不同渣料对GH2132合金电渣锭冶金质量影响研究

陈韩锋 ,杨 艳，董生茂,徐 宁，任慧萍 ，昝 斌

（1.镍钴资源综合利用国家重点实验室,甘肃 金昌 737100;2.金川集团镍合金有限公司,甘肃 金昌 737100;3.金川集团检测中心,甘肃 金昌 737100）

1 概述

GH2132是Fe-25Ni-15Cr基高温合金，加入钼、钛、铝、钒及微量硼综合强化。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、转子叶片和坚固件等。该合金可以生产各种形状的变形产品，如盘件、锻件、板、棒、丝和环形件等[1]。

电渣重熔(ESR)作为金属的一种精炼技术，其去除杂质、非金属夹杂物的能力优异。因此，电渣重熔的合金与电弧炉、感应炉冶炼的合金相比较，重熔后的合金纯洁度高，低倍组织好，由于获得了沿钢锭轴向的柱状晶组织使合金的热加工塑性有很大提高，合金性能有明显改善，与真空电弧炉重熔相比，电渣重熔具有设备简单，投资费用低，易于操作，钢锭表面良好，不需扒皮，成材率高等优点[2，3]。

渣料是电渣冶金领域必不可少的一种重要原料，直接影响到电渣重熔过程的稳定和电渣重熔产品的质量，它应满足以下条件：（1）适当的导电性，保证电渣过程的稳定和提供重熔所需能量。（2）比较低的熔点和粘度，保证钢锭的表面质量。（3）透气性小，防止大气中的O2进入金属熔池。（4）较大的密度，增加渣-钢相对接触时间，使冶金反应能充分进行。目前电渣重熔过程中主要使用的渣料有两种，一种是自配渣，另外一种是预熔渣。自配渣采用的原料来源于萤石、石灰、镁砂、工业氧化铝、石英砂、钛白粉等，根据配比进行粉碎混合，然后进行烘烤使用，这种渣料取材相对容易，成本低，但经烘烤后仍会吸收空气中的水分，容易引起电渣锭中活泼元素的烧损。预熔渣是采用电熔法预先精炼而成的渣料，这种渣料由于预先经过重熔提纯，故成分均匀，组织致密，起弧造渣快，重熔钢锭质量好，可大幅度降低重熔电耗，但成本较高[4]。资料显示，国外电渣重熔企业大多采用预熔渣进行钢锭的重熔，而国内企业由于对预熔渣认识不足，大多采用自配渣。本文通过研究自配渣和预熔渣对GH2132合金电渣锭化学成分的影响，为生产现场制订电渣重熔工艺提供借鉴。

2 实验过程

2.1 实验原料

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

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

3）采用自配渣和预熔渣重熔的GH2132电渣锭，规格尺寸 110mm×350～400mm，锭重约 30kg；

4）金相砂纸、无水乙醇等。

2.2 实验设备

1）DZ-DGPJ3型电渣炉、5t电液锤、超高压水切割机、精密数控线切割机；

2）SPECTROLAB M10 火花 直 读 光 谱仪 、CS-3000碳硫分析仪、ICP-AES电感耦合等离子体原子发射光谱仪；

3）XQ-1金相镶嵌机、YMP-2B金相磨光机、Axio vert40MAT金相显微镜。

2.3 实验方法

1）在相同的熔炼工艺参数下，分别采用自配渣和预熔渣进行电渣重熔试验，两种渣料分别熔炼1支电渣锭。自配渣电渣锭编号为1#，预熔渣电渣锭编号为2#。

2）对 GH2132 电极棒取样，检测 Al、Ti以及 S、P含量。

3）对1#电渣锭沿锭身高度方向上、中、下部位分别取样检测Al、Ti以及S、P含量。

4）对2#电渣锭沿锭身高度方向上、中、下部位分别取样检测Al、Ti以及S、P含量。

5）对1#、2#电渣锭进行锻造后在锻坯上取样，采用金相显微镜进行夹杂物评级，对比1#、2#锻坯中的夹杂物含量。

3 结果与分析

3.1 电渣锭Al、Ti元素含量变化及均匀性分析

为观察和分析自配渣和预熔渣两种渣料熔炼后GH2132电渣锭中Al、Ti元素含量变化及均匀性分布，分别对GH2132电极棒和1#、2#电渣锭的上、中、下三个部位进行取样（上、中、下部位试样编号，分别以 S、Z、X字母表示），采用 SPECTRO LAB LAVM10直读光谱仪对Al、Ti元素进行检测。

表1 GH2132电极棒、1#、2#重熔铸锭Al元素含量对比

图1 1#、2#电渣锭Al含量变化曲线

从表1和图1可以看出，电极棒中Al含量为0.30%，重熔后1#、2#重熔锭中Al元素含量较重熔前均有所下降，但均控制在国标范围内。1#锭上、中、下部位Al元素含量最大偏差值为0.02%，含量平均值为0.21%，回收率平均值为70.00%；2#锭上、中、下部位Al元素含量最大偏差值为0.01%，含量平均值为0.25%，回收率平均值为83.33%。从以上分析可以看出，2#锭中Al元素含量以及回收率高于1#锭，说明预熔渣与自配渣相比，可明显提高重熔锭中Al元素的回收率，Al元素含量分布均匀性两者无明显差异。

