CN1044500A - 一种低能耗电渣重熔制取细晶锭的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有显著节能效果的电渣重熔制取细晶锭的方法。采用交流电源变压器单相串联双自耗电极或交流三相联接三根自耗电极插在低熔点熔渣中，该熔渣处于变速旋转的水冷结晶器内，通过强化金属熔体和熔渣之间的动量与热能交换，强化金属熔体与已凝固枝晶组织的动量交换，使糊状熔体中晶粒增殖和快速凝固，使合金及合金钢电渣锭全部为细小等轴晶的致密组织。

Description

本发明属于电渣重熔技术，它提供了一种以低能耗制取细小等轴晶粒的高温合金或合金钢致密锭或盘件的方法。
大断面合金钢和高温合金工件的成份、组织偏析及晶粒度不均匀问题是国内外冶金界面临的生产技术难题之一，当今国内外解决此难题之途径有二，即获取细晶粒合金锭和粉末冶金生产;后者由于合金粉制备过程防污染及合金之合格粉收得率低等因素，致使生产成本高昂，因此国外对获取细晶锭工艺研究相当活跃。如““VADER法”（真空电弧双电极重熔法）及“EBCF法”（电子束连续流注法），已生产出直径小于500mm的细晶粒镍基高温合金锭和盘件，其生产的In718Ni-Fe基高温合金锭的晶粒尺寸小于1.6mm;然而这些合金锭致密度不良，存在疏松缺陷、合金中易挥发的有益元素的含量难于准确控制，生产的细晶锭因疏松必需经热等静压处理方可开坯或模锻成材。
本发明的目的在于提供一种克服大断面高温合金或合金钢锭的偏析缺陷、提高材质性能、改善合金锭热加工性能、节约生产能耗的新型电渣重熔方法生产出比“VADER”锭致密的细晶锭或饼坯。
本发明的构成是：将电源变压器输出端分别通过电缆与要获合金锭成份相当的金属自耗电极的一端相联接，诸自耗电极的另一端分别插在处于一变速旋转的水冷结晶器内的熔渣中，通入交流电，自耗电极的重熔电流密度在低于普通电渣重熔的电流密度下重熔，使自耗电极端部形成低温熔滴或固液相共存的糊状合金滴;此糊状合金滴在变速旋转的渣池中受到熔渣冲刷和重力作用而脱离电极端部，在渣池中旋转、下落、过渡到渣池下面的合金糊状区，此糊状区熔体对变速旋转的合金锭凝固前沿枝晶的冲刷、折断和扭曲，使晶粒倍增，此众多细晶粒富集的糊状区凝固前沿通过变速旋转的水冷底板和与之相联接的水冷结晶器将合金凝固潜热传导给冷却水，使糊状区合金熔体顺序快速凝固形成晶粒尺寸小于0.4mm的细晶致密合金锭或盘坯。由于糊状区中合金液体在变速旋转的凝固前沿枝晶干间隙中快速流动，促使枝晶间富集的溶质元素迅速迁移均匀化，从而显著降低枝晶偏析。另外自耗电极在旋转的渣池中重熔，自耗电极间的高温熔渣与电极端部的热交换和动量交换被强化，促使自耗电极在低温下重熔并能获得较高的重熔速率，从而减少热损失，显著提高电渣重熔电能利用率，使重熔锭每吨电耗降至720KWh以下。为使自耗电极端部形成熔滴的温度既在合金始熔点与全熔点之间又使合金锭表面成形质量良好，选用渣系的全熔温度应低于重熔合金的开始熔化温度;若重熔合金的始熔温度高于或等于1260℃时，熔渣组成是CaF2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2渣系或CaF2-Al2O3-CaO渣系。若重熔合金的始熔温度低于1260℃时，熔渣组成是Na3AlF6-Al2O3渣系或Na3AlF6-Al2O3-MgO渣系以及其它对重熔合金化学稳定的相应低熔点渣系。为了有效地强化熔渣对自耗电极端部的冲刷与热交换，增强糊状区熔体对合金锭凝固前沿的枝晶臂的冲刷产生晶粒倍增细化晶粒的作用，水冷结晶器的旋转变化周期是由停转迅速升至50～120转/分控制5～10秒然后迅速停转1～5秒，再按上述规律周而复始地旋转、停转，旋转直至合金锭完全凝固为止。
总之，本发明的目的和优点有四：
第一，使用比VADER法或EBCF法投资少得多的费用改造现有电渣重熔设备即可获取细晶致密合金锭，克服大断面高温合金或合金钢工件的偏析与晶粒不均匀等冶金缺陷，提高材质性能;
第二，改善难变形高温合金的热加工性能;
第三，节约电渣重熔能耗，缩短合金锭开坯前扩散均匀化处理时间，降低合金生产总能耗;
第四，可直接生产细晶饼坯或盘件，降低生产成本。
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明所用设备的一种示意图。
电源变压器〔1〕之输出端通过电缆〔2〕分别与自耗电极〔3〕联接（或三相交流变压器的三个输出端通过电缆分别与三根自耗电极联接），电极的另一端分别插在熔渣〔4〕中，此熔渣处于变速旋转的水冷结晶器〔5〕内，电源变压器〔1〕输出交流电通过自耗电极间之熔渣发热，使自耗电极端部熔化形成熔滴或糊状滴〔6〕，糊状滴在变速旋转的渣池中旋转下落，得到渣洗精炼并过渡到金属糊状区〔7〕中，糊状区通过水冷底板〔8〕和与之相联接的水冷结晶器〔5〕散热，顺序快速凝固形成致密电渣锭〔9〕;水冷底板〔8〕按放在由电动机〔10〕带动的旋转盘〔11〕上，旋转盘〔11〕通过滚珠〔12〕座落在冷却水箱〔13〕的底部，冷却水自箱底进入，从水箱上侧放出。
实施例：
自耗电极母材为直径35mm的GH169镍基高温合金真空浇铸棒。熔渣成份为68%CaF2-14%Al2O3-8%MgO-8%CaO-2%TiO2，渣量为1.8kg。结晶器直径为110mm，结晶器变速旋转、停止周期为以1.7转/秒的转速旋转5～6秒然后迅速停转2～3秒，再迅速起动旋转，采用交流单相双自耗电极串联，重熔电压38伏，重熔电流850安;与之相对照的同锭型的普通电渣重熔锭的重熔电压为34伏，电流为1000安。渣量为1.2kg，实验结果对比如下：
细晶电渣重熔速率614g/min，
普通电渣重熔速率303g/min，
细晶电渣重熔吨锭电耗719KWh，
普通电渣重熔吨锭电耗1437KWh。
细晶电渣锭身全部为细等轴晶，晶粒尺寸小于0.4mm，组织致密无显微疏松缺陷，而普通电渣锭为粗大柱状树枝晶，其一次晶轴间距为3.2mm。
细晶电渣锭铸态原始组织中枝晶显微偏析由电子显微镜能谱分析结果如表1所示，GH169合金中各主要元素均比普通电渣锭偏析小，其中对该合金性能影响较大的强化元素Nb的偏析度（枝晶间含量，wt%/枝干含量，wt%）由普通电渣锭的4.79降至2.68。
（表见下页）
细晶电渣锭热压试验表明在1120℃（GH169合金锭开坯开始温度）应变速率ε＝10-1，S-1时，其最大抗形变应力由普通电渣锭的11.63kg/mm2降低至9.80kg/mm2，变形抗力减小15.7%，同时细晶电渣锭在此形变过程有显著的再结晶软化现象，而与之对比的普通电渣锭在此形变过程无此特征，它显示用本发明方法生产的GH169锭具有优越的热加工性。
例2·自耗电极母材直径为45mm的GH132铁基高温合金真空浇铸棒。熔渣成份为66.5%CaF2-27.5%Al2O3-2%TiO2-4%MgO渣系，渣量为4kg，结晶器直径为150mm，结晶器变速旋转、停歇周期为以1.5转/秒的转速旋转8秒然后迅速停转停歇3秒，再迅速起动旋转，采用交流单相双自耗电极串联，重熔电压
表1        枝晶显微偏析分析结果
Figure 891003711_IMG2
40伏，重熔电流1000安，细晶电渣重熔速率931g/min，细晶电渣锭吨电耗688KWh，细晶电渣锭全部细等轴晶，晶粒尺寸小于0.4mm，组织致密无显微疏松缺陷。

