九銘特鋼高溫合金718的電渣力學資訊

Inconel 718高溫合金因其*的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、強度高等特點被廣泛應(yīng)用在航空、航天、石油、電力、化工、能源等苛刻環(huán)境中。然而,硫元素作為Inconel 718高溫合金中的雜質(zhì)元素,硫會降低Inconel 718合金的蠕變抗力,硫極易在鎳基高溫合金晶界和表面處偏聚,造成合金的高溫下持久壽命和工作穩(wěn)定性降低,如何精確控制Inconel 718高溫合金中的硫含量,對提高材料的高溫穩(wěn)定性以及高溫持久壽命至關(guān)重要。為此本課題基于Inconel 718高溫合金電渣重熔過程中脫硫熱力學和動力學展開研究,明確降低高溫合金中硫含量的有利條件,闡明電渣重熔過程中渣系組元對脫硫的影響規(guī)律以及界面脫硫傳質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)和界面脫硫速率,探究限制電渣重熔過程中脫硫的因素。本課題利用熔渣結(jié)構(gòu)的分子與離子共存理論、質(zhì)量守恒定律以及質(zhì)量作用定律建立CaF_2-CaO-Al_2O_3-SiO_2-TiO_2-MgO-FeO渣系組元的質(zhì)量作用濃度控制方程,進而構(gòu)建電渣重熔過程中脫硫的熱力學模型,研究不同渣系條件下渣-金間硫的分配比;其次,利用菲克第二定律、滲透理論以及薄膜理論建立界面脫硫的動力學模型,研究不同溫度下界面處硫的傳質(zhì)系數(shù)以及界面脫硫傳質(zhì)速率,明確溫度與界面脫硫傳質(zhì)速率之間的函數(shù)關(guān)系。研究結(jié)果表明,利用[Fe]-[O]平衡和[Fe]-[Al]-[O]平衡建立了七元渣系CaF_2-CaO-Al_2O_3-SiO_2-TiO_2-MgO-FeO的質(zhì)量濃度控制方程,構(gòu)建了熔渣脫硫的熱力學模型。通過實驗對模型進行了驗證,實驗表明:基于[Fe]-[Al]-[O]平衡建立的脫硫熱力學模型優(yōu)于基于[Fe]-[O]平衡建立的脫硫熱力學模型,能更準確地反映熔渣的脫硫能力。七元渣系CaF_2-CaO-Al_2O_3-SiO_2-TiO_2-MgO-FeO中組元CaO、CaF_2、MgO可以提高硫的分配比,增強熔渣的脫硫能力;組元Al_2O_3、SiO_2、TiO_2、FeO可以降低硫的分配比,抑制熔渣的脫硫。當FeO含量在0.4%~1%之間時,熔渣中的部分FeO會與渣中的Al_2O_3、SiO_2以及CaO等結(jié)合形成FeO·Al_2O_3、2FeO·SiO_2、CaO·FeO·SiO_2等復雜分子,降低了FeO的活度,減小了FeO含量對硫分配比的影響。根據(jù)界面脫硫傳質(zhì)動力學的研究,隨著溫度從1833K升高到1873K,金屬相與渣相接觸界面的脫硫傳質(zhì)速率從3.48×10~(-7)mol/cm~3·s升高到3.69×10~(-7)mol/cm~3·s,通過擬合得出界面脫硫傳質(zhì)速率隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系式為:C=0.0055T-6.56。 隨著我國航空發(fā)動機和先進超超臨界高壓鍋爐的發(fā)展，對高溫合金718的高溫強度、抗蠕變斷裂及耐蝕性能的要求越來越高。傳統(tǒng)的奧氏體耐熱鋼等材料已無法實際生產(chǎn)需求，鎳基高溫合金是制作上述合金管材的理想材料。鎳基高溫合金是指以鎳為基體(鎳含量一般大于50％)在650～1000℃范圍內(nèi)具有較高的強度和良好的耐高溫、耐氧化和耐腐蝕性能的高溫合金。

