СПОСОБ ВЫПЛАВКИ ВЫСОКОХРОМИСТОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА Российский патент 1996 года по МПК C21C5/52 

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, а именно к выплавке никельхромовых сложнолегированных сплавов.

Известно, что замена шихтовых материалов отражается на качестве специальных сплавов (см. например, Дзугутов М. Я. и др. Газонасыщенность исходных шихтовых материалов для выплавки специальных сталей и сплавов. М. Черметинформация, 1967, 88 с.). Поэтому при выплавке сплавов строго целевого ответственного назначения переход с одних шихтовых материалов на другие при обеспечении гарантированного уровня качества металла требует разработки и применения специальных технологических приемов ведения плавки. Широко известна технология выплавки металла в вакуумной индукционной печи с обработкой шлаком СаO: CaF₂ (9:1), который наводят при завалке шихты с первой корзиной (см. Окороков Г. Н. и др. Производство стали и сплавов в вакуумных индукционных печах. М. Металлургия, 1972, с. 183). Способ позволяет рафинировать металл от кислорода, азота, металлических включений, что благоприятно отражается на качестве металла. Однако это требует специальных изменений в технологии ведения плавки в конструкции печи, а именно: в печи должно быть устройство для скачивания и отсечки шлака при выпуске металла из тигля. Это делает неприемлемым использование шлаков в печах, неприспособленных для скачивания и отсечки шлака при выпуске металла из тигля. Это делает неприемлемым использование шлаков в печах, не приспособленных для выплавки металла в вакууме с обработкой шлаками. К тому же применение шлаков системы СаO СаF₂ эффективно только для обработки шарикоподшипниковой стали с температурой плавления гораздо выше температуры плавления шлаковой смеси 90% СаO + 10% СаF₂. Для высокохромистых никелевых сплавов с точкой ликвидус того же порядка и ниже температуры плавления эвтектики СаO СаF₂ использование таких же шлаков ведет к загрязнению металла компонентами смеси, что является недопустимым.

Применение в завалке шлаков из СаO, MgO, Al₂O₃, Na₂CO₃, РЗМ, Са, Mg и другими высокоактивными элементами позволяет рафинировать металл от кислорода, серы, кремния, неметаллических включений, что благоприятно отражается на качестве металла (см. Ломков Е. М. и др. Применение рафинирующих флюсов (шлаков) при выплавке легированных сплавов и ВИП. Сб. Проблемы и перспективы развития спецэлектрометаллургии. Отраслевой тематический сборник. Часть 3. Вакуумная индукционная плавка. М. МЧМ СССР, ЦНИИчермет, им. И. П. Бардина, 1989, с. 48 51). Указанному способу также присущи приведенные выше недостатки, связанные с наличием известьсодержащих шлаков в печи, что затрудняет выпуск металла из тигля. Кроме того, известные способы вакуумной индукционной плавки со шлаками эффективны при использовании строго определенного количества отходов и чистых металлургических материалов, а замена их на низкокачественные нерафинированные материалы приводит к дестабилизации процесса плавки и делает ее нетехнологичной.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ выплавки сплавов, при котором с целью повышения качества металла за счет устранения его загрязненности неметаллическими включениями и увеличения выхода годного перед завалкой металлошихты на подину печи присаживают боркальк в количестве 0,02.0,8% от веса садки (см. авт. св. СССР N 431227, С 21 С, 5/52, 1973). Введение шлакообразующих вместе с раскислителем в печь при расплавлении шихты раскисляет металлический расплав. Продукты раскисления удаляются в шлак, что позволяет повысить чистоту металла по неметаллическим включениям и увеличить выход годного. Однако известный способ выплавки с засыпкой боркалька на подину сопровождается зарастанием шлаком нижней части тигля индукционной печи из-за приваривания боркалька к подине. Это зарастание усугубляется при выплавке высокохромистых никелевых сплавов, содержащих свыше 30% (мас.) хрома. Использование значительного количества металлического хрома, который довольно трудно растворяется в расплаве, приводит к образованию тугоплавкого известковохромистого шлакового гарнисажа на днище тигля, что подрывает тигель, является причиной его растрескивания и выхода печи из строя. Ошлакованная непроплавившаяся шихта скапливается в нижней части тигля. Неконтролируемый характер такого ведения плавки затрудняет попадание в заданный состав сплава, обусловливает безвозвратные потери металла из-за образования в тигле скрапа. При этом нестабильное усвоение хрома от плавки к плавке является причиной отбраковки металла по химическому составу. В случае применения в шихте взамен дефицитного рафинированного хрома марки ЭРХ менее чистого при примесям нерафинированного электролитического хрома дополнительное загрязнение металла оксонитридами наряду с неудовлетворительной воспроизводимостью результатов по химическому составу от плавки к плавке делает практически неприемлемым известный способ выплавки при промышленном производстве никельхромовых высоколегированных сплавов ответственного назначения.

Цель изобретения использование в качестве шихты нерафинированного электролитического хрома взамен высокочастотного хрома марки ЭРХ, снижение потерь хрома при плавке, устранение загрязнения сплава оксонитридами и повышение выхода годного.

