构成由电源1→开关K2→导电结晶器6→渣池11→底水箱3→电源1依次串联构成导电回路Ⅱ；
(5)将由镍基高温合金制得的右侧自耗电极组8和左侧自耗电极组9插入渣池11中，闭合开关K1，构成由电源1→开关K1→电抗器2→两个并联自耗电极组8和9→渣池11→空心钢锭14→底水箱3→电源1依次串联形成的成导电回路Ⅰ，设定合适的电流和电压，进行电渣重熔镍基高温合金空心钢锭的熔炼过程；
(6)当熔化的液态金属在结晶器中达到合适高度时，开始按照一定的抽锭速度进行抽锭；
(7)当自耗电极的剩余高度在50～80mm时，开始交换电极操作。将旧自耗电极抬离渣面，重复步骤(5)～(7)，直至冶炼完成。
结晶器尺寸和具体的工艺参数如下：内外结晶器的成型段尺寸为Φ450/Φ650mm，自耗电极尺寸为Φ＝160mm，8支(每组4支)；预熔渣量要保证结晶器内渣池高度为260～280mm，本实施例用量为300kg；电渣炉导电回路Ⅰ的正常熔炼电压为63～68V，电流为15～18KA；导电回路Ⅱ的电流，通过调节电抗器将电流控制在8～10KA范围内；熔化速率为600～700kg/h；抽锭速度为8～10mm/min。
采用单电源双回路导电结晶器电渣重熔镍基高温合金空心钢锭的方法制备的Inconel617B镍基高温合金空心钢锭，内外表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷。对空心钢锭的头、中、尾取样进行成分分析，发现头、中、尾成分均匀，且均在目标范围内，成分合格。
实施例3
利用如前所述的单电源双回路导电结晶器电渣重熔镍基高温合金空心钢锭设备，采用如下方法制备GH984G镍基高温合金空心钢锭，具体步骤如下：
(1)首先是准备多个GH984G镍基高温合金自耗电极组，每个电极组有左右对称的两部分组成，以便能通过固定内结晶器的横梁；
(2)预熔渣料，按照CaF2：41％、Al2O3：20％、CaO：30％、MgO：2.0％、TiO2：5.0％、SiO2：2.0％的比例混合后并搅拌均匀，在电弧炉内熔化，并在1550～1580℃下精炼45分钟，然后浇铸在铸铁盘内冷却，并采用破碎机破碎筛分出1～10mm的部分，装袋后以供电渣炉使用；
(3)将预熔的渣料称重后放入电阻炉中，在680℃烘烤4小时，去除水分；
(4)将烘烤后的渣料置于化渣炉中，插入石墨电极进行化渣，把渣料熔清后将液态熔渣浇入到由内结晶器10和T型导电结晶器的之间形成的空腔内，并闭合开关K2，构成由电源1→开关K2→导电结晶器6→渣池11→底水箱3→电源1依次串联构成导电回路Ⅱ；
(5)将由镍基高温合金制得的右侧自耗电极组8和左侧自耗电极组9插入渣池11中，闭合开关K1，构成由电源1→开关K1→电抗器2→两个并联自耗电极组8和9→渣池11→空心钢锭14→底水箱3→电源1依次串联形成的成导电回路Ⅰ，设定合适的电流和电压，进行电渣重熔镍基高温合金空心钢锭的熔炼过程；
(6)当熔化的液态金属在结晶器中达到合适高度时，开始按照一定的抽锭速度进行抽锭；
(7)当自耗电极的剩余高度在50～80mm时，开始交换电极操作。将旧自耗电极抬离渣面，重复步骤(5)～(7)，直至冶炼完成。
结晶器尺寸和具体的工艺参数如下：内外结晶器的成型段尺寸为Φ200/Φ900mm，自耗电极尺寸为Φ160mm，10支(每组5支)；预熔渣量要保证结晶器内渣池高度为206～280mm，本实施例用量为500kg；电渣炉导电回路Ⅰ的正常熔炼电压为68～71V，电流为22～25KA；导电回路Ⅱ的电流，通过调节电抗器将电流控制在8～10KA范围内；熔化速率为750～850kg/h；抽锭速度为3～5mm/min。
采用单电源双回路导电结晶器电渣重熔镍基高温合金空心钢锭的方法制备的GH984G镍基高温合金空心钢锭，内外表面质量良好，无明显渣沟、结瘤等缺陷。对空心钢锭的头、中、尾取样进行成分分析，发现头、中、尾成分均匀，且均在目标范围内，成分合格。
Claims (3)
1.一种电渣重熔制备镍基高温合金空心钢锭的方法，其特征在于，所述方法包括：
