“爐外精煉-電渣”冶煉GH3128合金Φ480 mm電渣錠工藝研究

趙 越， 王樹財(cái)， 王志剛， 張 鵬， 李 寧，王艾竹

(撫順特殊鋼股份有限公司技術(shù)中心，遼寧 撫順 113000)

GH3128合金是我國(guó)基于GH3044合金自主研發(fā)的一種以W、Mo固溶強(qiáng)化并用B、Ce、Zr強(qiáng)化晶界的鎳基高溫合金。合金使用溫度在950 ℃以下，具有較高的塑性、持久和蠕變強(qiáng)度，以及良好的抗氧化性等工藝性能，綜合性能優(yōu)于GH3536和GH3044等同類鎳基固溶強(qiáng)化合金[1-2]。近年來隨著航空航天裝備設(shè)計(jì)規(guī)格的逐漸變化，GH3128合金大圓棒材使用量日趨增加、成品規(guī)格日漸增大，而從GH3128合金研制至今電渣錠的最大錠型僅為Φ360 mm，用來生產(chǎn)Φ250 mm以上大圓棒材鍛比相對(duì)較小，內(nèi)部組織及探傷水平很難得到保證。由于錠型較小，無法使用大型加工設(shè)備，制約了棒材的生產(chǎn)工藝優(yōu)化，且降低了生產(chǎn)效率和成材率。隨著撫順特殊鋼股份有限公司冶煉及加工設(shè)備的更新，通過擴(kuò)大GH3128合金電渣錠錠型可以提高大圓棒材的鍛比，優(yōu)化加工工藝，提高成材率及加工效率，改善成品探傷質(zhì)量。但是對(duì)于合金化程度偏高的GH3128合金而言，成分偏析是擴(kuò)大錠型的難題。

因此，本文通過調(diào)整非真空感應(yīng)及電渣冶煉工藝，消除偏析，最終實(shí)現(xiàn)GH3128合金Φ480 mm電渣錠的研制及應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

非真空感應(yīng)爐由于合金收得率高、投資少、見效快等因素，生產(chǎn)節(jié)奏控制靈活，早已廣泛應(yīng)用于特殊鋼和特殊合金等領(lǐng)域。東北特鋼集團(tuán)撫順特殊鋼股份有限公司從20世紀(jì)90年代開始，一直在研發(fā)并使用1 t非真空感應(yīng)爐冶煉GH3128等高Cr、Mo、W含量的鎳基合金。隨著科技進(jìn)步以及前期經(jīng)驗(yàn)，已成功開發(fā)使用30 t非真空感應(yīng)爐冶煉GH3128等品種。本文所用GH3128合金是采用30 t非真空感應(yīng)爐冶煉Φ250 mm或Φ330 mm電極棒+電渣重熔Φ480 mm電渣錠精煉工藝生產(chǎn)。

為了降低電極棒氣體含量，提高純凈度，改善電渣錠冶金質(zhì)量，煉鋼時(shí)采用“非真空感應(yīng)+LF+VOD”工藝，經(jīng)過合金化、吹氧、脫氣、提純、模鑄等工序，降低鋼液氣體含量，提高鋼液純凈度。某公司生產(chǎn)的GH3128的爐外精煉工藝主要包括LF和VOD兩個(gè)工位，其中LF爐的主要作用是合金化(主要調(diào)整Cr、Ni、Mo、W等元素)、脫硫、調(diào)整溫度滿足VOD開吹要求。VOD爐的主要作用為氧化期吹氧脫碳，還原期脫氧、脫氮、調(diào)整合適的溫度和成分。

某公司30 t的VOD爐自2011年4月由INTECO公司進(jìn)行改造后[3]，配備了先進(jìn)的MTA廢氣分析系統(tǒng)，可以在VOD脫碳過程中收集數(shù)據(jù)，分析廢氣成分，測(cè)量廢氣流量，并通過這些數(shù)據(jù)來評(píng)估VOD工藝過程，進(jìn)而在生產(chǎn)控制中發(fā)揮指導(dǎo)作用[4]。先后成功冶煉了GH3128、GH3044、N08028等合金，該工藝不但可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，有效提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，還可以降低冶煉成本。

電渣前結(jié)合Meltflow-ESR電渣冶煉模擬系統(tǒng)對(duì)偏析傾向及渣皮厚度的模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)了交換支臂電渣爐的冶煉工藝參數(shù)：電壓：60～68 V；電流：7 000～8 000 A，熔速：3～6 kg/min。電極棒經(jīng)電渣重熔成Φ480 mm電渣錠，化學(xué)成分見表1。

電渣錠在3150T快鍛機(jī)經(jīng)3火開坯后，在1800T精鍛機(jī)經(jīng)1火加工為Φ250 mm棒材，同時(shí)生產(chǎn)90 mm方試驗(yàn)料。探傷合格后取試驗(yàn)材料，試驗(yàn)材料取自90 mm方及成品棒材，在交貨態(tài)試樣上進(jìn)行低倍及顯微組織檢驗(yàn)，力學(xué)性能檢驗(yàn)試樣分別選擇90 mm方縱向和棒材橫向進(jìn)行檢驗(yàn)，試樣經(jīng)1 200 ℃熱處理。

