陳韓鋒 ,楊 艷，董生茂,徐 寧，任慧萍 ，昝 斌

（1.鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 金昌 737100;2.金川集團(tuán)鎳合金有限公司,甘肅 金昌 737100;3.金川集團(tuán)檢測(cè)中心,甘肅 金昌 737100）

1 概述

GH2132是Fe-25Ni-15Cr基高溫合金，加入鉬、鈦、鋁、釩及微量硼綜合強(qiáng)化。在650℃以下具有高的屈服強(qiáng)度和持久、蠕變強(qiáng)度，并且具有較好的加工塑性和滿意的焊接性能。適合制造在650℃以下長(zhǎng)期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫承力部件，如渦輪盤(pán)、壓氣機(jī)盤(pán)、轉(zhuǎn)子葉片和堅(jiān)固件等。該合金可以生產(chǎn)各種形狀的變形產(chǎn)品，如盤(pán)件、鍛件、板、棒、絲和環(huán)形件等[1]。

電渣重熔(ESR)作為金屬的一種精煉技術(shù)，其去除雜質(zhì)、非金屬夾雜物的能力優(yōu)異。因此，電渣重熔的合金與電弧爐、感應(yīng)爐冶煉的合金相比較，重熔后的合金純潔度高，低倍組織好，由于獲得了沿鋼錠軸向的柱狀晶組織使合金的熱加工塑性有很大提高，合金性能有明顯改善，與真空電弧爐重熔相比，電渣重熔具有設(shè)備簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用低，易于操作，鋼錠表面良好，不需扒皮，成材率高等優(yōu)點(diǎn)[2，3]。

渣料是電渣冶金領(lǐng)域必不可少的一種重要原料，直接影響到電渣重熔過(guò)程的穩(wěn)定和電渣重熔產(chǎn)品的質(zhì)量，它應(yīng)滿足以下條件：（1）適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性，保證電渣過(guò)程的穩(wěn)定和提供重熔所需能量。（2）比較低的熔點(diǎn)和粘度，保證鋼錠的表面質(zhì)量。（3）透氣性小，防止大氣中的O2進(jìn)入金屬熔池。（4）較大的密度，增加渣-鋼相對(duì)接觸時(shí)間，使冶金反應(yīng)能充分進(jìn)行。目前電渣重熔過(guò)程中主要使用的渣料有兩種，一種是自配渣，另外一種是預(yù)熔渣。自配渣采用的原料來(lái)源于螢石、石灰、鎂砂、工業(yè)氧化鋁、石英砂、鈦白粉等，根據(jù)配比進(jìn)行粉碎混合，然后進(jìn)行烘烤使用，這種渣料取材相對(duì)容易，成本低，但經(jīng)烘烤后仍會(huì)吸收空氣中的水分，容易引起電渣錠中活潑元素的燒損。預(yù)熔渣是采用電熔法預(yù)先精煉而成的渣料，這種渣料由于預(yù)先經(jīng)過(guò)重熔提純，故成分均勻，組織致密，起弧造渣快，重熔鋼錠質(zhì)量好，可大幅度降低重熔電耗，但成本較高[4]。資料顯示，國(guó)外電渣重熔企業(yè)大多采用預(yù)熔渣進(jìn)行鋼錠的重熔，而國(guó)內(nèi)企業(yè)由于對(duì)預(yù)熔渣認(rèn)識(shí)不足，大多采用自配渣。本文通過(guò)研究自配渣和預(yù)熔渣對(duì)GH2132合金電渣錠化學(xué)成分的影響，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)制訂電渣重熔工藝提供借鑒。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

1）自配渣渣料配比：CaF279%、Al2O310%、TiO22%、MgO：9%；

2）預(yù)熔渣渣料配比：型號(hào)：53F/20/3/20/4Ti（CaF2：53%，Al2O3：20%，CaO：20%，MgO：3%，TiO2：4%）；

3）采用自配渣和預(yù)熔渣重熔的GH2132電渣錠，規(guī)格尺寸 110mm×350～400mm，錠重約 30kg；

4）金相砂紙、無(wú)水乙醇等。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1）DZ-DGPJ3型電渣爐、5t電液錘、超高壓水切割機(jī)、精密數(shù)控線切割機(jī)；

