一种GH4169高温合金及其熔炼工艺的制作方法

本发明涉及钢铁冶炼领域，具体涉及一种gh4169高温合金及其熔炼工艺。

背景技术：

1、高温合金gh4169在650℃以下具有优异的屈服强度，且具有良好的抗氧化、抗疲劳、抗蠕变性能、加工性能和焊接性能，可在650℃工况条件下长时间使用，因此gh4169合金被广泛应用于航空航天、核电和石油化工行业，是高温合金产品中使用范围最广、使用量最大的钢种之一。

2、在高温合金gh4169的生产、加工和使用环节，每年都会不可避免地产生各式各样的gh4169返回料，如不加以利用，会造成gh4169合金中的ni、cr、mo、nb等贵重金属的流失和浪费。对此，目前国内厂家的常规做法是对返回料回收利用，主要用于gh4169合金的熔炼环节。为防止返回料中的杂质元素、氧化皮、夹渣等进入到钢液造成过度污染，当前国内厂家在熔炼含返回料的高温合金gh4169时，配入的返回料比例通常控制在60％以下，以获得合格的产品性能。

3、由于在工业生产环节，高温合金gh4169返回料的回收利用速度，未能跟上返回料的产生速度，使得gh4169合金的返回料难以做到高效、及时的回收和利用。中国专利文献cn114369736a《一种提高返回料使用比例的高温合金及冶炼工艺》，其最终返回料添加比例为40％～60％，该专利中的工艺包括以下6个控制步骤：返回料熔化期、返回料升温期、夹杂物变性去除期、新料添加期、易氧化元素加入期和浇注期。该专利介绍了工艺控制过程，但是没明确对应的钢种成分(不同的钢种会有不同的成分，不同的成分会有不同的特性，包括熔点)，其抛开成分谈具体工艺参数并不妥当。

4、另外，该专利尚存在下述缺点：

5、1、该专利的目的之一，是实现在高温合金真空感应熔炼环节40％～60％返回料配入比例，同时不得影响铸锭或铸件的质量。但是高温合金返回料来源渠道多，涉及工况复杂，在回收熔炼之前，必须要对返回料进行检查和处理，但该专利并未提及此方面事宜，即该专利的工艺未能实现对返回料状态的有效控制，存在每炉因加入返回料而给钢液带入不同量的夹杂耐材、油污的风险，从而造成各对比例中的实验条件不一致。输入端不能实现有效控制，输出端所得数据的严谨性则存在问题，不具备说服力。

6、2、该专利在返回料完全变红后，高功率熔化，但是炉料变红的温度只有600℃左右，很难对炉衬起到充分和有效的预热，且该专利中炉衬上的裂纹未能得到很好的弥合，大大加大了在熔炼过程中炉衬钻钢的风险。同时该专利以将近1000kw的大功率对炉料进行加热熔化，功率越大，炉料熔化越快，意味着熔化期的有效脱气时间越短，许多气体因为不能及时溢出而残留在钢液中，给后期的深脱氧带来很大的困难。

7、3、该专利认为，将返回料钢液温度升至1650～1700℃，可破坏碳氮化合物的稳定性并转为原子态，而氮原子则在真空条件下以氮气的方式被排出，实现碳氮化物的去除。但是参考氮在铁中的固溶度和温度的关系图可知，钢液温度升高，气体在钢液中的溶解度会增大，且当钢液温度从1600℃上升至1750℃时，氮在钢液中的溶解度会出现一个陡然的提升，氮在钢液中的溶解度(以质量百分数衡量)会约从0.013wt％上升至0.044wt％。所以，此温度下精炼，达不到钢液脱氮的效果。此外因为大部分高温合金在熔点在1300～1450℃范围，而对比文件将返回料钢液升至1650～1700℃的高温，钢液过热度达到200～400℃，会造成很多负面影响：如熔炼能耗变高，炼钢成本增加；坩埚材质与钢液活泼性元素之间的反应会更剧烈，在坩埚被侵蚀而缩短使用寿命的同时，也会造成钢液增氧；钢液流动性会被大大增强，如果坩埚内存在前期未能弥合的裂纹，则极度容易造成坩埚钻钢或漏钢事故，甚至会引发人身安全事故。