九銘特鋼鎳基高溫合金作為一種優(yōu)良的高溫合金718材料在航空、和工業(yè)用燃氣輪機的渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤等高溫部件上有廣泛應(yīng)用，然而鎳基合金具有較高的熱變形抗力和較差的熱塑性，因此鎳基合金管材的生產(chǎn)具有相當難度。傳統(tǒng)的鎳基合金管材的生產(chǎn)工藝需要經(jīng)過鍛造、沖孔、擴孔、拔長等多道工序，這種工藝不僅加工難度大、廢品率高、難以保證管坯的質(zhì)量，而且材料利用率低造成成本大幅提高。電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠為管坯的生產(chǎn)直接提供空心鋼錠，省去鐓粗和沖孔兩道工序，具有減少鍛造火次，提高合金材料的利用率等優(yōu)點。此舉可大幅減少鎳基高溫合金管坯的生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本。據(jù)統(tǒng)計，使用空心鋼錠直接生產(chǎn)筒形大鍛件可節(jié)約材料費30％、加熱費50％、鍛造費30％。因此，電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠的新技術(shù)應(yīng)運而生。

九銘特鋼由于高溫合金718鎳基高溫合金中含有一定量的易氧化元素如Al、Ti等，這就需要電渣重熔渣系具有防止易氧化元素燒損的作用；同時，電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠采用的是抽錠工藝，內(nèi)外結(jié)晶器的同時冷卻使鋼錠的冷卻強度大，抽錠速度也要相應(yīng)提高，這就要求渣系具有較高的高溫塑性和強度，防止漏鋼和漏渣事故的發(fā)生；抽錠過程中，鋼錠和結(jié)晶器保持相對運動，渣金界面溫度場波動，對渣皮厚度的均勻性將產(chǎn)生不利影響，這就要求抽錠渣系具有適當?shù)娜埸c，高溫合金718適當?shù)偷酿ざ燃傲己玫酿ざ确€(wěn)定性，同時，還要求渣系具有一定的潤滑能力。而傳統(tǒng)的電渣重熔渣系，如70％CaF2+30％Al2O3、60％CaF2+20％CaO+20％Al2O3等通用渣系均無法上述需求。現(xiàn)有的高溫合金渣系，如德國瓦克公司生產(chǎn)的S2059(CaF2:48±3％，Al2O3：22±2％，CaO：20±2％，MgO：5.0±0.8％，TiO2：3.0±0.6％，SiO2：≤0.6％)，雖然適合于部分含鋁鈦的高溫合金Inconel718，但由于其SiO2≤0.6％，屬于“短渣”，渣皮不具有塑性特征，在抽錠過程中潤滑效果差，只適合于固定式結(jié)晶器，不適合作為抽錠渣系。而現(xiàn)有的抽錠渣系，由于渣中SiO2較高(大于3-5％，甚至更高)，不適于含鋁鈦的高溫合金，會導致鋁鈦的大量燒損，也不適合高溫合金的抽錠電渣重熔過程。因此，開發(fā)出適合電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用的渣系是目前亟待解決的問題。

九銘特鋼高溫合金718的電渣力學資訊
高溫合金718技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對目前工藝中傳統(tǒng)電渣重熔渣系的不足，本發(fā)明的目的是提供一種適用于抽錠式電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠渣系。通過對渣系成分的設(shè)計，可有效減少Al、Ti等易氧化元素的燒損，保證渣系具有較高的高溫塑性和強度，防止漏鋼和漏渣事故的發(fā)生；同時，還能使渣系具有長渣的性質(zhì)，在抽錠過程中有良好的黏度穩(wěn)定性，同時起到潤滑作用，減少鑄錠和結(jié)晶器之間的摩擦力，防止鋼錠表面產(chǎn)生結(jié)疤和重皮等缺陷。