Claims (7)

1、一种电渣重熔制取细晶锭的方法，其特征在于：将电源变压器输出端分别通过电缆与要获合金锭成份相当的金属自耗电极的一端相联接，诸自耗电极的另一端分别插在处于一变速旋转的水冷结晶器内的熔渣中，通入交流电，使自耗电极端部形成低温熔滴或固液相共存的糊状合金滴；此糊状合金滴在变速旋转的渣池中受到熔渣冲刷和重力作用而脱离电极端部，在渣池中旋转、下落、过渡到渣池下面的合金糊状区，此糊状区熔体对变速旋转的合金锭凝固前沿枝晶的冲刷、折断，使晶粒倍增，此众多细晶粒富集的糊状区凝固前沿通过变速旋转的水冷底板和与之相联接的水冷结晶器将合金凝固潜热传导给冷却水，使糊状区合金熔体顺序快速凝固形成晶粒尺寸小于0.4mm的细晶致密合金锭或盘坯。
2、根据权利要求1所述电渣重熔制取细晶锭方法，其特征在于变速旋转的水冷结晶器的旋转变化周期是由静止迅速升至50至120转/分，控制5～10秒然后迅速停转1～5秒再按上述规律周而复始地旋转、停转直至合金锭完全凝固为止。
3、根据权利要求1所述的电渣重熔制取细晶锭的方法，其特征在于电源变压器是单相交流变压器，它的两个输出端通过电缆分别与两根自耗电极相联接。
4、权利要求1所述的电渣重熔制取细晶锭的方法，其特征在于电源变压器是三相交流变压器，它的三个输出端通过电缆分别与三根自耗电极相联接。
5、权利要求1所述电渣重熔制取细晶锭的方法其特征在于：熔渣的全熔温度应低于重熔合金的开始熔化温度。
6、权利要求1或5所述电渣重熔制取细晶锭的方法，其特征在于熔渣对重熔合金的始熔温度高于或等于1260℃时，其熔渣组成是CaF2-Al2O3-MgO-CaO-TiO2渣系和CaF2-Al2O3渣系。
7、权利要求1或5所述电渣重熔制取细晶锭的方法，其特征在于：熔渣对重熔合金的始熔温度低于1260℃时，熔渣组成是Na3AlF6-Al2O3渣系和Na3AlF6-Al2O3-MgO渣系。
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