CN115679156A - 一种低成本制备gh3230合金电渣重熔扁锭的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低成本制备GH3230合金电渣重熔扁锭的工艺，属于高性能变形高温合金冶金制备技术领域，一种低成本制备GH3230合金电渣重熔扁锭的工艺，本发明针对GH3230合金的需求，设计了一种采用矩形电渣重熔结晶器的真空感应熔炼+电渣重熔工艺，采用GH3230合金扁锭轧制板材具有缩短工艺流程，降低生产成本等优点，具有明显的创新性和工程实用性。有效解决了GH3230合金中稀土微量元素易挥发、成分难控制的问题，不但可以有效的降低中的有害元素如硫，抑制钛、铝元素烧损，而且熔点较低，有利于合金低熔速重熔，提高材料性能。
Description
技术领域
本发明涉及高性能变形高温合金冶金制备技术领域，更具体的说是涉及一种低成本制备GH3230合金电渣重熔扁锭的工艺。
背景技术
GH3230是一种以W、Mo元素进行固溶强化和以碳化物作为第二相强化的镍-铬基变形高温合金，具有高的高温强度，良好的耐热疲劳性能，以及优异的抗氧化、耐腐蚀性能，使用温度达到1050℃，高温下长期使用组织稳定。该合金通过添加Cr、Mo、W、C增加合金的高温强度和腐蚀抗力；通过添加含量高达15％(重量百分比)的W元素含量进行固溶强化；通过添加较高的C元素促进碳化物M23C6的形成，M23C6通过对位错的钉扎效应以提高合金的高温蠕变强度；加入稀土元素La提高合金的抗氧化性，使合金兼具良好的高温强度、热稳定性和抗腐蚀性。目前，生产的GH3230合金产品主要以板材为主。
随着我国航空航天、燃机、核电等工业的快速发展，GH3230合金板材的用量越来越大。然而合金生产工序多，制造流程长，生产成本较高，例如，GH3230合金需要经过两联熔炼工艺，通常制备出的铸锭需要经过开坯锻造，然后制备成板坯，板坯进一步热轧和冷轧制备成成品，工序多，生产周期长，产品成本高。通过改善工艺，缩短工艺流程，降低GH3230合金的生产成本，具有重要意义。
国内外目前生产GH3230合金主要采用真空感应熔炼+电渣重熔或者真空感应熔炼+真空电弧重熔工艺，而熔炼使用的结晶器形状绝大部分是圆柱形，对于生产用量很大的盘件、环形件而言，圆形结晶器非常合适，采用圆形结晶器制备的高温合金圆柱形锭坯直接开坯锻造成棒材，棒材下料后锻制成盘件或环形件。但是GH3230合金产品主要是板材，制备圆柱形的锭坯并不适合于后续板材的轧制加工。本发明直接在电渣重熔过程中制备出矩形的扁锭，减少了后续锻造开坯工序。此外，与国内外高温合金电渣重熔使用较多的惰性气体保护气氛熔炼不同，本发明采用化渣后直接加入结晶器然后熔炼的方法，能够明显降低生产成本。
电渣重熔是高品质金属或合金熔炼重要工艺方法，电渣炉利用电流渣阻热熔化金属电极的底端，密度较高的金属熔滴穿过浮在液态金属熔池表面的渣池，经过熔渣的清洗吸附作用，在铜制水冷结晶器内凝固成铸锭。电渣重熔的工艺优点包括能够降低合金中的陶瓷夹杂物和有害元素硫的含量，减少铸锭中疏松、孔洞等缺陷。国内外采用电渣重熔制备高品质的特种合金材料，但是没有采用电渣炉制备形状为矩形扁锭的GH3230合金。小批量的工程试验验证结果表明，采用电渣重熔工艺不但能够提高合金纯净度，而且能够缩短生产工序，降低成本。
发明内容
基于背景技术中出现的问题，本申请提出了一种结合矩形电渣结晶器的真空感应熔炼+电渣重熔制备GH3230合金扁锭的方法，具有工艺流程短、生产成本较低、产品质量高等优点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，主要包括：
一种低成本制备GH3230合金电渣重熔扁锭的工艺，具体包括有以下步骤：
