CN106756077A - 一种高温合金电渣重熔用渣系及其使用方法 - Google Patents

一种高温合金电渣重熔用渣系及其使用方法 Download PDF

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张建庭
冯赣江
孙乃荣
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Abstract

本发明提供一种高温合金电渣重熔用渣系，其化学成分的重量百分配比为：CaF2：47‑53％，Al2O3：20‑25％，CaO：17‑22％，MgO：4‑6％，TiO2：1‑3％，HfO2：1‑4％；其余为FeO、C与杂质。采用这种方式，添加1‑4％的HfO2，抑制铪元素的烧损，防止电渣钢锭头尾铪元素的成分偏差，使用该渣系重熔高温合金，Al、Ti、Hf等回收率高，均达到92至98％，用该渣系冶炼的高温合金钢锭表面质量好，无渣沟缺陷；重熔过程熔速稳定，减小了铪元素的偏析程度，提高铪的收得率。

Description

一种高温合金电渣重熔用渣系及其使用方法
技术领域
本发明涉及电渣重熔领域，更具体的说，涉及一种高温合金电渣重熔用渣系及其使用方法。
背景技术
目前在先进的航空发动机中，粉末高温合金由于在高温下表现出一系列优越的性能而成为制造高推重比、低油耗航空发动机关键热端部件涡轮盘的首选材料。Hf作为一种特殊的微量元素，可以进入γ’相和MC碳化物，改变合金元素Ti、Cr、W、Mo在合金相间的分配，促进γ’的高温稳定性。因此从欧美国家在研制三代粉末高温合金的成分优化设计上，随着合金化程度的不断提高，均采用加入Hf作为全面提高合金性能的重要合金化手段。
在粉末高温合金领域，俄罗斯粉末高温合金采用VIM或VIM+VAR双联熔炼工艺；美国粉末高温合金采用VIM+ESR+VAR三联熔炼工艺；而到目前为止我国粉末温合基本采用VIM单炼工艺，这是导致我国粉末涡轮盘纯净度尚未达到国际先进水平的主要原因之一。北京航空材料研究院采用VIM+ESR双联工艺熔炼粉末高温合金FGH96的研究结果表明，双联工艺改善了母合金的纯净度，降低了非金属夹杂物的数量，减小了夹杂物的尺寸，对性能的提升有极大的改善。因此采用双联及三联工艺制备粉末母合金可极大提高涡轮盘的性能。
电渣重熔(ESR)可以看做用电加热熔渣进行精炼金属的方法，其中渣系、配比和渣量的选择对尤为关键。目前重熔电渣主要成分为CaF2、CaO、MgO、Al2O3、SiO2以及TiO2等，所使用的工业原料为萤石、石灰、镁砂、工业氧化铝、石英砂、钛白粉。根据重熔钢锭的成分对其进行三元、四元甚至五元的配比。电渣重熔含Ti钢和含Mg钢等特殊用钢，常常在渣中加入一定量的TiO2或MgO，从而达到抑制钢中钛或镁的烧损，提高其收得率的目的。美国G.K.巴特(Bhat)采用70％CaF2－20％Al2O3－10％TiO2渣重熔含Ni18％的马氏体时效钢。日本重熔A286高温合金采用渣55％CaF2+35％Al2O3+10％TiO2，用50％CaF2+20％CaO+20％Al2O3+10％TiO2渣重熔CTSUS321钢，Ti收得率>90％。国内的研究者也研究了类似的五元渣系，有效地降低了Ti及Mg和稀土元素在特殊钢中的偏析。
国内关于含铪高温合金电渣工艺的研究基本还是空白，采用现有的五元渣系(CaF2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2)对含铪高温合金进行电渣重熔，虽然Al、Ti的偏析得到了控制，但是元素铪在电极棒上中下三部位会出现不同程度的偏析，其偏析程度大于60％，对合金的高温力学性能产生极大的不利影响。
因此，如何解决含铪高温合金在电渣重熔过程中铪元素的偏析问题，减小偏析程度，提高铪的收得率，成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种高温合金电渣重熔用渣系及其使用方法，以解决含铪高温合金在电渣重熔过程中铪元素的偏析问题，减小偏析程度，提高铪的收得率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种高温合金电渣重熔用渣系，其化学成分的重量百分配比为：