九銘特鋼為達到本發(fā)明的目的，本發(fā)明的一種電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用渣系的組成和質(zhì)量百分數(shù)為：CaF2:42±3％，Al2O3：20±2％，CaO：30±2％，MgO：2.0±1.0％，TiO2：4.0±1.0％，SiO2：2.0±1.0％。

優(yōu)選的，所述渣系中CaO/SiO2≥10。

再優(yōu)選的，所述的高溫合金718的成分范圍為：C＝0.08，Si＝0.35，Mn＝0.35，S＝0.015，P＝0.015，Cr＝17.0～21.0，Ni＝50.0～55.0，Mo＝2.8～3.3，Co＝1，Al＝0.2～0.8，Ti＝0.65～1.15，Cu＝0.3，余量為Fe。

再優(yōu)選的，所述的高溫合金718的成分范圍為：C≤0.10，Si≤0.5，Mn≤0.5，S＝0.015，P≤0.015，Cr＝20.0～23.0，Ni為余量，Mo＝8.0～10.0，Co＝3.15～4.15，Al≤0.4，Ti≤0.4。

再優(yōu)選的，所述的高溫合金718的成分范圍為：C＝0.10，Si≤1.0，Mn≤1.5，S＝0.015，Cr＝19.0～23.0，Ni＝30.0～35.0，Al＝0.15～0.60，Ti＝0.15～0.60，Cu≤0.75，F(xiàn)e≥39.5。

再優(yōu)選的，所述的鎳基合金的成分范圍為：C≤0.03，Si≤0.5，Mn≤1.0，S≤0.03，P≤0.03，Cr＝19.5～23.5，Ni＝42～46，Mo＝2.5～3.5，Al＝0.15～0.50，Ti＝1.9～2.4，Cu＝1.5～3.0，F(xiàn)e＝19.5～30.8。

九銘特鋼根據(jù)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明的一種電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用渣系的制備方法包括如下步驟：

將原料按照上述比例混合后攪拌均勻，在電弧爐內(nèi)熔化，并在1550～1580℃下精煉≥30分鐘；

將精煉后的渣液澆鑄到鑄鐵盤內(nèi)冷卻至室溫；以及

采用破碎機粉碎并篩出粒度為1～10mm的部分，制成電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用的預熔渣。

九銘特鋼本高溫合金718發(fā)明的電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用渣系，通過調(diào)整渣系成分，不僅使熔渣的黏度隨溫度下降變化平緩，而且還能提高熔渣的高溫塑性和強度，防止漏鋼和漏渣事故的發(fā)生，有利于抽錠過程的順利進行。同時，為了抑制Al、Ti等易氧化元素的燒損，在熔渣中添加較高量的CaO降低熔渣中SiO2的活度，同時還添加適量的TiO2，保證凝固鑄錠的成分合格。

附圖說明

九銘特鋼通過下面結(jié)合附圖的詳細描述，本發(fā)明前述的和其他的目的、特征和優(yōu)點將變得顯而易見。其中：

圖1所示為本發(fā)明的一種電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用渣系的制備方法工藝流程圖。

具體實施方式

九銘特鋼本發(fā)明的一種電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用渣系的組成和質(zhì)量百分數(shù)為：CaF2:42±3％，Al2O3：20±2％，CaO：30±2％，MgO：2.0±1.0％，TiO2：4.0±1.0％，SiO2：2.0±1.0％，將上述原料按照圖1所示的制備方法制成。制成的所述渣系適用于Inconel718、Inconel625、Incoloy800、Incoloy925鎳基高溫合金的冶煉，其中Inconel718鎳基合金的成分范圍為：C＝0.08，Si＝0.35，Mn＝0.35，S＝0.015，P＝0.015，Cr＝17.0～21.0，Ni＝50.0～55.0，Mo＝2.8～3.3，Co＝1，Al＝0.2～0.8，Ti＝0.65～1.15，Cu＝0.3，余量為Fe；Inconel625鎳基合金的成分范圍為：C≤0.10，Si≤0.5，Mn≤0.5，S＝0.015，P≤0.015，Cr＝20.0～23.0，Ni為余量，Mo＝8.0～10.0，Co＝3.15～4.15，Al≤0.4，Ti≤0.4；Incoloy800鎳基的成分范圍為：C＝0.10，Si≤1.0，Mn≤1.5，S＝0.015，Cr＝19.0～23.0，Ni＝30.0～35.0，Al＝0.15～0.60，Ti＝0.15～0.60，Cu≤0.75，F(xiàn)e≥39.5；Incoloy925鎳基合金的成分范圍為：C≤0.03，Si≤0.5，Mn≤1.0，S≤0.03，P≤0.03，Cr＝19.5～23.5，Ni＝42～46，Mo＝2.5～3.5，Al＝0.15～0.50，Ti＝1.9～2.4，Cu＝1.5～3.0，F(xiàn)e＝19.5～30.8。