表1 GH3128合金化學(xué)成分 %

2 結(jié)果分析與討論

2.1 氣體含量

煉鋼時(shí)采用“非真空感應(yīng)+LF+VOD”工藝，經(jīng)過脫氣、還原等工序，氣體含量得到了有效的控制。通過分析出鋼前試樣中的氣體O、N含量可以看到，氣體成分控制良好(見表2)，這為后續(xù)電渣冶金質(zhì)量的提高提供了必要保障。

表2 GH3128合金非真空感應(yīng)冶煉過程中氣體成分分析結(jié)果 ×10-6

2.2 電渣錠表面質(zhì)量及合金低倍組織

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)(電壓：60～68V；電流：7 000～8 000 A；熔速：3～6 kg/min)設(shè)定了電渣爐冶煉工藝，成功冶煉出了GH3128合金Φ480 mm電渣錠，電渣錠表面質(zhì)量良好，如圖1所示，左邊為尾部，右邊為頭部。

圖1 GH3128合金Φ480 mm電渣錠表面狀態(tài)

電渣錠通過精快鍛聯(lián)合工藝加工為Φ250 mm成品棒材，棒材車光后經(jīng)Φ1.2 mm平底孔探傷無雜波，分別在相當(dāng)于鋼錠頭部、尾部的成品棒材上取橫、縱向低倍片，進(jìn)行低倍組織觀察(如圖2和圖3所示)，由圖2～圖3可見，合金棒材低倍組織致密、晶粒均勻、無明顯的偏析帶。通過對(duì)鋼錠表面質(zhì)量、成品棒材探傷及頭尾低倍組織的檢查，可以確定鋼錠表面及內(nèi)部質(zhì)量良好。說明了GH3128合金Φ480 mm電渣錠冶煉工藝設(shè)計(jì)合理，冶金質(zhì)量合格，同時(shí)也證明了整支棒材的鍛造工藝制定合理，實(shí)現(xiàn)了組織均勻的控制。

圖2 GH3128合金Φ250 mm橫向低倍組織

圖3 GH3128合金Φ250 mm縱向低倍組織

2.3 顯微組織

在橫向低倍上沿半徑方向取樣(取樣位置為邊緣、1/2R和中心，如圖4所示)。對(duì)縱向顯微組織進(jìn)行金相觀察可知，棒材頭尾組織均勻。

圖4 GH3128合金Φ250 mm顯微組織(×100)

通過Φ480 mm錠加工的Φ250 mm棒材頭尾取樣在顯微鏡100倍下觀看非金屬夾雜物，完全滿足生產(chǎn)大圓棒材的基本需求(見表3、圖5)。

表3 GH3128合金Φ250 mm棒材非金屬夾雜物/級(jí)

圖5 GH3128合金Φ250 mm棒材非金屬夾雜物(×100)

2.4 力學(xué)性能

因?yàn)镚H3128合金大圓棒材技術(shù)條件中僅要求檢驗(yàn)高溫拉伸性能，所以在橫向低倍和縱向90 mm方上各取兩套高溫拉伸試樣，經(jīng)過熱處理后，對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 GH3128合金Φ250 mm鍛制棒材高溫拉伸性能

由表4可知，由Φ480 mm電渣錠鍛造生產(chǎn)的GH3128合金Φ250 mm成品棒材橫向與縱向的力學(xué)性能水平一致，均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，且留有一定預(yù)度。這說明無論從Φ480 mm電渣錠加工到Φ250 mm棒材還是加工到90 mm方試樣，變形量均足夠充分，組織均勻性良好，力學(xué)性能無明顯差別。由此可見，GH3128合金擴(kuò)大到Φ480 mm電渣錠后采取精快鍛聯(lián)合的鍛造生產(chǎn)工藝合理，可以滿足GH3128合金大圓棒材的穩(wěn)定生產(chǎn)。與此同時(shí)，由于鍛比的增大，也改善了棒材鍛造加工后的內(nèi)部質(zhì)量，提高了組織均勻性，進(jìn)而提升了探傷水平。因此，GH3128合金Φ480 mm電渣錠經(jīng)合理的冶煉及加工后，鍛制棒材的力學(xué)性能可以達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié) 論

(1)GH3128合金冶煉時(shí)采用“非真空感應(yīng)+LF+VOD”工藝，經(jīng)過合金化、吹氧、脫氣、提純、模鑄等工序，可以降低鋼液氣體含量，提高鋼液純凈度；

(2)利用計(jì)算機(jī)模擬的手段設(shè)計(jì)并優(yōu)化電渣工藝參數(shù)，成功的冶煉出無冶金缺陷的GH3128合金Φ480 mm電渣錠；

(3)擴(kuò)大錠型后的GH3128合金在3150T快鍛+1800T精鍛聯(lián)合工藝下鍛制出晶粒均勻、探傷合格的Φ250 mm成品棒材；

(4)利用Φ480 mm電渣錠加工的GH3128合金成品棒材90 mm方與橫向(棒材本體)力學(xué)性能水平一致，均可以達(dá)到技術(shù)條件的要求。