表2 GH2132电极棒、1#、2#重熔铸锭Ti元素含量对比

图2 1#、2#电渣锭Ti含量变化曲线

从表2和图2可以看出，电极棒中Ti含量为2.25%，重熔后1#、2#重熔锭中Ti元素含量较重熔前均有所下降，但均控制在国标范围内。1#锭上、中、下部位Ti元素含量最大偏差值为0.02%，含量平均值为1.94%，回收率平均值为86.22%；2#锭上、中、下部位Ti元素含量最大偏差值为0.01%，含量平均值为1.93%，回收率平均值为85.78%。从以上分析可以看出，1#、2#锭中Ti元素含量以及分布无明显差异，说明预熔渣与自配渣在Ti元素的回收率方面效果相当，无明显差异。

3.2 电渣锭S、P元素含量变化及均匀性分析

S、P是合金中常见的有害杂质，S含量高时，使合金产生热脆现象，显著降低耐热强度和抗高温氧化性能，P含量高时可以使合金发生冷脆，大大降低合金的抗冲击性能[5]。因此，在高温合金的电渣精炼过程中要控制S、P含量。为观察和分析自配渣和预熔渣两种渣料熔炼后GH2132电渣锭中S、P元素含量变化及均匀性分布，分别对GH2132电极棒和1#、2#电渣锭的上、中、下三个部位进行取样，采用CS-3000碳硫分析仪检测S元素，ICP-AES电感耦合等离子体原子发射光谱仪检测P元素。

表3 GH2132电极棒、1#、2#重熔铸锭S元素含量对比

图3 1#、2#电渣锭S含量变化曲线

从表3和图3可以看出，电极棒中S含量为0.0022%，重熔后1#、2#重熔锭中S元素含量较重熔前均有所下降，但均控制在国标范围内。1#重熔锭上、中、下部位S元素含量平均值为0.0015%；2#重熔锭上、中、下部位S元素含量平均值为0.0012%；2#重熔锭S含量平均值明显低于1#重熔锭，含量差值为0.0003%。从以上分析可以看出，预熔渣相比自配渣具有更好的脱S效果，原因可能是预熔渣渣料中CaO含量高达20%，导致炉渣碱度较高，增加了炉渣的硫容量，因而该渣料具有更好的脱S能力[6]。

表4 GH2132电极棒、1#、2#重熔锭P元素含量对比

图4 1#、2#电渣锭P含量变化曲线

从表4和图4可以看出，电极棒中P含量为0.0072%，重熔后1#、2#锭中P元素含量较重熔前均有小幅下降，但含量变化不明显。1#重熔锭上、中、下部位P元素含量平均值为0.0071%；2#重熔锭上、中、下部位P元素含量平均值为0.0070%；1#、2#重熔锭P含量平均值基本一致。从以上分析可以看出，1#、2#锭中P元素含量以及分布无明显差异，说明预熔渣与自配渣在降低铸锭中P含量效果方面作用都不明显，两者的脱P效果相当。

3.3 锻坯中夹杂物种类和含量对比分析

对自配渣和预熔渣重熔的1#、2#电渣锭采用5吨电液锤进行锻造，并对锻坯进行取样，采用金相显微镜进行夹杂物评级，对比分析两种渣料下锻坯中的夹杂物种类及含量。如图5～6所示。

图5 1#电渣锭锻坯夹杂物分布及评级图（100X）

图6 2#电渣锭锻坯夹杂物分布及评（100X）

如图 5、6所示，1#、2# GH2132锻坯中主要夹杂物多为A类（硫化物）和D类（环状氧化物），且1#锻坯中同时含有C类（硅酸盐类）夹杂物。1#锻坯中A类夹杂物评级为1.5级,C类为0.5级,D类为3.0级；2#锻坯中A类夹杂物评级为0.5级,D类为1.5级。以上分析可以看出预熔渣电渣锭中夹杂物级别较低，脱除夹杂的效果要好于自配渣。

4 结论

1）预熔渣重熔锭中Al元素的回收率明显高于自配渣，自配渣电渣锭中Al元素回收率为70.00%,预熔渣电渣锭中Al元素回收率为83.33%。

2）预熔渣与自配渣在提高Ti元素的回收率方面效果相当，无明显差异。自配渣电渣锭中Ti元素回收率为86.22%,预熔渣电渣锭中Ti元素回收率为85.78%。

3）预熔渣相比自配渣具有更好的脱S效果，自配渣电渣锭中S含量最低降至0.0015%,预熔渣电渣锭中S含量最低降至0.0011%。

4）预熔渣与自配渣在降低铸锭中P含量效果方面作用都不明显，两者的脱P效果相当。

5）预熔渣电渣锭中夹杂物级别低于自配渣，自配渣最高为3.0级，预熔渣最高为1.5级，预熔渣脱除夹杂的效果要好于自配渣。