CaF2：47-53％，Al2O3：20-25％，CaO：17-22％，MgO：4-6％，TiO2：1-3％，HfO2：1-4％；
其余为FeO、C与杂质。
优选的，所述渣系中，以重量百分比计：FeO≤0.2％，C≤0.025％。
一种如上述的一种高温合金电渣重熔用渣系的使用方法，包括：
步骤一、对渣系进行预熔或提纯，使渣系中的FeO≤0.2％，C≤0.025％；
步骤二、将提纯后的渣系在烘烤炉内加热；
步骤三、在引弧盒内放置0.5±0.1kg步骤二中得到的渣系，并与同种的高温合金车屑0.5±0.1kg混在一起；
步骤四、在底结晶器上引弧盒周围放置步骤三中的总渣量10±1％的渣系，将剩余渣系放在自动喂渣器中，向保护罩内通入氩气进行保护熔炼；
步骤五、送电下降电极引弧不少于5分钟，将喂渣器中的渣系均匀加入结晶器中，其中化渣电压20-50V，电流6000-10000A，加渣时间15-30 分钟；
步骤六、渣系化清后，进入熔化期，精确控制熔速；
步骤七、熔炼结束后，钢锭冷却时间大于40min后脱模继续罩冷24h。
优选的，步骤二中的加热温度为700-750℃，加热时间不小于4小时。
优选的，步骤四通入氩气的流量为3-5L/min。
优选的，步骤六中熔速具体为：V＝(0.5-0.6)D，其中，V为熔速，单位kg/h；D为结晶器或钢锭的直径，单位mm。
本发明中的高温合金电渣重熔用渣系由于其化学成分的重量百分配比为：CaF2：47-53％，Al2O3：20-25％，CaO：17-22％，MgO：4-6％，TiO2：1-3％，HfO2：1-4％；其余为FeO、C与杂质。采用这种方式，添加1-4％的HfO2，抑制铪元素的烧损，防止电渣钢锭头尾铪元素的成分偏差，使用该渣系重熔高温合金，Al、Ti、Hf等回收率高，均达到92至98％，用该渣系冶炼的高温合金钢锭表面质量好，无渣沟缺陷；重熔过程熔速稳定，熔速波动小于0.1kg/min，减小了铪元素的偏析程度，提高铪的收得率。
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，对本发明的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例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。
本发明公开一种高温合金电渣重熔用渣系，其化学成分的重量百分配比为：
CaF2：47-53％，Al2O3：20-25％，CaO：17-22％，MgO：4-6％，TiO2：1-3％，HfO2：1-4％；
其余为FeO、C与杂质。
本实施例中，渣系的重量(或质量)百分比具体配比可以是例如：
CaF2：47％，Al2O3：20％，CaO：17％，MgO：4％，TiO2：1％，HfO2：1％；其余为FeO、C与杂质。这种配比中FeO、C与其他杂质会较多，提纯或熔炼时需要去除更多的FeO、C与其他杂质。
本实施例中，渣系的重量(或质量)百分比具体配比也可以是例如：
CaF2：49％，Al2O3：22.5％，CaO：19.5％，MgO：5％，TiO2：1.5％，HfO2：1.5％；其余为FeO、C与杂质。这种配比FeO、C与其他杂质会较少一些，提纯或熔炼时更加有利。
本实施例中，渣系的重量(或质量)百分比具体配比也可以是例如：
CaF2：50％，Al2O3：21.2％，CaO：18％，MgO：4.5％，TiO2：1.5％，HfO2：4％；其余为FeO、C与杂质。这种配比FeO、C与其他杂质会较少一些，提纯或熔炼时更加有利。
本实施例中，渣系的重量(或质量)百分比具体配比也可以是例如：
CaF2：51％，Al2O3：20.1％，CaO：17.5％，MgO：5.1％，TiO2：3％，HfO2：2.5％；其余为FeO、C与杂质。这种配比FeO、C与其他杂质会较少一些，提纯或熔炼时更加有利。
