CN116037872A - 一种减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，采用的锭模包括模身、模底和底砖；具体包括以下步骤：(1)对所述模身顶部进行减薄处理，厚度为所述模身上部的直线段厚度的1/3～1/2，高度为所述模身高度的1/9～1/8；(2)将所述底砖安装于所述模底上端面；(3)在所述冒口安装部外壁安装保温冒口，所述保温冒口的厚度为所述模身上部的直线段厚度的1/2～2/3，高度与所述冒口安装部的高度相同；(4)将所述保温冒口与所述冒口安装部加热至600℃～650℃，将所述锭模上除所述保温冒口与所述冒口安装部以外的部分加热至250℃～300℃；(5)采用所述锭模浇注所述镍基高温合金真空感应铸锭。本发明可增强铸锭凝固时合金液的补缩效果，能有效减轻铸锭的缩孔深度。

Description

一种减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法

技术领域

本发明涉及冶炼浇注技术领域，具体而言，尤其涉及一种减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法。

背景技术

镍基高温合金具有良好的高温强度、抗氧化能力和优异的抗疲劳性能，是航空航天、电力能源、国防科技等领域的关键金属结构材料。镍基高温合金的合金化程度高、成分复杂，一般需采用真空感应熔炼进行一次冶炼，再使用电渣重熔、真空自耗重熔等进行二次或三次冶炼。在多联熔炼工艺中，通过真空感应熔炼获得的铸锭可为二次重熔冶炼提供所需的自耗电极和母合金，因此镍基高温合金真空感应铸锭质量直接影响着后续冶炼工艺的难易程度和最终产品的质量。目前，在真空感应熔炼工艺中，镍基高温合金液经过浇注得到的铸锭的缩孔问题最为突出，其恶化了铸锭的组织性能，严重影响了二次冶炼过程稳定性、铸锭成材率及最终产品质量，制约了高品质镍基高温合金的制造和发展。为了减小这些不利影响，一般需要对铸锭进行切头操作，铸锭的切头量达到了100～700mm，其降低了铸锭的成材率。由上可知，减小缩孔深度对提高真空感应铸锭质量，提升镍基高温合金成材率和质量具有重要意义。

现有的镍基高温合金真空感应铸锭缩孔控制方法主要是在锭模上部的型腔内壁增加保温冒口(内冒口)或是涂刷保温涂层以增强铸锭上部合金的保温效果，进而使铸锭在纵向方向上实现从底部到顶部(浇口)的顺序凝固，确保其在凝固过程中能建立良好的补缩条件。但该方法难以避免冒口部位或是保温涂层对合金液产生污染及夹渣等不利影响。为了避免这些不利影响，采用内保温冒口或是涂刷保温涂层后一般要对铸锭进行切头操作。可见，现有减小铸锭缩孔深度的方法难以有效提高镍基高温合金真空感应铸锭的成材率与质量。此外，现也有使用锭模整体加热方法来增强合金液的补缩效果，减轻铸锭的缩孔缺陷。但其使用的锭模整体加热温度高达650℃左右，在此条件下的制造成本较大。综上可见，很有必要探索新的减轻铸锭缩孔深度的方法。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，该方法通过对上部模身型腔外壁进行减薄处理后，在其外壁安装保温冒口(外冒口)，并对锭模进行分段加热后再进行浇注，有利于铸锭向着从底部到顶部(浇口处)的顺序凝固方向发展，可增强铸锭凝固时合金液的补缩效果，能有效减轻铸锭的缩孔深度。

本发明采用的技术手段如下：

一种减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，浇注镍基高温合金真空感应铸锭所采用的锭模包括模身、模底和底砖，所述模身上部为直线段；

所述方法具体包括以下步骤：

(1)对所述模身顶部进行减薄处理得到冒口安装部，所述冒口安装部的厚度为所述模身上部的直线段厚度的1/3～1/2，高度为所述模身高度的1/9～1/8；

(2)将所述底砖安装于所述模底上端面，将所述模身的下端面与所述模底及所述底砖的上端面相连接；

(3)在所述冒口安装部外壁安装保温冒口，所述保温冒口的厚度为所述模身上部的直线段厚度的1/2～2/3，高度与所述冒口安装部的高度相同；

(4)采用烘烤加热的方式将所述保温冒口与所述冒口安装部加热至600℃～650℃，将所述锭模上除所述保温冒口与所述冒口安装部以外的部分加热至250℃～300℃，然后进行浇注；

