大型高温合金铸件金属冶炼方法

大型高温合金铸件金属冶炼方法
【专利摘要】本发明公开了一种能够一次性生产数吨级符合大型高温合金铸件要求的钢水的大型高温合金铸件金属冶炼方法。该冶炼方法，包括以下步骤：1)对设备进行改造，确定高温合金铸件所需材料的配方；2)冶炼多个符合大型高温铸件的要求的小钢锭，小钢锭总质量为大型高温合金铸件所需钢水质量的110％～120％；3)去除小钢锭上质量较差区域，再分割成小料，放入大型电炉中进行冶炼；4)将冶炼得到的钢水倒入钢包精炼炉中进行脱氧、脱碳、去H、N处理，对钢水化学成分进行调整；直到钢水化学成分符合大型高温铸件要求；5)将钢水进行大型高温合金铸件的浇注。采用该冶炼方法能够一次性提供大吨位高质量高温合金钢水，实现大型高温合金铸件的生产。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高温合金铸件的冶炼方法，尤其是一种大型高温合金铸件金属冶 炼方法。 大型高温合金铸件金属冶炼方法

【背景技术】
[0002] 公知的：高温合金具有组织稳定性好、高温强度高、抗氧化、耐腐蚀等特点，广泛应 用于航空、能源及化工等部门。但是由于高温合金合金化程度高、元素控制范围窄，纯净度 要求高等特点，冶炼难度非常大，并且随着所需冶炼高温合金吨位的增加，难度急剧增大。
[0003] 大型高温合金铸件净重可达到20吨左右，需要大量的高温合金钢水，但是目前的 高温合金冶炼方法，如真空感应炉+钢包精炼炉，或中频感应炉+钢包精炼炉V0D等方法很 难达到。由于目前真空感应炉、中频感应炉等设备生产能力有限，且造价昂贵等原因只适用 于少量高温合金的冶炼，无法一次性得到数吨级的高温合金钢水。电炉+钢包精炼炉V0D 是目前大型钢铁类铸件的主要冶金方法，最多可以一次性提供800吨左右的钢水，但是由 于化学成分及有害元素控制较为困难，电炉熔化炉料及钢包精炼炉（V0D脱碳）难度大等原 因，无法实现大量高温合金的直接冶炼。高温合金钢水的质量直接决定了大型高温合金铸 件的质量，无法一次性得到大吨位高质量高温合金钢水制约了大型高温合金铸件的发展。


【发明内容】

[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种大型高温合金铸件金属冶炼方法，该冶炼 方法能够一次性生产数吨级符合大型高温合金铸件要求的钢水。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：大型高温合金铸件金属冶炼方法， 包括以下步骤：
[0006] 1)将普通电渣重熔炉改造为具有真空功能的电渣炉，对钢包精炼炉的真空系统进 行升级，使得钢包精炼炉的真空度小于66. 7pa ;按照高温合金铸件化学成分要求及冶炼工 艺过程中合金元素的烧损情况的经验值确定高温合金铸件铸造所需材料的配方；
[0007] 2)将高温合金铸件铸造所需材料通过电渣重熔炉冶炼成多个小钢锭，所述小钢 锭满足大型高温铸件的要求；小钢锭总质量为大型高温合金铸件所需钢水质量的110%? 120% ；
[0008] 3)对小钢锭进行化学成分分析，将小钢锭两端端头质量较差区域以及表面氧化层 去除，再将小钢锭分割成符合大型电炉冶炼对钢锭块度、质量要求的小料，放入大型电炉中 进行冶炼；
[0009] 4)将大型电炉冶炼后的钢水倒入钢包精炼炉中冶炼，并将钢水进行脱氧、脱碳、去 Η、N处理，检验钢水化学成分，并根据高温合金铸件标准对钢水化学成分进行调整；直到钢 水化学成分符合大型高温铸件要求；
[0010] 5)将钢水进行大型高温合金铸件的浇注。
[0011] 进一步的，在步骤1)中在将普通电渣重熔炉改造为具有真空功能的电渣炉，对钢 包精炼炉的真空系统进行升级，使得钢包精炼炉的真空度小于66. 7pa后，还包括以下步 骤，采用镍清洗钢包精炼炉以及大型电炉炉内残留的铁。
