高温合金的电渣炉重熔
电渣重熔是20世际50时代在电渣焊基本上发展壮大下去的，它当作一种新的冶炼厂方式，在20世际60时代得到了迅猛发展。为了更好地提升金属材料品质，电渣重熔加工工艺已被世界各国冶金工业厂普遍选用。在我国于1958年逐渐对电渣重熔开展实验科学研究，1962年即逐渐把电渣重熔加工工艺运用于生产制造镍基高温合金GH4037。到现在为止，电渣重熔加工工艺已成为了在我国生产制造高温合金的一种关键加工工艺线路，有近一半的高温合金型号选用了这些加工工艺。创作者等[1]研发的GH2135铝合金在20新世纪文化大革命期内选用电渣炉冶炼做为二次冶炼生产制造了上百吨铸钢件，用以航空公司发动机厂生产制造不一样型号规格飞机发动机的涡轮增压盘。除此之外，在机器设备、生产规模、重熔加工工艺及理论基础研究等领域都获得了令人激动的发展趋势，有一些层面也有自主创新，贴近或追上了全球**水准。因为电渣重熔在净化处理高温合金，降低铝合金中缩松和改进铝合金锭结晶体机构层面具备优势，因此被广泛运用于高温合金等耐热铸铁的重熔精练。电渣重熔高温合金可锻性好，锻材表层质量优质，成才率高。因此电渣重熔在高温合金的制造中有着十分关键的功效。
此章将简略详细介绍电渣炉重熔的基础理论和机器设备，电渣重熔的冶金工业特性与质量管理，电渣重熔加工工艺技术参数的挑选与重熔加工工艺及其电渣重熔高温合金锭中产生的缺点。25.1 电渣炉重熔的基础理论和机器设备25.1.1 电渣重熔基本概念电渣重熔是运用电流量根据炉渣时发生的电阻器热来融化金属电极而做到冶炼目地的一种炼铁方式。被加温融化的金属材料以熔滴的方式通过渣层降落到水冷散热结晶器的金属材料熔合内，由下高于一切结晶体成铸钢件。所形成的发热量可由下式测算： Q = I2R （25-1）式中：Q—单位时间造成的发热量（J/S），I—电流强度（A），R—炉渣电阻器（Ω）当金属电极埋在渣层中，炉渣因为插电而造成渣阻热使电级慢慢提温以致融化，熔化先从高温的表面逐渐，在电极端化部堆积而产生熔滴，超温的熔滴在本身重力g、渣液表面张力 及电驱动力R*的三重功效下，当g R*?σ时，熔滴自电极端化部滴下并越过渣层掉入结晶器内，电级持续融化，水冷散热结晶器内的金属材料液态随着提升并凝结成锭[2]。在熔滴越过渣层的降落历程中，熔化金属材料与炉渣有较大的触碰表层，推动了渣—金属材料的冶金工业反映，使金属材料中残渣得到很多除去。25.1.2电渣重熔机器设备电渣重熔设备由变电器、金属材料自耗电量极、水冷散热铜结晶器、铜制水冷散热基座及其电级的拿捏器和升降系统等关键构件所构成，见图25-1[2]。在钢铁工业上所使用的电渣炉主要是单相电水冷散热结晶器电渣炉（抽锭的和不抽锭的）及三相水冷结晶器电渣炉。高温合金的电渣重熔多选用单相电单级水冷散热结晶器电渣炉，结晶器较大直徑可达Φ610mm至Φ660mm，重熔锭较大可达3t。中国抚顺市炼钢厂已新引入了15t电渣炉，滨浦五厂从法国引入了5t和20t氩气瓶维护电渣炉。海外较大电渣炉是法国萨尔炼钢厂的220t电渣炉，较大方坯电渣炉是原苏联的70t电渣炉[3]。
图25-1 电渣重熔部分电路原理图1－自耗电量极；2－渣池；3－融化液层与熔滴；4－金属材料熔合；5－渣皮；6－电渣锭；7－结晶器； 8－底储水箱；9－夹头；10－短网；11－变电器25.2电渣重熔的冶金工业特性与质量管理25.2.1电渣重熔的冶金工业特性1. 电渣重熔时的热能遍布在电渣重熔全过程中，当电流量穿过渣池时，渣池时要释放发热量。把握渣池中的热能遍布情况针对调节重熔加工工艺和提升冶金工业品质有着关键实际意义。电渣重熔全过程中，渣池中的热能耗费具体表现在下述一些层面：（1）融化电级、使渣池和熔合维持融化和超温情况；（2）结晶器汽车底盘冷却循环水热损；（3）渣池热辐射损；（4）有机废气烟带去发热量。因为冶炼规章制度、结晶器直徑和相对高度、所采用炉渣的导电率及其一系列其他要素的危害，以上各类热损尺寸不一样，发热量遍布特点也不一样。图25-2[2]是渣池中发热量遍布平面图。