Цель достигается тем, что при выплавке сплава в печь совместно с нерафинированным электролитическим хромом загружают смесь из флюса АНФ 1 3 - 0 и никельмагниевого раскислителя при массовом соотношении флюса к магнию в пределах 2.10, причем количество магния во флюсораскислительной смеси составляет (0,2.0,6) от массы нерафинированного электролитического хрома в завалке.

Изобретение удовлетворяет требованию существенных отличий, так как в материалах патентной информации и в литературе отсутствуют сведения по выплавке высокохромистых никелевых сплавов с введением в завалку нерафинированного электролитического хрома совместно с флюсораскислительной смесью из флюса, АНФ 1 3 0 и никельмагниевого раскислителя, расход которого совместно с флюсом регламентируется по отношению к количеству хрома, загружаемого в печь.

Использование флюсораскислительной смеси из высокочистого фторида кальция и никельмагниевого сплава, загружаемых в печь совместно с хромом, позволяет при расплавлении завалки эффективно раскислять нерафинированный хром, удаляя из него кислород на стадии разведения жидкой металлической ванны. Это достигается за счет активного взаимодействия никельмагниевого раскислителя с кислородом хрома при температурах, не превышающих температуру плавления эвтектика Ni Cr. Продукты раскисления окислы магния образуют с флюсом АНФ 1 3 0 жидкие металлические включения, которые образуют легкоплавкий флюоритомагнезитовый шлак, с той же температурой плавления, что и образующийся металлический расплав. Такой шлак не смачивается никельхромовым расплавом, содержащим вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, удаляется из металла на поверхность жидкой ванны, а не приваривается вместе с металлическим хромом к днищу тигля.

При разведении ванны в вакууме резко падает растворимость азота в никельхромовом расплаве по сравнению с растворимостью азота в металлическом хроме. Это способствует деазотизации металла при расплавлении шихты. Таким образом обеспечивается очистка металлической ванны от кислорода и азота, что позволяет устранить загрязнение готового сплава оксинитридами при его выплавке с использованием нерафинированного электролитического хрома. Практически качество такого никельхромового сложнолегированного сплава аналогично качеству металла, получаемого с применением высокочистого хрома марки ЭФХ. Соблюдение оптимальных соотношений компонентов во флюсораскислительной смеси и заявляемого режима раскисления при расплавлении завалки гарантирует эффективную очистку никельхромового металлического расплава от кислорода, азота, что предопределяет устранение загрязнения готового металла оксонитридами и положительно влияет на качество сплава.

Стабилизация соотношения массы флюса АНФ 1 3 0 к массе магния в никельмагниевом раскислителе в пределах 2.10 характеризует постоянство температуры плавления флюсораскислительной смеси, причем температурный интервал жидкофазного состояния такой шлакометаллической композиции находится в пределах 1340.1360^oС. При раскислении указанной смесью никельхромовой ванны происходит разделение металла от шлаковых включений, что обусловлено не только меньшей плотностью включений по отношению к металлу, но и малой адгезией металлического расплава к флюоритомагнезитовым шлакам. Несоответствие соотношения компонентов во флюсораскислительной смеси заявляемым пределам приводит к повышению температуры плавления смеси и нарушает процесс шлакообразования из-за невозможности получения электрического состава флюоритомагнезиальных шлаков (см. табл. 1).

При избытке флюса АНФ 1 3 0 (М_ф; M_Mg>10) плавление смеси происходит практически так же, как и плавление фторида кальция, то есть при температурах, на 20.40^oC выше температуры плавления шлаковой эвтектики 90% СаF₂ + 10% MgO и металлической эвтектики Ni Сr. Это приводит к загрязнению выплавляемого металла хромошпинелидными включениями. Раскисления металла при расплавлении завалки не происходит. При избытке магния в смеси (М_ф:M_Mg<2) температура плавления шлакометаллического расплава повышается из-за образования повышенного количества окислов магния. Смесь становится тугоплавкой, гетерогенной и, спекаясь с хромом, образует настилы на стенках и днище тигля при разведении металлической ванны. Оптимальным соотношением масс флюса и магния во флюсораскислительной смеси указанные недостатки полностью устраняются и смесь является эффективным раскислителем нерафинированного высокохромистого никелевого расплава.

Опытным путем определено количество магния, вводимого с флюсораскислительной смесью для эффективного удаления кислорода из расплавляющегося нерафинированного электролитического хрома в промышленной вакуумной индукционной печи. Оптимальное количество магния для раскисления хрома при расплавлении завалки составляет 0,2.0,6% от массы нерафинированного электролитического хрома на плавке. Если магния менее 0,2% то раскисление ванны отсутствует и сплав загрязняется оксонитридами. Содержание кислорода и азота в таком сплаве вакуумной индукционной плавки находится на уровне металла открытой выплавки. Если магния более 0,6% от массы хрома в завалке, то из-за большого расхода флюсораскислительной смеси на плавке образуется повышенное количество высокохромистых магнезиальных настылей на стенках и днище тигля. Это обусловливает значительные потери хрома и может привести к отбраковке сплава по химическому составу. Такой вариант раскисления нетехнологичен, так как приводит к зарастанию и растрескиванию тигля, а также затрудняет выпуск сплава из печи. Попадание кусков шлака или настылей в центровочную воронку при выпуске металла из печи в изложницу создает аварийную ситуацию при разливке металла в вакуумной индукционной печи, что является недопустимым. К тому же повышенный расход магния на плавке негативно отражается на пластичности готового металла. Из-за насыщения магнием металлического расплава повышается остаточное содержание магния в конечном металле и ухудшается его технологическая пластичность при переделке слитков в заготовку. Такие слитки с повышенным содержанием магния (более 0,015% мас.), как правило, бракуются.