[0012] 优选的，步骤2)中采用真空自耗+电渣重熔冶炼多个小钢锭。
[0013] 优选的，步骤3)中对电渣钢锭表面进行打磨，去除小钢锭表面氧化层。
[0014] 本发明的有益效果是：本发明所述的大型高温合金铸件金属冶炼方法，在冶炼大 型高温合金铸件所需钢水时，首先冶炼出符合大型高温合金铸件参数标准的小钢锭，然后 将小钢锭在大型电炉内进行冶炼，并对得到的钢水进行化学成分的调节，使得最终一次性 得到符合大型高温合金铸件的钢水。因此提高了金属的纯净度，降低含硫量及非金属夹杂 物，该冶炼方法工艺简单、生产便捷，能够一次性提供大吨位高质量高温合金钢水，从而实 现大型高温合金铸件的生产。

【具体实施方式】
[0015] 下面结合实施例对本发明进一步说明。
[0016] 大型高温合金铸件金属冶炼方法，包括以下步骤：
[0017] 1)将普通电渣重熔炉改造为具有真空功能的电渣炉，对钢包精炼炉的真空系统进 行升级，使得钢包精炼炉的真空度小于66. 7pa ;按照高温合金铸件化学成分要求及冶炼工 艺过程中合金元素烧损情况的经验值确定高温合金铸件铸造所需材料的配方；
[0018] 2)将高温合金铸件铸造所需材料通过电渣重熔炉冶炼成多个小钢锭，所述小 钢锭满足大型高温合金铸件的要求，小钢锭总质量为大型高温合金铸件所需钢水质量的 110%?120% ;
[0019] 3)对小钢锭进行化学成分分析，将小钢锭两端端头质量较差区域去除，再将小钢 锭分割成符合大型电炉冶炼对钢锭块度、质量要求的小料，放入大型电炉中进行冶炼；
[0020] 4)将大型电炉冶炼后的钢水倒入钢包精炼炉中冶炼，并将钢水进行脱氧、脱碳、去 Η、N处理，检验钢水化学成分，并根据高温合金铸件标准对钢水化学成分进行调整；直到钢 水化学成分符合大型高温合金铸件要求；
[0021] 5)将钢水进行大型高温合金铸件的浇注。
[0022] 本发明所述的大型高温合金铸件金属冶炼方法主要使用的设备包括电渣重熔炉、 钢包精炼炉以及大型电炉。
[0023] 在步骤1)中对电渣重熔炉进行改造，使得电渣重熔炉为具有真空功能的电渣炉。 因此可以提高电渣重熔炉的脱气能力，能将电渣炉内形成的钢锭中的Η、0、Ν降低到较低水 平。将钢包精炼炉的真空系统进行升级，使得钢包精炼炉的真空度小于66. 7pa。使得钢水 在钢包精炼炉内进行进一步脱氧去碳处理时真空度低，能够在炉内形成较大的负压，将钢 水中的气体吸出，能够保证C、H、0、N降低到更低的水平。
[0024] 在步骤1)中按照高温合金铸件化学成分要求及冶炼工艺过程中合金元素烧损情 况的经验值确定高温合金铸件铸造所需材料的配方。通过高温合金铸件化学成分要求确定 冶炼钢水所需材料中含有的化学成分；通过冶炼工艺过程中合金元素烧损情况的经验值选 择材料的型号和种类，使得选择的材料中合金元素满足冶炼过程中的烧损要求。
[0025] 所述冶炼工艺过程中合金元素烧损情况的经验值是指根据生产经验在钢水的冶 炼过程中对各种合金元素烧损情况的数据进行统计得到的烧损比。所述合金元素烧损是指 合金元素与大气、钢水以及炉渣中的氧发生氧化反应生成的氧化物，产生的氧化烧损；合金 元素烧损情况是指合金元素的烧损比。合金元素主要包括Al、Ti、B，Ni、Cr等易氧化元素。 例如A1的烧损比为60%是指A1在整个冶炼过程中被氧化的A1质量为开始加入A1质量的 60%。由于被烧损后的合金形成氧化物最终成为炉渣，不能进入到钢水中；因此必须根据合 金元素的烧损比计算出添加合金元素的量，保证钢水中相应合金元素的含量符合大型高温 合金铸件的要求。
[0026] 在步骤2)中将高温合金铸件铸造所需材料通过电渣重熔炉冶炼多个小钢锭，所 述小钢锭满足大型高温合金铸件的要求，小钢锭总质量为大型高温合金铸件所需钢水质量 的 110%?120%。
