專利名稱：磁控電渣重熔高效精煉高溫合金的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在高溫合金的電渣重熔過程中提高精煉效果和減少鑄錠偏析方法及其裝 置，屬精煉工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)電渣重熔工藝是把普通冶煉方法制成的高溫合金電極，插入盛有高堿性熔渣的水冷結(jié) 晶器中，利用熔融渣的導電性，往熔融渣池中通入強大的交變電流，使熔渣發(fā)熱，高溫合金 電極在焦耳熱的作用下，在與熔渣接觸端逐熔化成熔滴，熔滴在匯聚和在渣池中沉降過程中， 由于雙電層效應以及電磁凈化效應的作用，熔滴中的非金屬夾雜物和雜質(zhì)元素遷移至熔滴表 面，然后經(jīng)液態(tài)熔渣洗滌去除，經(jīng)過洗滌的熔滴在下方的水冷結(jié)晶器中重新匯集、凝固而成 為潔凈的電渣鑄錠。在電渣精煉過程中，熔渣反應溫度高，渣池強烈攪拌，金屬熔滴與高堿 度渣充分接觸，強化了鋼渣界面反應，使金屬合金的純凈度大大提高；精煉后的合金凝固過 程，是在水冷金屬結(jié)晶器的強制冷卻條件下進行的。凝固過程中金屬熔池的上方始終保持一 個高溫熔池，使得熔融金屬自下而上地順序凝固。因此，電渣熔鑄金屬的結(jié)晶組織較為致密。 電渣重熔技術(shù)是制備高溫合金的關(guān)鍵精煉工藝之一。以Ni基高溫合金為代表的高溫合金， 其化學成分復雜，對成分含量的控制尤為苛刻，尤其是一些有害元素，如氧、氮、氫、硫、 磷， 一般都要求控制其含量在數(shù)個ppm之下。目前，鎳基高溫合金均采用真空感應熔煉-真空 電弧熔煉-電渣重熔的三聯(lián)工藝，其中電渣重熔工序是制約合金錠純凈度的核心工序。然而， 傳統(tǒng)的電渣重熔技術(shù)仍然存在精煉效率不高，非金屬夾雜物去除不徹底的不足，甚至其中仍 然存在大于20um的非金屬夾雜物，而為了得到純凈的電渣鑄錠，還不得不多次采用電渣重 熔工藝，既降低了電渣的生產(chǎn)效率，同時也使電渣錠的單位能耗大大增加，因此，如何強化 電渣熔煉過程，提高其精煉效率，仍然是電渣工序的主攻方向之一。
在電渣重熔過程中，熔滴大小對提高雜質(zhì)和夾雜物的去除效率至關(guān)重要，熔滴越小，夾 雜物和雜質(zhì)元素從熔滴內(nèi)部遷移至熔滴表面所需的時間越短，雜質(zhì)也更容易去除；熔滴越小， 在渣池中沉降的時間也越長，也有利于渣洗過程的充分進行，夾雜物去除效率越高；此外， 隨著熔滴直徑降低，在同樣的電流強度下，流過熔滴的有效電流密度將顯著增加，例如，熔 滴直徑降低一半，其有效電流密度增加四倍，而熔滴中由于交變電流經(jīng)過而產(chǎn)生的洛倫茲力 與其電流密度的平方成正比，也就是說，此時的洛倫茲力將增加16倍，而熔滴中的非金屬夾 雜物從中心往熔滴表面的遷移速度又與洛倫茲力成正比，也就是說，熔滴中的非金屬夾雜物 的遷移速度也增加16倍，顯然，這對熔滴中的非金屬夾雜物的去除無疑是非常有利的。但如何有效細化熔滴直徑，目前尚未提出更好的方法。此外，渣池下方的電渣鑄錠凝固時，由于 在底部和周圍均為通水冷卻，因此，鑄錠組織為粗大的斜向上生長的柱狀晶或枝晶，枝晶間 或柱狀晶界區(qū)域仍然存在明顯的晶界偏析，因此電渣錠在后續(xù)的塑性變形或切割分用時，必 然造成不同區(qū)域或切塊之間的成分的差異，從而對后續(xù)材料的成型零件質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此， 如何提高電渣重熔精煉工藝的效率以及控制鑄錠的宏觀偏析仍然是制約該技術(shù)廣泛應用的核 心問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種磁控電渣重熔高效精煉高溫合金 的方法及裝置，細化電渣重熔過程中熔滴尺寸，進而提高雜質(zhì)和夾雜物凈化效率、同時細化 電渣錠凝固組織進而降低鑄錠中的成分偏析。
