高溫合金GH2132中頻感應熔煉加電渣二次重熔工藝探討

■ 莫光有

一、概述

GH2132是Fe-25Ni-15Cr基高溫合金，加入Mo、Ti、Al、V及微量B綜合強化，具有高Ti、低Al型的特點。在650℃以下具有高的屈服強度和持久蠕變強度，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℃以下長期工作的航空發動機高溫承力部件，如渦輪盤、壓氣機盤、轉子葉片和緊固件等。該合金可以生產各種形狀的產品，如：盤件、鍛件、板、棒、絲和環形件等，廣泛用于制造航空發動機和工業燃氣渦輪機上的零部件，如渦輪葉片、加力燃燒室、緊固件等，在汽車發動機上也有廣泛應用。

高溫合金可以采用多種方法熔煉，既可以采用電弧爐（EFM）、感應爐（IM）或真空感應爐（VIM）進行一次熔煉，也可以用電渣爐（ESR）或真空自耗爐（VAR）進行二次熔煉，有的甚至采用三次熔煉，以發揮各自優點。選用什么樣的工藝路線，主要根據高溫合金的成分特點及用途來決定。

根據我公司模具鋼生產設備的特點，采用中頻感應熔煉+電渣二次重熔來生產GH2132高溫合金的工藝路線。在采用該工藝路線熔煉高溫合金的過程中，容易產生以下缺陷：增碳、合金液成分難于精確控制、Ti元素燒損大等。本文主要探討在現有設備的基礎上，采用中頻感應熔煉工藝+電渣二次重熔工藝，生產出符合要求的GH2132高溫合金錠。

二、中頻感應電爐熔煉GH2132高溫合金

1. 中頻感應熔煉過程重點內容

鈦元素非常活潑，熔煉中容易被氧化而燒損，根據相關資料介紹，鈦鐵的收得率一般在40%～70%，由此可以看出鈦元素收得率的高低將直接影響到合金錠的生產成本，也直接影響含鈦元素的高溫合金成分的控制。

為實現提高鈦鐵在高溫合金GH2132中頻感應熔煉過程中的收得率，我們將從GH2132自身成分特點出發，采用回爐料的不氧化法中頻感應熔煉。在熔煉過程中，從渣系選擇，到制訂合理的脫氧制度、鈦鐵燒損保護措施，以及熔煉過程的脫氧扒渣操作細節，最后考慮鈦鐵合金的加入方式等。

2. 準備工作

（1）原材料要求 回爐料要求干凈、無油污，并經過適當的烘烤。需補加的合金如鎳板等經過特定烘烤，盡量減少通過合金補加而帶入的其他雜質。

（2）石灰要求 要求使用冶金級別專用石灰，粒度適中，并經過650℃高溫烘烤約5h。

（3）螢石要求 采用電渣重熔用螢石，破碎，粒度適中，并同石灰一道經過高溫烘烤。

（4）洗爐 熔煉一爐低碳鋼洗爐。

（5）鋼模 清理鋼模內壁，保持干燥清潔。

3. 試驗操作要點及影響因素

（1）操作要點 ①底渣。底渣是指熔煉下料前，事先在中頻感應電爐底下放置的渣料。底渣的作用：能覆蓋合金液，防止熱量損失，保持合金液溫度；防止合金液吸收氣體，聚集吸收廢料表面帶入的雜質；減少元素的揮發，有利于脫除合金中的P、S等雜質元素，改善合金液質量。②底渣的組成。底渣渣量為爐料的2%左右，由石灰和螢石組成，其中石灰占底渣的80%左右，螢石占底渣的20%左右。③造渣次數及操作要點。針對GH2132合金的特點，我們嚴格執行3次造渣、扒渣制度，渣料依然采用螢石＋石灰，前兩次采用大渣量（約占爐料總量的2%），后一次采用薄渣（以覆蓋合金液為原則），在每次換渣時，都將前一批渣全部扒凈。

（2）脫氧制度的確定 常用的擴散脫氧劑有碳粉、硅鐵粉、硅鈣粉、鋁粉、鋁石灰等。鋁粉、鋁石灰脫氧能力最強（彼此等效），硅鈣粉次之，硅鐵粉最差。中頻感應電爐熔煉時，各種脫氧劑選取原則如下：碳粉、碳化鈣主要用于高碳鋼種；硅鐵粉、硅鈣粉、硅鈦粉用于wSi≥0.6%的鋼與合金；鋁粉、鋁石灰用于低碳、低硅的鋼種與高溫合金。