(a)首先是准备由镍基高温合金制得的多个自耗电极组，分为右侧自耗电极组(8)和左侧自耗电极组(9)，两排电极组左右对称，使用时要能够顺利从横梁(7)两侧的对称空间插入渣池(11)中；
(b)制作预熔渣料，按照CaF2：42±3％、Al2O3：20±2％、CaO：30±2％、MgO：2.0±1.0％、TiO2：4.0±1.0％、SiO2：2％、二元碱度CaO/SiO2≥15的比例混合后并搅拌均匀，在电弧炉内熔化，并在1550～1580℃下精炼至少30分钟，然后浇铸在铸铁盘内冷却，并采用破碎机破碎筛分出粒径1～10mm的部分，装袋后以供电渣炉使用；
(c)将制备好的预熔渣料称重后放入电阻炉中，在600～700℃烘烤4小时，去除水分；
(d)将经烘烤过的预熔渣料置于化渣炉中，插入石墨电极进行化渣，把预熔渣料熔清后将液态熔渣浇入到由内结晶器(10)和T型导电结晶器的之间形成的空腔内，并闭合开关K2，构成由电源(1)、开关K2、导电结晶器(6)、渣池(11)、底水箱(3)、电源(1)依次串联构成第二导电回路；
(e)将由镍基高温合金制得的右侧自耗电极组(8)和左侧自耗电极组(9)分别插入渣池(11)中，闭合开关K1，构成由电源(1)、开关K1、电抗器(2)、两个并联的自耗电极组(8)和(9)、渣池(11)、空心钢锭(14)、底水箱(3)、电源(1)依次串联形成的第一导电回路，设定预定的电流和电压，进行电渣重熔镍基高温合金空心钢锭的熔炼；
(f)当熔化的液态金属在结晶器中达到预定高度时，开始按照预定的抽锭速度进行抽锭；
(g)当右侧自耗电极组(8)和左侧自耗电极组(9)的剩余高度在50～80mm时，开始交换电极组操作，将旧自耗电极组抬离渣面，更换成新的右侧自耗电极组(8)或左侧自耗电极组(9)，重复步骤(e)～(g)，直至冶炼完成；
其中，所述的方法采用如下的设备实现：
所述设备中采用了单电源双回路供电、T型导电结晶器和内结晶器，所述设备主要由电源(1)、电抗器(2)、底水箱(3)、下结晶器(4)、绝缘体(5)、导电结晶器(6)、横梁(7)、右侧自耗电极组(8)、左侧自耗电极组(9)、内结晶器(10)、渣池(11)、中结晶器(12)、金属熔池(13)、空心钢锭(14)、开关K1和开关K2组成，
其中，由电源(1)、开关K1、电抗器(2)、两个并联自耗电极(8)和(9)、渣池(11)、空心钢锭(14)、底水箱(3)、电源(1)依次串联构成第一导电回路；由电源(1)、开关K2、导电结晶器(6)、渣池(11)、空心钢锭(14)、底水箱(3)、电源(1)依次串联构成第二导电回路；T型导电结晶器分为三段，其中上段为导电结晶器(6)，中段为中结晶器(12)，中结晶器(12)为过渡段，下段为下结晶器(4)，T型导电结晶器的上、中、下三段合在一起呈上大下小的漏斗形结构，其中上、下两段均为直筒形，中间过渡段为圆台形，下结晶器(4)用于钢液凝固成型，T型导电结晶器的上、中、下三段之间均有绝缘体(5)将其各自分开，内结晶器(10)为圆柱形，内结晶器(10)的上表面固定在横梁(7)中间位置且位于圆形T型导电结晶器的中线同轴，横梁(7)的两端被固定在T型导电结晶器的上法兰上，横梁(7)两侧对称空间供右侧自耗电极组(8)和左侧自耗电极组(9)穿过，每个自耗电极组有4～5根规格相同的自耗电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中的具体工艺参数为：预熔渣量要保证结晶器内渣池高度为200～280mm；电渣炉第一导电回路的正常熔炼电压为60～75V，电流为15～25kA；第二导电回路的电流，通过调节电抗器使电流控制在8～10kA范围内；熔化速率为600～950kg/h；抽锭速度为3～10mm/min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设备中内结晶器(10)的外径Φ＝200～500mm，T型导电结晶器的下结晶器(4)的内径Φ＝200～900mm，每根自耗电极的直径Φ＝160～200mm。
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