一种GH4169高温合金及其熔炼工艺制造技术

本发明专利技术公开一种GH4169高温合金，原料包括返回料、碳粒、工业纯铁、电解镍、金属铬、钼、铌、镍镁合金；以质量百分比计，所述返回料占总原料的70～98％；所述返回料包括GH4169高温合金返回料和/或其他成分接近的钢种返回料，所述其他成分接近的钢种包括GH3039合金和GH4080A合金；所述GH4169合金中氧的质量百分数不高于10

【技术实现步骤摘要】
一种GH4169高温合金及其熔炼工艺


[0001]本专利技术涉及钢铁冶炼领域，具体涉及一种GH4169高温合金及其熔炼工艺。

技术介绍

[0002]高温合金GH4169在650℃以下具有优异的屈服强度，且具有良好的抗氧化、抗疲劳、抗蠕变性能、加工性能和焊接性能，可在650℃工况条件下长时间使用，因此GH4169合金被广泛应用于航空航天、核电和石油化工行业，是高温合金产品中使用范围最广、使用量最大的钢种之一。
[0003]在高温合金GH4169的生产、加工和使用环节，每年都会不可避免地产生各式各样的GH4169返回料，如不加以利用，会造成GH4169合金中的Ni、Cr、Mo、Nb等贵重金属的流失和浪费。对此，目前国内厂家的常规做法是对返回料回收利用，主要用于GH4169合金的熔炼环节。为防止返回料中的杂质元素、氧化皮、夹渣等进入到钢液造成过度污染，当前国内厂家在熔炼含返回料的高温合金GH4169时，配入的返回料比例通常控制在60％以下，以获得合格的产品性能。
[0004]由于在工业生产环节，高温合金GH4169返回料的回收利用速度，未能跟上返回料的产生速度，使得GH4169合金的返回料难以做到高效、及时的回收和利用。中国专利文献CN114369736A《一种提高返回料使用比例的高温合金及冶炼工艺》，其最终返回料添加比例为40％～60％，该专利中的工艺包括以下6个控制步骤：返回料熔化期、返回料升温期、夹杂物变性去除期、新料添加期、易氧化元素加入期和浇注期。该专利介绍了工艺控制过程，但是没明确对应的钢种成分(不同的钢种会有不同的成分，不同的成分会有不同的特性，包括熔点)，其抛开成分谈具体工艺参数并不妥当。
[0005]另外，该专利尚存在下述缺点：
[0006]1、该专利的目的之一，是实现在高温合金真空感应熔炼环节40％～60％返回料配入比例，同时不得影响铸锭或铸件的质量。但是高温合金返回料来源渠道多，涉及工况复杂，在回收熔炼之前，必须要对返回料进行检查和处理，但该专利并未提及此方面事宜，即该专利的工艺未能实现对返回料状态的有效控制，存在每炉因加入返回料而给钢液带入不同量的夹杂耐材、油污的风险，从而造成各对比例中的实验条件不一致。输入端不能实现有效控制，输出端所得数据的严谨性则存在问题，不具备说服力。
[0007]2、该专利在返回料完全变红后，高功率熔化，但是炉料变红的温度只有600℃左右，很难对炉衬起到充分和有效的预热，且该专利中炉衬上的裂纹未能得到很好的弥合，大大加大了在熔炼过程中炉衬钻钢的风险。同时该专利以将近1000kW的大功率对炉料进行加热熔化，功率越大，炉料熔化越快，意味着熔化期的有效脱气时间越短，许多气体因为不能及时溢出而残留在钢液中，给后期的深脱氧带来很大的困难。
[0008]3、该专利认为，将返回料钢液温度升至1650～1700℃，可破坏碳氮化合物的稳定性并转为原子态，而氮原子则在真空条件下以氮气的方式被排出，实现碳氮化物的去除。但是参考氮在铁中的固溶度和温度的关系图可知，钢液温度升高，气体在钢液中的溶解度会
增大，且当钢液温度从1600℃上升至1750℃时，氮在钢液中的溶解度会出现一个陡然的提升，氮在钢液中的溶解度(以质量百分数衡量)会约从0.013wt％上升至0.044wt％。所以，此温度下精炼，达不到钢液脱氮的效果。此外因为大部分高温合金在熔点在1300～1450℃范围，而对比文件将返回料钢液升至1650～1700℃的高温，钢液过热度达到200～400℃，会造成很多负面影响：如熔炼能耗变高，炼钢成本增加；坩埚材质与钢液活泼性元素之间的反应会更剧烈，在坩埚被侵蚀而缩短使用寿命的同时，也会造成钢液增氧；钢液流动性会被大大增强，如果坩埚内存在前期未能弥合的裂纹，则极度容易造成坩埚钻钢或漏钢事故，甚至会引发人身安全事故。
[0009]4、该专利在返回料钢液中直接加入剩余的新料中的稳定元素和碳元素。因真空感应熔炼炉的熔炼室处于真空密闭状态，加料需通过真空状态下加入，大量的固态炉料(尤其是吨位大的炉型)直接被加入到钢液内，随着炉料进入到钢液的，还有大量固态炉料表面所吸附的水气，因此除了固态炉料落入钢液中造成的喷溅，还有瞬间进入钢液内部的水气引起钢液严重的喷溅，再加上碳元素此时被加入，与钢液内的气体的剧烈反应，这些问题同一时间发生，且在真空环境下，会容易造成钢液沸腾，即在抽空条件下，钢液面上存在的抽力，会使得大量钢液顺着翻腾的气泡往上升，最终溢出坩埚，损伤到设备，此现象犹如烧开的粥，溢出锅盖一般。因此，此操作环节下，不仅会造成固态炉料表面吸附的气体进入钢液内(因为固态炉料加入后，被钢液瞬间淹没，表面吸附的气体来不及被烘烤和被抽走)，也会使得钢液出现严重喷溅，甚至会造成钢液出现大沸腾，引起安全事故。因为耐材炉衬是被铜质的通电水冷线圈从外围所包裹，因为此时钢液温度1650～1700℃，而铜质的线圈熔点只有1083℃，若坩埚溢出钢液，很可能会损毁线圈，从线圈损毁处喷射出来的冷却水遇到高温钢液会瞬间气化，体积瞬间放大1600倍，且由于处在密闭腔室，当腔室内压力超过其设备极限时，设备会被炸开，即发生爆炸。

