CN105132701A - 电渣重熔制备镍基合金用的渣系及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电渣重熔制备镍基合金用的渣系及其使用方法，所述渣系的化学成分按质量百分比计包括：CaF₂：65％～70％、A1₂O₃：10％～16％、CaO：10％～16％、MgO：2％～5％、TiO₂：2％～5％，其中，杂质的含量不大于0.8％。在使用所述渣系时，将配制好的渣料经烘烤后加入到氩气保护电渣炉结晶器中化渣，然后重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金，重熔后缓冷出模。根据本发明的电渣重熔制备镍基合金用的渣系及其使用方法可有效降低合金中易氧化元素的烧损并使其头尾分布均匀，减轻元素的偏析程度，并能有效解决电渣重熔表面质量问题。

Description

电渣重熔制备镍基合金用的渣系及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种电渣重熔渣系，特别涉及一种电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金用的渣系及其使用方法。

背景技术

700℃先进超超临界燃煤锅炉要求蒸汽压力达到35Mpa、过热器和再热器温度分别达到700℃和720℃以上。因此，在这种苛刻的条件下，600℃超超临界燃煤锅炉用Super304H、HR3C等奥氏体耐热钢已经无法满足实际要求，从而过热器和再热器高温段必须使用镍基合金材料。

Inconel740、GH4700等镍基合金作为700℃先进超超临界燃煤锅炉所使用的候选材料，其纯净度必须进一步提高，才能满足新型锅炉对材料的持久性能和耐蚀性能的实际要求。由于电渣重熔技术具有工艺和设备相对比较简单，工艺适用性强，所生产的金属纯净、夹杂物少、组织致密等优点，因此电渣重熔是700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金的重要冶炼方法。

然而，在700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金的电渣重熔过程中，常出现Al、Ti等易氧化元素烧损和头尾分布不均匀的问题，其烧损率一般高达15％以上，既容易导致铸锭成分不合格和合金组织性能不均匀，也不利于节约资源和降低成本。同时，对于含Nb、Ti等易偏析元素的镍基合金，在凝固过程中枝晶偏析较严重，个别元素的偏析系数最大值甚至会超过4，常导致有害相的生成。此外，由于此类镍基合金中合金种类较多，因而熔点低，若渣系选择不当，则钢锭铸成后容易出现表面质量问题。

渣系在电渣重熔过程中具有至关重要的作用，目前常用的70％CaF₂+30％A1₂O₃和60％CaF₂+20％A1₂O₃+20％CaO等渣系在电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金过程中，上述问题并未得到有效解决，因而冶金质量并不理想。

发明内容

为了解决700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金电渣重熔现有渣系存在的问题，本发明的示例性实施例提供了一种电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金用渣系。所述渣系可以降低Al、Ti等易氧化元素的烧损率，并使其头尾分布均匀。此外，所述镍基合金用渣系还能够减轻Nb、Ti等易偏析元素的偏析程度，消除有害相。

根据本发明的一方面，提供了一种电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金用渣系，其化学成分按质量百分比计包括：CaF₂：65％～70％、A1₂O₃：10％～16％、CaO：10％～16％、MgO：2％～5％、TiO₂：2％～5％，其余为杂质，其中，杂质的含量不大于0.8％，且杂质中SiO₂≤0.4％，即，在杂质中，SiO₂的含量小于或等于渣系总质量的0.4％。

根据本发明的示例性实施例，所述电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金用渣系的熔化温度可以为1225℃～1240℃。

根据本发明的示例性实施例，所述电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金用渣系在1600℃温度时的电阻率可以为0.24Ω·cm～0.28Ω·cm，黏度为0.03Pa·s～0.05Pa·s。

根据本发明的另一方面，提供了一种使用电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金用渣系的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)采用原材料精料进行配料，以配制出渣料，其中，所配制出的渣料的化学成分按质量百分比计包括：CaF₂：65％～70％、A1₂O₃：10％～16％、CaO：10％～16％、MgO：2％～5％、TiO₂：2％～5％，其余为杂质，其中，杂质的含量不大于0.8％，且杂质中SiO₂≤0.4％；

(2)将配制好的渣料充分混合搅拌，然后放入烘烤炉内加热至750℃，保温烘烤至少5h，随用随取；

(3)将保温烘烤好的渣料通过加料器均匀地加入到氩气保护电渣炉结晶器中进行加热化渣操作，其中，氩气流量为5NL/min～8NL/min，化渣电压为33V～38V，化渣电流为5800A～6500A；

(4)待渣料熔化后，在氩气保护电渣炉内重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金，其中，氩气流量为5NL/min～8NL/min，重熔电压为40V～45V，重熔电流为7500A～8000A；熔速由电渣炉结晶器尺寸确定：v＝(0.7～0.8)·D，其中：v：熔速，kg/h；D：电渣炉结晶器直径，mm；

(5)电渣重熔结束后，使镍基合金缓慢冷却出模，模冷时间至少1小时。

根据本发明的示例性实施例所提供的电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金用渣系的设计思路如下所述：

