电渣重熔渣系对C-HRA-3耐热合金夹杂物的影响.pdf
《电渣重熔渣系对C-HRA-3耐热合金夹杂物的影响.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电渣重熔渣系对C-HRA-3耐热合金夹杂物的影响.pdf(7页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、第 44 卷第 5 期2023 年 10 月Vol.44.No.5October 2023特殊钢SPECIAL STEEL电渣重熔渣系对C-HRA-3耐热合金夹杂物的影响李龙飞1,林腾昌1,张强1,何西扣2,陈正宗2,周晓舟1(1 钢铁研究总院有限公司冶金工艺研究所,北京 100081;2 钢铁研究总院有限公司特殊钢研究院,北京100081)摘 要:本文利用10 kg级保护气氛电渣重熔炉,研究了两种电渣重熔渣系对C-HRA-3耐热合金电渣锭夹杂物数量、尺寸、分布规律的影响。结果表明,60%CaF2-20%Al2O3-10%CaO-10%MgO渣系的液相线温度为1 417,新型50.4%CaF2
2、-26.1%Al2O3-19.5%CaO-4%MgO渣系的液相线温度为1 324,且固液两相区的温度区间较窄,液态熔渣的电阻率高,可实现C-HRA-3合金电渣重熔的高熔速稳定冶炼。两种渣系冶炼的电渣锭中,夹杂物主要包括氧化物、碳氮化物和硫化物等类型,电渣锭边缘位置夹杂物数量与自耗电极相近,电渣锭边缘到中心位置夹杂物数量呈现出逐渐减少的趋势。两种渣系冶炼的电渣锭中,氧化物夹杂的平均尺寸分别为3.019 m和2.341 m。新型渣系冶炼的电渣锭中,沿径向不同位置处,尺寸3 m的氧化物夹杂数量占比均更小,对C-HRA-3合金大尺寸氧化物夹杂具有更显著的去除效果。关键词:电渣重熔;渣系;C-HRA-3
3、耐热合金;夹杂物DOI:10.20057/j.1003-8620.2023-00089 中图分类号:TF743Effect of Electroslag Remelting Slag System on Inclusions in C-HRA-3 Heat-Resistant AlloyLi Longfei1,Lin Tengchang1,Zhang Qiang1,He Xikou2,Chen Zhengzong2,Zhou Xiaozhou1(1 Department of Metallurgical Technology Research,Central Iron and Steel Re
4、search Institute Co.,Ltd.,Beijing 100081,China;2 Institute for Special Steels,Central Iron and Steel Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100081,China)Abstract:In this paper,the effects of two types of electroslag remelting slag systems on the content of the quantity,size,and distribution of inclusio
5、ns in C-HRA-3 heat-resistant alloy electroslag ingots was investigated by using a 10 kg level protective atmosphere electroslag remelting furnace.The results show that the liquidus temperature of 60%CaF2-20%Al2O3-10%CaO-10%MgO based slag system is 1 417,the liquidus temperature of new type 50.4%CaF2
6、-26.1%Al2O3-19.5%CaO-4%MgO based slag system is 1 324 and the new type slag system has a narrow temperature range between solidus and liquidus,and the resistivity of liquid slag is high,which can ensure the high melting rate and stable smelting of C-HRA-3 alloy electroslag remelting.The inclusions i
7、n the electroslag ingots produced by two slag systems mainly include oxides,carbonitrides,and sulfides.The number of inclusions at the edge of the electroslag ingots is similar to that of the consumable electrode,and the number of inclusions from the edge to the center of the electroslags shows a gr