針對高溫合金718電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠渣系采用抽錠工藝的特點，本發(fā)明在渣系中添加了適量的SiO2。這是因為在電渣重熔過程中，SiO2作為酸性氧化物能形成復雜的陰離子團，抑制熔渣冷卻過程中礦相的析出，使熔渣的黏度隨溫度下降變化平緩，具有良好的黏度穩(wěn)定性，具備長渣的特性。此外，添加SiO2還能提高熔渣的高溫塑性和強度，在抽錠時渣皮不容易破裂，有利于抽錠過程的順利進行。

九銘特鋼Inconel718、Inconel625、Incoloy800、Incoloy925鎳基高溫合金中含有Al、Ti等易氧化元素，為了抑制Al、Ti元素的燒損，本發(fā)明添加適量的TiO2，同時添加較高量的CaO，使二元堿度CaO/SiO2≥10，降低熔渣中SiO2的活度。研究表明，當熔渣中含有SiO2時，Al、Ti會發(fā)生下列反應(yīng)：

4[Al]+3(SiO2)＝3[Si]+2(Al2O3)

[Ti]+(SiO2)＝[Si]+(TiO2)

熔渣中加入較高量的CaO時，高溫合金718能顯著降低熔渣中SiO2的活度，同時又由于熔渣中加入了Al2O3和TiO2，所以能抑制上述反應(yīng)的正向進行，防止Al、Ti元素的燒損。

本發(fā)明的電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用渣系的使用方法為：首先將預熔的電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用渣系在化渣爐內(nèi)熔化制成液態(tài)爐渣，當熔渣熔清后澆到內(nèi)外結(jié)晶器之間的空腔中，然后開啟電渣爐的電源，將由鎳基高溫合金制作的自耗電極插入到液態(tài)熔渣中，自耗電極與熔渣和底水箱構(gòu)成閉合回路，抽錠式電渣重熔高溫合金空心鋼錠過程正式開始進行。

下面結(jié)合實施例詳細說明本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的具體實施方式不局限于下述的實施例。

九銘特鋼實施例1

采用螢石、石灰、工業(yè)氧化鋁、電熔鎂砂、硅石和二氧化鈦為原料，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(nèi)熔化，并在1550～1580℃下精煉至少30分鐘；然后澆鑄到鑄鐵盤內(nèi)冷卻至室溫，并采用破碎機粉碎篩出粒度為1～10mm的部分，制成上述成分含量的電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用的預熔渣供電渣爐使用。

采用上述制備的預熔渣，熔煉Inconel718鎳基高溫合金空心鋼錠的具體步驟是：首先將上述制備的預熔渣在600～700℃下烘烤4小時，然后置于化渣爐內(nèi)通電熔化，當熔渣熔清后關(guān)閉化渣爐電源，將熔渣澆到內(nèi)外結(jié)晶器之間的空腔內(nèi)；然后開啟電渣爐的電源，設(shè)定合適的電壓和電流，將由Inconel718鎳基高溫合金制作的自耗電極插入渣池中，自耗電極與熔渣和底水箱構(gòu)成閉合回路，抽錠式電渣重熔Inconel718鎳基高溫合金空心鋼錠過程開始進行。當熔化的液態(tài)金屬在結(jié)晶器中的高度約為60mm時，開始抽錠。