[0027] 所述小钢锭是指钢锭的吨位小于大型高温合金铸件的吨位，即一个大型高温合金 铸件的质量相当于几个小钢锭的质量。所述将高温合金铸件铸造所需材料通过电渣重熔 炉冶炼多个小钢锭，所述小钢锭满足大型高温合金铸件的要求是指将高温合金铸件铸造所 需材料通过电渣重熔炉冶炼的多个小钢锭的化学成分和元素组成符合大型高温合金铸件 化学成分和元素组成的要求，小钢锭的各项参数与需要铸造的大型高温合金铸件的参数一 致。
[0028] 由于电渣重熔炉在步骤1中进行了改造，改造后得到的电渣炉具有真空功能，使 得脱氧，脱碳等更加彻底，同时由于是冶炼小吨位的钢锭因此需要冶炼的钢水较少；在冶炼 过程中可以严格控制钢水中的化学成分，避免其他杂质元素进入到钢水中，冶炼出的小钢 锭中的化学成分和元素组成符合大型高温合金铸件的设计标准。小钢锭总质量为大型高 温合金铸件所需钢水质量的110%?120% ;是因为小钢锭在后续步骤中将被重熔形成钢 水，小钢锭熔化形成的钢水将用于铸造大型高温合金铸件；因此钢水的质量必须要大于铸 造成型的大型高温合金铸件的质量。小钢锭总质量为大型高温合金铸件所需钢水质量的 110%?120%，同时考虑到了钢水在浇注过程中不可避免的消耗和损失；保证具有足够的 钢水浇注成形大型高温合金铸件。
[0029] 在步骤3)中对小钢锭进行化学成分分析，将小钢锭两端端头质量较差区域以及 表面氧化层去除，再将小钢锭分割成符合大型电炉冶炼对钢锭宽度、质量要求的小料，放入 大型电炉中进行冶炼。
[0030] 所述大型电炉是指生产吨位在10吨以上的电炉。小钢锭进行化学成分分析，是为 了保证所有小钢锭均符合要求，避免由于浇注成形时形成的不符合大型高温合金铸件浇注 要求的小钢锭进入到下个工艺中，最终导致在冶炼大型高温合金铸件浇注所需钢水时，钢 水报废。
[0031] 将小钢锭两端端头质量较差区域以及表面氧化层去除，所述小钢锭两端端头质量 较差区域是指钢锭两端端头出现孔洞、疏松、被氧化存在质量缺陷的部分。将该部分切除是 为了避免该部分中混入少量有害元素和杂质最终进入到浇注成形大型高温合金铸件的钢 水中。从而有利于降低后续步骤中需要对钢水进行化学成分的调整和去除有害杂质的难 度。
[0032] 再将小钢锭分割成符合大型电炉冶炼对钢锭块度、质量要求的小料，放入大型电 炉中进行冶炼；是为了使得小钢锭在大型电炉中能够快速冶炼成钢水，同时保证小钢锭中 各种合金元素的烧损情况在允许的范围内。
[0033] 在步骤4)中，将大型电炉冶炼后的钢水倒入钢包精炼炉中冶炼，并将钢水进行脱 氧、脱碳、去Η、N处理，检验钢水化学成分，并根据高温合金铸件标准对钢水化学成分进行 调整；直到钢水化学成分符合大型高温铸件要求。钢包精炼炉在步骤1)中进行了技术改 造，使得钢包精炼炉的真空度更低，能够在钢包精炼炉内形成的真空稳定性好，从而在对钢 水进行脱氧、脱碳、去H、N处理，可以使得Η、0、Ν降低到更低的水平，同时可以防止杂质元素 混入造成钢水化学成分不合。对钢水进行脱氧、脱碳、去H、N处理是为了使得去除钢水中的 杂质和有害元素。检验钢水化学成分，并根据高温合金铸件标准对钢水化学成分进行调整； 直到钢水化学成分符合大型高温铸件要求；是为了使得钢水最终能够符合大型高温铸件要 求。
[0034] 在步骤5)中将钢水进行大型高温合金铸件的浇注；最终形成大型高温铸件。
[0035] 本发明所述的大型高温合金铸件金属冶炼方法通过在步骤1)中将普通电渣重熔 炉改造为具有真空功能的电渣炉，因此在步骤2)中通过电渣炉冶炼得到的小钢锭中化学 成分纯度高，小钢锭中含氮量低，含氧量低。由于在步骤2)中将需要冶炼成大型高温合金 铸件的材料首先冶炼成小钢锭。在小钢锭的冶炼过程中对其化学成分进行调节，同时对小 钢锭中的气体杂质通过真空进行提取，使得小钢锭中的气体杂质含量低。对小钢锭进行了 脱碳、脱氧，使得小钢锭中的化学组成满足大型高温合金铸件的化学组成的要求。然后在步 骤3)中将小钢锭放入到大型电炉中进行冶炼，得到钢水，在步骤4中在对钢水进行化学元 素的调整以及进一步的脱碳、脱氧、去Η、N处理，从而能够使得钢水中的有害物质较少，使 得钢水中C、0、Η、N的含量较低，能够很好的控制钢水的化学成分。
