一種電渣重熔制備鎳基高溫合金空心鋼錠設備與方法與流程

本發明屬于冶金技術領域，特別涉及一種單電源雙回路電渣重熔制備鎳基高溫合金空心鋼錠的方法。

背景技術：

隨著我國石油化工、航空發動機和700℃先進超超臨界高壓鍋爐產業的發展，對各種合金管材的高溫強度、抗蠕變斷裂及耐蝕性能的要求越來越高。傳統的奧氏體耐熱鋼等材料已無法滿足實際生產需求而鎳基高溫合金是制作上述合金管材的理想材料。鎳基高溫合金是指鎳含量一般大于50％、在650～1000℃范圍內具有較高強度和良好的耐高溫、耐氧化和耐腐蝕性能的高溫合金。

傳統的合金管材的生產以實心鋼錠為原料，經鍛造、沖孔、擴孔、拔長等多道工序制成。由于鎳基高溫合金具有較高的熱變形抗力和較差的熱塑性，在多次的鐓粗和沖孔過程中容易出現開裂的現象，因此嚴重影響此類管材的生產效率。此外，這種工藝工序長，材料利用率低，經過多次加熱和鍛造成本大幅提高。中國發明專利(申請號：201010538461.6)公開了一種以離心鑄造技術制備的空心鋼錠為原料，經熱擠壓和冷軋或冷拔工藝制造鎳基高溫合金管材的方法。但是離心鑄造制備的空心鋼錠存在氣孔、夾雜、縮孔等缺陷，且不能制備合金元素比重差異較大的材料鑄錠。因此，該方法具有較大的局限性。

技術實現要素：

針對目前鎳基高溫合金管材生產工藝中的缺點和以空心鋼錠為原料生產鎳基高溫合金管材的優勢，本發明提供一種單電源雙回路導電結晶器電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠的方法。該方法采用單電源雙回路供電方式和T型導電結晶器，允許更大直徑的自耗電極和交換電極工藝的采用，并調整渣系的成分和配比，抑制易氧化元素的燒損。選用合適的工藝參數后，可制備成分均勻、內外表面質量良好的鎳基高溫合金空心鋼錠。

本項發明公開了一種電渣重熔制備鎳基高溫合金空心鋼錠設備，其特征是設備中采用了單電源雙回路供電、T型導電結晶器和內結晶器，其具體結構如附圖1和圖2所示：由附圖可見，該設備設主要由電源1、電抗器2、底水箱3、下結晶器4、絕緣體5、導電結晶器6、橫梁7、右側自耗電極組8、左側自耗電極組9、內結晶器10、渣池11、中結晶器12、金屬熔池13、空心鋼錠14、開關K1和開關K2組成；其中由電源1→開關K1→電抗器2→兩個并聯自耗電極8和9→渣池11→空心鋼錠14→底水箱3→電源1依次串聯構成導電回路Ⅰ；由電源1→開關K2→導電結晶器6→渣池11→空心鋼錠14→底水箱3→電源1依次串聯構成導電回路Ⅱ；T型導電結晶器分為三段，其中上段為導電結晶器6，中段為中結晶器12，中結晶器12屬于過渡段，下段為下結晶器4，T型導電結晶器的上、中、下三段合在一起呈上大下小的漏斗形結構，其中上、下兩段均為直筒形，中間過渡段為圓臺形，下結晶器4用于鋼液凝固成型，T型導電結晶器的上、中、下三段之間均有絕緣體5將其各自分開，內結晶器10為圓柱形，其上表面固定在橫梁7中間位置，且位于圓形T型導電結晶器的中線同軸，橫梁7的兩端被固定在T型導電結晶器的上法蘭上，橫梁7兩側對稱空間供右側自耗電極組8和左側自耗電極組9穿過，每個自耗電極組有4～5支規格相同的自耗電極；

上述設備中的內結晶器10外徑Φ＝400～500mm，T型導電結晶器的下結晶器4內徑Φ＝200～900mm，內結晶器10外徑尺寸和T型導電結晶器的下結晶器4內徑尺寸統稱為內外結晶器的成型段尺寸，每支自耗電極直徑Φ＝160～200mm。

本項發明公開了一種電渣重熔制備鎳基高溫合金空心鋼錠的方法，該種方法采用如上所述的設備，按如下步驟進行實施：

(1)首先，準備由鎳基高溫合金制得的多個自耗電極組，分為右側自耗電極組8和左側自耗電極組9，兩排電極組左右對稱，使用時要能夠順利從橫梁7兩側的對稱空間插入渣池11中；