九銘特鋼結(jié)晶器尺寸和具體的工藝參數(shù)如下：結(jié)晶器為T型結(jié)晶器，內(nèi)外結(jié)晶器的成型段尺寸為Φ500/Φ900mm，自耗電極尺寸為Φ160mm；預熔渣量要保證結(jié)晶器內(nèi)渣池高度為260～280mm，本實施例用量為370kg；電渣爐正常熔煉電壓為65～70V，電流為18～20KA；熔化速率為800～950kg/h；抽錠速度為5～6mm/min；

采用電渣重熔技術(shù)制備的Inconel718鎳基高溫合金空心鋼錠，內(nèi)外表面質(zhì)量良好，無明顯渣溝、結(jié)瘤等缺陷。對空心鋼錠的頭、中、尾取樣進行成分分析，發(fā)現(xiàn)頭、中、尾成分均勻，且均在目標范圍內(nèi)，成分合格。

高溫合金718實施例2

九銘特鋼采用螢石、石灰、工業(yè)氧化鋁、電熔鎂砂、硅石和二氧化鈦為原料，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(nèi)熔化，并在1550～1580℃下精煉至少30分鐘；然后澆鑄到鑄鐵盤內(nèi)冷卻至室溫，并采用破碎機粉碎篩出粒度為1～10mm的部分，制成上述成分含量的電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用的預熔渣供電渣爐使用。

采用上述制備的預熔渣，熔煉Inconel625鎳基高溫合金空心鋼錠的具體步驟是：首先將上述制備的預熔渣在600～700℃下烘烤4小時，然后置于化渣爐內(nèi)通電熔化，當熔渣熔清后關(guān)閉化渣爐電源，將熔渣澆到內(nèi)外結(jié)晶器之間的空腔內(nèi)；然后開啟電渣爐的電源，設(shè)定合適的電壓和電流，將由Inconel625鎳基高溫合金制作的自耗電極插入渣池中，自耗電極與熔渣和底水箱構(gòu)成閉合回路，抽錠式電渣重熔Inconel625鎳基高溫合金空心鋼錠過程開始進行。當熔化的液態(tài)金屬在結(jié)晶器中的高度約為60mm時，開始抽錠。

九銘特鋼結(jié)晶器尺寸和具體的工藝參數(shù)如下：結(jié)晶器為T型結(jié)晶器，內(nèi)外結(jié)晶器成型段尺寸為Φ450/Φ650mm，自耗電極尺寸為Φ160mm；預熔渣量要保證結(jié)晶器內(nèi)渣池高度為260～280mm，本實施例用量為300kg；電渣爐正常熔煉電壓為63～68V，電流為15～18KA；熔化速率為600～700kg/h；抽錠速度為8～10mm/min；

采用電渣重熔技術(shù)制備的Inconel625鎳基高溫合金空心鋼錠，內(nèi)外表面質(zhì)量良好，無明顯渣溝、結(jié)瘤等缺陷。對空心鋼錠的頭、中、尾取樣進行成分分析，發(fā)現(xiàn)頭、中、尾成分均勻，且均在目標范圍內(nèi)，成分合格。

高溫合金718實施例3

采用螢石、石灰、工業(yè)氧化鋁、電熔鎂砂、硅石和二氧化鈦為原料，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(nèi)熔化，并在1550～1580℃下精煉至少30分鐘；然后澆鑄到鑄鐵盤內(nèi)冷卻至室溫，并采用破碎機粉碎篩出粒度為1～10mm的部分，制成上述成分含量的電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用的預熔渣供電渣爐使用。