日常生產過程中，我們采用鋁塊（約2kg/塊）加硅鐵粉的脫氧方式，而熔煉GH2132時，考慮到其本身wC在0.08%以下，故我們采用綜合脫氧制度：沉淀脫氧（鋁塊1kg/t）+鋁粉擴散脫氧。

（3）Ti元素燒損保護 根據之前熔煉的生產經驗，Ti在熔煉過程中非常容易燒損，成為導致Ti收得率降低的一個直接原因。常見各元素脫氧能力由強到弱的排列次序為：Ca、Mg、Al、Ti、Si、C、P、V、Mn、Cr，從排序可以判斷，Al與氧的結合能力比Ti與氧的結合能力更強。GH2132高溫合金中wAl≤0.40%，在之前電渣重熔熔煉的經驗分析中，Al燒損將會過半，為此我們考慮通過配料時，在理論上將wAl提高至0.5%～0.7%，這樣在中頻感應熔煉過程中既保護Ti少燒損，又對Ti在電渣重熔時起到了保護作用。

（4）鈦鐵的收得率 為了提高鈦鐵的收得率，改變在爐中取樣后補加鈦鐵，然后再取樣檢測的方式，避免加入鈦鐵后再取樣檢測這一過程時間過長導致爐中Ti元素繼續燒損，最終使Ti元素含量降低甚至不符合成分要求。在鈦鐵加入前，需滿足3個條件：①造好流動性良好的白渣，且白渣要穩定。②合金液溫度要足夠高，因為鈦鐵加入后，合金液發黏，夾雜物難以上浮。③鈦鐵的塊度以50～150mm為宜，過大或過小（粉末狀）均對收得率有影響。

（5）鈦鐵加入方式 待爐中樣的成分檢測在預期范圍后，出爐前10min左右，適當調高合金液溫度，加鋁塊進行終脫氧，然后將鈦鐵倒入熔池中，同時用耙子將渣面上鈦鐵壓入合金液中，減少氧化燒損。此時還需不斷攪拌，待熔完后，升高合金液溫度，符合出合金溫度后出合金。

4. 熔煉數據對比

（1）中頻感應熔煉工藝優化前 GH2132化學成分控制標準及鈦鐵化學成分如表1所示。加入回爐料1610kg，爐中取樣后補加10kg鎳板、26kg鈦鐵，檢測化學成分如表2所示。

鈦元素綜合收得率計算：原始材料中純鈦量1610×2.03%=32.7（kg），補加鈦鐵中純鈦量26×29%=7.5（kg），成品中純鈦量（1610+10+26）×0.97×1.88%=30（kg），綜合收得率為30/（32.7+7.5）=74.6（%）。

中頻感應熔煉后Al元素含量變化：熔煉前，原材料中純Al含量1610×0.37%+26×7.8%=7.98（kg），熔煉后成品中純Al含量（1610+10+26）×0.31%=5.1（kg），通過分析計算Al燒損為（7.98–5.1）×100/7.98=36（%）。

（2）中頻感應熔煉工藝優化后 針對前次GH2132中頻感應熔煉進行分析及總結，改進熔煉方式，主要體現在：一是提高GH2132中wAl至0.5%～0.7%，以保護Ti元素少燒損；二是經過中頻感應熔煉取樣后，除Ti元素外，其他元素成分均在預定范圍時，因此出鋼前8min內加入鈦鐵，以減少鈦元素燒損。

配料：wTi為2.2%的GH2312回爐料738kg、wTi為2.62%的GH2312回爐料386kg、純鐵372kg、純鉻118kg、鎳板212kg、鈦鐵60kg、鉬片7.5kg、釩鐵2kg。總爐料1900 kg。

GH2132回爐料、爐中樣及成品樣化學成分如表3所示。

鈦元素綜合收得率計算：原始材料中純鈦量738×2.2%+386×2.62%+60×29.59%=44.1（kg），成品中純鈦量1900×2.25%=42.7（kg），經中頻感應熔煉后鈦鐵綜合收得率42.7×100/44.1=96.8（%）。