(5)在真空度4000Pa的条件下采用所述锭模浇注所述镍基高温合金真空感应铸锭，浇注时间为5～10min，浇注温度为1430℃～1470℃；

(6)合金液在所述锭模内冷却60min～90min后，经过脱模处理得到所述镍基高温合金真空感应铸锭。

进一步地，步骤(4)中，所述保温冒口与所述冒口安装部的加热温度典型但非限制性的为600℃、610℃、620℃、630℃、640℃及650℃，所述锭模上除所述保温冒口与所述冒口安装部以外的部分的加热温度典型但非限制性的为250℃、260℃、270℃、280℃、290℃及300℃。

进一步地，步骤(5)中浇注时间典型但非限制性的为5min、6min、7min、8min、9或10min；浇注温度典型但非限制性的为1430℃、1440℃、1450℃、1460℃或1470℃。

进一步地，步骤(6)中，冷却时间典型但非限制性的为60min、70min、80min或90min。

进一步地，所述模底的材质为铸铁，厚度为300mm～500mm；所述底砖的材质为高铝砖、刚玉或莫来石，厚度为50mm～100mm，所述底砖的上端面与所述模底的上端面相齐平；所述模身的材质为铸铁。

进一步地，所述保温冒口由砂子、漂珠和粉煤灰混合制成；所述模身上部有锥度，所述保温冒口的锥度与所述模身上部的锥度相同。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，在不改变锭型的情况下，通过对模身上部壁厚进行减薄处理后，将保温冒口安装于上部模身的型腔外壁，并把冒口及冒口附近模身型腔外壁加热到600℃～650℃左右，以增加冒口的保温作用，可使合金液在凝固过程中能建立良好的补缩条件，减轻铸锭缩孔缺陷；避免了现有技术如在锭模型腔内壁采用内冒口或是涂刷保温涂层对原始锭型及钢液污染等的不利影响，可有效减小切头长度，提高铸锭的成材率。

2、一般在铸锭充型过程中，锭模下部被合金液加热的时间长而温度较高，其延缓了凝固过程铸锭下部合金的冷却凝固，使得铸锭凝固过程中上部合金温度低，先凝固，下部合金温度高，后凝固，抑制了铸锭从底部到顶部(浇口)的顺序凝固，导致铸锭产生显著的缩孔缺陷，本发明提供的方法将锭模上除保温冒口与冒口安装部以外的部分加热至250～300℃，能减小铸锭凝固时其纵方向上上部合金(温度低)与下部合金(温度高)的温差，可减轻铸锭的缩孔深度。此外，相对于现有使用锭模整体加热到较高温度(约650℃左右)来减轻铸锭缩孔深度的方法，本发明仅对保温冒口与冒口安装部以下模身加热至250～300℃，可显著降低生产成本。

3、本发明提供的减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，应用范围广，可适用于大部分镍基高温合金的浇注过程，可减轻不同牌号不同锭型镍基高温合金真空感应铸锭的缩孔缺陷。

基于上述理由本发明可在冶炼浇注领域广泛推广。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明采用的锭模及装置结构示意图。

图中：1、模身；2、模底；3、底砖；4、保温冒口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

镍基高温合金真空感应冶炼工艺主要包括装料、熔化期、精炼期与出钢浇注这几个工艺步骤，但镍基高温合金真空感应铸锭缩孔的形成主要是在最后的出钢浇注阶段，因此真空感应熔炼的装料、熔化期、精炼期工艺步骤及其相关参数采用本领域常用的即可，本发明不做详细描述。通过这些工艺步骤获得的镍基高温合金液的出钢浇注过程是本发明的重点分析过程，为实现上述发明目的，本发明提供了一种减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，如图1所示，浇注镍基高温合金真空感应铸锭所采用的锭模包括模身1、模底2和底砖3，所述模身1上部为直线段；所述锭模是指把熔融金属浇入并凝固成铸锭的模具或容器；

所述方法具体包括以下步骤：

(1)对所述模身1顶部进行减薄处理得到冒口安装部5，所述冒口安装部5的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的1/3～1/2，高度为所述模身1高度的1/9～1/8；限定所述冒口安装部5的厚度与高度是因为当减薄的上部模身厚度较小时，其影响锭模的强度及使用寿命；当减薄的上部模身厚度较大时，较多的合金液的热量传递给了锭模，其减弱了冒口的保温效果，另外，当减薄后的上部模身与保温冒口的高度较大时，其会降低合金液的补缩效果，导致缩孔深度有所增大；相反，其可能小于了合金液凝固收缩产生的高度，使得加热的上部模身与保温冒口未起到良好的保温作用，从而导致缩孔深度也有所增大；