為達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是利用穩(wěn)恒磁場與交變電流作用，或交變磁場與直流 電流作用產(chǎn)生振蕩洛倫茲力，使熔滴細化，延長熔滴在渣中的停留時間，從而使熔滴中的夾 雜物和雜質(zhì)有充足的時間分離；同時，熔滴細化時，可以顯著提高熔滴中的電磁擠壓力，從 而顯著提高熔滴中夾雜物的遷移速率，精煉效率也就得到顯著提高；此外，在鑄錠凝固時， 再復合恒定磁場，在凝固界面前沿產(chǎn)生強烈的振蕩洛倫茲力，打碎枝晶，細化凝固組織，從 而實現(xiàn)成分均勻化的目的。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種磁控電渣重瑢高效精煉高溫合金的方法，其特點在于利用電磁激振效應，細化熔滴 和凝固組織，以提高精煉效果，減少偏析；具體操作步驟如下
1) 將熔融渣液澆入水冷的銅模結(jié)晶器中；
2) 將待精煉的高溫合金電極棒插入銅模結(jié)晶器的熔融渣液中；
3) 將高溫合金電極棒和銅模結(jié)晶器底部的水冷底電極用電纜分別連接外接電源的電流輸出 端；
4) 同時采用磁場發(fā)生器提供磁場，施以垂直于高溫合金電極棒和電渣鑄錠軸向的磁場；
5) 調(diào)整磁場、電極、電渣鑄錠的相對位置，以確保高溫合金電極棒的熔化區(qū)以及電渣鑄錠的 固液界面均位于磁場區(qū)域中；
6) 控制電渣熔煉電流，當其產(chǎn)生的熱量將高溫合金電極棒逐滴熔化后，控制磁場強度，利用 電磁產(chǎn)生的振蕩洛侖茲力，細化熔滴尺寸和細化電渣鑄錠的凝固組織；
7) 隨著高溫合金電極棒的熔化以及電渣鑄錠的往上生長，磁場區(qū)域也逐漸上移，以保證熔化 和凝固過程均處于磁場區(qū)域中。
5上述合金電極棒為待精煉的鎳基高溫合金、或軸承鋼、不銹鋼、合金鋼等需要采用電渣 熔煉的金屬。
上述電源為交流電源，為電渣熔煉提供交流電流，所述磁場發(fā)生器提供的磁場為穩(wěn)恒磁 場，從而產(chǎn)生電磁激振效應。
上述電源為調(diào)壓調(diào)頻電源，其電流強度為500-1200A，頻率為0.001—3000Hz，磁場發(fā) 生器提供的磁感應強度為0.1—12T。
上述電源也可以為直流電源，為電渣熔煉提供直流電流，而所述磁場發(fā)生器提供的磁場 則為交變磁場，同樣能產(chǎn)生電磁激振效應。
一種磁控電渣重熔高效精煉高溫合金的裝置，應用于上述方法，包括銅模結(jié)晶器、設(shè)置 于銅模結(jié)晶器周壁外的水冷套、作為底電極的水冷銅板及其水冷套和電源及其用于連接底電 極和插入銅模結(jié)晶器熔融渣液中的高溫合金電極棒的水冷電纜，其特征在于在所述銅模結(jié)晶 器的水冷套的外圍設(shè)置一個磁場發(fā)生器。
上述結(jié)晶器水冷套和底電極水冷套分別有進水口接水源及出水口接水槽。 本發(fā)明方法的機理和原理敘述如下
在本發(fā)明中，將電渣重熔過程置于恒定磁場中進行，利用磁場與適當頻率和適當強度的 交變電流配合產(chǎn)生的電磁激振效應，細化熔滴和凝固組織，以提高精煉效果，減少偏析。 另外，本發(fā)明方法的特點如下所述
(1) 凝固組織的細晶程度同施加的電流與磁場大小有關(guān)，其乘積越大，所獲得的鑄錠組織 越細小，宏觀偏析也就越小；
(2) 恒定磁場與交變電流相互作用，產(chǎn)生交變的洛倫茲力，可以震落熔滴，或者加速熔 滴的頸縮，從而細化熔滴的直徑，在可以延長熔滴在熔渣中的停留時間的同時，縮短夾雜物 或雜質(zhì)由熔滴心部遷移至表面然后被熔渣吸收的時間，并顯著增加熔滴中非金屬夾雜物的遷 移速率，從而提高精煉效率。實驗研究表明在同等電流強度下，熔滴的尺寸與施加的磁場強 度呈線性關(guān)系，磁場強度越高熔滴越小。