8、adually decreasing trend.Moreover the average size of oxide inclusions in electroslag ingots smelted with two slag systems is respectively 3.019 m and 2.341 m.Along different radial positions of the new type slag system smelting electroslag ingot,the proportion of oxide inclusions with size 3 m is s
9、maller,which has a more significant removal effect on large-sized oxide inclusions in C-HRA-3 alloy.Key Words:Electroslag Remelting;Slag System;C-HRA-3 Heat Resistant Alloy;Inclusions为了积极应对全球气候变化,中国提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,2060年前实现碳中和的“双碳”发展目标。在此背景下,能源作为碳达峰碳中和的重点领域,不仅要优化产业结构,推动产业转型升级,同时也应推动传统火力发电等提升能源利
10、用效率。超超临界电站蒸汽温度和压力的提高可显著降低煤耗以及CO2排放,但其对耐热材料的性能也提出极高的要求1-2。钢铁研究总院团队经过长期的研究及应用探索,自主设计研发多种可应用于不同超超临界电站环境下的耐热合金和耐热钢材料,其中 C-HRA-3耐热合金是一种新型可适用于700 超超临界电站大口径厚壁锅炉管制造的镍基合金材料3-4。C-HRA-3耐热合金因含较高的铬、钴、钼等合金元素及对洁净度的严格要求,需经真空感应熔炼+气体保护电渣重熔+真空自耗熔炼的三联特种基金项目:中央企业自主投入研发专项重大基金(20T61180ZD)作者简介:李龙飞(1990),男,博士,工程师;E-mail:aif
11、ei_;收稿日期:2023-05-2576第 5 期李龙飞等:电渣重熔渣系对C-HRA-3耐热合金夹杂物的影响冶炼工艺生产制备5。电渣重熔作为中间冶炼环节,可利用其重熔精炼工艺优势,借助高温熔渣与金属熔滴间相互作用及结晶器冷却控制,获得具有低硫含量、高洁净度、良好的表面质量及凝固组织等特征的电渣锭6-11。电渣重熔冶炼特定金属材料时,除了设计合理的用电制度和冷却制度外,电渣重熔渣系的选择也至关重要,其直接影响电渣锭中易烧损元素控制、夹杂物去除效果9,12。国内外研究人员在电渣重熔渣系开发方面做了大量研究工作。Duan 等13将 CaF2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2五元渣系中的 CaO
12、含量由 5%提高到 36%,使得电渣重熔Inconel718合金中氧、硫含量大幅下降,夹杂物数量减 少、尺 寸 减 小。崔 利 民 等14选 用 75%CaF2-15%Al2O3-5%CaO-5%TiO2渣 系 替 代 70%CaF2-30%Al2O3渣系冶炼 GH2132 合金,可将电渣锭中 D类细系夹杂物控制在0.5级以下,Ti的烧损量降低至 0.19%0.34%。Radwitz 等15的研究发现,渣中MgO含量由2%升高至15%,可提高21CrMoV5-7电渣锭中大尺寸夹杂物的去除效率,增加小尺寸夹杂物的数量比例。高首磊16研究发现,新型预熔渣系50%CaF2-22%Al2O3-20%C
13、aO-5%MgO-3%TiO2可 有效改善GH3128合金电渣锭表面质量,对Ti的烧损有一定的抑制作用。肖爱平等17研究发现,新型55%CaF2-25%Al2O3-15%CaO-5%MgO电渣重熔渣系可使GCr15轴承钢中氧含量大幅降低,有效改善钢中D类夹杂物。但是,C-HRA-3合金作为一种新型镍基耐热合金,对其电渣重熔渣系的研究却鲜有报道。因 此,本 研 究 利 用 10 kg 级 电 渣 重 熔 炉冶 炼 C-HRA-3耐热合金,借助夹杂物自动分析系统、SEM 扫描电镜等,分析两种不同渣系下冶炼的 C-HRA-3耐热合金电渣锭在同一锭身高度的不同径向位置处的夹杂物特征,对比分析 60%C
14、aF2-20%Al2O3-10%CaO-10%MgO渣系(以下简称6211渣系)和 50.4%CaF2-26.1%Al2O3-19.5%CaO-4%MgO 渣系(以下简称新型渣系)下,电渣重熔对C-HRA-3合金夹杂物的去除效率并摸索其夹杂物特征规律,为工业级电渣重熔冶炼C-HRA-3耐热合金提供理论依据。1实验材料及方法利用中频真空感应炉冶炼1支20 kg的C-HRA-3合金锭,其化学成分(质量分数)见表1。铸锭在特定的工艺下锻造成40 mm棒材,沿中间切开成两支单重约10 kg的电渣重熔自耗电极。选用内径为80 mm的水冷结晶器在实验室小型电渣重熔炉上进行电渣重熔冶炼,所用的两种渣系成分(
15、质量分数)见表2。其中,6211渣系为基础渣系的六元渣,新型渣系为结合C-HRA-3合金物性特点并利用FactSage 7.3软件计算设计的新型渣系18。两种渣系冶炼实验所用渣量均为1 kg,并于冶炼前由分析纯试剂配制混匀,在1 600 保温60 min预熔,高温液态渣直接加入电渣炉内,并在渣中加入40 g铝粒。在冶炼时,结晶器内部持续通入氩气保护。由于两种渣系物性不同,冶炼过程的电参数也有微调,其中使用6211渣系冶炼时的电压为28 V,电流为1 3001 500 A,熔速在0.420.52 kg/min内波动,而使用新型渣系冶炼时的电压为 34 V,电流为1 4001 500 A,熔速在0