中頻感應熔煉后Al元素含量變化：熔煉前，原材料中純Al含量738×0.53%+ 386×1.0%+60×7.8%=12.45（kg），熔煉后成品中純Al含量1900×0.5%=9.5（kg），通過前后比較可以發現，Al燒損約為（12.45-9.5）×100/12.45=23.7（%）。

三、GH2132高溫合金的電渣重熔

1. 對GH2132高溫合金中頻電極初次電渣重熔

考慮到GH2132中含有熔煉過程中極易氧化的元素Al、Ti，初步制訂熔煉制度。

（1）用φ320mm規格結晶器熔煉。

（2）總渣量30kg，螢石∶氧化鋁粉∶鈦白粉=67∶28.7∶4.3，螢石20.09kg，氧化鋁粉8.61kg，鈦白粉1.3kg，Al粉200g。

表1 GH2132及鈦鐵化學成分（質量分數） （%）

表2 回爐料和取樣檢測化學成分（質量分數） （%）

表3 GH2132回爐料、爐中樣及成品樣化學成分（質量分數） （%）

（3）渣料經高溫烘烤。

（4）電流、電壓制度采用55V電壓熔煉，電流4.5～5.5kA，其余操作方式保持現有不變。

經試生產后，發現存在較多問題：熔煉過程電流不穩定；電渣錠表面螺紋較嚴重；渣厚120mm；退火效果不佳，退火后太硬；取電渣錠頭尾樣檢測（見表4），發現Ti元素燒損嚴重，電渣錠頭部達50%以上。

2. 改進工藝后GH2132中頻電極電渣重熔

（1）渣料提純 目的是使渣料中氧化物如SiO2、MnO、FeO等的總量小于1%，其中SiO2≤0.2%。

Fe-Al電極中頻感應熔煉：切頭400kg，鋁錠35kg，在造好還原渣情況下加入，最終使Fe-Al電極中wAl在8%左右。

渣料電渣提純：采用Fe-Al電極通過電渣提純渣料，螢石∶氧化鋁∶石灰=70%∶28%∶2%，總渣量80kg，螢石56kg，氧化鋁22.4kg，石灰1.6kg，分批化渣后加入φ320mm結晶器，采用55V電壓、3～4kA電流提純。

（2）GH2132電渣重熔 ①渣料。 由于此次采用φ420mm結晶器熔煉，渣料稱取35kg，其中提純渣32.3kg、鈦白粉1.7kg，提純渣破碎后粒度適宜，并經650℃×3h烘烤。160g工業鋁粉在熔煉過程分4次加入。②電流、電壓制度。正常熔煉電流控制在5.5～6.5kA，電壓采用55V檔，其余方式保持不變。

（3）質量檢測 熔煉結束，觀察到電渣錠表面螺紋明顯減少。退火后取電渣錠頭尾樣分析（見表5），可以看出采用提純渣熔煉GH2132，可將Ti元素的燒損控制在10%以內。

表4 中頻電極成品樣及電渣錠頭尾樣化學成分（質量分數） （%）

表5 中頻電極成品樣及電渣錠頭尾樣化學成分（質量分數） （%）

四、結語

GH2132高溫合金通過多次的中頻感應熔煉及電渣二次重熔，可以得出以下結論：

（1）含Ti的高溫合金若采用中頻感應熔煉，只適合采用不氧化法進行，且隨熔煉時間延長，Ti元素燒損更嚴重。

（2）Al是比Ti更容易與氧結合的元素，在中頻感應熔煉含Ti的高溫合金時，當Al含量達到一定程度時， 將對Ti的燒損起保護作用，為提高Ti元素的綜合收得率，有必要將鋼中wAl控制在0.5%～0.7%。

（3）在電渣重熔過程中，為控制Ti元素燒損，所采用的渣料需經過提純，目的在于降低渣中氧化物總量，避免Ti元素在電渣重熔過程中被嚴重氧化。

（4）中頻感應熔煉+電渣二次重熔工藝路線的不足：合金液中夾雜物總量無法進一步降低；在熔煉過程中容易吸氣，使合金錠中氣體含量無法控制在較低水平；在中頻感應熔煉+電渣重熔過程中，若操作不當，容易導致Ti、Al元素的燒損較大；存在因熔化速度變化而產生的點狀偏析和枝晶偏析。

參考文獻：

[1] 郭建亭. 高溫合金材料學（中冊）制備工藝[M]. 北京：科學出版社，2008.