图25-2 电渣重熔发热量耗费分派平面图[2]1－自耗电量极的加热和融化耗费的发热量；2－根据液渣与结晶器接触面积而流失的发热量；3－电级表层向结晶器壁的辐射源及电级径向的传递发热量；4－渣池表层向结晶器壁的扩散发热量；5－渣池表层向大气辐射的发热量；6－渣池表层向电级辐射源的发热量；7－渣池表层由挥发物及有机废气逸出带去的发热量；8－铸钢件传入结晶器壁的发热量；9－锭内贮存的发热量；10－铸钢件发送给底储水箱的发热量2. 渣池内的气温遍布电渣重熔全过程中渣池内溫度遍布不是均衡的，但出现一个溫度较高且遍布较匀称的“高温”，其温度差约为30℃。图25-3[2]是在直徑为360mm的水冷散热铜结晶器内重熔直徑为180mm的某铝合金时，渣池内溫度划分的实测值。图中电极端化部、金属材料熔合/渣池页面及斜线包围着的地区即是“高温”。渣池内气温的不联合分布主要是因为不一样位置电流强度及渣流动速度的不联合分布而致，次之是受制冷标准的危害[4]。高温溫度在于输入功率、渣系构成、铝合金锭尺寸及填充比等主要参数。
图25-3 电渣重熔全过程中的渣池溫度遍布[2]3. 电渣重熔全过程中金属材料熔滴衔接的特点电渣重熔全过程的优点之一便是金属电极以熔滴方式经过渣池向金属材料熔合衔接，金属电极在渣池进行析出的渣阻热功效下，使埋于渣中的电级尾端遇热后，以片层消熔的方式逐级融化，熔化了的金属材料沿电级表层往下流动性，并以熔滴的方式飘浮于电级尾端（见图25-4[5]）。当熔滴集聚长大以后，就摆脱电级越过渣池高溫圆锥体进到熔合，越过高溫圆锥体的全过程称之为熔滴的衔接特点[6]。衔接特点关键为熔滴滴下頻率和熔滴直徑的尺寸。这种特点影响了渣钢功效的优劣，进而危害着冶金工业反映的过程（原素的空气氧化，硫及非金属材料掺杂物的除去等）[7]。4. 电渣重熔全过程中的凝结结晶体电渣重熔全过程是以电流量根据炉渣时发生的电阻器热做为热原，因此金属材料的氢压不高。因为结晶器和熔合中间在合金液凝结以前已产生一层隔热保温渣皮，进而很大地降低了熔合的切向热传导，而结晶器底端立即由水强制性制冷，因而熔合的径向温度场非常大，因此电渣铸钢件凝结时，径向冷速远远地超过切向冷速，融化金属材料在水冷散热结晶器中迅速径向结晶体，得到径向柱型结晶体机构，使铸钢件的高倍机构大大的改进。除此之外因为冶炼完毕关闭电源后，金属材料熔合仍处在高溫液渣的遮盖，可以再次充分发挥其金属型铸作用，清除铸钢件的缩松状况。
图25-4 金属电极的融化全过程1－热对流流股的方位；2－电级金属材料熔滴；3－渣池；4－气体空隙；5－金属材料渣皮25.2.2 电渣重熔高温合金的冶金工业质量管理1. 烟气脱硫脱磷电渣重熔脱硫实际效果显著，烟气脱硫方法有三种：**，炉渣烟气脱硫，炉渣碱性愈高，烟气脱硫实际效果越好。因而，挑选高碱性的煤灰有益于高温合金中硫的去除；第二，汽化烟气脱硫，炉渣中氧离子愈少，氛围的还原性越高，对烟气脱硫愈有益。工业化生产中较常用的CaF2-Al2O3渣系具备不错的汽化烟气脱硫实际效果；第三，电化学腐蚀烟气脱硫，不一样电流量烟气脱硫实际效果不一样，以直流电正外接电源（电级为正级）的烟气脱硫实际效果更好是，交流电也是有一定的烟气脱硫实际效果，直流电反外接电源沒有烟气脱硫功效。以上三层面綜合功效，在空气下电渣重熔烟气脱硫高效率可达70％上下[2]。电渣重熔通常难以脱磷。2. 除去汽体和参杂物电渣重熔全过程中，高温合金中的空气氧化参杂在电级尾端金属材料熔滴产生环节和熔滴根据渣层转折期，因为渣钢功效，炉渣消化吸收参杂而被除去。因而氧和金属氧化物参杂含量与此同时减少。为了更好地降低空气中氧的功效，应减少冶炼时炉渣表层的溫度，或用维护汽体。并且电级表层的氧化皮要事先清除整洁。因为电渣重熔优良的结晶体标准，再造参杂物的规格细微，遍布匀称。硫酸盐参杂的状态与遍布也可以大大提高。电渣重熔不可以除去氢，因此要避免氢进到铝合金液中。因为渣料是增氢的具体来源于，因此一定要选用适宜的煤灰成份，充足烤制渣料尤其是CaO。高温合金中带有Ti、Nb、Zr等原素，因为他们与氮的感染力强，产生氮化合物而难以除去。3. 易空气氧化原素的操纵在高温合金电渣重熔加工工艺中，碰到的首要问题之一，便是成分的操纵问题，尤其是对Al、Ti及营养元素Mg、希土等因素的操纵。