CN115522061A - 电渣重熔1吨镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，包括：重熔步骤，在渣池中将重熔电极在液态熔渣电阻热的作用下熔化形成液态金属，液态金属流入金属熔池；凝固步骤，液态金属从金属熔池流入结晶器中冷却，依次形成铸锭的尾部和头部；其中重熔步骤中，重熔步骤包括对重熔电极进行熔化的子步骤和利用碳补充元件对渣池进行碳补充的子步骤，碳补充元件用于补充铸锭的尾部和头部之间的碳含量偏差。通过向渣池中补充碳的方法解决了铸锭头、尾部碳含量偏差的问题，减少因碳含量不同给材料的组织和性能带来的不利影响；该方案有效可行，操作方便、成本低。

Description

电渣重熔1吨镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电渣重熔形成合金铸锭方法，具体而言，涉及一种电渣重熔1吨镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法。

背景技术

铁镍基高温合金是航空、航天、核电等工业领域所需的一种重要结构材料，经过近40多年的发展，该合金已经成为使用面最宽的镍基变形高温合金，特别是在核电能源领域越来越得到广泛应用，故对材料的纯净度和性能提出了更高的要求。该合金最大的特点就是含有5％左右的铌Nb，通过形成γ"(Ni3Nb)作为强化相来提高合金的性能。由于碳与铌Nb亲和力极强，形成的碳化物硬而脆，成为疲劳的裂纹源，从而减弱了强化效果，影响性能。控制合金的碳含量可提高合金的强度和抗疲劳性能。

然而，该合金通过真空感应结合电渣重熔双联工艺冶炼后，由于熔渣中都含有一定量的碳，这样会在熔炼初期，熔渣中的碳开始不断向金属熔池中扩散，使得铸锭的尾部碳含量增加，当渣池中的碳消耗后，越往铸锭的头部碳含量越低，从而造成头尾部的碳含量出现明显偏差。通常情况铸锭尾部碳含量会增加20-35％左右，这种差别会造成铸锭材料头尾部的组织性能出现明显不同。如何解决这个问题一直以来都是重熔领域的技术难题。

电渣重熔过程熔炼初期造成电渣锭中碳含量增加的原因主要有两种，一种是渣料中的碳扩散进入金属熔池中的，还有一种就是引锭板中的碳扩散进来的。针对这两个问题，现有技术通常有两种解决方式：一种是对渣料进行高温烘烤，高温条件下渣料中的碳会与空气的氧气发生反应生成CO2气体而挥发掉，此种方法对粉状渣料能起到一定的除碳效果，但对块状的预熔渣效果不是很明显，这是因为高温加热只能除去块状渣料表面的C，但块状中心部分的C却很难与O发生反应去除，同时渣料高温烘烤会增加用电成本，引起熔炼成本的增加；还有一种就是使用超低碳纯铁材质的引锭板，尽量降低熔炼初期引锭板中的碳向钢液中扩散，但即使采用超低碳的引锭板，当熔炼的合金碳含量要求也特别低时，即使微小的增加也会引起合金中的碳含量发生变化。这两种措施都无法根本上解决重熔前期碳含量增加，后期碳含量基本不变，头尾碳含量偏差大的问题。

鉴于以上技术问题，特推出本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法。以解决重熔前期碳含量增加，后期碳含量基本不变，头尾碳含量偏差大的问题。

为了实现上述目的，本发明提出了一种电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，包括：

重熔步骤，在渣池中将重熔电极在液态熔渣电阻热的作用下熔化形成液态金属，液态金属流入金属熔池；

凝固步骤，液态金属从金属熔池流入结晶器中冷却，依次形成铸锭的尾部和头部；

其中重熔步骤中，重熔步骤包括对重熔电极进行熔化的子步骤和利用碳补充元件对渣池进行碳补充的子步骤，碳补充元件用于补充铸锭的尾部和头部之间的碳含量偏差。

进一步的，碳补充元件通过补充渣池扩散到金属熔池中的碳含量来补充铸锭的尾部和头部之间的碳含量偏差。

进一步的，碳补充元件的质量通过液态熔渣的质量、液态熔渣中原始碳含量、碳补充元件中碳含量以及液态熔渣到金属熔池的碳扩散量确定。

进一步的，碳补偿元件的质量的计算公式为：

M1＝M2×η1/(D×η2)