8、4、该专利在返回料钢液中直接加入剩余的新料中的稳定元素和碳元素。因真空感应熔炼炉的熔炼室处于真空密闭状态，加料需通过真空状态下加入，大量的固态炉料(尤其是吨位大的炉型)直接被加入到钢液内，随着炉料进入到钢液的，还有大量固态炉料表面所吸附的水气，因此除了固态炉料落入钢液中造成的喷溅，还有瞬间进入钢液内部的水气引起钢液严重的喷溅，再加上碳元素此时被加入，与钢液内的气体的剧烈反应，这些问题同一时间发生，且在真空环境下，会容易造成钢液沸腾，即在抽空条件下，钢液面上存在的抽力，会使得大量钢液顺着翻腾的气泡往上升，最终溢出坩埚，损伤到设备，此现象犹如烧开的粥，溢出锅盖一般。因此，此操作环节下，不仅会造成固态炉料表面吸附的气体进入钢液内(因为固态炉料加入后，被钢液瞬间淹没，表面吸附的气体来不及被烘烤和被抽走)，也会使得钢液出现严重喷溅，甚至会造成钢液出现大沸腾，引起安全事故。因为耐材炉衬是被铜质的通电水冷线圈从外围所包裹，因为此时钢液温度1650～1700℃，而铜质的线圈熔点只有1083℃，若坩埚溢出钢液，很可能会损毁线圈，从线圈损毁处喷射出来的冷却水遇到高温钢液会瞬间气化，体积瞬间放大1600倍，且由于处在密闭腔室，当腔室内压力超过其设备极限时，设备会被炸开，即发生爆炸。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于现有高温合金gh4169熔炼工艺中成本高，没法充分利用返回料的缺陷，从而提供一种gh4169高温合金及其熔炼工艺。

2、为此，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种gh4169高温合金，原料包括返回料、碳粒、工业纯铁、电解镍、金属铬、钼、铌、镍镁合金；

4、以质量百分比计，所述返回料占总原料的70～98％；

5、所述返回料包括gh4169高温合金返回料和/或其他成分接近的钢种返回料，所述其他成分接近的钢种包括gh3039合金和gh4080a合金；

6、所述gh4169合金中氧的质量百分数不高于10×10-6％。

7、进一步地，所述gh4169高温合金的化学成分以质量百分比计，包括：c≤0.08％，si≤0.35％，mn≤0.35％，ni 50.0～55.0％，cr 17.0～21.0％，fe15.0～21.0％，al 0.2～0.8％，ti 0.65～1.15％，mo 2.8～3.3％，nb 4.75～5.5％，mg 0.003～0.009％，cu≤0.3％，b≤0.006％，co≤0.3％，s≤0.002％，p≤0.005％，o≤0.001％，n≤0.004％，其余为不可避免的杂质。

8、本发明还提供上述的gh4169高温合金的熔炼工艺，采用真空感应熔炼工艺，包括如下步骤：

9、s1：第一次加料并预热；

10、s2：加热至加料熔清，加入铌并加热至加料再次熔清(将金属铌在炉料熔清后加入的目的，是为了尽量去除钢液中的氮，防止金属铌过早加入，氮还未去除干净，铌和氮结合生成氮化铌，造成钢液中氮去除不干净)；

11、s3：第一次精炼；

12、s4：第二次精炼；

13、s5：第三次精炼；

14、s6：充氩加入镍镁合金(使夹杂物充分上浮，达到减少钢液中夹杂物的目的。保护气氛下加入镍镁合金，有利于降低镁的烧损；而镁的加入，有利于钢液进一步脱氧，且钢内含微量镁元素，有助于提高后续热加工性能)；

15、s7：加热浇铸，得到所述gh4169合金；

16、其中，步骤s2、s3、s4和s6后还包括电磁搅拌；

17、第一次精炼开始时包括第一次取样，第二次精炼开始时包括第二次取样，第三次精炼结束时包括第三次取样；其中第三次此次取样是临近浇铸前进行，取完此次炉样后的操作，便是调整钢温和浇铸，该炉样检测的成分将作为所浇铸钢锭的成分数据，判断钢锭成分是否符合工艺要求。

18、进一步地，第一次取样结果出来后，将各元素含量与该元素的控制范围和目标值做对比，当某一元素的量有所缺少时，计算出该元素所需补加的量，进行第二次加料，计算公式为：要补加的元素重量＝[(理论投炉总重量*该元素的目标含量值)-(实时钢水重量*炉中分析该元素的成分数值)]/(元素收得率*金属纯度)；第二次加料后停电结膜5～10min，加热将第二次加料熔清；