当炉渣中带有不稳定金属氧化物如化合物、二氧化硅等成份时，Al、Ti、Mg等原素便会有烧蚀，因而针对怎样操纵重熔后金属材料中的Al、Ti、Mg等的有效成分是电渣重熔生产制造中广泛关注的问题。(1）渣中SiO2的危害及莹石纯化炉渣中若带有较高的不稳定金属氧化物，如SiO2等，在电渣重熔溫度下，Al、Ti等原素会复原渣中的不稳定金属氧化物，使这种原素被烧蚀和不稳定。1962年抚顺市炼钢厂安裝了200kg电渣炉，并选用电渣重熔**个高温合金GH4037时，发觉两问题[8]。应用没经提炼的渣料（渣料配制为CaF2：Al2O3=70：30），重熔结果显示，Si、Al、Ti的划分不匀称。重熔锭的底端Si含量比中上端高于0.25%。Al含量中上端比底端高，区别竟达0.30%-0.55%。Ti含量都不匀称。因为成份不匀称，导致了铝合金机构特性的不匀称。这也是因为电渣重熔前期，渣中的SiO2被复原，使底端硅含量高，而Al、Ti被氧化而导致含量低。到冶炼厂中后期，渣中不稳定金属氧化物已基本上被复原，空气氧化与钝化反应做到均衡，因此中上端成分基本上平稳。处理这一问题的法子是对渣料开展纯化，除去SiO2以及他不稳定金属氧化物。现阶段较为可以的办法是对莹石纯化，在结晶器选用含5％Al的Fe-Al自耗电量极对渣料开展精练。用此方式可使莹石（CaF2）中的SiO2含量降到0.15％下列[9]。另一问题是电渣重熔高温合金GH4037的外表情况不太好，并且有焊瘤。解决困难的法子是使煤灰中Al2O3的比率由17％提升到30-40％，以提高渣阻和铝合金液溫度，使金属液溫度上升，黏度减少。(2）电渣重熔全过程中铝合金原素Al、Ti的操纵电渣重熔全过程中，Al、Ti的空气氧化烧蚀是更明显的问题。在重熔含Al、Ti的高温合金时，常发生沿锭身相对高度方位Al、Ti成份不匀称，其优点是Ti含量在铸钢件底端低，中顶部高；而Al含量与Ti含量反过来，底端高，中上端低。Ti、Al含量首尾差达0.1%~0.3%。这类不均衡性根据实验研究表明[9]，是因为铝合金中Al、Ti与渣中的金属氧化物相互影响的結果。反应方程为： 4[Al]3(TiO2)=2(Al2O3) 3[Ti] (25-2) 式中：KT—反映标准平衡常数。一般来说，反映往右边开展，但在电渣重熔前期，渣中TiO2含量极低，而Al2O3含量很高，为维持标准平衡常数KT为一定值，在一定水平上反映往左边开展，以便渣中TiO2做到均衡值，即铸钢件底端Ti被Al2O3中的氧所空气氧化，而渣内Al2O3中的（Al3 ）被转变成[Al]进到钢中。待渣中TiO2做到均衡浓度值后，该反映就处在稳定平衡了。为化解这一问题，可以向渣中添加一定量的TiO2粉，铸钢件上下方的Al、Ti不均匀问题获得处理。一些高Al低Ti的高温合金，在电渣重熔全过程中Al的烧蚀比较严重，可借助在重熔时添加Al粉的方法获得处理。电渣重熔高Ti低Al型的高温合金时，伴随着铝合金中Al含量降低，Ti的烧蚀量也相对提升，如GH2132和GH2136等铝合金Ti的烧蚀率可达17%，高温合金锭首尾Ti的起伏误差可达0.4%~0.9%，严重影响铝合金的达标率。为化解以上问题，可采用如下所示方法：调节渣系。根据很多的实验及生活实践说明，选用CaF2、TiO2、Al2O3、MgO四元渣系对高Ti低Al型GH2132和GH2136合金进行电渣重熔获得良好效果，合金中Ti的烧损由原来的17%下降到0.2%左右，合金中头尾偏差波动由原来0.4%~0.9%下降到0.15%以下[9]，使合金成分和性能都趋于均匀。控制重熔过程的工作电压。例如采用二元渣（ CaF2：Al2O3=80：20）电渣重熔GH2132合金时，初始冶炼时采用较高工作电压，随着重熔过程的进行逐渐降低工作电压，钛的均匀性得到了良好的控制。熔渣中加入Al粉。例如采用三元渣（CaF2：Al2O3 ：CaO=75：15：10）重熔GH2132合金时，加入适量Al粉，可使Ti的烧损量减少到0.3%以下[9]。(3)关于电渣重熔过程中镁含量的控制针对电渣重熔过程中如何控制镁含量的问题，许多工厂和研究院所针对不同的合金开展了研究工作。