步骤1：合金配料；依据成分配比要求和感应炉坩埚容量，配制GH3230合金料；GH3230合金成分(重量百分比)范围为C：0.05～0.15％；Cr：20.0～24.0％；W：13.0～15.0％；Mo：1.0～3.0％；Al：0.2～0.5％；La：0.005～0.05％；Si：0.25～0.75％；Mn：0.3～1.0％；B：≤0.015％；Ti：≤0.1％；Ni：余量；
步骤2：真空感应熔炼制备铸锭；把按照成分配好的金属元素料装入真空感应熔炼炉的耐火材料坩埚内，熔炼制备出GH3230合金电极锭；
步骤3：电极焊接；把GH3230合金电极与电渣炉的假电极焊接，要求GH3230合金电极锭的轴线与假电极轴线共轴；
步骤4：渣系成分设计；采购萤石、石灰、氧化铝、电熔镁砂材料用于制备熔渣；其中，萤石(CaF2)材料粒径≤3mm，纯度≥99.5％，其它氧化物SiO2+FeO总含量≤0.3％，含水量≤0.5％；提纯后的石灰(CaO)材料粒径≤5mm，纯度≥98％，含水量≤1.0％；氧化铝粉(Al2O3)纯度≥99％，含水量≤0.5％；电熔镁砂(MgO)粒径≤4mm，纯度≥99.5％，其它氧化物Al2O3≤0.2％，含水量≤0.5％；要求熔渣成分范围为：(CaF2(50～55％)+CaO(20～25％)+Al2O3(18～25％)+MgO(3～6％)；该四元渣系制备的熔渣具有熔点低、高稳定性、挥发物少等优点；
步骤5：混料；把按照成分重量百分比要求称量配比好的以上原料放入球磨机，进行球磨混料，球磨时间为1～3小时；
步骤6：加热熔化熔渣。把球磨混合好的原料放入电弧炉结晶器内，送电，采用石墨电极升温熔化至全部化清；
步骤7：电渣炉矩形结晶器内部尺寸设计。电渣炉矩形结晶器宽度D＝圆柱形电极直径d+40mm～50mm，结晶器长度L＝3×D～4×D；
步骤8：电渣重熔；把化清的熔渣倾倒入已经在熔炼工位的电渣炉矩形结晶器中，然后启动设备把GH3230合金电极锭插入熔化的熔渣中，送电，进行合金重熔。熔炼过程中，依据熔渣消耗量加入化清的熔渣；
步骤9：机加工；熔化完成的矩形电渣锭表面机加工去除渣皮，然后车光备用。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明针对GH3230合金的需求，设计了一种采用矩形电渣重熔结晶器的真空感应熔炼+电渣重熔工艺，采用GH3230合金扁锭轧制板材具有缩短工艺流程，降低生产成本等优点，具有明显的创新性和工程实用性。
本发明有效解决了GH3230合金中稀土微量元素易挥发、成分难控制的问题，制定的渣系组成(CaF2(50～55％)+CaO(20～25％)+Al2O3(18～25％)+MgO(3～6％)不但可以有效的降低中的有害元素如硫，抑制钛、铝元素烧损，而且熔点较低，有利于合金低熔速重熔，提高材料性能；创新设计电渣炉矩形结晶器内部尺寸结构。针对GH3230合金热轧工艺要求，设计的电渣炉矩形结晶器宽度D＝圆柱形电极直径d+40mm～50mm，结晶器长度L＝3×D～4×D，减少了锻造工序，显著降低生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明表面去除渣皮后的GH3230合金扁锭示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种低成本制备GH3230合金电渣重熔扁锭的工艺，依据成分配比要求和感应炉坩埚容量，配制GH3230合金料500Kg；GH3230合金成分(重量百分比)为C：0.05％；Cr：21％；W：13％；Mo：1.0％；Al：0.2％；La：0.005％；Si：0.25％；Mn：0.3％；B：0.01％；Ni：64.185％；把按照成分配好的金属元素料装入真空感应熔炼炉的耐火材料坩埚内，熔炼制备出GH3230合金电极锭，直径为100mm；