公式中，M1为碳补偿元件的质量，M2为液态熔渣的质量，η1为液态熔渣中原始碳含量，η2为碳补偿元件中碳含量，D为扩散量，即液态熔渣中的碳与金属熔池中的碳达到平衡后，液态熔渣中的碳扩散进入到金属熔池的碳量。

进一步的，重熔电极为块状电极。

进一步的，块状电极包括第一电极和第二电极，重熔步骤中第一电极先于第二电极熔化，并在凝固步骤中分别对应形成铸锭的尾部和头部。

进一步的，碳补充元件设置在第二电极上，重熔步骤中，碳补充元件与第二电极一并熔融，以补充渣池向金属熔池中扩散的碳含量。

进一步的，第一电极和第二电极的轴向长度之比为1:2。

进一步的，碳补充元件采用碳纤维材料。

进一步的，碳补充元件以预设捆扎间隔被固定在第二电极表面。

进一步的，捆扎间隔通过液态熔渣的高度确定。

进一步的，液态熔渣高度的计算公式为：

H＝M2/(π*R²*ρ)

公式中，H为液态熔渣的高度，M2为液态熔渣的质量，R为渣池半径，ρ为液态熔渣密度。

应用本发明提出的电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，实现了如下技术效果：

1、通过向渣池中补充碳的方法解决了铸锭头、尾部碳含量偏差的问题，减少因碳含量不同给材料的组织和性能带来的不利影响；

2、通过理论计算获得碳补充元件，尽可能减小补偿后得到的铸锭的尾部和头部碳含量偏差；

3、通过液态熔渣的高度确定捆扎间隔，防止碳补充元件在液态熔渣池中脱散；

4、该方案有效可行，操作方便、成本低。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1显示了本发明实施例的电渣重熔形成合金铸锭方法流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。术语“包括”在使用时表明存在特征，但不排除存在或增加一个或多个其它特征；术语“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例：

本发明提出了一种电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，本发明方案的实现方法包括以下步骤：

重熔步骤S1，在渣池中将重熔电极在液态熔渣电阻热的作用下熔化形成液态金属，液态金属流入金属熔池；凝固步骤S2，液态金属从金属熔池流入结晶器中冷却，依次形成铸锭的尾部和头部。

由于重熔电极中的碳过早扩散至金属熔池，使得铸锭的尾部碳含量增加，而在电渣重熔后期金属熔池中碳含量下降，导致铸锭的头部碳含量降低，从而造成了铸锭头部和尾部出现了严重的偏差。

为此，本申请中增加碳补充元件对渣池进行碳补充的子步骤，通过增加碳补充元件，利用碳补充元件补充电渣重熔后期渣池中的碳含量，以增加铸锭头部碳含量，减小铸锭的尾部和头部之间的碳含量偏差。通过人工补碳的方式操作更加便捷，并且成本较低，便于工业化推广。

为尽可能减小补偿后得到的铸锭的尾部和头部碳含量偏差，碳补充元件的质量通过理论计算获得。

具体来说，碳补充元件的质量通过液态熔渣的质量、液态熔渣中原始碳含量、碳补充元件中碳含量以及液态熔渣到金属熔池的碳扩散量确定。

碳补偿元件的质量可由以下计算公式确定：

M1＝M2×η1/(D×η2)

公式中，M1为碳补偿元件的质量，M2为液态熔渣的质量，η1为液态熔渣中原始碳含量，η2为碳补偿元件中碳含量，D为扩散量，即液态熔渣中的碳与金属熔池中的碳达到平衡后，液态熔渣中的碳扩散进入到金属熔池的碳量。

本申请中，重熔电极优选为块状电极，块状电极包括第一电极和第二电极，重熔步骤S1中第一电极先于第二电极熔化，并在凝固步骤中分别对应形成铸锭的尾部和头部。由于重熔电极中的碳过早扩散至金属熔池，第一电极形成的铸锭的尾部的碳含量高于第二电极形成的铸锭的头部的碳含量。基于此，本申请中在第二电极上设置碳补偿元件，以降低第一电极和第二电极形成的铸锭尾部和头部的碳含量偏差。在电渣重熔的中后期，碳补偿元件与第二电极一并熔化，碳扩散至金属熔池，对碳进行补充，提高了铸锭头部的碳含量。