主要的控制办法是调整渣系组成及重熔过程中的气相压力和气氛等。例如用CaF2-Al2O3-MgO-CaO四元渣系重熔含Al、Ti和Mg的高温合金时，可以维持甚至略为增加合金中的[Mg]含量，这是因为在电渣重熔过程中发生如下反应[2]： 2[Al]+3(MgO)=(Al2O3)+3[Mg] (25-3) [Ti]+2(MgO)=(TiO2)+2[Mg] (25-4)此外，渣中Al2O3及CaO在高温下对渣中MgO的活度系数有不同程度的影响。因此，采用适当配比的CaF2-Al2O3-CaO-MgO渣系不但能在重熔过程中维持，而且还在一定范围内控制某些合金中的Mg含量。当然在电渣重熔时采用惰性气体进行保护，也可防止易氧化元素Mg的烧损。 25.3 电渣重熔工艺参数的选择和重熔工艺电渣重熔的工艺参数主要包括渣系、熔池深度、工作电压、工作电流以及结晶器直径和金属自耗电极的直径。高温合金含有易氧化元素如Al、Ti等，液态时粘度较大，导热性差，电阻大，因此在选择电渣重熔工艺参数时与一般合金钢相比有其自身的特点。25.3.1电渣重熔工艺参数的选择1. 结晶器直径D与金属电极直径d的选择结晶器的形状和尺寸依据锭型来确定，要综合考虑合金特性、加工塑性、产量及设备能力等条件。高温合金重熔多采用圆形结晶器，电极直径(d)的尺寸取决于结晶器的直径(D)大小，一般情况下： d=(0.4~0.6)?D (25-5)表 25-1[9]列出了部分结晶器和电极直径与钢锭重量的关系。表25-1 结晶器和电极直径与钢锭重量的关系
2. 渣系的确定(1) 渣系的选择原则在电渣重熔过程中，主要依靠熔渣达到清除钢中夹杂物和其它有害杂质的作用，同时适当的渣量可以减少合金中铝钛的烧损，而电渣锭表面质量的好坏也与渣的熔点有密切关系。此外，熔渣的导电率是影响重熔速度和电渣过程稳定性的重要因素，所以选用适当的渣系是关系电渣重熔优劣的首要任务。因渣系直接影响到电渣重熔过程的稳定和电渣重熔产品的质量，所以渣系的选择原则如下：较低的熔点和粘度，良好的流动性，但沸点要高于渣池温度，熔点低于重金属熔点；有适当的导电性，较高的比电阻，保证电渣重熔过程的稳定和提高重熔所需热量；严格控制不稳定氧化物及变价氧化物的含量，特别要保证对Al、Ti进行严格控制；高温液态下透气性较小，防止大气进入金属熔池；如要去除金属中的硫则需要渣系有高碱度。高温合金电渣重熔常用的渣系组元有CaF2、Al2O3、MgO、CaO、TiO2等，见表 25-2[9]。 表25-2 高温合金电渣重熔常用渣系
(2) 渣系中各组元所起的作用[2]：CaF2：降低熔渣熔点，提高电导率，降低熔渣的粘度及表面张力，利于夹杂的吸附，很多渣系均以它为基；Al2O3：可增加渣阻，提高渣温和熔化速度；CaO：降低CaF2渣系的电导率，提高碱度和流动性，具有脱硫作用；MgO：能降低CaF2-Al2O3-TiO2渣系的熔点并降低渣池表面温度，且防止合金中Al、Ti、Mg等元素的烧损，具有抗氧化能力；TiO2：渣中加入少量TiO2防止合金中Ti的烧损，并降低渣的粘度和电阻。3. 渣量A（渣池深度h）的确定适当的渣量是保证电渣重熔过程正常进行的重要条件，渣量的多少决定了渣池的深度。当输入的电压电流值一定时，渣量的多少直接影响渣池与熔池间的电功率分配。渣量增大，维持渣池所消耗的热量加大，而维持金属熔池的热量就相应减少了，使金属熔池的深度变浅和温度降低，恶化去气和去除非金属夹杂的条件，造成锭表面成型不良。渣量过少，电极埋入渣中深度不够，影响电渣重熔过程的稳定性，尤其在后期需要降低电流的时候，如果渣量不足，就难以达到目的。例如在冶炼425mm方锭，电极直径为180mm方，使用二元渣系时，一般以68～72公斤渣量为宜。通常比较合适的渣池深度（h）： （25-6） 渣量 （25-7）式中：D—结晶器的平均直径； =渣密度，一般 =2400~2500kg/m3。4. 工作电流I和工作电压U的确定(1) 工作电流I的选择熔炼期的电流称为工作电流，工作电流大小一般由电极的电流密度来确定。可由下式表示[9]： （25-8）式中：d—电极直径，mm；i—电流密度，A/mm2。对于同一钢种来说，电极直径越大则I值越小。