把GH3230合金电极与电渣炉的假电极焊接，要求GH3230合金电极锭的轴线与假电极轴线共轴；采购萤石、石灰、氧化铝、电熔镁砂材料用于制备熔渣。其中，萤石(CaF2)材料粒径小于2.5mm，纯度≥99.5％，其它氧化物SiO2+FeO总含量0.2％，含水量≤0.5％；提纯后的石灰(CaO)材料粒径小于5mm，纯度≥98％，含水量≤1.0％；氧化铝粉(Al2O3)纯度≥99％，含水量≤0.5％；电熔镁砂(MgO)粒径小于4mm，纯度≥99.5％，其它氧化物Al2O3≤0.2％，含水量≤0.5％；要求熔渣成分范围为：CaF2(50％)+CaO(20％)+Al2O3(18％)+MgO(3％)；
把按照成分重量百分比要求称量配比好的以上原料放入球磨机，进行球磨混料，球磨时间为1小时；把球磨混合好的原料放入电弧炉结晶器内，送电，采用石墨电极升温熔化至全部化清；
电渣炉矩形结晶器内部尺寸设计。电渣炉矩形结晶器宽度D＝140mm，结晶器长度L＝420mm；把化清的熔渣倾倒入已经在熔炼工位的电渣炉矩形结晶器中，然后启动设备把GH3230合金电极锭插入熔化的熔渣中，送电，进行合金重熔。
熔炼过程中，依据熔渣消耗量加入化清的熔渣；熔化完成的矩形电渣锭表面机加工去除渣皮，然后车光备用。
本专利的创新点包括：①熔渣成分设计。高温合金电渣重熔预熔渣成分是电渣重熔工艺的关键，针对不同的金属材料如高温合金、工模具钢等均有对应的不同预熔渣成分，即使对Al、Ti含量不同的高温合金材料，预熔渣的成分也有差异。本发明有效解决了GH3230合金中稀土微量元素易挥发、成分难控制的问题，制定的渣系组成(CaF2(50～55％)+CaO(20～25％)+Al2O3(18～25％)+MgO(3～6％)不但可以有效的降低中的有害元素如硫，抑制钛、铝元素烧损，而且熔点较低，有利于合金低熔速重熔，提高材料性能；②创新设计电渣炉矩形结晶器内部尺寸结构。针对GH3230合金热轧工艺要求，设计的电渣炉矩形结晶器宽度D＝圆柱形电极直径d+40mm～50mm，结晶器长度L＝3×D～4×D，减少了锻造工序，显著降低生产成本。
实施例2
依据成分配比要求，配制GH3230合金料1000Kg；GH3230合金成分(重量百分比)为C：0.15％；Cr：24.0％；W：15.0％；Mo：3.0％；Al：0.5％；La：0.05％；Si：0.75％；Mn：1.0％；B：0.015％；Ni：55.535％；
把按照成分配好的金属元素料装入真空感应熔炼炉的耐火材料坩埚内，熔炼制备出GH3230合金电极锭，直径260mm；把GH3230合金电极与电渣炉的假电极焊接，要求GH3230合金电极锭的轴线与假电极轴线共轴；采购萤石、石灰、氧化铝、电熔镁砂材料用于制备熔渣。其中，萤石(CaF2)材料粒径≤3mm，纯度99.7％，含水量≤0.5％；提纯后的石灰(CaO)材料粒径≤5mm，纯度≥98％，含水量≤1.0％；氧化铝粉(Al2O3)纯度≥99％，含水量≤0.5％；电熔镁砂(MgO)粒径≤4mm，纯度≥99.5％，其它氧化物Al2O3≤0.2％，含水量≤0.5％；要求熔渣成分范围为：CaF2(55％)+CaO(23％)+Al2O3(19％)+MgO(3％)；
把按照成分重量百分比要求称量配比好的以上原料放入球磨机，进行球磨混料，球磨时间为3小时；
把球磨混合好的原料放入电弧炉结晶器内，送电，采用石墨电极升温熔化至全部化清；电渣炉矩形结晶器宽度D＝310mm，结晶器长度L＝1240mm；把化清的熔渣倾倒入已经在熔炼工位的电渣炉矩形结晶器中，然后启动设备把GH3230合金电极锭插入熔化的熔渣中，送电，进行合金重熔。
熔炼过程中，依据熔渣消耗量加入化清的熔渣；熔化完成的矩形电渣锭表面机加工去除渣皮，然后车光备用。