根据实际工业化电渣重熔获得的铸锭来看，在靠近铸锭尾部1/3附近处开始补充碳含量，最终获得的铸锭整体碳含量偏差较小。基于此，本申请中，第一电极和第二电极的轴向长度之比为1:2，即在电极的中尾部进行补碳。

优选的，本申请中碳补充元件采用碳纤维材料，进一步可采用碳纤维软毡，碳纤维软毡的碳纤维含碳量＞95％，采用碳纤维软毡便于进行捆扎，使得操作更加便捷。

碳补充元件以预设捆扎间隔被固定在第二电极表面，捆扎间隔通过液态熔渣的高度确定。优选的，捆扎间隔小于液态熔渣的高度，防止碳补充元件在液态熔渣池中脱散。

具体来说，液态熔渣高度的计算公式为：

H＝M2/(π*R²*ρ)

公式中，H为液态熔渣的高度，M2为液态熔渣的质量，R为渣池半径，ρ为液态熔渣密度。

以下对采用电渣重熔方法制备1吨铁镍基高温合金的具体步骤做以下描述，其中电渣炉重熔容量为1吨，电极规格为Φ295±5mm，结晶器规格为Φ350/370×1650mm。碳补充元件采用的碳纤维材料为长条碳纤维软毡，碳纤维含碳量＞95％。熔炼前沿重熔电极轴向方向从下往上1/3位置，紧贴电极表面每隔一定距离捆扎一长条碳纤维软毡。碳纤维长条软毡放置方法为紧贴电极表面沿电极轴向从下往上1/3高度处，使用直径1mm的纯铁丝每隔105mm捆扎一次，直至电极的顶部。这个捆扎间隔通过液态熔渣的厚度确定，计算方法如下：

熔渣质量33kg，熔渣中碳含量占0.007％，熔渣中的碳与金属熔池中的碳达到平衡后测得熔渣中碳约有60-70％扩散进入金属中。33kg熔渣全部变为液态后，其在结晶器中的厚度(mm)为：

液态熔渣厚度＝熔渣质量/(3.14×结晶器半径×结晶器半径×液态熔渣密度密度)＝33×1000g/(3.14×18cm×18cm×3g/cm3)＝10.8cm＝108mm

捆扎在电极表面上的碳纤维长条软毡质量通过理论计算获得，依据是熔渣的质量、熔渣中的碳含量、液态熔渣的厚度、熔渣中的碳与金属熔池中的碳达到平衡后测得的熔渣中碳含量。计算方法如下：

以液态熔渣厚度作为参考，每隔108mm高液态熔渣需要捆扎的碳纤维软毡的质量＝熔渣质量×熔渣中碳含量/(扩散率×碳纤维中碳含量)＝33×1000g×0.007％/(65％×95％)＝3.74g

为了证明本发明提出的电渣重熔形成镍基高温合金铸锭方法在弥补铸锭的尾部和头部之间的碳含量偏差作用的有效性，下面进行了对比试验，分别在原有发明工艺和本发明工艺下熔炼的镍基高温合金铸锭的重熔电极、电渣锭头、电渣锭尾部的含碳量进行检测。原有发明工艺与本发明工艺方案的唯一变量是是否利用碳补充元件对渣池进行碳补充。

本发明工艺的碳补充步骤如下：使用1000kg容量的相同电渣炉，电极规格为Φ295±5mm，结晶器规格为Φ350/370×1650mm。碳补充元件采用的碳纤维材料为长条碳纤维软毡，碳纤维含碳量＞95％。熔炼前沿重熔电极轴向方向从下往上1/3位置，紧贴电极表面每隔一定距离捆扎一长条碳纤维软毡。碳纤维长条软毡放置方法为紧贴电极表面沿电极轴向从下往上1/3高度处，使用直径1mm的纯铁丝每隔105mm捆扎一次，直至电极的顶部。每隔108mm高液态熔渣需要捆扎的碳纤维软毡的质量为3.74g。