当然，本实施例中各成分的配比在本实施例中限定的范围即可，并不具体限定成分的百分比。
为了更加有利于提纯或熔炼，所述渣系中，以重量百分比计：FeO≤0.2％，C≤0.025％。这样杂质会更少，有利于提纯。
根据本发明的一种实施例，一种如上述的一种高温合金电渣重熔用渣系的使用方法，可以对上述任一一种配比的渣系进行处理，包括：
步骤一、对渣系进行预熔或提纯，使渣系中的FeO≤0.2％，C≤0.025％；
步骤二、将提纯后的渣系在烘烤炉内加热；
步骤三、在引弧盒内放置0.5±0.1kg步骤二中得到的渣系，并与同种的高温合金车屑0.5±0.1kg混在一起；
步骤四、在底结晶器上引弧盒周围放置步骤三中的总渣量10±1％的渣系，将剩余渣系放在自动喂渣器中，向保护罩内通入氩气进行保护熔炼；
步骤五、送电下降电极引弧不少于5分钟，将喂渣器中的渣系均匀加入结晶器中，其中化渣电压20-50V，电流6000-10000A，加渣时间15-30分钟；
步骤六、渣系化清后，进入熔化期，精确控制熔速；
步骤七、熔炼结束后，钢锭冷却时间大于40min后脱模继续罩冷24h。
采用上述步骤进行处理，添加1-4％的HfO2，抑制铪元素的烧损，防止电渣钢锭头尾铪元素的成分偏差，使用该渣系重熔高温合金，Al、Ti、Hf等回收率高，均达到92至98％，用该渣系冶炼的高温合金钢锭表面质量好，无渣沟缺陷；重熔过程熔速稳定，熔速波动小于±0.1kg/min，减小了铪元素的偏析程度，提高铪的收得率。
本实施中，步骤二中的加热温度为700-750℃，加热时间不小于4小时。这样可以更好的进行提纯。
本实施中，步骤四通入氩气的流量为3-5L/min。采用这种流动速度可以保护渣系，并且节省氩气，经济性更好。
本实施中，步骤六中熔速具体为：V＝(0.5-0.6)D，其中，V为熔速，单位kg/h；D为结晶器或钢锭的直径，单位mm。这样就可以根据具体的结晶器或钢锭调整熔速，方便处理。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高温合金电渣重熔用渣系，其化学成分的重量百分配比为：
CaF2：47-53％，Al2O3：20-25％，CaO：17-22％，MgO：4-6％，TiO2：1-3％，HfO2：1-4％；
其余为FeO、C与杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高温合金电渣重熔用渣系，其特征在于，所述渣系中，以重量百分比计：FeO≤0.2％，C≤0.025％。
3.一种如权利要求1或2所述的一种高温合金电渣重熔用渣系的使用方法，其特征在于，包括：
步骤一、对渣系进行预熔或提纯，使渣系中的FeO≤0.2％，C≤0.025％；
步骤二、将提纯后的渣系在烘烤炉内加热；
步骤三、在引弧盒内放置0.5±0.1kg步骤二中得到的渣系，并与同种的高温合金车屑0.5±0.1kg混在一起；
步骤四、在底结晶器上引弧盒周围放置步骤三中的总渣量10±1％的渣系，将剩余渣系放在自动喂渣器中，向保护罩内通入氩气进行保护熔炼；
步骤五、送电下降电极引弧不少于5分钟，将喂渣器中的渣系均匀加入结晶器中，其中化渣电压20-50V，电流6000-10000A，加渣时间15-30分钟；
步骤六、渣系化清后，进入熔化期，精确控制熔速；
步骤七、熔炼结束后，钢锭冷却时间大于40min后脱模继续罩冷24h。
4.根据权利要求3所述的一种高温合金电渣重熔用渣系的使用方法，其特征在于，步骤二中的加热温度为700-750℃，加热时间不小于4小时。
5.根据权利要求3所述的一种高温合金电渣重熔用渣系的使用方法，其特征在于，步骤四通入氩气的流量为3-5L/min。
6.根据权利要求3所述的一种高温合金电渣重熔用渣系的使用方法，其特征在于，步骤六中熔速具体为：V＝(0.5-0.6)D，其中，V为熔速，单位kg/h；D为结晶器或钢锭的直径，单位mm。
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