CN113278834A

CN113278834A - 超高n含量高温合金的vim炉冶炼方法

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Publication number: CN113278834A
Application number: CN202110567765.3A
Authority: CN
Inventors: 杨晓利; 王立; 雷应华; 张志成; 李林森; 曹政; 高首磊; 张晓磊
Original assignee: Daye Special Steel Co Ltd
Current assignee: Daye Special Steel Co Ltd
Priority date: 2021-05-24
Filing date: 2021-05-24
Publication date: 2021-08-20
Anticipated expiration: 2041-05-24
Also published as: WO2022218444A1; CN113278834B

Abstract

本发明公开了一种超高N含量高温合金的VIM炉冶炼方法及超高N含量高温合金，所述VIM炉冶炼方法包括在VIM炉中进行的熔炼步骤、和浇注步骤；在所述熔炼的后期，向所述VIM炉中加入含氮物质以调整N含量。本发明通过对原材料和熔炼工艺等的综合改善，提高了VIM炉熔炼过程N元素的收得率、实现该高温合金N元素含量的精准控制，从而可以保证氮元素的目标含量，得到理想的产品。

Description

超高N含量高温合金的VIM炉冶炼方法

技术领域

本发明属于冶金行业高温合金真空熔炼领域，具体涉及一种超高N含量高温合金的VIM炉冶炼方法。

背景技术

超高N含量高温合金是发电厂常用的一种材料，多用来制造锻件、环件等多种产品。受使用环境及对合金纯净度的特殊要求影响，该合金的冶炼要采用VIM炉生产。在VIM炉冶炼超高N含量高温合金过程中，在高真空状态下，氮元素容易随真空系统挥发，无法获得理想的目标值。在VIM的高真空环境下通常无法有效的实现超高含量N元素的控制，从而使得传统的冶炼工艺得到的良品率很低。

发明内容

针对现有技术存在的不足及缺陷，本发明的目的之一在于提供一种超高N含量高温合金的VIM炉冶炼方法(也可说是：一种超高N含量高温合金VIM炉熔炼过程中精准控制N含量的控制方法)。采用该工艺方法可以保证氮元素的目标含量、极大的提高产品的良品率。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种超高N含量高温合金的VIM炉冶炼方法包括在VIM炉中进行的熔炼步骤、和浇注步骤；在所述熔炼的后期，向所述VIM炉中加入含氮物质以调整N含量。其中，所述VIM炉为真空感应熔炼炉。

在上述超高N含量高温合金的VIM炉冶炼方法中，作为一种优选实施方式，所述超高N含量高温合金中N质量百分比为1500-3000ppm，优选为2000-3000ppm，更优选为2700-3000ppm；即所述浇注步骤之后，得到的超高N含量超高温合金中的N含量为1500-3000ppm，优选为2000-3000ppm，更优选为2700-3000ppm。

在上述超高N含量高温合金的VIM炉冶炼方法中，作为一种优选实施方式，所述含氮物质为含氮质量百分比为3％以上的含氮合金；进一步优选为氮化铬铁、氮化锰和氮化铝中的至少一种；优选地，所述含氮物质(比如氮化铬铁)为经过了烘烤处理之后的含氮物质；更优选地，所述烘烤的温度为750-1100℃，时间为≥6小时；相对于通常不对含氮物质(比如氮化铬铁)进行烘烤，本发明创新性地对含氮物质(比如氮化铬铁)进行所述烘烤以排除含氮物质中的气体(其中主要为去除H)、缩小含氮物质与钢液的温度差，避免引起反应剧烈影响N的收得。更优选地，进行所述烘烤的装置和VIM炉位于同一车间。其中，若温度低于750℃时，对去除H的效果不佳，若温度超过1100℃，氮化铬铁中溶解的N会有一部分分解出来。最终会影响N的收得率；且烘烤时间作为优选6小时以上，以可以起到去除H的效果。

在上述超高N含量高温合金的VIM炉冶炼方法中，作为一种优选实施方式，在所述熔炼的后期，加入所述含氮物质(比如氮化铬铁)之前，向所述VIM炉中通入惰性气体，优选地，所述惰性气体为氩气，所述VIM炉内氩气的压强≥10000pa；氩气的压强设置为在设备可承受力的范围内越大越好；若氩气的压强太小，会使得产物合金的N含量达不到要求、及导致含氮物质(比如氮化铬铁)加入后N收得率降低，因为真空感应炉的真空系统是一个动态平衡的过程，部分N会随着真空系统排除炉外，从而需要通过更多的含氮物质(比如氮化铬铁)来补充，造成成本提高或最终成分不合格判废；而充入较高压强的氩气，对钢液面是一个压应力的作用，迫使由含氮物质(比如氮化铬铁)带入钢液中的N排出液面的阻力增加，同时加大的炉内压强也可以减缓炉内系统的动态平衡的进行；优选地，所述惰性气体的通入持续到所述浇注结束。