根据经验，一般电流密度i=56/d-0.05。(2) 工作电压U的选择熔炼期的电压称为工作电压，通常在结晶器直径加大时，所选用的电压也相应增大。生产中可用以下经验公式选取工作电压： （25-9）式中：D－结晶器直径；a－与渣系有关的常数；b－与d/D有关的常数。当d/D为0.4，0.5，0.6时，b相应为4，2，0。25.3.2 电渣重熔工艺1.电极表面要光洁，无锈，成分合格均匀。铸造电极应切除缩孔。2.化渣。化渣的目的是为了在熔化电极之前形成高温液态渣池。通常用石墨电极在结晶器内熔化。形成渣池后再换入重熔电极进行重熔。也可用专门的化渣炉化渣，然后将熔融的液态渣倒入结晶器进行重熔，当然也可采用固体化渣。3.选择渣系和合适的渣量。4.确定熔炼电流与电压。然后进行电渣重熔。5.补缩。重熔结束之前逐渐减慢电极下降速度，减少输入电功率，以降低熔化速率，缩小金属熔池体积，使头部得到良好补缩。抚顺钢厂电渣重熔GH2135合金[10]，采用非真空感应炉冶炼的Φ215mm电极棒，或电弧炉生产的Φ200mm电极棒，电渣重熔锭Φ360mm。电渣重熔时的工作电压55－63V，工作电流对Φ200mm电极为6500－7000A，对Φ215mm为6500－7500A。渣系为 CaF2(提纯)：Al2O3：CaO ＝ 65：25：10 ，渣量38kg。用本钢种底垫，碳电极起弧。并根据电极成分适当补加Al粉和TiO2粉。25.4 电渣重熔高温合金中出现的缺陷电渣重熔或者真空自耗重熔过程中，如果工艺选择不当，或者操作没有严格按工艺规程进行，在低倍熔检试样或半成品低倍检验的表面上会出现点状偏析或枝晶偏析。作者[11]曾经对GH2135合金中出现的这两种偏析作了深入细致的研究。下面就其特点、形成原因及预防措施进行论述。25.4.1 点状偏析点状偏析，也叫黑斑[12-14]，是电渣重熔或真空自耗重熔大型高温合金锭中较常出现的低倍缺陷。在横低倍组织上呈黑色或浅灰色斑点分布，处于合金锭1/2R至中心的位置。在纵低倍组织上呈条带状。高倍组织观察表明，点状偏析处存在碳化物、硼化物甚至TCP相。对不同合金，相的种类不同。如
GH4169为Laves（Fe,Ni）2(Nb,Cr,Mo,Ti),MC,δ，M3B2相，GH2706合金是Laves相（Fe,Ni）2(Nb,Cr,Ti)和M（CN）, GH4037为TiC[15]。下面介绍GH2135合金点状偏析的研究结果[11]。1.点状偏析的性质GH2135合金电渣重熔时，如果结晶器尺寸较大，熔化速率较高，往往容易出现点状偏析[11]。点状偏析常发生在钢锭的头部和尾部，尤以尾部即帽口端出现的几率更大。点状偏析是一种低倍冶金缺陷。通常在冶金厂90毫米方坯横低倍熔检试样或者在使用厂半成品腐蚀的零件表面上发现，其形态为深灰色或黑灰色的斑点，大小和形状因偏析程度和变形比而不同，更大者直径达6～7毫米（图25-5）[11]。在纵低倍组织上，点状偏析沿流线方向分布，呈条带状（图25-6）[11]，更长者达230毫米。
对于GH2135合金，点状偏析实质上是TiC和M3B2相的集聚区（图25-7）。由于这些相的存在，该区奥氏体晶粒比基体其它区域细小（见第十章图10-34），而硬度较高，因此机械加工涡轮盘时往往出现让刀现象。点状区Ni、Al、Ti、C、B等元素偏聚，使该区熔点降低，通常在1190～1200℃之间。因此含有点状偏析的涡轮盘坯，在锻造或模锻过程中，由于热效应温度过高，致使点状区晶界强度急剧降低，产生锻造裂纹或热加工裂纹。将带有点状偏析的Φ85毫米试样，经1170℃镦粗变形50％后，偏析严重的点状区已变成裂纹或孔洞。
图25-7 点状偏析区的TiC和M3B2相 2．点状偏析对力学性能的影响点状偏析的直径小于1毫米时，对纵向常规性能影响不大。但明显降低横向抗张强度和塑性，而且断裂都发生在点状偏析上，而对横向屈服强度、冲击韧性和持久时间影响甚微。当点状偏析尺寸增大，它所占横向试样横截面的比例相应增大，持久时间就显著降低（表25-3）[11]。因此应设法减轻和消除点状偏析。表25-3 点状偏析对GH2135合金涡轮盘横向持久时间的影响?
