高温合金GH2132中频感应熔炼加电渣二次重熔工艺探讨

■ 莫光有

一、概述

GH2132是Fe-25Ni-15Cr基高温合金，加入Mo、Ti、Al、V及微量B综合强化，具有高Ti、低Al型的特点。在650℃以下具有高的屈服强度和持久蠕变强度，并且具有较好的加工塑性和满意的焊接性能。适合制造在650℃以下长期工作的航空发动机高温承力部件，如涡轮盘、压气机盘、转子叶片和紧固件等。该合金可以生产各种形状的产品，如：盘件、锻件、板、棒、丝和环形件等，广泛用于制造航空发动机和工业燃气涡轮机上的零部件，如涡轮叶片、加力燃烧室、紧固件等，在汽车发动机上也有广泛应用。

高温合金可以采用多种方法熔炼，既可以采用电弧炉（EFM）、感应炉（IM）或真空感应炉（VIM）进行一次熔炼，也可以用电渣炉（ESR）或真空自耗炉（VAR）进行二次熔炼，有的甚至采用三次熔炼，以发挥各自优点。选用什么样的工艺路线，主要根据高温合金的成分特点及用途来决定。

根据我公司模具钢生产设备的特点，采用中频感应熔炼+电渣二次重熔来生产GH2132高温合金的工艺路线。在采用该工艺路线熔炼高温合金的过程中，容易产生以下缺陷：增碳、合金液成分难于精确控制、Ti元素烧损大等。本文主要探讨在现有设备的基础上，采用中频感应熔炼工艺+电渣二次重熔工艺，生产出符合要求的GH2132高温合金锭。

二、中频感应电炉熔炼GH2132高温合金

1. 中频感应熔炼过程重点内容

钛元素非常活泼，熔炼中容易被氧化而烧损，根据相关资料介绍，钛铁的收得率一般在40%～70%，由此可以看出钛元素收得率的高低将直接影响到合金锭的生产成本，也直接影响含钛元素的高温合金成分的控制。

为实现提高钛铁在高温合金GH2132中频感应熔炼过程中的收得率，我们将从GH2132自身成分特点出发，采用回炉料的不氧化法中频感应熔炼。在熔炼过程中，从渣系选择，到制订合理的脱氧制度、钛铁烧损保护措施，以及熔炼过程的脱氧扒渣操作细节，最后考虑钛铁合金的加入方式等。

2. 准备工作

（1）原材料要求 回炉料要求干净、无油污，并经过适当的烘烤。需补加的合金如镍板等经过特定烘烤，尽量减少通过合金补加而带入的其他杂质。

（2）石灰要求 要求使用冶金级别专用石灰，粒度适中，并经过650℃高温烘烤约5h。

（3）萤石要求 采用电渣重熔用萤石，破碎，粒度适中，并同石灰一道经过高温烘烤。

（4）洗炉 熔炼一炉低碳钢洗炉。

（5）钢模 清理钢模内壁，保持干燥清洁。

3. 试验操作要点及影响因素

（1）操作要点 ①底渣。底渣是指熔炼下料前，事先在中频感应电炉底下放置的渣料。底渣的作用：能覆盖合金液，防止热量损失，保持合金液温度；防止合金液吸收气体，聚集吸收废料表面带入的杂质；减少元素的挥发，有利于脱除合金中的P、S等杂质元素，改善合金液质量。②底渣的组成。底渣渣量为炉料的2%左右，由石灰和萤石组成，其中石灰占底渣的80%左右，萤石占底渣的20%左右。③造渣次数及操作要点。针对GH2132合金的特点，我们严格执行3次造渣、扒渣制度，渣料依然采用萤石＋石灰，前两次采用大渣量（约占炉料总量的2%），后一次采用薄渣（以覆盖合金液为原则），在每次换渣时，都将前一批渣全部扒净。

（2）脱氧制度的确定 常用的扩散脱氧剂有碳粉、硅铁粉、硅钙粉、铝粉、铝石灰等。铝粉、铝石灰脱氧能力最强（彼此等效），硅钙粉次之，硅铁粉最差。中频感应电炉熔炼时，各种脱氧剂选取原则如下：碳粉、碳化钙主要用于高碳钢种；硅铁粉、硅钙粉、硅钛粉用于wSi≥0.6%的钢与合金；铝粉、铝石灰用于低碳、低硅的钢种与高温合金。