优选地，所述熔炼包括熔化期和精炼期，所述熔炼的后期是指精炼后期。

在上述超高N含量高温合金在VIM炉中的冶炼方法中，作为一种优选实施方式，从加入所述含氮物质(比如氮化铬铁)到浇注开始之间的时间为不超过15分钟；若加入所述含氮物质(比如氮化铬铁)到浇注开始之间的时间太长会降低合金中N的收得率。

在上述超高N含量高温合金在VIM炉中的冶炼方法中，作为一种优选实施方式，在所述熔炼步骤中，在熔炼前向VIM炉中加入原料时，金属铬的加入量为全部金属铬原料总质量的80-85％；剩余的15-20％所述金属铬根据需要量在熔炼后期通入所述惰性气体之前加入以调整成分。

在上述超高N含量高温合金的VIM炉冶炼方法，本发明所述超高N含量高温合金是以铁、镍为基，能在600℃以上的高温下持续工作的一类金属材料，优选地，在有应力作用下长期工作的一类金属材料。

在上述超高N含量高温合金的VIM炉冶炼方法，作为一种优选实施方式，按照质量百分比，所述超高N含量高温合金的成分组成如下：C：0.02-0.10％；Cr：23.00-27.00％；Ni：35.00-39.00％；W:≤0.50％；Mo：≤1.00％；P：≤0.04％；S：≤0.03％；Mn：≤1.50％；Si：≤1.00％；B：≤0.01％；Nb：0.40-0.90％；Co：≤3.00％；N：0.15-0.30％；Al：≤0.40％；Ti：≤0.20％；Cu：≤0.50％；Fe：余量。

一种超高N含量高温合金，所述超高N含量高温合金为采用上述超高N含量高温合金在VIM炉中的冶炼方法所制备得到。

本发明通过VIM熔炼在高真空状态下获得理想目标N含量的技术原理为：氮化铬铁中固定的氮含量远大于其他合金原料，所以采用氮化铬铁作为该高温合金中N元素的带入介质。但是由于VIM为高真空状态下冶炼，N元素会以自由态的形式随真空系统排除炉外，有效、精准的控制氮含量非常困难。所以本发明通过控制氮化铬铁的加入时机(在精炼后期加入)；控制加入条件(加入氮化铬铁之前冲入高压惰性气体，提升N元素的收得率)；控制加入氮化铬铁到浇注的时间。在保证N元素的收得率的情况下，浇注成锭。得到理想目标值的高温合金产品。

本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

(1)本发明方法简单、易行、有效，无需增加专用装备和工装。

(2)本发明(高温合金，合金比例远高于钢铁)通过对原材料和熔炼工艺等的综合改善，提高了VIM炉熔炼过程N元素的收得率、实现该高温合金N元素含量的精准控制，从而可以保证氮元素的目标含量，得到理想的产品。

(3)本发明有效的解决了N元素在高真空状态下收得率的问题，提高环件等产品的良品率，降低了制造企业的生产成本。

(4)本发明通过对氮化铬铁进行合理的烘烤，可以保证氮元素的收得率，同时减少氮化铬铁中的水分带入H到钢液中。

(5)本发明通过充入10000Pa以上的Ar气，由原来的高真空状态变为高压强状态，使得钢液面处于密集的压应力，可以增强钢液对N的溶解度，进而提高收得。

(6)本发明充氩后，控制加入氮化铬铁到浇注的时间，也保证了N的收得和防止出现因氮化铬铁未全熔而出现异金属夹杂缺陷。

具体实施方式

为了突出表达本发明的目的、技术方案及优点，下面结合实施例对本发明进一步说明，示例通过本发明的解释方式表述而非限制本发明。本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

本发明的氮化铬铁可以是含氮量在3wt％以上的任何牌号的氮化铬铁，下面实施例中以牌号为FeNCr3-A的氮化铬铁为例进行说明。

实施例1本发明实施例1利用公称容量6吨VIM炉冶炼该超高氮含量高温合金，包括以下步骤：

步骤1：氮化铬铁烘烤：在车间中的高温退火炉对氮化铬铁进行烘烤。

其中，所述氮化铬铁烘烤的参数为：N含量(N占氮化铬铁的质量百分比)为5.1％；烘烤(加热)温度：930℃；烘烤时间：8.5小时。

步骤2：熔炼前的装料：Ni、Fe、Nb、Cr等原材料陆续装入VIM炉中；氮化铬铁100％留料，不加；金属铬留料20％，不加。

步骤3：熔炼过程：对原料进行熔炼(包括熔化期和精炼期，熔化期完成的标志为监测全熔温度为1530℃，精炼期的温度为1510℃，时间为130分钟)，其中精炼后期加入所需要的金属铬量以调节成分，之后精炼后期向炉内充入氩气使炉内压强为10000pa的氩气，接着加入氮化铬铁，调整N含量。