2）SPECTROLAB M10 火花 直 讀 光 譜儀 、CS-3000碳硫分析儀、ICP-AES電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀；

3）XQ-1金相鑲嵌機(jī)、YMP-2B金相磨光機(jī)、Axio vert40MAT金相顯微鏡。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

1）在相同的熔煉工藝參數(shù)下，分別采用自配渣和預(yù)熔渣進(jìn)行電渣重熔試驗(yàn)，兩種渣料分別熔煉1支電渣錠。自配渣電渣錠編號(hào)為1#，預(yù)熔渣電渣錠編號(hào)為2#。

2）對(duì) GH2132 電極棒取樣，檢測(cè) Al、Ti以及 S、P含量。

3）對(duì)1#電渣錠沿錠身高度方向上、中、下部位分別取樣檢測(cè)Al、Ti以及S、P含量。

4）對(duì)2#電渣錠沿錠身高度方向上、中、下部位分別取樣檢測(cè)Al、Ti以及S、P含量。

5）對(duì)1#、2#電渣錠進(jìn)行鍛造后在鍛坯上取樣，采用金相顯微鏡進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)，對(duì)比1#、2#鍛坯中的夾雜物含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 電渣錠Al、Ti元素含量變化及均勻性分析

為觀察和分析自配渣和預(yù)熔渣兩種渣料熔煉后GH2132電渣錠中Al、Ti元素含量變化及均勻性分布，分別對(duì)GH2132電極棒和1#、2#電渣錠的上、中、下三個(gè)部位進(jìn)行取樣（上、中、下部位試樣編號(hào)，分別以 S、Z、X字母表示），采用 SPECTRO LAB LAVM10直讀光譜儀對(duì)Al、Ti元素進(jìn)行檢測(cè)。

表1 GH2132電極棒、1#、2#重熔鑄錠Al元素含量對(duì)比

圖1 1#、2#電渣錠Al含量變化曲線

從表1和圖1可以看出，電極棒中Al含量為0.30%，重熔后1#、2#重熔錠中Al元素含量較重熔前均有所下降，但均控制在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)。1#錠上、中、下部位Al元素含量最大偏差值為0.02%，含量平均值為0.21%，回收率平均值為70.00%；2#錠上、中、下部位Al元素含量最大偏差值為0.01%，含量平均值為0.25%，回收率平均值為83.33%。從以上分析可以看出，2#錠中Al元素含量以及回收率高于1#錠，說(shuō)明預(yù)熔渣與自配渣相比，可明顯提高重熔錠中Al元素的回收率，Al元素含量分布均勻性兩者無(wú)明顯差異。

表2 GH2132電極棒、1#、2#重熔鑄錠Ti元素含量對(duì)比

圖2 1#、2#電渣錠Ti含量變化曲線

從表2和圖2可以看出，電極棒中Ti含量為2.25%，重熔后1#、2#重熔錠中Ti元素含量較重熔前均有所下降，但均控制在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)。1#錠上、中、下部位Ti元素含量最大偏差值為0.02%，含量平均值為1.94%，回收率平均值為86.22%；2#錠上、中、下部位Ti元素含量最大偏差值為0.01%，含量平均值為1.93%，回收率平均值為85.78%。從以上分析可以看出，1#、2#錠中Ti元素含量以及分布無(wú)明顯差異，說(shuō)明預(yù)熔渣與自配渣在Ti元素的回收率方面效果相當(dāng)，無(wú)明顯差異。

3.2 電渣錠S、P元素含量變化及均勻性分析

S、P是合金中常見(jiàn)的有害雜質(zhì)，S含量高時(shí)，使合金產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，顯著降低耐熱強(qiáng)度和抗高溫氧化性能，P含量高時(shí)可以使合金發(fā)生冷脆，大大降低合金的抗沖擊性能[5]。因此，在高溫合金的電渣精煉過(guò)程中要控制S、P含量。為觀察和分析自配渣和預(yù)熔渣兩種渣料熔煉后GH2132電渣錠中S、P元素含量變化及均勻性分布，分別對(duì)GH2132電極棒和1#、2#電渣錠的上、中、下三個(gè)部位進(jìn)行取樣，采用CS-3000碳硫分析儀檢測(cè)S元素，ICP-AES電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀檢測(cè)P元素。