圖1為本發(fā)明方法一個實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明的機理示意圖。
圖3為本發(fā)明細化的電渣熔滴中非金屬夾雜物凈化機理示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖敘述于后。實施例一
參見圖1，本磁控電渣重熔高效精煉高溫合金的裝置是由待精煉高溫合金電極l、水冷銅 模結(jié)晶器2、恒定磁場發(fā)生器3、調(diào)壓調(diào)頻交流電源4、己凝固金屬電渣鑄錠5、熔融渣液6、 水冷銅板底電極7、水冷電纜14、上下水冷套13、 15、上下水冷套進水口7、 12和上下水冷 套出水口 10、 11組成。將待精煉高溫合金電極1插入置于水冷銅模結(jié)晶器2的熔融渣液6中。 將待精煉高溫合金電極1與水冷銅板底電極7分別接入調(diào)壓調(diào)頻交流電源4中。將水冷銅模 結(jié)晶器2、待精煉高溫合金電極1的熔化端置于恒定磁場發(fā)生器3中，其中恒定磁場發(fā)生器3 產(chǎn)生的磁場強度在0.1 12T之間，方向垂直于待精煉高溫合金電極1。
應用上述裝置，本磁控電渣重熔高效精煉高溫合金的方法是利用電磁激振效應，細化熔 滴和凝固組織，以提高精煉效果，減少偏析。具體操作過程如下所述
參見圖l、圖2和圖3，以40n/。CaF2， 25°/。CaO， 12.5°/。A1203， 15°/。MgO作為熔渣成分， 采用合適的熔化裝置熔化后澆入水冷銅模結(jié)晶器(2)中。將鎳基高溫合金澆注成待精煉高溫合 金電極棒1，將待精煉高溫合金電極棒1插入熔融渣液6中。并且將待精煉鎳基高溫合電極 棒1與水冷銅板底電極7 —同接入到調(diào)壓調(diào)頻交流電源4中。交變電流16通過待精煉高溫合 金電極棒1與熔融渣液6時產(chǎn)生大量的焦耳熱，待熔融渣液6內(nèi)溫度達到待精煉高溫合金電 極棒1熔點時，待精煉高溫合金電極棒1的前端開始熔化。熔化的金屬液滴8穿過熔融渣液 6,達到水冷銅板底電極7底部被強制水冷凝固。此時打開恒定磁場發(fā)生器3，參見圖2，將 磁場的中心始終對準下落的熔滴19以及正在凝固的部分，磁力線17和交變電流16垂直，并 產(chǎn)生交變的洛倫茲力18。調(diào)節(jié)恒定磁場發(fā)生器3的磁場強度18，在0.1-12T時下墜的熔滴19 將得以細化、細化的金屬熔滴(8)由于交變電流流經(jīng)熔滴產(chǎn)生巨大的向心洛倫茲擠壓力，在該 力作用下，金屬熔滴8中的非金屬夾雜物20將快速遷移至金屬熔滴8表面，并經(jīng)熔融渣液6 的洗滌而得到凈化，提高精煉效果，同時交變電流流經(jīng)電渣鑄錠5時進一步與外加的磁力線 17作用，在凝固前沿形成巨大的電磁振蕩力，打碎枝晶，從而使電渣鑄錠5的凝固組織顯著 細化，成分偏析程度將顯著降低。
實施例二
本實施例基本上與實施例一相同，所不同之處是；將調(diào)壓調(diào)頻交流電源4改為直流電源， 為電渣熔煉提供直流電流，將磁場發(fā)生器3提供的磁場改為交變磁場，同樣可以產(chǎn)生電磁激 振效應，細化下墜的熔滴9和電渣鑄錠5。
權(quán)利要求
1.一種磁控電渣重熔高效精煉高溫合金的方法，其特點在于利用電磁激振效應，細化熔滴和凝固組織，以提高精煉效果，減少偏析；具體操作步驟如下a.將熔融渣液(6)澆入水冷銅模結(jié)晶器(2)中；b.將待精煉高溫合金電極棒(1)插入水冷銅模結(jié)晶器(2)的熔融渣液(6)中；c.將待精煉高溫合金電極棒(1)和水冷銅模結(jié)晶器(2)底部的水冷銅板底電極(7)外接調(diào)壓調(diào)頻交流電源(4)；d.同時磁場發(fā)生器(3)提供恒定磁場，施以垂直于待精煉高溫合金電極棒(1)和電渣鑄錠(5)軸向的磁場；e.