电弧炉熔炼工艺优化方案

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：表5-4列出了L920P15型真空电弧炉熔炼不同直径的镍基高温合金铸锭所采用的工艺参数。表5-4 镍基高温合金的真空电弧炉熔炼工艺参数对于小尺寸GH4413合金锭，不能按表5-4提供的参数来重熔。采用L700P7型真空电弧炉熔炼，电子秤实时显示自耗电极的质量，在熔炼过程中可准确控制熔化速率。

1.非真空电弧炉熔炼工艺

非真空电弧炉一般以精料为原材料，杂质含量越低越好，各合金元素按照中限或中上限配料。而Al和Ti配入量较复杂，它们的烧损量与加入量、返回料的比例、渣况、温度等有关，应视合金具体情况而定。电弧炉熔炼过程包括装料、熔化、精炼和浇注等环节。

（1）装料

装料之前先配料，合金元素的配料原则可参照5.2节。装料方式对熔化时间、合金元素的烧损程度和炉体寿命的影响很大。装料速度要快，以减少热损失。炉料有大、中、小料和轻薄料之分。装料时按一定比例一次加入。炉料在铁包内的装入顺序为，底部先放薄板（或镍板）铺平，上面放大块切头、中间合金，然后装板坯，最上面放镍板。炉料装料顺序一般为，加适量白灰（15～20kg/t和萤石10～15kg/t）作造渣材料；金属Cr倒在渣料上面的炉体中部；难熔金属W、钨铁、钼铁等装到高温区；Al块和Ti装在炉坡处，不能放在电极下；最上层装轻薄料。装料力求平整、致密，保持炉料良好的导电性，又要杜绝炉料架桥以防止塌料折断电极。

（2）熔化

熔化期的主要目的是利用低温溢渣脱磷。熔化期耗电量大（耗电总量的60%～70%），时间长（整个熔炼时间的一半以上），缩短熔化期是实现优质高产的重要环节。通电后要大功率快速熔化，当炉料熔化70%～80%左右时要补加一定量的渣料，保证渣料的质量分数为4%～5%，使熔体具有良好的流动性。易烧损的金属及铁合金可在熔化末期加入，熔化期要勤测温勤搅拌。

（3）精炼

精炼的目的是脱氧、合金化、调整熔体温度。

最大限度地降低合金中的O含量是提高镍基合金熔炼质量的关键。电弧炉熔炼镍基合金一般采用扩散脱氧和沉淀脱氧相结合的复合脱氧法。在扩散脱氧中，对含Al、Ti的合金多采用Al粉作脱氧剂，不含Al、Ti的合金则用Ca-Si粉脱氧；脱氧剂加入前应充分搅拌熔体，脱氧剂按用量与白石灰混合后按批次撒在渣面上。以3t的电弧炉为例，前五批扩散脱氧剂每批用量为5～8kg/t，后3～4批为3kg/t。批间隔时间一般为5min。脱氧剂总用量为60kg左右，批次为10～13批。沉淀脱氧一般是将脱氧剂插入熔体，常用的脱氧剂有Ca-Si块、Ca块、Al-Ba等。精炼期要注意渣色是否变白或变灰白，适时调整熔渣的流动性，防止过稠或过稀，以利于白渣顺畅析出。

常根据合金元素的种类、加入量、物理特性来确定合金元素的加入时机。精炼期加入的合金料应尽可能的少，与氧亲和力小的元素在装料或熔化期加入，与氧亲和力大的元素要按一定顺序在精炼期加入。Al、Ti、B、Ce、Ba则在浇注前加入，Al和B密度小，应采取适当的措施加入熔体中，Ce和Ba等用Al箔包好迅速插入熔体。合金化阶段必须加强搅拌而且经常取样分析合金成分。

正确控制精炼期的温度对于提高合金的质量和产量、降低各种原料的消耗有重要意义。温度过高，耗电量增加，还原难以控制，脱氧剂的脱氧能力降低；熔体吸气量增大，杂质含量升高；炉衬的使用寿命降低，耐火材料消耗增加。温度过低，熔体粘度大，不利于合金成分的均匀化，而且阻碍夹杂物的上浮和排除，浇注时也容易形成疏松缺陷。

（4）浇注

精炼一定时间后，当合金成分合格、熔体温度合适、炉渣流动性良好时即可浇注。浇注时熔体要与熔渣同出。浇注过程要在氩气保护下进行，以防止发生二次氧化。一些镍基合金的成分比较复杂，熔点较低，为减少偏析，浇注温度要低。

2.真空电弧炉熔炼工艺

（1）自耗电极焊接

熔炼前要在真空或氩气保护下把电极牢固地焊接在过渡电极上，焊接面积不得小于电极截面的2/3，焊缝不能有氧化现象。正常情况下采用大电流、短弧、短时间快速焊接。焊接后过渡电极与自耗电极的轴心必须在一条直线上。