[0036] 本发明将需要冶炼成大型高温合金铸件的材料首先冶炼成小钢锭，在小钢锭的冶 炼过程中对材料的化学成分进行了第一次调整和控制，并且对有害元素和气体杂质进行了 去除。由于小钢锭的浇注需要的钢水量较小，因此小钢锭的冶炼的过程中对钢水中的化学 元素的控制和调节都相对简单和成熟，能够很好的控制钢水中的气体杂质和有害元素。因 此使得小钢锭的纯度较高。然后在后续步骤中将多个小钢锭在大型电炉中熔化得到钢水， 然后再将钢水倒入到钢包精炼炉内进行脱氧、脱碳、去Η、N处理，以及根据大型高温合金铸 件标准对钢水化学成分进行调整。因此相当于对需要进行大型高温合金铸件的钢水进行了 两次化学成分的调整和气体杂质以及有害元素的去除。从而能够一次性获得大吨位高质量 高温合金钢水，实现大型高温合金铸件的生产。
[0037] 现有技术中电炉+钢包精炼炉V0D是目前大型钢铁类铸件的主要冶金方法，最多 可以一次性提供800吨左右的钢水，但是由于化学成分及有害元素控制较为困难，电炉熔 化炉料及钢包精炼炉V0D的脱碳难度大等原因，无法实现大量高温合金的直接冶炼。所述 钢包精炼炉V0D是指在真空下吹氧、脱碳、真空除气、真空下合金成分微调的钢包精炼炉。 钢包精炼炉V0D主要用于精炼超低碳不锈钢和电工纯铁等。然而本发明所述的大型高温合 金铸件金属冶炼方法通过将普通电渣重熔炉改造为具有真空功能的电渣炉，对钢包精炼炉 的真空系统进行升级，使得钢包精炼炉的真空度小于66. 7pa有效的提高电渣炉和钢包精 炼炉的吹氧、脱碳、真空除气的能力，由于碳在高温会形成碳化物气体，因此也提高了电渣 炉和钢包精炼炉的脱碳能力。同时在将需要冶炼成大型高温合金铸件的材料首先冶炼成小 钢锭，在生产小钢锭时进行第一次化学成分的控制和有害杂质的去除。从而使得需要冶炼 成大型高温合金铸件的材料的化学成分与大型高温合金铸件所需化学成分相同，同时使得 需要冶炼成大型高温合金铸件的材料中的有害元素、气体杂质以及含碳量均较低。因此在 步骤4)中再次进行脱氧、脱碳、去Η、N处理，检验钢水化学成分，并根据高温合金铸件标准 对钢水化学成分进行调整后得到的钢水质量较高。通过对设备的技术改造、对需要冶炼成 大型高温合金铸件的材料进行小钢锭冶炼以及步骤4中的对化学成分的再调节和脱氧、脱 碳、去Η、N处理的协同作用使得本发明所述的冶炼方法能够一次性获得大吨位高质量高温 合金钢水，实现大型高温合金铸件的生产。
[0038] 为了使得保证高温合金冶炼时Fe含量在5%以下，步骤1)中在将普通电渣重熔 炉改造为具有真空功能的电渣炉，对钢包精炼炉的真空系统进行升级，使得钢包精炼炉的 真空度小于66. 7pa后，还包括以下步骤，采用镍清洗钢包精炼炉以及大型电炉炉内残留的 铁。通过镍清洗钢包精炼炉以及大型电炉炉内残留的铁从而可以使得钢包精炼炉以及大型 电炉炉内残留的铁块被去除，避免炉内残留的铁在钢包精炼炉以及大型电炉进行冶炼时， 影响炉内钢水Fe的含量。
[0039] 为了降低成本，更加快速的冶炼小钢锭，同时获得的小钢锭符合相关要求。步骤2) 中采用真空自耗+电渣重熔冶炼多个小钢锭，所述小钢锭满足大型高温合金铸件要求。小 钢锭可以采用多种方法获得，比如真空自耗+电渣重熔、真空感应+电渣重熔等。采用真空 自耗+电渣重熔的冶炼方法冶炼小钢锭由于真空自耗+电渣重熔冶炼方法采用真空对钢水 进行脱氧、去碳、脱气，因此钢水中的气体含量少，钢水纯度高，能够使得小钢锭的化学成分 纯度更高。