調(diào)整磁場、電極、電渣鑄錠的相對位置，以確保待精煉高溫合金電極棒(1)的熔化區(qū)以及電渣鑄錠(5)的固液界面均位于磁場區(qū)域中；f.控制電渣熔煉電流，當其產(chǎn)生的熱量將待精煉高溫合金電極棒(1)逐滴熔化后，控制磁場強度，利用電磁相互作用產(chǎn)生的振蕩洛侖茲力，細化熔滴尺寸和細化電渣鑄錠(5)的凝固組織；g.隨著待精煉高溫合金電極棒(1)的熔化以及電渣鑄錠(5)的往上生長，磁場區(qū)域也逐漸上移，以保證熔化和凝固過程均處于磁場區(qū)域中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁控電渣重熔高效精煉高溫合金的方法，其特征在于所述待精煉高 溫合金電極棒(1)為待精煉的鎳基高溫合金、軸承鋼、不銹鋼、合金鋼等需要采用電渣 熔煉的金屬或合金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁控電渣重熔高效精煉高溫合金的方法，其特征在于所述調(diào)壓調(diào)頻 交流電源(4)為交流電源，為電渣熔煉提供交流電流，所述磁場發(fā)生器(3)提供的磁場 為穩(wěn)恒磁場，從而產(chǎn)生電磁激振效應。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁控電渣重熔高效精煉高溫合金的方法，其特征在于所述調(diào)壓調(diào)頻 交流電源(4)能提供交變電流，其電流強度為500-1200A，頻率為0.001—3000Hz，磁場 發(fā)生器(3)提供的磁感應強度為O. 1—12T。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁控電渣重熔高效精煉高溫合金的方法，其特征在于所述調(diào)壓調(diào)頻 交流電源(4)為直流電源，為電渣熔煉提供直流電流，所述磁場發(fā)生器(3)提供的磁場 則需提供交變磁場，從而產(chǎn)生電磁激振效應。
6. —種磁控電渣重熔高效精煉高溫合金的裝置，應用于根據(jù)權(quán)利要求1所述磁控電渣重熔高 效精煉高溫合金的方法，包括水冷銅模結(jié)晶器(2)、設(shè)置于水冷銅模結(jié)晶器周壁外的水冷 套(15)、作為銅模結(jié)晶器底座的水冷銅板底電極(7)、設(shè)置于水冷銅板底電極(7)下面的水冷套(13)和調(diào)壓調(diào)頻交流電源(4)及其用于連接水冷銅板底電極(7)和插入水冷 銅模結(jié)晶器(2)熔融渣液(6)中的待精煉高溫合金電極棒(1)的水冷電纜(14)，其特征 在于在所述水冷銅模結(jié)晶器(2)的水冷套(15)的外圍設(shè)置一個恒定磁場發(fā)生器(3)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁控電渣重熔高效精煉高溫合金的裝置，其特征在于所述上水冷套 (15)和下水冷套(13)分別有進水口 (7、 12)接水源及出水口 (10、 11)接水槽。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁控電渣重熔高效精煉高溫合金的方法及裝置。本方法是利用電磁激振效應，細化熔滴和凝固組織，以提高精煉效果，減少偏析。本裝置包括銅模結(jié)晶器、水冷套、高溫合金電極棒、水冷銅板底電極和電源。特點是在水冷銅模結(jié)晶器的外圍設(shè)置一個磁場發(fā)生器產(chǎn)生磁場、與電渣熔煉的電流復合產(chǎn)生振蕩洛倫茲力。本發(fā)明用于高溫合金電渣重熔精煉，能提高精煉效果，減少鑄錠偏析。
文檔編號C22B9/18GK101624657SQ20091005034
公開日2010年1月13日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者任忠鳴, 任維麗, 吳秋芳, 范洋旸, 鐘云波, 雷作勝 申請人:上海大學