例如，GH4413镍基高温合金经真空感应电炉熔炼浇注成φ200mm电极棒，在L700P7型真空电弧炉上重熔，当真空度达到0.8Pa时进行电极棒焊接，电压为22V，电流为2.5kA。

（2）引弧

在水冷底盘中心放一个与自耗电极成分相同、厚20～30mm的底垫，在底垫上放一些车屑，以便引弧。同时防止电极与圆饼焊接。空载电压45～50V，自耗电极与金属间距20～30mm，电极与金属屑瞬时接触，接触处的大电阻产生足够的热量熔断接触点，促使电子热发射和自发射这两级间燃起电弧。熔池形成后的一段时间内电流可调至正常工作电流的1.1～1.2倍，以消除铸锭底部的疏松和气孔。以短弧进行正常熔炼，电弧电压为22～26V。

对于GH4413合金，待真空度达到0.4Pa时起弧，起弧电压26V，电流4.3kA，形成电弧后，电压调至25V，电流调到4.1kA。

（3）熔炼

熔炼期的工艺制度直接关系到重熔锭的质量，必须合理控制电流、电压、熔化速率和冷却速度。在熔炼的开始阶段以控制电压为主，熔炼阶段以控制熔滴为主。表5-4列出了L920P15型真空电弧炉熔炼不同直径的镍基高温合金铸锭所采用的工艺参数。

表5-4 镍基高温合金的真空电弧炉熔炼工艺参数

对于小尺寸GH4413合金锭（φ250mm×1200mm，重量仅380kg），不能按表5-4提供的参数来重熔。其正常熔炼的电压在24～25V范围内，电流为4100A。

GH4698合金为难变形镍基高温合金，新型燃气轮机涡轮盘的直径在1200mm左右。重熔锭直径达610～660mm。由于合金中合金元素种类多，合金化程度高，大直径锭中的Nb、Mo等元素容易偏析。采用L700P7型真空电弧炉熔炼，电子秤实时显示自耗电极的质量，在熔炼过程中可准确控制熔化速率。以低熔速熔炼，以电弧能达到边缘的最低熔化速率为最佳；用低电压低电流供电；采用短弧操作，弧长15mm左右，这样可加大电弧对金属熔池的冲击，有利于金属熔池的翻腾，从而促进低密度夹杂物浮出并伴随喷溅粘结于水冷结晶器壁，最终凝固在铸锭表面，最后扒皮去除。

（4）封顶

封顶阶段以控制电压为主。封顶的目的在于减小钢锭头部的缩孔、减少头部“V”形收缩区的疏松、促进夹杂物的上浮和排除，从而减少钢锭切头量，提高成材率。最佳封顶工艺为“多级封顶，低电流保温”，即逐级减小熔炼电流，以降低熔化速度，缓慢填充。封顶结束后应确保电极剩余20～30mm的长度。

（5）真空电弧炉熔炼出现的缺陷

1）白斑。真空电弧重熔锭中有时会出现白斑缺陷，严重影响合金的性能，特别是当夹杂物在白斑周围聚集时危害更大。白斑中溶质元素含量比基体低，腐蚀表面呈亮白色，区内含有Nb、Ti、Al等元素，晶粒比基体粗大。根据其形状、特点和形成原因可分为分离状白斑、树枝状白斑和凝固白斑。分离状白斑是重熔时锭壳、锭冠和电极突出物在机械力和熔池涡流的作用下落入熔池，未被熔化而残留在铸锭中的产物。随着熔化速率的提高和熔池深度的增加，分离状白斑的数量减少。树枝状白斑形成时，电极中的缩孔导致电弧不稳定，影响电极的正常熔化。由于三次熔炼时采用组织致密的电渣锭作为电极，一般不会出现这类白斑。凝固状白斑的形成与固-液界面的热搅动有关。当凝固速率产生波动时，长大的一次枝晶臂被枝晶间熔体带走，从而形成凝固状白斑。

为了将白斑的数量降到最低，重熔精炼时应采用最大容许熔化速度，使用短电弧间隙来确保电弧的稳定性，同时，采用由真空感应熔炼+电渣重熔二联工艺生产的无气孔无裂纹的高质量自耗电极。

2）年轮状偏析。年轮状偏析通常表现为负偏析，在横向低倍试样上呈明暗相间的环形偏析条带。这类缺陷主要是由熔化过程中电流和电压不稳定、重熔速度波动导致的。新型真空电弧重熔炉可通过精密控制电极的质量和熔化速度来减少年轮状偏析。

电弧炉熔炼工艺优化方案

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