日常生产过程中，我们采用铝块（约2kg/块）加硅铁粉的脱氧方式，而熔炼GH2132时，考虑到其本身wC在0.08%以下，故我们采用综合脱氧制度：沉淀脱氧（铝块1kg/t）+铝粉扩散脱氧。

（3）Ti元素烧损保护 根据之前熔炼的生产经验，Ti在熔炼过程中非常容易烧损，成为导致Ti收得率降低的一个直接原因。常见各元素脱氧能力由强到弱的排列次序为：Ca、Mg、Al、Ti、Si、C、P、V、Mn、Cr，从排序可以判断，Al与氧的结合能力比Ti与氧的结合能力更强。GH2132高温合金中wAl≤0.40%，在之前电渣重熔熔炼的经验分析中，Al烧损将会过半，为此我们考虑通过配料时，在理论上将wAl提高至0.5%～0.7%，这样在中频感应熔炼过程中既保护Ti少烧损，又对Ti在电渣重熔时起到了保护作用。

（4）钛铁的收得率 为了提高钛铁的收得率，改变在炉中取样后补加钛铁，然后再取样检测的方式，避免加入钛铁后再取样检测这一过程时间过长导致炉中Ti元素继续烧损，最终使Ti元素含量降低甚至不符合成分要求。在钛铁加入前，需满足3个条件：①造好流动性良好的白渣，且白渣要稳定。②合金液温度要足够高，因为钛铁加入后，合金液发黏，夹杂物难以上浮。③钛铁的块度以50～150mm为宜，过大或过小（粉末状）均对收得率有影响。

（5）钛铁加入方式 待炉中样的成分检测在预期范围后，出炉前10min左右，适当调高合金液温度，加铝块进行终脱氧，然后将钛铁倒入熔池中，同时用耙子将渣面上钛铁压入合金液中，减少氧化烧损。此时还需不断搅拌，待熔完后，升高合金液温度，符合出合金温度后出合金。

4. 熔炼数据对比

（1）中频感应熔炼工艺优化前 GH2132化学成分控制标准及钛铁化学成分如表1所示。加入回炉料1610kg，炉中取样后补加10kg镍板、26kg钛铁，检测化学成分如表2所示。

钛元素综合收得率计算：原始材料中纯钛量1610×2.03%=32.7（kg），补加钛铁中纯钛量26×29%=7.5（kg），成品中纯钛量（1610+10+26）×0.97×1.88%=30（kg），综合收得率为30/（32.7+7.5）=74.6（%）。

中频感应熔炼后Al元素含量变化：熔炼前，原材料中纯Al含量1610×0.37%+26×7.8%=7.98（kg），熔炼后成品中纯Al含量（1610+10+26）×0.31%=5.1（kg），通过分析计算Al烧损为（7.98–5.1）×100/7.98=36（%）。

（2）中频感应熔炼工艺优化后 针对前次GH2132中频感应熔炼进行分析及总结，改进熔炼方式，主要体现在：一是提高GH2132中wAl至0.5%～0.7%，以保护Ti元素少烧损；二是经过中频感应熔炼取样后，除Ti元素外，其他元素成分均在预定范围时，因此出钢前8min内加入钛铁，以减少钛元素烧损。

配料：wTi为2.2%的GH2312回炉料738kg、wTi为2.62%的GH2312回炉料386kg、纯铁372kg、纯铬118kg、镍板212kg、钛铁60kg、钼片7.5kg、钒铁2kg。总炉料1900 kg。

GH2132回炉料、炉中样及成品样化学成分如表3所示。

钛元素综合收得率计算：原始材料中纯钛量738×2.2%+386×2.62%+60×29.59%=44.1（kg），成品中纯钛量1900×2.25%=42.7（kg），经中频感应熔炼后钛铁综合收得率42.7×100/44.1=96.8（%）。

