馮兆龍 鄭曉光

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南471027)

半連續(xù)式真空感應(yīng)爐是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)思路較為完整先進(jìn)的冶煉設(shè)備。該設(shè)備具有容量大、冶煉狀態(tài)下試樣提取、添補(bǔ)料、漏鋼探測(cè)自動(dòng)報(bào)警、專用鋼液攪拌等特點(diǎn)。試樣提取系統(tǒng)能充分克服因爐料配比、秤重過(guò)程中可能出現(xiàn)的成分偏差；添補(bǔ)加料系統(tǒng)提供了保證成分穩(wěn)定準(zhǔn)確的設(shè)備基礎(chǔ)；漏鋼自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)杜絕了單靠人為方式發(fā)現(xiàn)漏爐而可能導(dǎo)致的冶煉廢品和設(shè)備事故；專門設(shè)計(jì)的鋼液攪拌系統(tǒng)充分保證了大容量條件下鋼中C-O反應(yīng)及脫氣、成分的均勻性；測(cè)溫系統(tǒng)保證了在澆注時(shí)精確控制溫度的要求。它本身的工藝裝備為進(jìn)行合金以及其它高技術(shù)要求的合金冶煉提供了有力保證。

1 高溫合金的真空冶金

高溫合金是具有特殊物理性能的一類合金，有除力學(xué)特性以外的其它功能，又稱熱強(qiáng)合金、耐熱合金或超合金。高溫合金是制造航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件、航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各種高溫部件的關(guān)鍵材料，也是制造地面燃?xì)廨啓C(jī)、能源、冶金及化工等工業(yè)部門所需高溫耐腐蝕部件的材料。高溫合金的研制和生產(chǎn)水平是一個(gè)國(guó)家金屬材料發(fā)展水平的標(biāo)志之一。因雜質(zhì)元素對(duì)其性能有明顯影響必須得到有效控制，尤其是對(duì)能在合金中形成間隙固溶體的C、N、O、H等元素要求更嚴(yán)格。根據(jù)冶金學(xué)的原理可知，真空狀態(tài)對(duì)去除以上幾種有害元素有極大的優(yōu)越性[1～3]。

1.1 真空冶金的一般規(guī)律

冶金過(guò)程中的各種化學(xué)反應(yīng)，都向平衡態(tài)方向自發(fā)進(jìn)行。對(duì)于有氣體生成的反應(yīng)來(lái)說(shuō)，在溫度不變而氣體壓力變動(dòng)的情況下，自由能的變化可用公式表示：

ΔG=nRTlP2/P1

式中n——?dú)怏w摩爾數(shù)；

R——?dú)怏w常數(shù)；

T——絕對(duì)溫度，單位為K；

l——爐體體積，單位為m3；

P1，P2——反應(yīng)始、終態(tài)時(shí)氣體壓力，單位為Pa。

由上式可知，氣體的自由能與溫度及其摩爾數(shù)成正比，壓力的絕對(duì)值不起作用，重要的只是氣體始、終態(tài)的壓力比。在P2﹤P1時(shí)，即壓力降低時(shí)ΔG﹤0，可見減少系統(tǒng)的壓力后化學(xué)平衡向著增多氣態(tài)物質(zhì)的方向移動(dòng)。也就是說(shuō)，真空可使已達(dá)到平衡的脫氣、脫碳和脫氧反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，從而提高鋼液質(zhì)量。

1.2 真空條件下碳的脫氧能力

真空條件下的鋼液中存在基本反應(yīng)：

[C]+[O]=CO(氣)

碳的脫氧產(chǎn)物是CO氣體，在降低壓力的情況下，平衡向產(chǎn)生CO的方向移動(dòng)，使碳的脫氧能力提高了。在真空下碳的脫氧能力很強(qiáng)，當(dāng)氣相降低至10.1325 kPa時(shí)，碳的脫氧能力將超過(guò)硅，繼續(xù)降低氣相壓力至133.322 Pa時(shí)，則碳的脫氧能力大于鋁。但是，在實(shí)際情況下碳的脫氧能力并不像理論計(jì)算那樣無(wú)限地提高。在反應(yīng)中還受其它因素的影響。

1.3 真空下碳脫氧反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)因素

從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，在CO氣泡和鋼液的界面上以及鋼液小滴和氣相之間的交界面上，脫氧產(chǎn)物CO以分子形式直接從液相揮發(fā)到氣相中去，而不再受鋼液靜壓力和毛細(xì)管壓力的作用。因此，在這些界面上的[%C]、[%O]值可降低至熱力學(xué)平衡值的水平。除此之外，控制碳氧反應(yīng)速度的將是鋼液中的碳和氧間氣、液界面的傳質(zhì)速度。碳在鋼液中的擴(kuò)散速度比氧大(De=2×10-4，DO=2.6×10-5)；碳含量一般又超過(guò)氧含量，因此氧的傳質(zhì)是真空下脫氧反應(yīng)速度的控制環(huán)節(jié)。