(2)将所述底砖3安装于所述模底2上端面，将所述模身1的下端面与所述模底2及所述底砖3的上端面相连接；将所述底砖3安装于所述模底2上部可以减小高温合金液对所述模底2的冲刷与侵蚀，提高所述模底2的使用寿命；

(3)在所述冒口安装部5外壁安装保温冒口4，所述保温冒口4的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的1/2～2/3，高度与所述冒口安装部5的高度相同；

(4)采用烘烤加热的方式将所述保温冒口4与所述冒口安装部5加热至600℃～650℃，在该加热温度范围，加热的上部模身与保温冒口能起到良好的保温作用，获得的铸锭缩孔深度较小，这是因为当上部模身与保温冒口的加热温度过高时会影响锭模的使用寿命，而当加热温度过低时则会降低上部模身与保温冒口的保温作用；

将所述锭模上除所述保温冒口与所述冒口安装部以外的部分加热至250℃～300℃，然后进行浇注，在该加热温度范围，获得的铸锭缩孔深度较小，这是因为保温冒口及其安装部以下部位锭模加热温度过低时，难以减小铸锭凝固时其上部(温度低)与下部(温度高)的温差，而当加热温度过高时，则加热成本较大；

综上，在镍基高温合金液充型及凝固过程中，被加热较高温度的上部减薄的模身与保温冒口能发挥保温作用，延缓铸锭上部合金的冷却凝固，增强上部合金液的补缩效果，被加热较低温度的保温冒口及其安装部以下部位锭模能减小铸锭凝固时其上部合金(温度低)与下部合金(温度高)的温差，通过以上方法可使铸锭凝固时向着顺序凝固的方向发展，可显著减轻铸锭的缩孔深度；

(5)在真空度4000Pa的条件下采用所述锭模浇注所述镍基高温合金真空感应铸锭，在浇注过程中，高温合金液从真空感应炉内倾倒入溜槽，通过溜槽的档渣及稳流作用后流入锭模，浇注时间为5～10min，浇注温度为1430℃～1470℃；当合金液的注入时间在本发明限定的范围内时，能使所得合金的缺陷更少，若注入时间过长，则易产生冷隔、浇不到、夹砂、粘砂等缺陷；若注入时间过短，合金液对锭模的冲击大，容易造成冲砂、砂眼、渣眼、抬型和气孔等缺陷；同样的，当合金液的浇注温度在本发明限定的范围内时，合金液与锭模之间的温差较为合理，过高则易产生补缩不良，过低则易造成浇注不足；

(6)合金液充型结束后，待其在所述锭模内冷却60min～90min后，经过脱模处理得到所述镍基高温合金真空感应铸锭。

进一步地，步骤(4)中，所述保温冒口4与所述冒口安装部5的加热温度典型但非限制性的为600℃、610℃、620℃、630℃、640℃及650℃，所述锭模上除所述保温冒口4与所述冒口安装部5以外的部分的加热温度典型但非限制性的为250℃、260℃、270℃、280℃、290℃及300℃。

进一步地，步骤(5)中浇注时间典型但非限制性的为5min、6min、7min、8min、9或10min；浇注温度典型但非限制性的为1430℃、1440℃、1450℃、1460℃或1470℃。

进一步地，步骤(6)中，冷却时间典型但非限制性的为60min、70min、80min或90min。

进一步地，所述模底2的材质为铸铁，厚度为300mm～500mm；所述底砖3的材质为高铝砖、刚玉或莫来石，厚度为50mm～100mm，所述底砖3的上端面与所述模底2的上端面相齐平；所述模身1的材质为铸铁。

进一步地，所述保温冒口4由砂子、漂珠和粉煤灰混合制成；所述模身1上部有锥度，所述保温冒口4的锥度与所述模身1上部的锥度相同。

下面结合实施例1～14及对比例1～18具体说明本发明所述方法及取得的技术效果。

实施例1

本实施例浇注的镍基高温合金真空感应铸锭化学成分为：Cr:16.5～19.5％，Co:13.5～16％，Mo:2.5～3.5％，Al:2.0～3.0％，Ti:4.5～5.5％，B:0.01～0.03％，Ni余量；采用本发明提供的所述减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，采用的锭模包括模身1、模底2和底砖3，所述模身1上部为直线段；