3．点状偏析的形成原因点状偏析是在钢锭凝固过程中，当结晶速度比较缓慢时出现的一种偏析现象。金属的凝固速度是各种偏析形成及其发展程度的决定性因素。根据多年生产的实际经验，GH2135合金的点状偏析主要发生在电渣重熔过程中。熔化速率及结晶器尺寸是出现点状偏析与否的关键。图25-8[11]为熔化速率对点状偏析出现几率的影响。可以看出，熔化速率愈高，在其它情况相同的条件下，结晶速度愈慢，因而点状偏析愈严重。相反，降低熔化速率对于减轻或消除点状偏析是有利的。但是，熔化速率的降低只能到一定限度，否则，不仅设备的生产效率降低，而且由于结晶器壁对金属熔池表面的强烈冷却，会形成渣沟或重皮，造成钢锭难于热加工。
图25-8 熔化速率对点状偏析出现几率的影响（200个工业生产炉号的统计结果）表25-4[11]为结晶器尺寸对点状偏析的影响，结晶器尺寸愈大，点状偏析愈严重。因为在其它条件相同的情况下，结晶器尺寸愈大，钢锭凝固结晶的速度愈低，因而偏析愈严重。为减少或消除点状偏析，结晶器不宜过大。表25-4 结晶器尺寸对点状偏析的影响
25.4.2 枝晶偏析1.枝晶偏析的特征GH2135合金涡轮盘，在半成品低倍腐蚀检查中，发现某些炉号有枝晶偏析，有的还比较严重。从图25-9a中可以看到清晰的树枝状花纹。但在涡轮盘的轮缘、特别是导流盘轮缘，由于变形量较大，金属流动显著，枝晶偏析沿金属流动方向排列，往往呈近似平行的线条（图25-9b）。
a 涡轮盘坯表面 b 导流盘坯表面图25-9 树枝状偏析外貌枝晶偏析与点状偏析一样，属于一种冶金缺陷。在电渣或自耗重熔过程中，电极在不断熔化的同时，水冷结晶器下部的钢液开始凝固。由于凝固是以树枝状结晶方式进行的，因而元素要发生偏析。铸锭的这种偏析，通常可通过热加工予以消除。但是，如果结晶速度比较缓慢，枝晶比较粗大，造成的微观成分偏析就比较严重，即使通过加大锻压比，也不能完全消除。表25-5为GH2135铁基合金涡轮盘中枝晶轴与枝晶间的化学成分分析结果。可以看出，枝晶轴Fe和W含量较高，而枝晶间Ni、Al、Ti、Mo等元素较高。由于枝晶间富Ni、Al、Ti、Mo等元素，所以 相、TiC和M3B2相较多，如图25-10a所示。由于上述相多，枝晶间晶粒较细，而且容易腐蚀，所以在金相观察时，枝晶间表现为暗区，而枝晶轴表现为亮区，整个组织呈现为明暗相间的区域（图25-10b）。枝晶偏析严重的钢锭经锻造加工后，在横低倍上表现为明显的枝晶偏析花纹（图25-11a），在纵低倍上表现为清晰的流线（图25-11b）。2.枝晶偏析对力学性能的影响作者的研究表明，枝晶偏析不严重时，对室温至650℃的抗张性能和冲击韧性，550℃及750℃的光滑和缺口持久性能基本没有影响，对于接近涡轮盘实际使用条件的大应力低循环疲劳和周期持久性能也没有影响。据文献[16]介绍，具有粗大树枝晶组织的合金，持久强度较高，但塑性和疲劳性能要低一些。此外，粗大枝晶偏析对铸锭的锻造性能往往有不利影响。因此，生产中应力求避免粗大的枝晶偏析。3．减少枝晶偏析的措施枝晶间距的大小，亦即枝晶偏析的程度，强烈地取决于钢液的冷却速度。随着冷却速度增加，枝晶间距直线减小[16]、偏析减轻。因此GH2135合金自耗或电渣重熔过程中，应该选用适当尺寸的结晶器，严格控制冶炼工艺，减小输入电流，降低熔化速率，从而增大冷却速度，以减轻枝晶偏析。然后，选用合适的锻压比进行锻造，就可以消除或进一步减轻枝晶偏析。这些措施与减少或消除点状偏析是一致的。表25-5 枝晶轴与枝晶间的化学成分（％）
a 90方试样车圆后的横低倍 b 涡轮盘坯纵低倍（高向）图25-11 GH2135合金低倍组织中显示的枝晶偏析25.5 电渣重熔新技术在高温合金生产上的应用电渣重熔作为二次熔炼技术，可使高温合金进一步精炼。良好的脱硫、脱气和去除夹杂物的效果，铸锭结晶质量和热加工性能的改善，以及设备经济合理和工艺稳定可控，使这一技术已成为世界各先进**高温合金的主要生产方法之一。然而电渣重熔也存在许多不足之处，如熔炼和凝固速率偏低，熔渣吸收气体，活泼元素不易控制以及电极重熔过程经受高温氧化等。近年，电渣技术有新的发展，出现了真空电渣重熔、惰性气体保护下的电渣重熔、快速电渣重熔和洁净金属喷射成型等新设备和新工艺。25.5.1真空电渣重熔高温合金常采用真空自耗重熔作为二次熔炼工艺，这样重熔后的合金纯净度高，组织致密，成分均匀且易控制。但由于真空自耗重熔不能脱硫，且易形成点状及年轮状偏析。而作为二次熔炼的电渣重熔在纯净度和铸态组织方面有相同的优点，而且脱硫效果好，不易形成点状及年轮状偏析。但合金中易氧化元素烧损大，成分难于控制，且气体含量有时会增加【17,18】。德国Leybold公司在二十世纪90年代，结合两者的优点，开发了真空下电渣重熔炉，其锭直径为250mm，锭重360kg。重熔lnconel718合金实验表明，其脱硫效果明显，可降低硫含量一个数量级，而且活泼元素Al、Ti没有烧损，Mg含量在标准范围内。表25-6[18]列出了lnconel718合金真空电渣重熔前后化学成分对比情况。表25-6 lnconel718合金真空电渣重熔前后化学成分对比情况(%)