1.4 真空下鋼液的脫氣

真空感應(yīng)爐條件下，未脫氧的鋼液靠真空條件促進(jìn)碳氧反應(yīng)，從而達(dá)到脫氫和脫氮的目的。在高溫及氣相的分壓力很低的狀態(tài)下，脫氫、脫氮、脫氧等都把由液相向氣-液界面?zhèn)髻|(zhì)看作是脫氣過(guò)程的控制環(huán)節(jié)。有資料表明，在真空感應(yīng)爐中傳質(zhì)系數(shù)：kH=91×10-3cm/s，kN=14.5×10-3cm/s，kC=45.5×10-3cm/s。

1.5 真空下耐火材料與含碳鋼液的相互作用

從理論上說(shuō)有氣體產(chǎn)生的反應(yīng)在真空條件下碳的脫氧能力增強(qiáng)。據(jù)資料所載，當(dāng)碳在金屬液中的含量極低(%C=0.02)、活度很小的情況下，耐火材料MgO和鋼水中的碳氧平衡的CO分壓力仍大大超過(guò)目前真空感應(yīng)爐的工作壓力范圍：(10-2Pa～10 Pa)。

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

反應(yīng)將不斷向降低金屬中碳含量的方向，即產(chǎn)生氣體的方向進(jìn)行。

2 冶煉INCONEL718合金的工藝

2.1 爐襯材料準(zhǔn)備

采用美國(guó)聯(lián)合礦產(chǎn)(天津)有限公司生產(chǎn)的電熔鎂砂DRI-VIBE 673M作為爐襯材料，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 爐襯材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Furnace lining material composition (mass fraction，%)

采用電熔鎂砂作爐襯材料除具有純度高、雜質(zhì)少、化學(xué)穩(wěn)定性好等原因之外，還可以有效防止被還原的生成金屬鎂進(jìn)入熔池產(chǎn)生污染。因?yàn)殒V的蒸氣壓大，極易揮發(fā)，況且在鐵基和鎳基高溫合金中是不熔解的，有利于得到非金屬夾雜物較少的金屬。尖晶石熔點(diǎn)較鋼的冶煉溫度高，在煉鋼溫度(1 540～1 600℃)呈固態(tài)形式存在，具有形成良好的堅(jiān)硬八面體晶體的強(qiáng)烈傾向，參與形成燒結(jié)層，耐沖刷和侵蝕，而且對(duì)于形成C-O反應(yīng)的核心領(lǐng)先有很大作用，促進(jìn)脫氧產(chǎn)物CO的形成。

2.2 金屬料的準(zhǔn)備

表2為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(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 INCONEL718 composition (mass fraction，%)

在加料以前對(duì)爐料進(jìn)行預(yù)處理是十分必要的。加料前爐料要經(jīng)過(guò)噴砂、酸洗或堿洗以潔凈表面。爐料必須干燥，裝料前要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮婵?。通常只能一次加料，因此為獲得精確的合金成分，必須對(duì)爐料進(jìn)行精確的計(jì)算和秤量。還要考慮到爐料的大小及搭配，使?fàn)t料在裝料時(shí)緊密接觸，而在熔化時(shí)又不發(fā)生“架橋”現(xiàn)象。

裝料前，要將坩堝內(nèi)壁清理干凈，否則合金中的夾雜物會(huì)增加很多。裝料量應(yīng)按一次澆滿鑄錠為宜。裝料次序原則上為熔點(diǎn)高的，難揮發(fā)或蒸發(fā)的原料如鎳、鎢、鈷、鉬、鉻等先加?；钚栽乜勺鳛樘砑恿习卜旁诩恿掀鲀?nèi)，在熔化過(guò)程中加入。為了加速爐料的熔化，大塊料通常放在坩堝壁的附近，而在坩堝的中央放小塊的料。大塊料間應(yīng)適當(dāng)充填小塊的料，爐料應(yīng)下緊上松，爐料不要高過(guò)感應(yīng)器太多。

