半连续式真空感应炉冶炼镍基高温合金

冯兆龙 郑晓光

(中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南471027)

半连续式真空感应炉是国内设计思路较为完整先进的冶炼设备。该设备具有容量大、冶炼状态下试样提取、添补料、漏钢探测自动报警、专用钢液搅拌等特点。试样提取系统能充分克服因炉料配比、秤重过程中可能出现的成分偏差；添补加料系统提供了保证成分稳定准确的设备基础；漏钢自动报警系统杜绝了单靠人为方式发现漏炉而可能导致的冶炼废品和设备事故；专门设计的钢液搅拌系统充分保证了大容量条件下钢中C-O反应及脱气、成分的均匀性；测温系统保证了在浇注时精确控制温度的要求。它本身的工艺装备为进行合金以及其它高技术要求的合金冶炼提供了有力保证。

1 高温合金的真空冶金

高温合金是具有特殊物理性能的一类合金，有除力学特性以外的其它功能，又称热强合金、耐热合金或超合金。高温合金是制造航空涡轮发动机的热端部件、航天火箭发动机各种高温部件的关键材料，也是制造地面燃气轮机、能源、冶金及化工等工业部门所需高温耐腐蚀部件的材料。高温合金的研制和生产水平是一个国家金属材料发展水平的标志之一。因杂质元素对其性能有明显影响必须得到有效控制，尤其是对能在合金中形成间隙固溶体的C、N、O、H等元素要求更严格。根据冶金学的原理可知，真空状态对去除以上几种有害元素有极大的优越性[1～3]。

1.1 真空冶金的一般规律

冶金过程中的各种化学反应，都向平衡态方向自发进行。对于有气体生成的反应来说，在温度不变而气体压力变动的情况下，自由能的变化可用公式表示：

ΔG=nRTlP2/P1

式中n——气体摩尔数；

R——气体常数；

T——绝对温度，单位为K；

l——炉体体积，单位为m3；

P1，P2——反应始、终态时气体压力，单位为Pa。

由上式可知，气体的自由能与温度及其摩尔数成正比，压力的绝对值不起作用，重要的只是气体始、终态的压力比。在P2﹤P1时，即压力降低时ΔG﹤0，可见减少系统的压力后化学平衡向着增多气态物质的方向移动。也就是说，真空可使已达到平衡的脱气、脱碳和脱氧反应继续进行，从而提高钢液质量。

1.2 真空条件下碳的脱氧能力

真空条件下的钢液中存在基本反应：

[C]+[O]=CO(气)

碳的脱氧产物是CO气体，在降低压力的情况下，平衡向产生CO的方向移动，使碳的脱氧能力提高了。在真空下碳的脱氧能力很强，当气相降低至10.1325 kPa时，碳的脱氧能力将超过硅，继续降低气相压力至133.322 Pa时，则碳的脱氧能力大于铝。但是，在实际情况下碳的脱氧能力并不像理论计算那样无限地提高。在反应中还受其它因素的影响。

1.3 真空下碳脱氧反应的动力学因素

从动力学角度来看，在CO气泡和钢液的界面上以及钢液小滴和气相之间的交界面上，脱氧产物CO以分子形式直接从液相挥发到气相中去，而不再受钢液静压力和毛细管压力的作用。因此，在这些界面上的[%C]、[%O]值可降低至热力学平衡值的水平。除此之外，控制碳氧反应速度的将是钢液中的碳和氧间气、液界面的传质速度。碳在钢液中的扩散速度比氧大(De=2×10-4，DO=2.6×10-5)；碳含量一般又超过氧含量，因此氧的传质是真空下脱氧反应速度的控制环节。

1.4 真空下钢液的脱气

真空感应炉条件下，未脱氧的钢液靠真空条件促进碳氧反应，从而达到脱氢和脱氮的目的。在高温及气相的分压力很低的状态下，脱氢、脱氮、脱氧等都把由液相向气-液界面传质看作是脱气过程的控制环节。有资料表明，在真空感应炉中传质系数：kH=91×10-3cm/s，kN=14.5×10-3cm/s，kC=45.5×10-3cm/s。

1.5 真空下耐火材料与含碳钢液的相互作用

从理论上说有气体产生的反应在真空条件下碳的脱氧能力增强。据资料所载，当碳在金属液中的含量极低(%C=0.02)、活度很小的情况下，耐火材料MgO和钢水中的碳氧平衡的CO分压力仍大大超过目前真空感应炉的工作压力范围：(10-2Pa～10 Pa)。

MgO(固)=Mg(g)+[O]
[C]+[O]=CO(气)
MgO(固)+[C]=Mg(气)+CO(气)

反应将不断向降低金属中碳含量的方向，即产生气体的方向进行。

2 冶炼INCONEL718合金的工艺

2.1 炉衬材料准备

采用美国联合矿产(天津)有限公司生产的电熔镁砂DRI-VIBE 673M作为炉衬材料，其化学成分如表1所示。

表1 炉衬材料成分(质量分数，%)Table 1 Furnace lining material composition (mass fraction，%)