25.5.2惰性气体保护下的电渣重熔电渣重熔大多在大气下或在干燥的空气气氛中进行。二十世纪六十年代初以来的研究表明，当熔渣具有微弱氧化作用时，就会给活泼元素的控制带来较大的困难。渣池上方气相中氧分压越大，越容易导致渣池的氧化。大多数厂家都采用往渣池中不断加入脱氧剂的方法对熔渣脱氧，从而抑制合金的氧化。但是这些添加剂会导致熔渣组分的改变，从而降低熔渣的精炼能力。若采用惰性气体保护，则可以避免因熔渣成分的改变而带来的不利影响，而且可以在防止增加氢含量的同时，有效防止氧含量增加[19-22]。上钢五厂采用德国进口的一种气密保护罩5t电渣炉－ESR(Ar)，在全封闭Ar气保护气氛下生产GH4169重熔合金锭。试验用ESR(Ar)锭型（钢锭模公称直径）为ф433mm，锭重约2t。采用含20％CaO，适量MgO和TiO2的CaF2-Al2O3渣系。较低的熔炼速率，正常熔炼过程中熔速波动＜±0.2kg/min，起始阶段更大熔速不高出正常熔速的10％。渣电阻摆动＜0.5mΩ。保护气氛为Ar气，引燃方式为固体渣引燃[23]。表25-7[23]和表25-8[23]是13炉GH4169合金VIM+ESR(Ar)双联工艺和11炉VIM+VAR+ ESR(Ar)三联工艺冶炼的合金锭化学分析成分的平均含量。从表25-7可以看出，Ar气保护下电渣重熔过程中，主要合金元素烧损很小，头尾成分波动也很小。从表25-8可以看出，Ar气保护电渣工艺的脱S去O效果远远高于一般VAR工艺，尤其是脱S效果。如VIM+ESR的电渣重熔过程中，S含量平均从40×10－6降至14×10－6，O含量平均从20×10－6降低至6×10－6，而VAR过程中S含量几乎没有变化，氧含量仅平均从18×10－6降至13×10－6；但在随后的氩气保护电渣重熔过程中S、O含量则分别从14×10－6、13×10－6的VAR平均含量降低至7×10－6和5×10－6的极低状态，充分显示了氩气保护电渣重熔的良好效果。表25-7 VIM+ESR(Ar)工艺冶炼GH4169合金中元素含量平均值，13炉/％
25.5.3快速电渣重熔一般电渣重熔经过多年的经验积累，确定了熔速的经验公式：VM/d ≤ 1.0 (25-10)对于高温合金，VM/d≈ 0.65－0.75 (25-11)式中：VM为熔速（kg/h），d为铸锭直径（mm）。由于普通电渣重熔的熔速低，生产效率低，成本增高。近年，开发了快速电渣重熔技术，对100－300mm小型铸坯，熔速可提高到300－1000kg/h，使VM/d＝3－10[24]。快速电渣重熔，采用T型结晶器，重熔大断面电极，在结晶器壁上嵌入导电元件，使电源电流通过自耗电极→渣池流入→导电元件→返回变压器，如此改变了结晶器热分配。使钢-渣熔池界面远离电极端头，熔化金属液滴温度接近液相线，熔滴汇聚于金属熔池，使金属熔池深度与输入功率无关。此外铸锭自T型结晶器中抽出，受空气对流冷却。而固定式结晶器重熔时，铸锭收缩与结晶器内壁形成气隙对冷却不利[25]。快速电渣重熔可以显著提高凝固系数，而凝固系数是凝固速度的度量[25]，即：S = C t1/2 (25-12)式中S为凝固层厚度（mm），t为凝固时间（min）,C为凝固系数（mm/min1/2）。当熔速 VM提高到600kg/h，熔池呈U型，熔池深度约189mm，凝固系数C=46mm/min1/2(标准电渣重熔ESR的凝固系数C=30~35 mm/min1/2)。由于快速电渣重熔高的凝固系数C，从而在增大熔速条件下，铸锭结构仍是致密、均匀、无疏松、无缩孔。镍基高温合金IN718快速电渣重熔铸锭表面光洁，无需清理，可直接热加工[25]。25.5.4 洁净金属喷射成型技术非金属夹杂物严重降低航空发动机和燃气轮机高温合金零部件的低循环疲劳寿命。因此，降低非金属夹杂物数量，限制非金属夹杂物的大小对提高低周疲劳性能十分有利。通用电气公司将电渣精炼和喷射成型的优点有机地结合，开发了洁净金属喷射成型技术，并已申请了美国**[26~28]。洁净金属喷射成型技术可以高质量的满足航空发动机以及工业燃气轮机零部件制造的需求。表25-9 不同工艺高温合金IN718的洁净度数据