16、.520.62 kg/min内波动。在热锻态自耗电极圆棒1/2半径处以及两种不同渣系冶炼的C-HRA-3合金电渣锭的不同部位切取8 mm8 mm4 mm的金相样品,其中C-HRA-3合金电渣锭上的取样方式为在距离头部30 mm处切取厚4 mm薄圆片,并分别在圆片的边缘、1/2半径、中心位置取金相样品,电渣锭上取样位置如图1所示。其中,电极上的金相样为0号样品,6211渣系冶炼的电渣锭上从中心到边缘三个样品编号分别为 1-1号、1-2号、1-3号,新型渣系冶炼的电渣锭上从中心到边缘三个样品编号分别为2-1号、2-2号、2-3号。利用AZtec夹杂物自动分析系统对金相样品中夹杂物进行统计分析,每个
17、样品的分析面积均为 2.98107 m2,所分析检测的夹杂物最小有效直径为1 m。通过统计结果中各颗粒的化学成分结果筛选出有效夹杂物颗粒,并根据化学成分、尺寸对夹杂物进行统计分析。借助 Quanta650feg 扫描电表1C-HRA-3合金电极化学成分(质量分数)Table 1The chemical composition of C-HRA-3 alloy electrode%C0.05Al0.98Si0.041Ti0.420Mn0.001 3B0.005 0P0.001Nb0.048S0.000 6W0.66Cr22.08Zr0.02Co12.01O0.000 7Mo8.74N0.001
18、7Fe0.1NiBal.77第 44 卷 特殊钢镜 对 C-HRA-3 合金中典型夹杂物类型进行观察分析。2实验结果与讨论2.1电渣重熔渣系物性参数分析电渣重熔渣系的物性参数,对电渣重熔冶炼过程渣-金间化学反应、非金属夹杂物的去除效率、电渣锭的凝固组织等起到决定性作用,在设计新型渣系时应首先对渣系的物性参数进行计算或测试分析。本研究利用FactSage 7.3热力学软件,分别计算两种四元基础渣系在1 0001 600 温度范围内各物相随温度变化关系,结果如图2所示。由图2(a)可知,6211渣系的熔点为1 417,熔渣完全转变为固态的温度为1 270。随着温度的降低,在液态6211渣中会先后析
19、出尖晶石相、氧化物相(MeO_A)以及含少量CaO的CaF2相(CaFh、CaFl)。从图2(b)中可以看出,相比 6211 渣系,新型渣系的熔点为1 324,完全转变为固相的温度为1 269,随温度降低从液态渣中析出的相类型相近。新型渣系的组元配比更加接近于多元相图中的低共晶点,相比于6211渣系,其液相线与固相线温度差值更小,电渣重熔冶炼过程中也更为稳定。同样地,利用 FactSage 软件计算两种渣系在1 3001 700 温度范围内黏度的大小,结果如图3所示。其中,在计算过程中考虑到 6211 渣系在1 300、1 350、1 400时以及新型渣系在 1 300 时存在固相,利用修正的
20、Einstein-Roscoe公式(1)19计算了固液混合熔渣的黏度值。从结果可以看出,在1 400 以上,两种渣系的黏度均低于0.05 Pa s,其中6211渣系因含更高的CaF2组元,其黏度值略低于新型渣系。由于C-HRA-3合金的熔点为1 371,根据李正邦团队早期测试分析20,电渣重熔渣池温度为冶炼钢种熔点以上200300,因而本研究中的两种渣系在此熔炼阶段,液态熔渣黏度随温度变化较为平稳,保证了熔炼过程的稳定。=0(1-w)-2.5(1)式中:为包含固相颗粒的液态渣黏度,Pa s;0为不含固相颗粒的液态渣黏度,Pa s;w为熔渣中固相颗粒的质量分数。根据董艳伍等21-22总结的经验公
21、式(2)可计算出两种渣系的电导率。=exp(1.911-1.38xx-5.69x2x)+0.003 9(T-1 973)(2)表2两种电渣重熔用渣系各组元成分(质量分数)Table2The chemical composition of two slag systems for electroslag remelting%渣系6211渣系新型渣系CaF259.450.4Al2O319.826.1CaO9.919.5MgO9.93.0TiO20.50.5ZrO20.50.5图1电渣锭上取样示意图Fig.1Schematic diagram of sampling on the electrosl
22、ag ingot图2两种渣系中各相随温度变化关系:(a)6211渣系,(b)新型渣系Fig.2The relationship between the content of each phase and temperature variation in two slags:(a)6211 slag system,(b)new type slag system78第 5 期李龙飞等:电渣重熔渣系对C-HRA-3耐热合金夹杂物的影响式 中:xx=x(Al2O3)+0.2x(CaO)+0.8x(MgO)+0.5x(TiO2)+x(ZrO2);渣系中各氧化物的适用范围为 x(Al2O3)=00.5、x
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电渣重熔渣系 HRA 耐热合金 夹杂 影响