采用电熔镁砂作炉衬材料除具有纯度高、杂质少、化学稳定性好等原因之外，还可以有效防止被还原的生成金属镁进入熔池产生污染。因为镁的蒸气压大，极易挥发，况且在铁基和镍基高温合金中是不熔解的，有利于得到非金属夹杂物较少的金属。尖晶石熔点较钢的冶炼温度高，在炼钢温度(1 540～1 600℃)呈固态形式存在，具有形成良好的坚硬八面体晶体的强烈倾向，参与形成烧结层，耐冲刷和侵蚀，而且对于形成C-O反应的核心领先有很大作用，促进脱氧产物CO的形成。

2.2 金属料的准备

表2为INCONEL718合金的成分，按照此成分以及性能方面的要求，原料要求如下。

表2 INCONEL718成分(质量分数，%)Table 2 INCONEL718 composition (mass fraction，%)

在加料以前对炉料进行预处理是十分必要的。加料前炉料要经过喷砂、酸洗或碱洗以洁净表面。炉料必须干燥，装料前要进行适当的烘烤。通常只能一次加料，因此为获得精确的合金成分，必须对炉料进行精确的计算和秤量。还要考虑到炉料的大小及搭配，使炉料在装料时紧密接触，而在熔化时又不发生“架桥”现象。

装料前，要将坩埚内壁清理干净，否则合金中的夹杂物会增加很多。装料量应按一次浇满铸锭为宜。装料次序原则上为熔点高的，难挥发或蒸发的原料如镍、钨、钴、钼、铬等先加。活性元素可作为添加料安放在加料器内，在熔化过程中加入。为了加速炉料的熔化，大块料通常放在坩埚壁的附近，而在坩埚的中央放小块的料。大块料间应适当充填小块的料，炉料应下紧上松，炉料不要高过感应器太多。

金属料良好的表面状况及适宜的形状，为减少外部夹杂的带入、防止熔化过程中的喷溅、降低[H]的增加以及缩短熔化时间创造了条件。

2.3 冶炼过程与分析

2.3.1 熔化期

熔化期在炼钢工艺中十分重要，如何缩短熔化期成为人们关心的热点。在电炉炼钢、非真空感应等冶炼方式中，熔化期几乎占据整个冶炼过程的三分之二。尽可能提高熔化速度，一方面可节约能源，另一方面可防止过分吸气，影响钢的质量。根据炉料的具体情况和坩埚使用的次数来确定真空感应炉熔化期的操作。当炉料表面状况不理想、坩埚刚使用时，在保证真空度的前提下，可以适当延长熔化阶段，以防止坩埚受热过急而产生裂纹以及喷溅过多而产生铁损。

试验所用回炉料状况良好，新配料料块均匀，表面洁净，不易因为装料不慎而产生“架桥”。冶炼开始，送电功率为50 kW，真空度为10 Pa；30 min后开启增压泵，转高真空，功率升至200 kW，真空度为3.5 Pa；50 min后，炉内金属原料部分熔化，无金属、非金属氧化物喷溅现象。已形成的部分钢液表面较平静，功率为300 kW，真空度为0.1 Pa，一直到50 min后全部熔化，发现液面开始有少许气泡出现，真空度略有升高。至此，熔炼化期结束，时间为100 min。

2.3.2 精炼期

熔化期是铺垫，进入精炼期便是关键。在这一阶段进行的所有操作都要将前面阐述的理论与实践相结合。全熔5 min后，测得温度为1 520℃，达到精炼温度，气泡形成量略有增多，钢液中的富氧与加入的脱氧、脱碳物质开始反应。此时不会引起坩埚的大量供氧，因为一方面与碳相平衡的游离氧量没有过多消耗，另一方面精炼期的时间还很短。为使压力平衡，向炉内充入适量氩气，并停止所有泵的工作。待温度调整合适后即可加入剩余合金料。所有炉料熔化完毕后使用电磁搅拌功率进行搅拌均匀后即可出钢浇注。

根据真空理论可知，真空条件下利用搅拌促进C-O反应，会加速对炉衬材料的侵蚀，增加了提高钢中非金属夹杂物的可能性。因此，不能单纯认为搅拌是有利无害的。同时不能忽视坩埚供氧问题，因为它同样会消耗炉衬材料。选择氧化铝等坩埚还会污染钢液，形成氧化物、氮化物夹杂，所以要掌握好脱碳量、精炼时间。

在精炼后期主要是进行成分调整。在此阶段，温度不要过高，成分要均匀，以保证合金化过程中形成的非金属夹杂能充分上浮和保持高的真空度。冷冻处理结束后，以大功率破开氧化膜，随后降低功率，控制合金液体的温度在1 500℃左右。然后分批加入铝钛，每批加入量小于2%，加入之后并进行适当电磁搅拌以利夹杂物上浮。

3 结论

(1)通过对INCONEL718合金的成功冶炼，更进一步认识了半连续式真空感应炉的冶炼工艺特点，加深了理论理解。

(2)在冶炼过程中，合理控制送电功率、真空度、精炼时间并进行适当搅拌，对促进夹杂物上浮是十分重要的。

(3)真空冶炼无渣操作要求原料表面状况良好，不允许有氧化皮等杂质。

(4)合理选择坩埚材料并控制熔炼功率，可将材料中的气体含量及夹杂物含量控制在较低的水平。

[1] 陈家祥.钢铁冶金学[M].北京科技大学，2002.

[2] 刘大任.特种冶金用新型耐火材料[M].沈阳：东北大学出版社，2001.

[3] 牛建平.纯净钢及高温合金制备技术[M].北京：冶金工业出版社，2009.