(2)制作預熔渣料，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％的比例混合后并攪拌均勻，在電弧爐內熔化，并在1550～1580℃下精煉至少30分鐘，然后澆鑄在鑄鐵盤內冷卻，并采用破碎機破碎篩分出1～10mm的部分，裝袋后以供電渣爐使用；

(3)將制備好的預熔渣料稱重后放入電阻爐中，在600～700℃烘烤4小時，去除水分；

(4)將經烘烤過的預熔渣料置于化渣爐中，插入石墨電極進行化渣，把預熔渣料熔清后將液態熔渣澆入到由內結晶器10和T型導電結晶器的之間形成的空腔內，并閉合開關K2，構成由電源1→開關K2→導電結晶器6→渣池11→底水箱3→電源1依次串聯構成導電回路Ⅱ；

(5)將由鎳基高溫合金制得的右側自耗電極組8和左側自耗電極組9分別插入渣池11中，閉合開關K1，構成由電源1→開關K1→電抗器2→兩個并聯的自耗電極組8和9→渣池11→空心鋼錠14→底水箱3→電源1依次串聯形成的導電回路Ⅰ，設定合適的電流和電壓，進行電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠的熔煉；

(6)當熔化的液態金屬在結晶器中達到合適高度時，開始按照一定的抽錠速度進行抽錠；

(7)當右側自耗電極組8和左側自耗電極組9的剩余高度在50～80mm時，開始交換電極組操作。將舊自耗電極組抬離渣面，更換成新的右側自耗電極組8或左側自耗電極組9，重復步驟(5)～(7)，直至冶煉完成。

上述方法中的具體工藝參數為：預熔渣量要保證結晶器內渣池高度為200～280mm；電渣爐導電回路Ⅰ的正常熔煉電壓為60～75V，電流為15～25KA；導電回路Ⅱ的電流，通過調節電抗器使電流控制在8～10KA范圍內；熔化速率為600～950kg/h；抽錠速度為3～10mm/min。

單電源雙回路導電結晶器電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠采用的是抽錠工藝，所以渣系中添加適量的SiO₂。SiO₂作為酸性氧化物能形成復雜陰離子團，可以抑制熔渣在冷卻過程中礦相的析出，提高熔渣的黏度穩定性，使熔渣具有長渣性質；此外，為了抑制鎳基高溫合金中Al、Ti等易氧化元素的燒損，渣系中添加較高量的CaO，使二元堿度CaO/SiO₂≥15，降低SiO₂的活度，同時還添加了適量的TiO₂。

上述方法中，單電源雙回路導電結晶器電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠過程使用單電源雙回路供電方式。其供電具有的優勢是：(1)在正常熔煉時，可通過電抗器進行電流分配，導電回路Ⅰ控制電極熔化速度，導電回路Ⅱ控制表面質量，進而保證鎳基合金在低熔速下獲得良好的內部和外部質量；(2)在交換電極時，經過自耗電極的電流的回路斷開，仍有另一個回路為渣池供電，避免渣池溫度大幅降低，保證電極交換時結合處的內部質量和表面質量。

本項發明的優點在于：

(1)節約制造成本。以空心鋼錠為原料，直接進行鎳基高溫合金管材的生產，省去鐓粗和沖孔兩道工序，具有縮短工藝流程，減少鍛造火次，提高金屬成材率，節約成本等優點。據統計，使用空心鋼錠直接生產筒形大鍛件可節約材料費30％、加熱費50％、鍛造費30％。

(2)提高產品質量。電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠過程中，液態金屬在內外水冷結晶器中同時冷卻，可顯著提高鑄錠的冷卻強度，抑制宏觀偏析的產生和脆性相的析出，改善合金鑄態組織的熱加工性和耐腐蝕性能。同時，電渣重熔產品還具有組織致密、成分均勻、潔凈度高、定向凝固等優點。

(3)工藝技術先進。采用單電源雙回路導電結晶器進行電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠的制造工藝，可通過調節電抗器，控制電流分配，進而控制電極熔化速度，能夠在較低熔速的情況下，使得金屬熔池形狀淺平，凝固前沿局部凝固時間短，有利于減輕易偏析元素的偏析程度；同時由于電流可以從結晶器壁通過，又保證了結晶器壁上的渣皮有足夠的熔化量，從而獲得薄而均勻的渣皮。同時保證鎳基合金空心鋼錠內部質量和外部質量。

本發明的單電源雙回路導電結晶器電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠的方法，可為鎳基高溫合金管材的生產提供空心鋼錠原料，直接用于后續的鍛造工藝。不僅可以縮短工序，提高金屬收得率，節約成本，還能改善合金鑄態組織的熱加工性和耐腐蝕性能，提高鎳基高溫合金管材的質量。