步骤4：浇注过程：将熔炼过程得到的钢液进行浇注，其中从氮化铬铁加入至开始浇注(出钢)时间为14分钟。

步骤5：检验：按照标准要求检验铸件成分含量(wt％)，C：0.061％；Cr：25.40％；Ni：37.03％；P：0.006％；S：0.002％；Mn：0.74％；Si：0.470％；B：≤0.01％；Nb：0.63％；N：0.2857％；Al：0.230％；Ti：0.05％；Cu：0.01％；H：0.0001％。

氮收率(即氮收得率：所得产物中氮含量和所用原料中代入氮的含量之比)和良品率分别为76.92％和100％。

实施例2本发明实施案例1利用公称容量6吨VIM炉冶炼该超高氮含量高温合金。包括以下步骤：

其中，所述氮化铬铁烘烤的参数为：N含量为5.1％，烘烤(加热)温度：930℃；所述烘烤时间：8.0小时。

步骤3：熔炼过程：对原料进行熔炼(包括熔化期和精炼期，熔化期完成的标志为监测全熔温度为1533℃，精炼期的温度为1510℃，时间为120130分钟)，其中熔炼过程加入所需要的金属铬量以调节成分，之后精炼后期充入使压强为10000pa的氩气，接着加入氮化铬铁，调整N含量。

步骤4：浇筑过程：将熔炼过程得到的钢液进行浇注，其中，从氮化铬铁加入至开始浇注(出钢)时间为15分钟。

步骤5：检验：按照标准要求检验铸件成分含量(wt％)，C：0.060％；Cr：25.60％；Ni：37.00％；P：0.005％；S：0.001％；Mn：0.76％；Si：0.440％；Nb：0.63％；N：0.2893％；Al：0.250％；Ti：0.04％；Cu：0.01％。H：0.0001％。

氮收率和良品率分别为76.90％和100％。

实施例3

除了氮化铬铁的烘烤温度为800℃，其余皆与实施例1相同。

步骤5：检验：按照标准要求检验铸件成分含量(wt％)，C：0.061％；Cr：25.30％；Ni：37.05％；P：0.005％；S：0.002％；Mn：0.75％；Si：0.500％；B：≤0.01％；Nb：0.65％；N：0.2937％；Al：0.250％；Ti：0.05％；Cu：0.01％；H：0.00015％。

氮收率和良品率分别为76.70％和100％。

实施例4

除了氮化铬铁的烘烤温度为1050℃，其余皆与实施例1相同。

步骤5：检验：按照标准要求检验铸件成分含量(wt％)，C：0.059％；Cr：25.33％；Ni：37.00％；P：0.004％；S：0.001％；Mn：0.70％；Si：0.480％；B：≤0.01％；Nb：0.62％；N：0.2900％；Al：0.250％；Ti：0.04％；Cu：0.01％；H：0.00015％

氮收率和良品率分别为76.80％和100％。

对比例1

除了氮化铬铁的烘烤温度为650℃，其余皆与实施例1相同。

步骤5：检验：按照标准要求检验铸件成分含量(wt％)，C：0.061％；Cr：25.35％；Ni：37.01％；P：0.005％；S：0.001％；Mn：0.72％；Si：0.500％；B：≤0.01％；Nb：0.65％；N：0.2955％；Al：0.250％；Ti：0.05％；Cu：0.01％；H：0.00035％(合金使用过程中H含量越低越好，H过高后在用户使用过程中的持久和疲劳寿命会受到影响)。

氮收率为76.80％。

对比例2

除了氮化铬铁的烘烤温度为1200℃，其余皆与实施例1相同。

步骤5：检验：按照标准要求检验铸件成分含量(wt％)，C：0.060％；Cr：25.30％；Ni：37.05％；P：0.005％；S：0.001％；Mn：0.72％；Si：0.460％；B：≤0.01％；Nb：0.60％；N：0.2890％；Al：0.250％；Ti：0.05％；Cu：0.01％；H：0.00009％。

氮收率为63.34％。

对比例3

除了所通入氩气使炉内的压强为9000Pa，其余皆与实施例1相同。

步骤5：检验：按照标准要求检验铸件成分含量(wt％)，C：0.059％；Cr：25.33％；Ni：37.10％；P：0.005％；S：0.001％；Mn：0.70％；Si：0.510％；B：≤0.01％；Nb：0.66％；N：0.2910％；Al：0.260％；Ti：0.06％；Cu：0.01％；H：0.0001％。