具体包括如下步骤：

(1)对所述模身1顶部进行减薄处理得到冒口安装部5，所述冒口安装部5的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的1/2，高度为所述模身1高度的1/8；

(2)将所述底砖3安装于所述模底2上端面，将所述模身1的下端面与所述模底2及所述底砖3的上端面相连接；浇注的铸锭尺寸为φ360mm×4000mm，所述锭模锥度为1％，高度为4000mm，厚度在100～500mm范围，厚度从锭模下部到上部有所减小，所述底砖3厚度为80mm；

(3)在所述冒口安装部5外壁安装保温冒口4，所述保温冒口4的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的1/2，高度与所述冒口安装部5的高度相同；所述保温冒口由砂子、漂珠和粉煤灰混合制成，所述保温冒口的锥度与所述模身上部的锥度相同；

(4)采用烘烤加热的方式将所述保温冒口4与所述冒口安装部5加热至600℃，将所述锭模上除所述保温冒口4与所述冒口安装部5以外的部分加热至300℃，然后进行浇注；

(5)在真空度4000Pa的条件下浇注2.8吨镍基高温合金液，在浇注过程中，高温合金液从真空感应炉内倾倒入溜槽，通过溜槽的档渣及稳流作用后流入所述锭模，溜槽的水口直径为30mm，浇注时间为7min，浇注温度为1450℃；

(6)合金液充型结束后，待其在所述锭模内冷却90min后，经过脱模处理得到所述镍基高温合金真空感应铸锭。

对比例1

与实施例1不同之处仅在于：浇注过程既不采用所述保温冒口4也不对所述模身1进行分段加热，即采用现常用的铸模直接浇注方法；

对比例2

与实施例1不同之处仅在于：浇注过程不采用所述保温冒口4，采用现提出的锭模整体加热的方法，锭模加热温度为650℃。

实施例2

与实施例1不同之处仅在于：步骤(1)中，所述冒口安装部5的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的1/3，所述保温冒口4的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的2/3。

对比例3

与实施例1不同之处仅在于：所述冒口安装部5的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的2/3，所述保温冒口4的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的1/3。

对比例4

与实施例1不同之处仅在于：所述冒口安装部5的高度为所述模身1高度的1/10，所述保温冒口4的高度也为所述模身1高度的1/10。

对比例5

与实施例1不同之处仅在于：所述冒口安装部5的高度为所述模身1高度的1/6，所述保温冒口4的高度也为所述模身1高度的1/6。

对比例6

与实施例1不同之处仅在于：步骤(4)中，所述保温冒口4与所述冒口安装部5加热温度为500℃。

对比例7

与实施例1不同之处仅在于：步骤(4)中，所述锭模上除所述保温冒口4与所述冒口安装部5以外的部分的加热温度为200℃。

对比例8

与实施例1不同之处仅在于：步骤(4)中，所述锭模上除所述保温冒口4与所述冒口安装部5以外的部分的加热温度为400℃。

实施例3

与实施例1不同之处仅在于：浇注的铸锭尺寸为φ440mm×3000mm，锭模锥度为1％，高度为3000mm。

对比例9

与实施例2不同之处仅在于：浇注过程既不采用所述保温冒口4也不对所述模身1进行分段加热，即采用现常用的铸模直接浇注方法；

对比例10

与实施例2不同之处仅在于：浇注过程不采用所述保温冒口4，采用现提出的锭模整体加热的方法，锭模加热温度为650℃。

实施例4

与实施例2不同之处仅在于：所述冒口安装部5的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的1/3，所述保温冒口4的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的2/3；

对比例11

与实施例2不同之处仅在于：所述冒口安装部5的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的2/3，所述保温冒口4的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的1/3。