附圖說明

圖1是本發明實施例中的單電源雙回路導電結晶器電渣重熔制備鎳基高溫合金空心鋼錠的設備的俯視示意圖；

圖2是沿圖1中的線A-A截取的剖視示意圖，在圖中：1為電源、2為電抗器、3為底水箱、4為下結晶器、5為絕緣體、6為導電結晶器、7為橫梁、8為右側自耗電極組、9為左側自耗電極組、10為內結晶器、11為渣池、12為中結晶器、13為金屬熔池、14為空心鋼錠，K1和K2為開關。

具體實施方式

實施例1

利用如前所述的單電源雙回路導電結晶器電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠設備，采取如下方法制備Inconel740H鎳基高溫合金空心鋼錠，具體步驟如下：

(1)首先是準備多個Inconel740H鎳基高溫合金自耗電極組，每支自耗電極用量為370kg，分為右側自耗電極組8和左側自耗電極組9，兩排電極組左右對稱；

(2)制取預熔渣料，按照CaF₂：41％、Al₂O₃：20％、CaO：30％、MgO：2.0％、TiO₂：5.0％、SiO₂：2.0％的比例混合后并攪拌均勻，在電弧爐內熔化，并在1560～1580℃下精煉40分鐘，然后澆鑄在鑄鐵盤內冷卻，并采用破碎機破碎篩分出1～10mm的部分，裝袋后以供電渣爐使用；

(3)將預熔的渣料稱重后放入電阻爐中，在650℃烘烤4小時，去除水分；

(4)將烘烤后的渣料置于化渣爐中，插入石墨電極進行化渣，把渣料熔清后將液態熔渣澆入到由內結晶器10和T型導電結晶器的之間形成的空腔內，并閉合開關K2，構成由電源1→開關K2→導電結晶器6→渣池11→底水箱3→電源1依次串聯構成導電回路Ⅱ；

(5)將由鎳基高溫合金制得的右側自耗電極組8和左側自耗電極組9插入渣池11中，閉合開關K1，構成由電源1→開關K1→電抗器2→兩個并聯自耗電極組8和9→渣池11→空心鋼錠14→底水箱3→電源1依次串聯形成的成導電回路Ⅰ，設定合適的電流和電壓，進行電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠的熔煉過程；

(6)當熔化的液態金屬在結晶器中達到合適高度時，開始按照一定的抽錠速度進行抽錠；

(7)當自耗電極的剩余高度在50～80mm時，開始交換電極操作。將舊自耗電極抬離渣面，重復步驟(5)～(7)，直至冶煉完成。

結晶器尺寸和具體的工藝參數如下：內外結晶器的成型段尺寸為Φ500/Φ900mm，自耗電極尺寸為Φ160mm，10支(每組5支)；預熔渣量要保證結晶器內渣池高度為260～280mm，本實施例用量為370kg；電渣爐導電回路Ⅰ的正常熔煉電壓為65～70V，電流為18～20KA；導電回路Ⅱ的電流，通過調節電抗器使電流控制在8～10KA范圍內；熔化速率為800～950kg/h；抽錠速度為5～6mm/min。

采用單電源雙回路導電結晶器電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠的方法制備的Inconel740H鎳基高溫合金空心鋼錠，內外表面質量良好，無明顯渣溝、結瘤等缺陷。對空心鋼錠的頭、中、尾取樣進行成分分析，發現頭、中、尾成分均勻，且均在目標范圍內，成分合格。

實施例2

利用如前所述的單電源雙回路導電結晶器電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠設備，采用如下方法制備Inconel617B鎳基高溫合金空心鋼錠，具體步驟如下：

(1)首先是準備多個Inconel617B鎳基高溫合自耗電極組，每個電極組右側自耗電極組8和左側自耗電極組9兩部分組成，以便能通過固定內結晶器的橫梁；

(2)預熔渣料，按照CaF₂：41％、Al₂O₃：20％、CaO：30％、MgO：2.0％、TiO₂：5.0％、SiO₂：2.0％的比例混合后并攪拌均勻，在電弧爐內熔化，并在1550～1580℃下精煉50分鐘，然后澆鑄在鑄鐵盤內冷卻，并采用破碎機破碎篩分出1～10mm的部分，裝袋后以供電渣爐使用；

(3)將預熔的渣料稱重后放入電阻爐中，在700℃烘烤4小時，去除水分；

(4)將烘烤后的渣料置于化渣爐中，插入石墨電極進行化渣，把渣料熔清后將液態熔渣澆入到由內結晶器10和T型導電結晶器的之間形成的空腔內，并閉合開關K2，構成由電源1→開關K2→導電結晶器6→渣池11→底水箱3→電源1依次串聯構成導電回路Ⅱ；