采用上述制備的預熔渣，熔煉Incoloy800鎳基高溫合金空心鋼錠的具體步驟是：首先將上述制備的預熔渣在600～700℃下烘烤4小時，然后置于化渣爐內(nèi)通電熔化，當熔渣熔清后關(guān)閉化渣爐電源，將熔渣澆到內(nèi)外結(jié)晶器之間的空腔內(nèi)；然后開啟電渣爐的電源，設(shè)定合適的電壓和電流，將由Incoloy800鎳基高溫合金制作的自耗電極插入渣池中，自耗電極與熔渣和底水箱構(gòu)成閉合回路，抽錠式電渣重熔Incoloy800鎳基高溫合金空心鋼錠過程開始進行。當熔化的液態(tài)金屬在結(jié)晶器中的高度約為60mm時，開始抽錠。

九銘特鋼結(jié)晶器尺寸和具體的工藝參數(shù)如下：結(jié)晶器為T型結(jié)晶器，內(nèi)外結(jié)晶器的成型段尺寸為Φ200/Φ900mm，自耗電極尺寸為Φ160mm；預熔渣量要保證結(jié)晶器內(nèi)渣池高度為206～280mm，本實施例用量為500kg；電渣爐正常熔煉電壓為68～71V，電流為22～25KA；熔化速率為750～850kg/h；抽錠速度為3～5mm/min；

采用電渣重熔技術(shù)制備的Incoloy800鎳基高溫合金空心鋼錠，內(nèi)外表面質(zhì)量良好，無明顯渣溝、結(jié)瘤等缺陷。對空心鋼錠的頭、中、尾取樣進行成分分析，發(fā)現(xiàn)頭、中、尾成分均勻，且均在目標范圍內(nèi)，成分合格。

高溫合金718實施例4

九銘特鋼采用螢石、石灰、工業(yè)氧化鋁、電熔鎂砂、硅石和二氧化鈦為原料，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(nèi)熔化，并在1550～1580℃下精煉至少30分鐘；然后澆鑄到鑄鐵盤內(nèi)冷卻至室溫，并采用破碎機粉碎篩出粒度為1～10mm的部分，制成上述成分含量的電渣重熔鎳基高溫合金空心鋼錠用的預熔渣供電渣爐使用。

采用上述制備的預熔渣，熔煉Incoloy925鎳基高溫合金空心鋼錠的具體步驟是：首先將上述制備的預熔渣在600～700℃下烘烤4小時，然后置于化渣爐內(nèi)通電熔化，當熔渣熔清后關(guān)閉化渣爐電源，將熔渣澆到內(nèi)外結(jié)晶器之間的空腔內(nèi)；然后開啟電渣爐的電源，設(shè)定合適的電壓和電流，將由Incoloy925鎳基高溫合金制作的自耗電極插入渣池中，自耗電極與熔渣和底水箱構(gòu)成閉合回路，抽錠式電渣重熔Incoloy925鎳基高溫合金空心鋼錠過程開始進行。當熔化的液態(tài)金屬在結(jié)晶器中的高度約為60mm時，開始抽錠。

九銘特鋼結(jié)晶器尺寸和具體的工藝參數(shù)如下：內(nèi)外結(jié)晶器的尺寸為Φ100/Φ300mm，自耗電極尺寸為Φ55mm；預熔渣量要保證結(jié)晶器內(nèi)渣池高度為100～150mm，本實施例用量為35kg；電渣爐正常熔煉電壓為45～50V，電流為5～6KA；熔化速率為130～180kg/h；抽錠速度為4～6mm/min；

采用電渣重熔技術(shù)制備的Incoloy925鎳基高溫合金空心鋼錠，內(nèi)外表面質(zhì)量良好，無明顯渣溝、結(jié)瘤等缺陷。對空心鋼錠的頭、中、尾取樣進行成分分析，發(fā)現(xiàn)頭、中、尾成分均勻，且均在目標范圍內(nèi)，成分合格。

本發(fā)明并不局限于所述的實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神即公開范圍內(nèi)，仍可作一些修正或改變，故本發(fā)明的權(quán)利保護范圍以權(quán)利要求書限定的范圍為準。