氮收率和良品率分别为74.38％和100％。

对比例4

加入氮化铬铁到出钢之间的时间为17分钟，其余皆与实施例1相同。

按照标准要求检验铸件成分含量(wt％)，C：0.062％；Cr：25.28％；Ni：37.15％；P：0.005％；S：0.001％；Mn：0.60％；Si：0.500％；B：≤0.01％；Nb：0.67％；N：0.2913％；Al：0.250％；Ti：0.06％；Cu：0.01％；H：0.0001％。

氮收率和良品率分别为75.80％和100％。

对比例5

本对比例省略了实施例1的步骤(1)，即烘烤氮化铬铁的步骤，其他步骤与实施例1相同。

按照标准要求检验铸件成分含量(wt％)：C：0.059％；Cr：25.30％；Ni：37.20％；P：0.005％；S：0.001％；Mn：0.68％；Si：0.520％；B：≤0.01％；Nb：0.68％；N：0.2910％；Al：0.250％；Ti：0.06％；Cu：0.01％；H：0.0005％

未经烘烤的氮化铬主要造成大量的H元素由氮化铬带入合金中，造成H元素含量过高成为废品。

氮收率和良品率分别为76.15％和0.0％。

对比例6

本对比例省略了实施例1熔炼过程中向炉内通入氩气的工序，即精炼后期不通入氩气，其他步骤与实施例1相同。

按照标准要求检验铸件成分含量(wt％)：C：0.059％；Cr：25.34％；Ni：37.15％；P：0.005％；S：0.001％；Mn：0.71％；Si：0.520％；B：≤0.01％；Nb：0.65％；N：0.1010％；Al：0.270％；Ti：0.06％；Cu：0.01％；H：0.0001％

在未通入氩气的情况下，加入炉中的氮化铬铁熔化分解后，部分氮元素以游离态的N2在高真空状态下，由真空系统排除炉外。造成氮元素收得率很低，合金中氮元素不能满足标准要求最终成为废品。

氮收率和良品率分别为33.34％；良品率：0.0％。

Claims

1.一种超高N含量高温合金的VIM炉冶炼方法，其特征在于，所述VIM炉冶炼方法包括在VIM炉中进行的熔炼步骤、和浇注步骤；在所述熔炼的后期，向所述VIM炉中加入含氮物质以调整N含量。

2.权利要求1所述的VIM炉冶炼方法，其特征在于，所述超高N含量高温合金中N的质量含量为1500-3000ppm，优选为2000-3000ppm，更优选为2700-3000ppm。

3.权利要求1所述的VIM炉冶炼方法，其特征在于，所述含氮物质为含氮质量百分比为3％以上的含氮合金；进一步优选为氮化铬铁、氮化锰和氮化铝中的至少一种；优选地，所述含氮物质为经过了烘烤处理之后的含氮物质；更优选地，所述烘烤的温度为750-1100℃，时间为≥6小时；更优选地，进行所述烘烤的装置和VIM炉位于同一车间。

4.权利要求1所述的VIM炉冶炼方法，其特征在于，在所述熔炼的后期，加入所述含氮物质之前，向所述VIM炉中通入惰性气体，优选地，所述惰性气体为氩气，所述VIM炉内氩气的压强≥10000pa；优选地，所述惰性气体的通入持续到所述浇注结束。

5.权利要求1所述的VIM炉冶炼方法，其特征在于，所述熔炼包括熔化期和精炼期，所述熔炼的后期是指精炼后期。

6.权利要求1所述的VIM炉冶炼方法，其特征在于，从加入所述含氮物质到浇注开始之间的时间为不超过15分钟。

7.权利要求1所述的VIM炉冶炼方法，其特征在于，在所述熔炼步骤中，在熔炼前向VIM炉中加入原料时，金属铬的加入量为全部金属铬原料总质量的80-85％；剩余的15-20％所述金属铬根据需要量在熔炼后期通入所述惰性气体之前加入以调整成分。

8.权利要求1所述的VIM炉冶炼方法，其特征在于，所述超高N含量高温合金是以铁、镍为基，能在600℃以上的高温下持续工作的一类金属材料，优选地，在有应力作用下长期工作的一类金属材料。

9.权利要求1所述的VIM炉冶炼方法，其特征在于，按照质量百分比，所述超高N含量高温合金的成分组成如下：C：0.02-0.10％；Cr：23.00-27.00％；Ni：35.00-39.00％；W:≤0.50％；Mo：≤1.00％；P：≤0.04％；S：≤0.03％；Mn：≤1.50％；Si：≤1.00％；B：≤0.01％；Nb：0.40-0.90％；Co：≤3.00％；N：0.15-0.30％；Al：≤0.40％；Ti：≤0.20％；Cu：≤0.50％；Fe：余量。

10.一种超高N含量高温合金，其特征在于，所述超高N含量高温合金为采用权利要求1-9中任一项所述的VIM炉冶炼方法所制备得到的。