(5)將由鎳基高溫合金制得的右側自耗電極組8和左側自耗電極組9插入渣池11中，閉合開關K1，構成由電源1→開關K1→電抗器2→兩個并聯自耗電極組8和9→渣池11→空心鋼錠14→底水箱3→電源1依次串聯形成的成導電回路Ⅰ，設定合適的電流和電壓，進行電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠的熔煉過程；

(6)當熔化的液態金屬在結晶器中達到合適高度時，開始按照一定的抽錠速度進行抽錠；

(7)當自耗電極的剩余高度在50～80mm時，開始交換電極操作。將舊自耗電極抬離渣面，重復步驟(5)～(7)，直至冶煉完成。

結晶器尺寸和具體的工藝參數如下：內外結晶器的成型段尺寸為Φ450/Φ650mm，自耗電極尺寸為Φ＝160mm，8支(每組4支)；預熔渣量要保證結晶器內渣池高度為260～280mm，本實施例用量為300kg；電渣爐導電回路Ⅰ的正常熔煉電壓為63～68V，電流為15～18KA；導電回路Ⅱ的電流，通過調節電抗器將電流控制在8～10KA范圍內；熔化速率為600～700kg/h；抽錠速度為8～10mm/min。

采用單電源雙回路導電結晶器電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠的方法制備的Inconel617B鎳基高溫合金空心鋼錠，內外表面質量良好，無明顯渣溝、結瘤等缺陷。對空心鋼錠的頭、中、尾取樣進行成分分析，發現頭、中、尾成分均勻，且均在目標范圍內，成分合格。

實施例3

利用如前所述的單電源雙回路導電結晶器電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠設備，采用如下方法制備GH984G鎳基高溫合金空心鋼錠，具體步驟如下：

(1)首先是準備多個GH984G鎳基高溫合金自耗電極組，每個電極組有左右對稱的兩部分組成，以便能通過固定內結晶器的橫梁；

(2)預熔渣料，按照CaF₂：41％、Al₂O₃：20％、CaO：30％、MgO：2.0％、TiO₂：5.0％、SiO₂：2.0％的比例混合后并攪拌均勻，在電弧爐內熔化，并在1550～1580℃下精煉45分鐘，然后澆鑄在鑄鐵盤內冷卻，并采用破碎機破碎篩分出1～10mm的部分，裝袋后以供電渣爐使用；

(3)將預熔的渣料稱重后放入電阻爐中，在680℃烘烤4小時，去除水分；

(4)將烘烤后的渣料置于化渣爐中，插入石墨電極進行化渣，把渣料熔清后將液態熔渣澆入到由內結晶器10和T型導電結晶器的之間形成的空腔內，并閉合開關K2，構成由電源1→開關K2→導電結晶器6→渣池11→底水箱3→電源1依次串聯構成導電回路Ⅱ；

(5)將由鎳基高溫合金制得的右側自耗電極組8和左側自耗電極組9插入渣池11中，閉合開關K1，構成由電源1→開關K1→電抗器2→兩個并聯自耗電極組8和9→渣池11→空心鋼錠14→底水箱3→電源1依次串聯形成的成導電回路Ⅰ，設定合適的電流和電壓，進行電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠的熔煉過程；

(6)當熔化的液態金屬在結晶器中達到合適高度時，開始按照一定的抽錠速度進行抽錠；

(7)當自耗電極的剩余高度在50～80mm時，開始交換電極操作。將舊自耗電極抬離渣面，重復步驟(5)～(7)，直至冶煉完成。

結晶器尺寸和具體的工藝參數如下：內外結晶器的成型段尺寸為Φ200/Φ900mm，自耗電極尺寸為Φ160mm，10支(每組5支)；預熔渣量要保證結晶器內渣池高度為206～280mm，本實施例用量為500kg；電渣爐導電回路Ⅰ的正常熔煉電壓為68～71V，電流為22～25KA；導電回路Ⅱ的電流，通過調節電抗器將電流控制在8～10KA范圍內；熔化速率為750～850kg/h；抽錠速度為3～5mm/min。

采用單電源雙回路導電結晶器電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠的方法制備的GH984G鎳基高溫合金空心鋼錠，內外表面質量良好，無明顯渣溝、結瘤等缺陷。對空心鋼錠的頭、中、尾取樣進行成分分析，發現頭、中、尾成分均勻，且均在目標范圍內，成分合格。