技术实现思路

[0010]因此，本专利技术要解决的技术问题在于现有高温合金GH4169熔炼工艺中成本高，没法充分利用返回料的缺陷，从而提供一种GH4169高温合金及其熔炼工艺。
[0011]为此，本专利技术采用如下技术方案：
[0012]本专利技术提供一种GH4169高温合金，原料包括返回料、碳粒、工业纯铁、电解镍、金属铬、钼、铌、镍镁合金；
[0013]以质量百分比计，所述返回料占总原料的70～98％；
[0014]所述返回料包括GH4169高温合金返回料和/或其他成分接近的钢种返回料，所述其他成分接近的钢种包括GH3039合金和GH4080A合金；
[0015]所述GH4169合金中氧的质量百分数不高于10
×
10
‑6％。
[0016]进一步地，所述GH4169高温合金的化学成分以质量百分比计，包括：C≤0.08％，Si≤0.35％，Mn≤0.35％，Ni 50.0～55.0％，Cr 17.0～21.0％，Fe15.0～21.0％，Al 0.2～0.8％，Ti 0.65～1.15％，Mo 2.8～3.3％，Nb 4.75～5.5％，Mg 0.003～0.009％，Cu≤0.3％，B≤0.006％，Co≤0.3％，S≤0.002％，P≤0.005％，O≤0.001％，N≤0.004％，其余为不可避免的杂质。
[0017]本专利技术还提供上述的GH4169高温合金的熔炼工艺，采用真空感应熔炼工艺，包括
如下步骤：
[0018]S1：第一次加料并预热；
[0019]S2：加热至加料熔清，加入铌并加热至加料再次熔清(将金属铌在炉料熔清后加入的目的，是为了尽量去除钢液中的氮，防止金属铌过早加入，氮还未去除干净，铌和氮结合生成氮化铌，造成钢液中氮去除不干净)；
[0020]S3：第一次精炼本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GH4169高温合金，其特征在于，原料包括返回料、碳粒、工业纯铁、电解镍、金属铬、钼、铌、镍镁合金；以质量百分比计，所述返回料占总原料的70～98％；所述返回料包括GH4169高温合金返回料和/或其他成分接近的钢种返回料，所述其他成分接近的钢种包括GH3039合金和GH4080A合金；所述GH4169合金中氧的质量百分数不高于10
×
10
‑6％。2.根据权利要求1所述的GH4169高温合金，其特征在于，所述GH4169高温合金的化学成分以质量百分比计，包括：C≤0.08％，Si≤0.35％，Mn≤0.35％，Ni 50.0～55.0％，Cr 17.0～21.0％，Fe 15.0～21.0％，Al 0.2～0.8％，Ti0.65～1.15％，Mo 2.8～3.3％，Nb 4.75～5.5％，Mg 0.003～0.009％，Cu≤0.3％，B≤0.006％，Co≤0.3％，S≤0.002％，P≤0.005％，O≤0.001％，N≤0.004％，其余为不可避免的杂质。3.权利要求1或2所述的GH4169高温合金的熔炼工艺，采用真空感应熔炼工艺，其特征在于，包括如下步骤：S1：第一次加料并预热；S2：加热至加料熔清，加入铌并加热至加料再次熔清；S3：第一次精炼；S4：第二次精炼；S5：第三次精炼；S6：充氩加入镍镁合金；S7：加热浇铸，得到所述GH4169合金；其中，步骤S2、S3、S4和S6后还包括电磁搅拌；第一次精炼开始时包括第一次取样，第二次精炼开始时包括第二次取样，第三次精炼结束时包括第三次取样。4.根据权利要求3所述的熔炼工艺，其特征在于，第一次取样结果出来后，将各元素含量与该元素的控制范围和目标值做对比，当某一元素的量有所缺少时，计算出该元素所需补加的量，进行第二次加料，计算公式为：要补加的元素重量＝[(理论投炉总重量*该元素的目标含量值)
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(实时钢水重量*炉中分析该元素的成分数值)]/(元素收得率*金属纯度)；第二次加料后停电结膜5～10min，加热将第二次加料熔清；第二次取样结果出来后，将各元素含量与该元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：成建强，顾晔，胡显军，
申请(专利权)人：江苏沙钢集团有限公司，
类型：发明
国别省市：