中频感应熔炼后Al元素含量变化：熔炼前，原材料中纯Al含量738×0.53%+ 386×1.0%+60×7.8%=12.45（kg），熔炼后成品中纯Al含量1900×0.5%=9.5（kg），通过前后比较可以发现，Al烧损约为（12.45-9.5）×100/12.45=23.7（%）。

三、GH2132高温合金的电渣重熔

1. 对GH2132高温合金中频电极初次电渣重熔

考虑到GH2132中含有熔炼过程中极易氧化的元素Al、Ti，初步制订熔炼制度。

（1）用φ320mm规格结晶器熔炼。

（2）总渣量30kg，萤石∶氧化铝粉∶钛白粉=67∶28.7∶4.3，萤石20.09kg，氧化铝粉8.61kg，钛白粉1.3kg，Al粉200g。

表1 GH2132及钛铁化学成分（质量分数） （%）

表2 回炉料和取样检测化学成分（质量分数） （%）

表3 GH2132回炉料、炉中样及成品样化学成分（质量分数） （%）

（3）渣料经高温烘烤。

（4）电流、电压制度采用55V电压熔炼，电流4.5～5.5kA，其余操作方式保持现有不变。

经试生产后，发现存在较多问题：熔炼过程电流不稳定；电渣锭表面螺纹较严重；渣厚120mm；退火效果不佳，退火后太硬；取电渣锭头尾样检测（见表4），发现Ti元素烧损严重，电渣锭头部达50%以上。

2. 改进工艺后GH2132中频电极电渣重熔

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

Fe-Al电极中频感应熔炼：切头400kg，铝锭35kg，在造好还原渣情况下加入，最终使Fe-Al电极中wAl在8%左右。

渣料电渣提纯：采用Fe-Al电极通过电渣提纯渣料，萤石∶氧化铝∶石灰=70%∶28%∶2%，总渣量80kg，萤石56kg，氧化铝22.4kg，石灰1.6kg，分批化渣后加入φ320mm结晶器，采用55V电压、3～4kA电流提纯。

（2）GH2132电渣重熔 ①渣料。 由于此次采用φ420mm结晶器熔炼，渣料称取35kg，其中提纯渣32.3kg、钛白粉1.7kg，提纯渣破碎后粒度适宜，并经650℃×3h烘烤。160g工业铝粉在熔炼过程分4次加入。②电流、电压制度。正常熔炼电流控制在5.5～6.5kA，电压采用55V档，其余方式保持不变。

（3）质量检测 熔炼结束，观察到电渣锭表面螺纹明显减少。退火后取电渣锭头尾样分析（见表5），可以看出采用提纯渣熔炼GH2132，可将Ti元素的烧损控制在10%以内。

表4 中频电极成品样及电渣锭头尾样化学成分（质量分数） （%）

表5 中频电极成品样及电渣锭头尾样化学成分（质量分数） （%）

四、结语

GH2132高温合金通过多次的中频感应熔炼及电渣二次重熔，可以得出以下结论：

（1）含Ti的高温合金若采用中频感应熔炼，只适合采用不氧化法进行，且随熔炼时间延长，Ti元素烧损更严重。

（2）Al是比Ti更容易与氧结合的元素，在中频感应熔炼含Ti的高温合金时，当Al含量达到一定程度时， 将对Ti的烧损起保护作用，为提高Ti元素的综合收得率，有必要将钢中wAl控制在0.5%～0.7%。

（3）在电渣重熔过程中，为控制Ti元素烧损，所采用的渣料需经过提纯，目的在于降低渣中氧化物总量，避免Ti元素在电渣重熔过程中被严重氧化。

（4）中频感应熔炼+电渣二次重熔工艺路线的不足：合金液中夹杂物总量无法进一步降低；在熔炼过程中容易吸气，使合金锭中气体含量无法控制在较低水平；在中频感应熔炼+电渣重熔过程中，若操作不当，容易导致Ti、Al元素的烧损较大；存在因熔化速度变化而产生的点状偏析和枝晶偏析。

参考文献：

[1] 郭建亭. 高温合金材料学（中册）制备工艺[M]. 北京：科学出版社，2008.