表3 GH2132電極棒、1#、2#重熔鑄錠S元素含量對(duì)比

圖3 1#、2#電渣錠S含量變化曲線

從表3和圖3可以看出，電極棒中S含量為0.0022%，重熔后1#、2#重熔錠中S元素含量較重熔前均有所下降，但均控制在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)。1#重熔錠上、中、下部位S元素含量平均值為0.0015%；2#重熔錠上、中、下部位S元素含量平均值為0.0012%；2#重熔錠S含量平均值明顯低于1#重熔錠，含量差值為0.0003%。從以上分析可以看出，預(yù)熔渣相比自配渣具有更好的脫S效果，原因可能是預(yù)熔渣渣料中CaO含量高達(dá)20%，導(dǎo)致?tīng)t渣堿度較高，增加了爐渣的硫容量，因而該渣料具有更好的脫S能力[6]。

表4 GH2132電極棒、1#、2#重熔錠P元素含量對(duì)比

圖4 1#、2#電渣錠P含量變化曲線

從表4和圖4可以看出，電極棒中P含量為0.0072%，重熔后1#、2#錠中P元素含量較重熔前均有小幅下降，但含量變化不明顯。1#重熔錠上、中、下部位P元素含量平均值為0.0071%；2#重熔錠上、中、下部位P元素含量平均值為0.0070%；1#、2#重熔錠P含量平均值基本一致。從以上分析可以看出，1#、2#錠中P元素含量以及分布無(wú)明顯差異，說(shuō)明預(yù)熔渣與自配渣在降低鑄錠中P含量效果方面作用都不明顯，兩者的脫P(yáng)效果相當(dāng)。

3.3 鍛坯中夾雜物種類和含量對(duì)比分析

對(duì)自配渣和預(yù)熔渣重熔的1#、2#電渣錠采用5噸電液錘進(jìn)行鍛造，并對(duì)鍛坯進(jìn)行取樣，采用金相顯微鏡進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)，對(duì)比分析兩種渣料下鍛坯中的夾雜物種類及含量。如圖5～6所示。

圖5 1#電渣錠鍛坯夾雜物分布及評(píng)級(jí)圖（100X）

圖6 2#電渣錠鍛坯夾雜物分布及評(píng)（100X）

如圖 5、6所示，1#、2# GH2132鍛坯中主要夾雜物多為A類（硫化物）和D類（環(huán)狀氧化物），且1#鍛坯中同時(shí)含有C類（硅酸鹽類）夾雜物。1#鍛坯中A類夾雜物評(píng)級(jí)為1.5級(jí),C類為0.5級(jí),D類為3.0級(jí)；2#鍛坯中A類夾雜物評(píng)級(jí)為0.5級(jí),D類為1.5級(jí)。以上分析可以看出預(yù)熔渣電渣錠中夾雜物級(jí)別較低，脫除夾雜的效果要好于自配渣。

4 結(jié)論

1）預(yù)熔渣重熔錠中Al元素的回收率明顯高于自配渣，自配渣電渣錠中Al元素回收率為70.00%,預(yù)熔渣電渣錠中Al元素回收率為83.33%。

2）預(yù)熔渣與自配渣在提高Ti元素的回收率方面效果相當(dāng)，無(wú)明顯差異。自配渣電渣錠中Ti元素回收率為86.22%,預(yù)熔渣電渣錠中Ti元素回收率為85.78%。

3）預(yù)熔渣相比自配渣具有更好的脫S效果，自配渣電渣錠中S含量最低降至0.0015%,預(yù)熔渣電渣錠中S含量最低降至0.0011%。

4）預(yù)熔渣與自配渣在降低鑄錠中P含量效果方面作用都不明顯，兩者的脫P(yáng)效果相當(dāng)。

5）預(yù)熔渣電渣錠中夾雜物級(jí)別低于自配渣，自配渣最高為3.0級(jí)，預(yù)熔渣最高為1.5級(jí)，預(yù)熔渣脫除夾雜的效果要好于自配渣。