具体制备过程为，将自耗电极经电渣重熔后得到纯净的液态金属，通过底部浇铸系统，即冷壁感应引导系统，到达喷射成型室，稳定的气流把液态金属雾化成可快速凝固的金属液滴，然后可直接制得高质量无缺陷的铸锭，以及各种尺寸、近终成形的合金铸件。这一技术有效地减少了工序，特别是对一些难以锻造的沉淀强化高温合金零部件具有重要的意义。同时，可以减少生产时间、降低生产成本。液态金属喷射成型技术明显地提高了铸件的纯净度，表25-9[29]对高温合金IN718真空感应自耗电极、三联工艺重熔锭和洁净金属喷射成型铸件中的氧化物夹杂进行了比较。无论从夹杂物（≥20μm）数量，还是夹杂物所占面积，洁净金属成型制备的IN718合金**优于真空感应熔炼合金，而且也好于标准三联工艺制备的IN718合金。以上介绍的四种电渣重熔新技术，在高温合金生产方面的应用还处于试验或研制阶段，目前尚未应用于批量生产。25.6 三联工艺生产高温合金锭真空感应炉熔炼的高温合金经电渣重熔，可以进一步脱硫，降低气体和夹杂物含量，改善结晶组织，提供组织致密无缺陷的电极。再进行真空自耗重熔，可以保证重熔过程中不会由于真空感应炉熔炼电极中的缩孔和裂纹等缺陷造成的不稳定性，而导致熔化速率变化，增加宏观偏析倾向。相反，真空感应＋电渣重熔，保证了真空自耗重熔过程的稳定性，进一步改善了高温合金的纯洁度，降低了宏观偏析倾向。美国已把3次熔炼作为高合金化合金扩大锭型、消除低倍缺陷和提高质量的重要措施[30]。表25-10[15]列出了双联和三联工艺在不同合金熔炼中的应用情况。表25-10不同合金采用的熔炼工艺
注：VIM－真空感应熔炼；ESR－电渣重熔；VAR－真空自耗重熔。从表25-9可以看出，IN718合金经VIM+ESR+VAR标准的三次重熔后，与VIM相比较，氧化物夹杂的数量所占面积和氧化夹杂比面积都有非常明显的减少，说明三次熔炼工艺对于提高高温合金的纯洁度十分有效。上钢五厂采用VIM+VAR+ESR（Ar）新的三联工艺熔炼GH4169合金，合金锭中氧和硫的含量从VIM→VAR→ESR（Ar）逐渐降低，见表25-8。可见这种三联工艺对高温合金纯洁度的提高是非常有利的。而且三联工艺中有氩气保护的ESR比普通的ESR更好，见表25-11[23]。从此表可以看出，上钢五厂单相交流Φ430mm普通电渣炉大气下冶炼的6炉GH4169合金与保护气氛电渣炉（11炉）的冶金质量的对比。二者的原材料质量相同，均采用活性氧化物含量极低的提纯渣，同为VIM+VAR+ESR三联工艺冶炼，且VIM、VAR的炉座与工艺均相同。前者采用含5％CaO、适量MgO和TiO2的CaF2-Al2O3渣系。从部分元素分析结果可见(表25-11[23])，在大气下冶炼的电渣锭头尾C、Al 、Ti烧损不均匀，头尾之差较大，0、N含量均比电极母材有不同程度升高。全封闭式Ar气保护电渣炉具有很好的冶金质量，锭头尾C、Al、Ti的均匀性明显改善，0、S含量均大幅度降低，N含量与母材接近。再一次说明三联工艺是熔炼高质量高温合金的有效方法。表25-11 YZGH4169合金ESR(6炉)与ESR(Ar)(11炉)部分元素的平均值
25.7 结 语电渣重熔工艺以其独特的精炼方法和良好的结晶形式，在高温合金熔炼工艺中占有显著地位。利用VIM+ESR+VAR或VIM+ VAR + ESR(Ar)三联工艺可进一步提高高温合金的冶金质量。从第十九章到第二十五章已先后介绍了电弧炉、感应炉、真空感应炉、真空自耗炉和电渣炉熔炼高温合金的设备、冶金反应和质量特点，究竟采用哪一种工艺路线生产高温合金，取决于高温合金本身的特点以及所制备零件的质量要求。对于变形高温合金一般原则为：低合金化高温合金，可采用双联工艺，即VIM+ESR或VIM+VAR，或者EFM、IM和VIM单联工艺；对于中等合金化的高温合金，可选用双联工艺，如果锭型特大，建议采用三联工艺；对于高合金化高温合金，非转动件可采用双联工艺，对于质量要求很高的转动零部件，或者是易产生低倍缺陷的大锭型高温合金，应采用三联工艺组织生产。对于铸造高温合金母合金生产一般采用VIM单联工艺。
参 考 文 献【略 加 咨询】
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