金屬料良好的表面狀況及適宜的形狀，為減少外部夾雜的帶入、防止熔化過(guò)程中的噴濺、降低[H]的增加以及縮短熔化時(shí)間創(chuàng)造了條件。

2.3 冶煉過(guò)程與分析

2.3.1 熔化期

熔化期在煉鋼工藝中十分重要，如何縮短熔化期成為人們關(guān)心的熱點(diǎn)。在電爐煉鋼、非真空感應(yīng)等冶煉方式中，熔化期幾乎占據(jù)整個(gè)冶煉過(guò)程的三分之二。盡可能提高熔化速度，一方面可節(jié)約能源，另一方面可防止過(guò)分吸氣，影響鋼的質(zhì)量。根據(jù)爐料的具體情況和坩堝使用的次數(shù)來(lái)確定真空感應(yīng)爐熔化期的操作。當(dāng)爐料表面狀況不理想、坩堝剛使用時(shí)，在保證真空度的前提下，可以適當(dāng)延長(zhǎng)熔化階段，以防止坩堝受熱過(guò)急而產(chǎn)生裂紋以及噴濺過(guò)多而產(chǎn)生鐵損。

試驗(yàn)所用回爐料狀況良好，新配料料塊均勻，表面潔凈，不易因?yàn)檠b料不慎而產(chǎn)生“架橋”。冶煉開始，送電功率為50 kW，真空度為10 Pa；30 min后開啟增壓泵，轉(zhuǎn)高真空，功率升至200 kW，真空度為3.5 Pa；50 min后，爐內(nèi)金屬原料部分熔化，無(wú)金屬、非金屬氧化物噴濺現(xiàn)象。已形成的部分鋼液表面較平靜，功率為300 kW，真空度為0.1 Pa，一直到50 min后全部熔化，發(fā)現(xiàn)液面開始有少許氣泡出現(xiàn)，真空度略有升高。至此，熔煉化期結(jié)束，時(shí)間為100 min。

2.3.2 精煉期

熔化期是鋪墊，進(jìn)入精煉期便是關(guān)鍵。在這一階段進(jìn)行的所有操作都要將前面闡述的理論與實(shí)踐相結(jié)合。全熔5 min后，測(cè)得溫度為1 520℃，達(dá)到精煉溫度，氣泡形成量略有增多，鋼液中的富氧與加入的脫氧、脫碳物質(zhì)開始反應(yīng)。此時(shí)不會(huì)引起坩堝的大量供氧，因?yàn)橐环矫媾c碳相平衡的游離氧量沒(méi)有過(guò)多消耗，另一方面精煉期的時(shí)間還很短。為使壓力平衡，向爐內(nèi)充入適量氬氣，并停止所有泵的工作。待溫度調(diào)整合適后即可加入剩余合金料。所有爐料熔化完畢后使用電磁攪拌功率進(jìn)行攪拌均勻后即可出鋼澆注。

根據(jù)真空理論可知，真空條件下利用攪拌促進(jìn)C-O反應(yīng)，會(huì)加速對(duì)爐襯材料的侵蝕，增加了提高鋼中非金屬夾雜物的可能性。因此，不能單純認(rèn)為攪拌是有利無(wú)害的。同時(shí)不能忽視坩堝供氧問(wèn)題，因?yàn)樗瑯訒?huì)消耗爐襯材料。選擇氧化鋁等坩堝還會(huì)污染鋼液，形成氧化物、氮化物夾雜，所以要掌握好脫碳量、精煉時(shí)間。

在精煉后期主要是進(jìn)行成分調(diào)整。在此階段，溫度不要過(guò)高，成分要均勻，以保證合金化過(guò)程中形成的非金屬夾雜能充分上浮和保持高的真空度。冷凍處理結(jié)束后，以大功率破開氧化膜，隨后降低功率，控制合金液體的溫度在1 500℃左右。然后分批加入鋁鈦，每批加入量小于2%，加入之后并進(jìn)行適當(dāng)電磁攪拌以利夾雜物上浮。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)INCONEL718合金的成功冶煉，更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了半連續(xù)式真空感應(yīng)爐的冶煉工藝特點(diǎn)，加深了理論理解。

(2)在冶煉過(guò)程中，合理控制送電功率、真空度、精煉時(shí)間并進(jìn)行適當(dāng)攪拌，對(duì)促進(jìn)夾雜物上浮是十分重要的。

(3)真空冶煉無(wú)渣操作要求原料表面狀況良好，不允許有氧化皮等雜質(zhì)。

(4)合理選擇坩堝材料并控制熔煉功率，可將材料中的氣體含量及夾雜物含量控制在較低的水平。

[1] 陳家祥.鋼鐵冶金學(xué)[M].北京科技大學(xué)，2002.

[2] 劉大任.特種冶金用新型耐火材料[M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2001.

[3] 牛建平.純凈鋼及高溫合金制備技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.