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。
背景技术：
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。
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vod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vod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(vod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。
技术实现要素：
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。
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：
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％；
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h、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。
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。
优选的，步骤2)中采用真空自耗+电渣重熔冶炼多个小钢锭。
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。
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
下面结合实施例对本发明进一步说明。
大型高温合金铸件金属冶炼方法，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％；
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；
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h、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；
5)将钢水进行大型高温合金铸件的浇注。
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。
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h、o、n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、o、n降低到更低的水平。
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。
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al的烧损比为60％是指al在整个冶炼过程中被氧化的al质量为开始加入al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。
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％。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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h、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h、o、n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。
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。
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h、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、h、n的含量较低，能够很好的控制钢水的化学成分。
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h、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。
现有技术中电炉+钢包精炼炉vod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vod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vod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vod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h、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h、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。
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。
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。
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。