渣系以CaF₂为基，有助于降低渣的熔点、黏度和表面张力。同时，由于其电导率较高，因此保持高CaF₂含量可以获得低电阻率的渣系，有利于适当地降低熔渣温度和电极熔化速度并增大凝固前沿温度梯度，从而缩小枝晶间距，减轻元素偏析程度以及消除有害相。因此，将CaF₂的含量控制在65％～70％。

A1₂O₃可以明显降低渣的电导率，即提高渣的电阻率，从而可显著降低电耗，节约成本。但A1₂O₃会使渣的熔点和黏度升高，同时，为了减轻元素偏析程度，其含量不能太高。因此，将A1₂O₃的含量控制在10％～16％。

CaO能增大渣的碱度，有利于电渣重熔脱硫；但其吸水性较强，易向合金中带入氢和氧。因此，将CaO的含量控制在10％～16％。

MgO能防止渣池吸氧及渣中变价氧化物向金属熔池供氧，但易使熔渣的黏度提高。因此，将MgO的含量控制在2％～5％。

TiO₂能抑制含钛镍基合金中Ti的烧损，但其为变价氧化物，会向金属熔池传递供氧。因此，将TiO₂含量控制在2％～5％。

此外，本渣系以CaF₂-Al₂O₃-CaO渣系为基，由于在w(CaF₂)＝65％～70％且w(CaO)：w(Al₂O₃)≈1:1处为该三元相图的低温区，因而以此为基而设计的本渣系的熔化温度最低可达1225℃，可满足低于镍基合金熔点100℃～150℃的要求，有利于获得良好的电渣重熔表面质量。

根据本发明的示例性实施例提供的电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金用渣系及其使用方法，不仅能够有效降低易氧化元素的烧损并使其头尾分布均匀，还可以减轻易偏析元素的偏析程度，消除镍基合金中的有害相。同时，渣系熔化温度与700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金熔点匹配良好，能够有效解决电渣重熔表面质量问题。

具体实施方式

实施例1

本实施例的电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金用渣系的化学成分按质量百分比计包括：CaF₂：68.3％、A1₂O₃：13％、CaO：12％、MgO：3％、TiO₂：3％，其余为杂质，其中，SiO₂的含量占镍基合金用渣系的总含量的0.32％。所述镍基合金用渣系的熔化温度为1228℃；在1600℃温度下，所述镍基合金用渣系的电阻率为0.25Ω·cm，黏度为0.036Pa·s。

电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金为Inconel740，该合金熔点为1288℃～1362℃。结晶器直径为280mm，渣料质量为24kg。

所述镍基合金用渣系的具体的使用方法如下：

(1)采用原材料精料按照上述设定的渣料成分进行配料；使得配制出的渣料的化学成分按重量百分比计包括：CaF₂：68.3％、A1₂O₃：13％、CaO：12％、MgO：3％、TiO₂：3％，其余为杂质，其中，SiO₂的含量占镍基合金用渣系的总含量的0.32％；

(2)将所述配制好的渣料充分混合搅拌，然后放入烘烤炉内加热至750℃，保温烘烤6h，随用随取；

(3)将保温烘烤好的渣料通过加料器均匀加入到氩气保护电渣炉结晶器中，其中，氩气流量为6NL/min，化渣电压为35V，化渣电流为6200A。

(4)待渣料熔化后，在氩气保护电渣炉内重熔Inconel740合金，其中，氩气流量为6NL/min，重熔电压为43V，重熔电流为7800A，熔速为210kg/h；

(5)电渣重熔结束后，将Inconel740合金缓慢冷却出模，模冷时间为2小时。

对制取的Inconel740合金电渣锭中易氧化元素Ti、Al含量进行化学成分分析，其结果如表1所示。从表1中可以看出，电渣锭中Ti、Al含量的头尾偏差分别只有0.08％和0.04％，即头尾偏差较小，可见Ti、Al头尾分布相对比较均匀。此外，Ti、Al的平均烧损率分别为7.65％和6.12％，因而回收率较高。

表1：Inconel740合金电渣锭中的Ti、Al含量

元素	电渣锭头部	电渣锭尾部	头尾偏差	平均值	自耗电极	平均烧损率
							Ti(wt％)	1.85	1.77	0.08	1.81	1.96	7.65％
Al(wt％)	0.94	0.90	0.04	0.92	0.98	6.12％

对Inconel740合金电渣锭中易偏析元素Nb、Ti的偏析系数进行检测计算，结果如表2所示。从表2中可以看出，电渣锭中Nb、Ti的偏析系数均小于2，且微观组织中未发现有害相，因而元素偏析控制较好。

表2Inconel740合金电渣锭中的Nb、Ti的偏析系数

元素

Nb

Ti

枝晶间元素的质量分数(％)	2.77	2.32
			枝晶干元素的质量分数(％)	1.41	1.28
偏析系数	1.96	1.81

对Inconel740合金电渣锭进行质量检验后，锭身表面未发现有渣沟、波纹状和腰带状缺陷、渣金混合等表面质量问题。

实施例2

本实施例的电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金用渣系的化学成分按质量百分比计包括：

CaF₂：66.2％，A1₂O₃：14％，CaO：14％，MgO：3％，TiO₂：2％，其余为杂质，其中，SiO₂的含量占镍基合金用渣系总含量的0.36％。所述镍基合金用渣系的熔化温度为1233℃；在1600℃温度下，所述镍基合金用渣系的电阻率为0.26Ω·cm，黏度为0.041Pa·s。