19、第二次取样结果出来后，将各元素含量与该元素的控制范围和目标值做对比，当某一元素的量有所缺少时，计算出该元素所需补加的量，进行第三次加料，计算公式为：要补加的元素重量＝[(理论投炉总重量*该元素的目标含量值)-(实时钢水重量*炉中分析该元素的成分数值)]/(元素收得率*金属纯度)，加热将第三次加料熔清。

20、步骤s1中，所述第一次加料为，坩埚底部平铺放置返回料的5～15wt％后，先后加入碳粒、电解镍、工业纯铁、铬和钼，最后加入返回料至坩埚渣线位置；

21、剩余返回料在步骤s2中的加料熔清时加入；

22、步骤s1中所述预热为，在熔炼室真空度值≤10pa时，将熔炼室功率调整为200kw，预热0.5～1h。

23、步骤s2中，在加热熔清前还包括，将送电功率提升至300kw，加热1～1.5h，将功率降至240～280kw，保温30～40min；

24、步骤s2中的加热熔清时的送电功率为500～800kw。

25、所述电磁搅拌为三相电磁搅拌，电压110～130v，电流5500～7500a，搅拌时长2～5min；

26、所述第一次精炼时间为30～50min，精炼温度为1480±20℃；

27、所述第二次精炼时间为20～30min，精炼温度为1480±20℃；

28、所述第三次精炼时间为10～20min，，精炼温度为1480±20℃。

29、步骤s6中，对熔炼室充氩至25000～30000pa，加入镍镁合金搅拌2～5min，然后在送电功率240～280kw下静置3～5min。

30、步骤s7中，出钢温度1520±20℃，送电功率300～400kw，浇铸速度为300～400kg/min。

31、优选地，步骤s1前还包括对返回料的预处理，所述预处理为首先对返回料的尺寸进行控制：返回料截面的边长或直径≤150mm，长度≤300mm，若有超出此范围的，应进行切锯，确保装炉或装桶不受影响；其次对返回料表面质量进行目视检查，若返回料表面油光明显，或以手指触摸的方式，在返回料表面划过30～50mm距离，若所触摸的手指表面被粘附上明显黑色油垢，则说明返回料表面油污过多，建议采用酸洗+碱洗+清水洗+烘烤+抛丸的方式去除表面油污和锈皮，如果只有少量或无油污则可采用烘烤+抛丸的方式去除，确保返回料表面参与的有害物资得到充分去除后，方可使用。

32、本发明技术方案，具有如下优点：

33、(1)本发明熔炼工艺在化料前期，采用的将功率提升至300kw，加热1～1.5h，将功率降至保温功率240～280kw，保温30～40min的控制工艺，可将炉衬中的裂纹实现有效弥合，减少熔炼时炉衬钻钢，提高炉衬使用寿命。

34、(2)通过本发明的熔炼过程中的工艺控制：

35、氮与铌结合后，会生成性能稳定的氮化铌，不利于钢液脱氮，本熔炼工艺中，先利用化料及抽真空的操作，将钢液中的氮尽可能去除，直至钢液熔清后，再加入金属铌，可大大降低钢液中的氮与铌结合的概率；

36、四次不同熔炼阶段的三相电磁搅拌，控制电磁搅拌电压110～130v，电流5500～7500a，搅拌时长2～5min，可有效实现钢液成分和温度的均匀化，再利用三次炉中取样分析和多次钢液温度监控操作，最终实现对钢液成分和温度的精确化控制。另外，此参数下的搅拌控制，对钢液中夹杂物和气体上浮起到关键性作用；

37、三次不同熔炼阶段的高真空精炼，温度在1480±20℃，时长分别为30～50min、20～30min和10～20min，使钢液中的夹杂物进一步上浮，同时精炼期对熔炼室持续抽高真空，使钢液中有害元素和气体被进一步的去除，达到深度去夹杂物和脱氧的目的，从而生产出优质的gh4169合金铸锭，氧含量和夹杂物都处于较低水平，其中氧的质量百分数可达到10×10-6％以下。

38、(3)本发明熔炼控制工艺可以使用真空感应熔炼炉熔炼返回料占比高达70-98％的高温合金gh4169，远高于目前只有60wt％以下返回料配入比的行业水平，对企业在熔炼环节的降本增效起到很大作用。