对比例12

与实施例2不同之处仅在于：所述冒口安装部5高度为所述模身1高度的1/10，所述保温冒口4的高度也为模身高度的1/10。

对比例13

与实施例2不同之处仅在于：所述冒口安装部5高度为所述模身1高度的1/6，所述保温冒口4的高度也为模身高度的1/6。

对比例14

与实施例2不同之处仅在于：步骤(4)中，所述保温冒口4与所述冒口安装部5加热温度为500℃。

对比例15

与实施例2不同之处仅在于：步骤(4)中，所述锭模上除所述保温冒口4与所述冒口安装部5以外的部分的加热温度为200℃。

对比例16

与实施例2不同之处仅在于：步骤(4)中，所述锭模上除所述保温冒口4与所述冒口安装部5以外的部分的加热温度为400℃。

另外，本发明对镍基高温合金真空感应浇注过程进行了数值模拟研究，通过数值模拟得到的不同实施例及对比例下的缩孔深度参见表1，由表1可知，在不同锭型镍基高温合金浇注过程中，采用本发明提出的方法，即对所述模身1顶部进行减薄处理得到冒口安装部5，所述冒口安装部5的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的1/3～1/2，高度为所述模身1高度的1/9～1/8，在所述冒口安装部5外壁安装保温冒口4，所述保温冒口4的厚度为所述模身1上部的直线段厚度的1/2～2/3，高度与所述冒口安装部5的高度相同；在浇注所述高温合金真空感应铸锭时，将所述保温冒口4与所述冒口安装部5加热至600℃～650℃，将所述锭模上除所述保温冒口4与所述冒口安装部5以外的部分加热至250～300℃，其增强了铸锭凝固时合金液的补缩效果，有效减小了不同锭型镍基高温合金真空感应铸锭的缩孔深度，提高了铸锭的致密度与成材率。由于镍基高温合金真空感应铸锭缩孔的形成阶段主要在真空感应冶炼最后的出钢浇注阶段，因此真空感应熔炼工艺中的其他工艺步骤(例如装料、熔化期、精炼期)及其相关参数采用本领域常用的即可，本发明对此不做特别限制。

表1实施例和对比例的缩孔深度

编号	缩孔深度
		实施例1	356mm
对比例1	572mm
		对比例2	397mm
实施例2	335mm
		对比例3	416mm
对比例4	542mm
		对比例5	363mm
对比例6	384mm
		对比例7	367mm
对比例8	386mm
		实施例3	239mm
对比例9	446mm
		对比例10	269mm
实施例4	199mm
		对比例11	308mm
对比例12	327mm
		对比例13	257mm
对比例14	283mm
		对比例15	245mm
对比例16	250mm

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，其特征在于，浇注镍基高温合金真空感应铸锭所采用的锭模包括模身、模底和底砖，所述模身上部为直线段；

所述方法具体包括以下步骤：

(1)对所述模身顶部进行减薄处理得到冒口安装部，所述冒口安装部的厚度为所述模身上部的直线段厚度的1/3～1/2，高度为所述模身高度的1/9～1/8；

(2)将所述底砖安装于所述模底上端面，将所述模身的下端面与所述模底及所述底砖的上端面相连接；

(3)在所述冒口安装部外壁安装保温冒口，所述保温冒口的厚度为所述模身上部的直线段厚度的1/2～2/3，高度与所述冒口安装部的高度相同；

(4)将所述保温冒口与所述冒口安装部加热至600℃～650℃，将所述锭模上除所述保温冒口与所述冒口安装部以外的部分加热至250℃～300℃，然后进行浇注；

(5)在真空度4000Pa的条件下采用所述锭模浇注所述镍基高温合金真空感应铸锭，浇注时间为5～10min，浇注温度为1430℃～1470℃；

(6)合金液在所述锭模内冷却60min～90min后，经过脱模处理得到所述镍基高温合金真空感应铸锭。

2.根据权利要求1所述的减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述保温冒口与所述冒口安装部的加热温度典型但非限制性的为600℃、610℃、620℃、630℃、640℃及650℃，所述锭模上除所述保温冒口与所述冒口安装部以外的部分的加热温度典型但非限制性的为250℃、260℃、270℃、280℃、290℃及300℃。

3.根据权利要求1所述的减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，其特征在于，步骤(5)中浇注时间典型但非限制性的为5min、6min、7min、8min、9或10min；浇注温度典型但非限制性的为1430℃、1440℃、1450℃、1460℃或1470℃。

4.根据权利要求1所述的减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，其特征在于，步骤(6)中，冷却时间典型但非限制性的为60min、70min、80min或90min。

5.根据权利要求1所述的减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，其特征在于，所述模底的材质为铸铁，厚度为300mm～500mm；所述底砖的材质为高铝砖、刚玉或莫来石，厚度为50mm～100mm，所述底砖的上端面与所述模底的上端面相齐平；所述模身的材质为铸铁。

6.根据权利要求1所述的减轻镍基高温合金真空感应铸锭缩孔深度的方法，其特征在于，所述保温冒口由砂子、漂珠和粉煤灰混合制成；所述模身上部有锥度，所述保温冒口的锥度与所述模身上部的锥度相同。

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