[0040] 为了去除小钢锭上存在质量缺陷以及被氧化的部分，步骤3)中对小钢锭表面进 行打磨，去除小钢锭表面氧化层。在去除小钢锭上存在质量缺陷以及被氧化的部分时可以 通过机械加工，也可以通过打磨。由于机械加工需要专用机床，成本较高，因此一般采用打 磨，降低成本。
[0041] 实施例一
[0042] 某汽轮机大型铸造阀壳，铸件材质为高温合金Inconel 625,铸件净重15t，需高 温合金钢水约20t。高温合金冶炼过程如下：
[0043] 1、对大吨位高温合金熔炼过程中所需设备如电炉及钢包精冶炉等设备进行技术 改造，正式冶炼高温合金前应采用镍洗炉，清洗钢包精炼炉以及大型电炉炉内残钢、残渣， 保证高温合金冶炼时Fe等残余元素含量在5%以下；将普通电渣重熔炉改造为具有真空功 能的电渣炉，对钢包精炼炉的真空系统进行升级，使得钢包精炼炉的真空度小于66. 7pa。
[0044] 2、按照阀壳化学成分要求及冶炼工艺过程中合金元素的烧损情况的经验值确定 高温合金小钢锭的配方；铸件材质为高温合金Inconel 625。
[0045] 3、根据阀壳所需高温合金钢水总量，确定生产5. 5吨Inconel 625钢锭4只；采用 真空感应炉生产Φ 300mm左右的电极棒，然后采用电渣重熔方法，生产4支Inconel 625小 吨位钢锭，对每只钢锭的化学成分及质量进行检验，化学成分符合设计要求。
[0046] 4、将4支5吨钢锭两端分别切除100mm，用打磨或机械加工的方法去掉锭身表皮 10mm，然后分割成约Φ800πιπιΧ 300mm的小料，并对其进行严格的烘烤，减少有害元素混入； 将处理后的高温合金小料放入技术改造后的20吨电炉中进行冶炼。
[0047] 5、将冶炼后的钢水放入钢包精炼炉中冶炼并进行真空脱氧去碳处理；按照高温合 金铸件标准或技术条件对钢水化学成分及温度进行调整。
【权利要求】
1. 大型高温合金铸件金属冶炼方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 将普通电渣重熔炉改造为具有真空功能的电渣炉，对钢包精炼炉的真空系统进行升 级，使得钢包精炼炉的真空度小于66. 7pa ;按照高温合金铸件化学成分要求及冶炼工艺过 程中合金元素的烧损情况的经验值确定高温合金铸件铸造所需材料的配方； 2) 将高温合金铸件铸造所需材料通过电渣炉冶炼成多个小钢锭，所述小钢锭满足大型 高温铸件的要求；小钢锭总质量为大型高温合金铸件所需钢水质量的110%?120% ; 3) 对小钢锭进行化学成分分析，将小钢锭两端端头质量较差区域以及表面氧化层去 除，再将小钢锭分割成符合大型电炉冶炼对钢锭块度、质量要求的小料，放入大型电炉中进 行冶炼； 4) 将大型电炉冶炼后的钢水倒入钢包精炼炉中冶炼，并将钢水进行脱氧、脱碳、去Η、N 处理，检验钢水化学成分，并根据高温合金铸件标准对钢水化学成分进行调整；直到钢水化 学成分符合大型高温铸件要求； 5) 将钢水进行大型高温合金铸件的浇注。
2. 如权利要求1所述的大型高温合金铸件金属冶炼方法，其特征在于：步骤1)中在将 普通电渣重熔炉改造为具有真空功能的电渣炉，对钢包精炼炉的真空系统进行升级，使得 钢包精炼炉的真空度小于66. 7pa后，还包括以下步骤，采用镍清洗钢包精炼炉以及大型电 炉炉内残留的铁。
3. 如权利要求1所述的大型高温合金铸件金属冶炼方法，其特征在于：步骤2)中采用 真空自耗+电渣重熔冶炼多个小钢锭。
4. 如权利要求1所述的大型高温合金铸件金属冶炼方法，其特征在于：步骤3)中对电 渣钢锭表面进行打磨，去除小钢锭表面氧化层。
【文档编号】C21C5/52GK104087760SQ201410356319
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】罗玉立, 门正兴, 牟成海 申请人:二重集团（德阳）重型装备股份有限公司