本专利的创新点包括：①熔渣成分设计。高温合金电渣重熔预熔渣成分是电渣重熔工艺的关键，针对不同的金属材料如高温合金、工模具钢等均有对应的不同预熔渣成分，即使对Al、Ti含量不同的高温合金材料，预熔渣的成分也有差异。本发明有效解决了GH3230合金中稀土微量元素易挥发、成分难控制的问题，制定的渣系组成(CaF2(50～55％)+CaO(20～25％)+Al2O3(18～25％)+MgO(3～6％)不但可以有效的降低中的有害元素如硫，抑制钛、铝元素烧损，而且熔点较低，有利于合金低熔速重熔，提高材料性能；②创新设计电渣炉矩形结晶器内部尺寸结构。针对GH3230合金热轧工艺要求，设计的电渣炉矩形结晶器宽度D＝圆柱形电极直径d+40mm～50mm，结晶器长度L＝3×D～4×D，减少了锻造工序，显著降低生产成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种低成本制备GH3230合金电渣重熔扁锭的工艺，其特征在于，具体包括有以下步骤：
步骤1：合金配料；依据成分配比要求和感应炉坩埚容量，配制GH3230合金料；
步骤2：真空感应熔炼制备铸锭；把按照成分配好的金属元素料装入真空感应熔炼炉的耐火材料坩埚内，熔炼制备出GH3230合金电极锭；
步骤3：电极焊接；把GH3230合金电极与电渣炉的假电极焊接；
步骤4：渣系成分设计；采购萤石、石灰、氧化铝、电熔镁砂材料用于制备熔渣；
步骤5：混料；把按照成分重量百分比要求称量配比好的以上原料放入球磨机，进行球磨混料，球磨时间为1～3小时；
步骤6：加热熔化熔渣。把球磨混合好的原料放入电弧炉结晶器内，送电，采用石墨电极升温熔化至全部化清；
步骤7：电渣炉矩形结晶器内部尺寸设计；
步骤8：电渣重熔；把化清的熔渣倾倒入已经在熔炼工位的电渣炉矩形结晶器中，然后启动设备把GH3230合金电极锭插入熔化的熔渣中，送电，进行合金重熔；熔炼过程中，依据熔渣消耗量加入化清的熔渣；
步骤9：机加工；熔化完成的矩形电渣锭表面机加工去除渣皮，然后车光备用。
2.根据权利要求1所述的一种低成本制备GH3230合金电渣重熔扁锭的工艺，其特征在于，所述步骤1中GH3230合金成分(重量百分比)范围为C：0.05～0.15％；Cr：20.0～24.0％；W：13.0～15.0％；Mo：1.0～3.0％；Al：0.2～0.5％；La：0.005～0.05％；Si：0.25～0.75％；Mn：0.3～1.0％；B：≤0.015％；Ti：≤0.1％；Ni：余量。
3.根据权利要求1所述的一种低成本制备GH3230合金电渣重熔扁锭的工艺，其特征在于，所述步骤3中，要求GH3230合金电极锭的轴线与假电极轴线共轴。
4.根据权利要求1所述的一种低成本制备GH3230合金电渣重熔扁锭的工艺，其特征在于，所述步骤4熔渣中的萤石(CaF2)材料粒径≤3mm，纯度≥99.5％，其它氧化物SiO2+FeO总含量≤0.3％，含水量≤0.5％；提纯后的石灰(CaO)材料粒径≤5mm，纯度≥98％，含水量≤1.0％；氧化铝粉(Al2O3)纯度≥99％，含水量≤0.5％；电熔镁砂(MgO)粒径≤4mm，纯度≥99.5％，其它氧化物Al2O3≤0.2％，含水量≤0.5％。
5.根据权利要求4所述的一种低成本制备GH3230合金电渣重熔扁锭的工艺，其特征在于，所述熔渣成分范围为：(CaF2(50～55％)+CaO(20～25％)+Al2O3(18～25％)+MgO(3～6％)。
6.根据权利要求4所述的一种低成本制备GH3230合金电渣重熔扁锭的工艺，其特征在于，所述电渣炉矩形结晶器宽度D＝圆柱形电极直径d+40mm～50mm，结晶器长度L＝3×D～4×D。
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