不同渣料對GH2132合金電渣錠冶金質量影響研究

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家重點實驗室,甘肅 金昌 737100;2.金川集團鎳合金有限公司,甘肅 金昌 737100;3.金川集團檢測中心,甘肅 金昌 737100）

1 概述

GH2132是Fe-25Ni-15Cr基高溫合金，加入鉬、鈦、鋁、釩及微量硼綜合強化。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、轉子葉片和堅固件等。該合金可以生產各種形狀的變形產品，如盤件、鍛件、板、棒、絲和環形件等[1]。

電渣重熔(ESR)作為金屬的一種精煉技術，其去除雜質、非金屬夾雜物的能力優異。因此，電渣重熔的合金與電弧爐、感應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，電渣重熔具有設備簡單，投資費用低，易于操作，鋼錠表面良好，不需扒皮，成材率高等優點[2，3]。

渣料是電渣冶金領域必不可少的一種重要原料，直接影響到電渣重熔過程的穩定和電渣重熔產品的質量，它應滿足以下條件：（1）適當的導電性，保證電渣過程的穩定和提供重熔所需能量。（2）比較低的熔點和粘度，保證鋼錠的表面質量。（3）透氣性小，防止大氣中的O2進入金屬熔池。（4）較大的密度，增加渣-鋼相對接觸時間，使冶金反應能充分進行。目前電渣重熔過程中主要使用的渣料有兩種，一種是自配渣，另外一種是預熔渣。自配渣采用的原料來源于螢石、石灰、鎂砂、工業氧化鋁、石英砂、鈦白粉等，根據配比進行粉碎混合，然后進行烘烤使用，這種渣料取材相對容易，成本低，但經烘烤后仍會吸收空氣中的水分，容易引起電渣錠中活潑元素的燒損。預熔渣是采用電熔法預先精煉而成的渣料，這種渣料由于預先經過重熔提純，故成分均勻，組織致密，起弧造渣快，重熔鋼錠質量好，可大幅度降低重熔電耗，但成本較高[4]。資料顯示，國外電渣重熔企業大多采用預熔渣進行鋼錠的重熔，而國內企業由于對預熔渣認識不足，大多采用自配渣。本文通過研究自配渣和預熔渣對GH2132合金電渣錠化學成分的影響，為生產現場制訂電渣重熔工藝提供借鑒。

2 實驗過程

2.1 實驗原料

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

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

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

4）金相砂紙、無水乙醇等。

2.2 實驗設備

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

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射光譜儀；

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

2.3 實驗方法

1）在相同的熔煉工藝參數下，分別采用自配渣和預熔渣進行電渣重熔試驗，兩種渣料分別熔煉1支電渣錠。自配渣電渣錠編號為1#，預熔渣電渣錠編號為2#。

2）對 GH2132 電極棒取樣，檢測 Al、Ti以及 S、P含量。

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

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

5）對1#、2#電渣錠進行鍛造后在鍛坯上取樣，采用金相顯微鏡進行夾雜物評級，對比1#、2#鍛坯中的夾雜物含量。

3 結果與分析

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GH2132電極棒和1#、2#電渣錠的上、中、下三個部位進行取樣（上、中、下部位試樣編號，分別以 S、Z、X字母表示），采用 SPECTRO LAB LAVM10直讀光譜儀對Al、Ti元素進行檢測。

表1 GH2132電極棒、1#、2#重熔鑄錠Al元素含量對比

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，但均控制在國標范圍內。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，說明預熔渣與自配渣相比，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明顯差異。

表2 GH2132電極棒、1#、2#重熔鑄錠Ti元素含量對比

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，但均控制在國標范圍內。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明顯差異，說明預熔渣與自配渣在Ti元素的回收率方面效果相當，無明顯差異。

3.2 電渣錠S、P元素含量變化及均勻性分析

S、P是合金中常見的有害雜質，S含量高時，使合金產生熱脆現象，顯著降低耐熱強度和抗高溫氧化性能，P含量高時可以使合金發生冷脆，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程中要控制S、P含量。為觀察和分析自配渣和預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GH2132電極棒和1#、2#電渣錠的上、中、下三個部位進行取樣，采用CS-3000碳硫分析儀檢測S元素，ICP-AES電感耦合等離子體原子發射光譜儀檢測P元素。

表3 GH2132電極棒、1#、2#重熔鑄錠S元素含量對比

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，但均控制在國標范圍內。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，預熔渣相比自配渣具有更好的脫S效果，原因可能是預熔渣渣料中CaO含量高達20%，導致爐渣堿度較高，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明顯差異，說明預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效果相當。

3.3 鍛坯中夾雜物種類和含量對比分析

對自配渣和預熔渣重熔的1#、2#電渣錠采用5噸電液錘進行鍛造，并對鍛坯進行取樣，采用金相顯微鏡進行夾雜物評級，對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級圖（100X）

圖6 2#電渣錠鍛坯夾雜物分布及評（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（環狀氧化物），且1#鍛坯中同時含有C類（硅酸鹽類）夾雜物。1#鍛坯中A類夾雜物評級為1.5級,C類為0.5級,D類為3.0級；2#鍛坯中A類夾雜物評級為0.5級,D類為1.5級。以上分析可以看出預熔渣電渣錠中夾雜物級別較低，脫除夾雜的效果要好于自配渣。

4 結論

1）預熔渣重熔錠中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%,預熔渣電渣錠中Al元素回收率為83.33%。

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

3）預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%,預熔渣電渣錠中S含量最低降至0.0011%。

4）預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效果相當。

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