对比实验结果如下表所示。

实验结果表明，采用原工艺方案的炉号为A516炉的重熔电渣锭头尾部碳含量分别为0.012％和0.016％，炉号为A517炉的重熔电渣锭头尾部碳含量分别为0.010％和0.013％，重熔电渣锭头尾部碳含量差距较大。而采用本发明工艺方案的炉号为A518炉的重熔电渣锭头尾部碳含量分别为0.0155％和0.015％，炉号为A519炉的重熔电渣锭头尾部碳含量分别为0.015％和0.0148％，重熔电渣锭头尾部碳含量差距极为微弱，而且重熔电渣锭的碳含量相比于重熔电极的碳含量提升也极为微弱，采用本发明工艺的重熔电渣锭碳含量依然在规定范围内。由此对比试验可证明本发明提出的电渣重熔形成镍基高温合金铸锭方法在弥补铸锭的尾部和头部之间的碳含量偏差作用的有效性。

总之，从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例具有如下技术效果：

通过向渣池中补充碳的方法解决了铸锭头、尾部碳含量偏差的问题，减少因碳含量不同给材料的组织和性能带来的不利影响；通过理论计算获得碳补充元件，尽可能减小补偿后得到的铸锭的尾部和头部碳含量偏差；通过确认碳补偿元件在电极中的位置，最大限度减少了铸锭的碳含量偏差；通过液态熔渣的高度确定捆扎间隔，防止碳补充元件在液态熔渣池中脱散；该方案有效可行，操作方便、成本低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，其特征在于，包括：

重熔步骤S1，在渣池中将重熔电极在液态熔渣电阻热的作用下熔化形成液态金属，所述液态金属流入金属熔池；

凝固步骤S2，所述液态金属从所述金属熔池流入结晶器中冷却，依次形成铸锭的尾部和头部；

其中重熔步骤S1中，所述重熔步骤S1包括对重熔电极进行熔化的子步骤和利用碳补充元件对渣池进行碳补充的子步骤，所述碳补充元件用于补充所述铸锭的尾部和头部之间的碳含量偏差。

2.根据权利要求1所述的电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，其特征在于，所述碳补充元件通过补充所述渣池扩散到所述金属熔池中的碳含量来补充所述铸锭的尾部和头部之间的碳含量偏差。

3.根据权利要求1或2所述的电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，其特征在于，所述碳补充元件的质量通过所述液态熔渣的质量、所述液态熔渣中原始碳含量、所述碳补充元件中碳含量以及所述液态熔渣到所述金属熔池的碳扩散量确定。

4.根据权利要求3所述的电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，其特征在于，所述碳补偿元件的质量的计算公式为：

M1＝M2×η1/(D×η2)

公式中，M1为碳补偿元件的质量，M2为液态熔渣的质量，η1为液态熔渣中原始碳含量，η2为碳补偿元件中碳含量，D为扩散量，即液态熔渣中的碳与金属熔池中的碳达到平衡后，液态熔渣中的碳扩散进入到金属熔池的碳量。

5.根据权利要求1或2所述的电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，其特征在于，所述重熔电极为块状电极。

6.根据权利要求5所述的电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，其特征在于，所述块状电极包括第一电极和第二电极，重熔步骤S1中所述第一电极先于所述第二电极熔化，并在凝固步骤S2中分别对应形成铸锭的尾部和头部。

7.根据权利要求6所述的电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，其特征在于，所述碳补充元件设置在所述第二电极上，重熔步骤S1中，所述碳补充元件与所述第二电极一并熔融，以补充所述渣池向所述金属熔池中扩散的碳含量。

8.根据权利要求6所述的电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的轴向长度之比为1:2。

9.根据权利要求1或2所述的电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，其特征在于，所述碳补充元件采用碳纤维材料。

10.根据权利要求7所述的电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，其特征在于，所述碳补充元件以预设捆扎间隔被固定在所述第二电极表面。

11.根据权利要求10所述的电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，其特征在于，所述捆扎间隔通过所述液态熔渣的高度确定。

12.根据权利要求11所述的电渣重熔镍基高温合金铸锭碳含量的控制方法，其特征在于，所述液态熔渣高度的计算公式为：

H＝M2/(π*R²*ρ)

公式中，H为液态熔渣的高度，M2为液态熔渣的质量，R为渣池半径，ρ为液态熔渣密度。

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