电渣重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金为GH4700，该合金熔点为1298℃～1370℃。结晶器直径为350mm，渣料质量为38kg。

所述镍基合金用渣系的具体使用方法如下：

(1)采用原材料精料按照上述设定的渣料成分进行配料，其中，所述镍基合金用渣系的化学成分按质量百分比计包括：CaF₂：66.2％，A1₂O₃：14％，CaO：14％，MgO：3％，TiO₂：2％，其余为杂质，其中，SiO₂的含量占镍基合金用渣系总含量的0.36％。；

(2)将配制好的渣料充分混合搅拌，然后放入烘烤炉内加热至750℃，保温烘烤5h，随用随取；

(3)将保温烘烤好的渣料通过加料器均匀加入到氩气保护电渣炉结晶器中，氩气流量为6NL/min，化渣电压为36V，化渣电流为6300A。

(4)待渣料熔化后，在氩气保护电渣炉内重熔GH4700合金，其中，氩气流量为6NL/min，重熔电压为45V，重熔电流为7900A，熔速为245kg/h。

(5)电渣重熔结束后，将GH4700合金缓慢冷却出模，模冷时间为1.5小时。

对GH4700合金电渣锭中的易氧化元素Ti、Al的含量进行化学成分分析，其结果如表3所示。从表3中可以看出，电渣锭中的Ti、Al含量的头尾偏差只有0.04％，即头尾偏差较小，可见Ti、Al头尾分布均匀。此外，Ti、Al的平均烧损率分别为5.08％和5.41％，因而回收率较高。

表3GH4700合金电渣锭中的Ti、Al含量

元素	电渣锭头部	电渣锭尾部	头尾偏差	平均值	自耗电极	平均烧损率
							Ti(wt％)	1.70	1.66	0.04	1.68	1.77	5.08％
Al(wt％)	1.42	1.38	0.04	1.40	1.48	5.41％

对GH4700合金电渣锭中的易偏析元素Nb、Ti的偏析系数进行检测计算，结果如表4所示。从表4中可以看出，电渣锭中Nb、Ti的偏析系数均小于2，且微观组织中未发现有害相，因而元素偏析控制较好。

表4GH4700合金电渣锭中的Nb、Ti的偏析系数

元素	Nb	Ti
			枝晶间元素的质量分数(％)	2.16	2.12
枝晶干元素的质量分数(％)	1.16	1.25
			偏析系数	1.86	1.70

对GH4700合金电渣锭进行质量检验后，锭身表面未发现有渣沟、波纹状和腰带状缺陷、渣金混合等表面缺陷。

Claims (5)

1.一种电渣重熔制备镍基合金用的渣系，其特征在于，所述渣系的化学成分按质量百分比计包括：CaF₂：65％～70％、Al₂O₃：10％～16％、CaO：10％～16％、MgO：2～5％、TiO₂：2～5％，其余为杂质，其中，杂质的含量不大于0.8％，且杂质中SiO₂≤0.4％。

2.根据权利要求1所述的渣系，其特征在于，所述渣系的熔化温度为1225℃～1240℃。

3.根据权利要求1所述的镍基合金用渣系，其特征在于，所述渣系在1600℃时的电阻率为0.24Ω·cm～0.28Ω·cm。

4.根据权利要求1所述的镍基合金用渣系，其特征在于，所述渣系在1600℃时的黏度为0.03Pa·s～0.05Pa·s。

5.一种使用电渣重熔制备镍基合金用的渣系的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)采用原材料精料进行配料，以配制出渣料，其中，渣料化学成分按质量百分比计包括：CaF₂：65％～70％、Al₂O₃：10％～16％、CaO：10％～16％、MgO：2％～5％、TiO₂：2％～5％，其余为杂质，其中，杂质的含量不大于0.8％，且杂质中SiO₂≤0.4％；

(2)将配制好的渣料充分混合搅拌，然后放入烘烤炉内加热至750℃，保温烘烤至少5h，随用随取；

(3)将保温烘烤好的渣料通过加料器均匀地加入到氩气保护电渣炉结晶器中进行加热化渣操作，其中，氩气流量为5NL/min～8NL/min，化渣电压为33V～38V，化渣电流为5800A～6500A；

(4)待渣料熔化后，在氩气保护电渣炉内重熔700℃先进超超临界燃煤锅炉镍基合金，其中，氩气流量为5NL/min～8NL/min，重熔电压为40V～45V，重熔电流为7500A～8000A；熔速由电渣炉结晶器尺寸确定：v＝(0.7～0.8)·D，其中：v：熔速，kg/h；D：电渣炉结晶器直径，mm；

(5)电渣重熔结束后，使镍基合金缓慢冷却出模，模冷时间至少1小时。