В качестве примера приводим результаты по выплавке высокохромистого никелевого сплава ЭП-648 (ХН50ВМТЮБ) в вакуумной индукционной печи емкостью 2,5 т с использованием в завалке нерафинированного электролитического хрома взамен высокочастотного хрома марки ЭРХ.

В шихте использовали электролитический никель Н-IV, нерафинированный электролитический хром марки ЭХ, металлический вольфрам, молибден, ниобийалюминиевую лигатуру, отходы и шихту сплава ЭП-648. Подготовку материалов и печи к плавке, основные операции по выплавке металла производили согласно действующей технологической инструкции. Остаточное разрежение в печном котле составляло не более 50 мкм рт. ст.

Во время завалки совместно с хромом марки ЭХ загружали в тигель флюсораскислительную смесь, составляющую из 50% (мас.) флюса АНФ 1 3 0 и 50% (мас.) никельмагниевой лигатуры с содержанием магния 16% (мас.). Таким образом, отношение масс флюса к магнию в смеси составляло 6,25, что соответствовало среднему значению заявляемого состава флюсораскислительной смеси. Расход смеси на каждой плавке изменяли в зависимости от количества магния в смеси, рассчитанного по отношению к массе нерафинированного хрома в завалке. Количество магния при этом соответствовало заявляемым пределам и выходило за эти пределы (см. табл. 2). Для сравнения в табл. 2 приведены результаты по выплавке сплава ЭП648 с введением боркалька в тигель перед завалкой шихты. Количество боркалька составляло 3 кг на плавку, то есть было соизмеримым с расходом раскислительной шлаковой смеси заявляемого состава и соответствовало 0,1% от веса садки (технология прототипа). Расход хрома марки ЭХ на всех плавках был постоянным и составлял 120 кг/т металлошихты. Качество нерафинированного электролитического хрома марки ЭХ соответствовало ТУ 14 5 76 76, а его получение осуществлено по инструкции ТИ 127 ПМ 07 74 - 90 на НПО "Тулачермет". Главное отличие качества нерафинированного хрома марки ЭХ от рафинированного марки ЭРХ заключается в значительно высоком содержании примесей, мас. (см. табл. 2).

После загрузки шихты в тигель и ее полного расплавления производили перемешивание, легирование, доводку металла до заданного химического состава и выпуск из печи в соответствии с существующей технологией выплавки сплава ЭП648 на заводе "Электросталь". Металл разливали в изложницы для слитков массой 1280 кг. Предел слитков в сортовую заготовку 80 мм, оценку качества заготовки производили в объеме ТУ 14 1 3046 80 и при соответствии металла требованиям указанных ТУ продукцию сдавали заказчику. По результатам взвешивания слитков и заготовки рассчитывали выход годного.

В табл. 3 приведены данные о влиянии режима раскисления фторидноникельмагниевой смесью металлического расплава, получаемого с использованием нерафинированного хрома марки ЭХ на загрязненность оксонитридами и выход годного сплава ЭП648. Сравнение режима раскисления по заявляемому и известным способам показало, что по разработанной технологии уменьшаются потери хрома при плавке в среднем на 3,5 абс. стабилизируется содержание магния в конечном металле на уровне 0,005.0,015% (мас.) и достигается снижение в сплаве общего содержания кислорода на 10.25 отн. азота в среднем на 15 отн. а также заметно уменьшается балл оксонитридов. Все это привело к повышению пластичности сплава при температурах горячей деформации и способствовало увеличению выхода годного свыше 53%
Основным преимуществом заявляемого способа перед известными является то, что реализована возможность получения качественной металлопродукции из сплава ЭП648 с использованием хрома марки ЭХ взамен остродефицитного рафинированного электролитического хрома. Таким образом, эффективное рафинирование расплава от кислорода, азота позволило устранить нежелательные последствия отрицательного влияния использования загрязненного кислородом и азотом хрома при выплавке сплава ЭР648 ВИ особо ответственного назначения.

Сущность изобретения: способ выплавки высокохромистого никелевого сплава, включающий загрузку хрома, никеля и другой металлошихты, шлакообразующих и раскислителей, их расплавление, в котором хром загружают электрически нерафинированный. В качестве раскислителя используют никельмагниевый сплав, а в качестве шлакообразующих флюс АНФ 1 - 3 - 0, при этом соотношение флюса к магнию никельмагниевого сплава составляет 2 - 10, а количество магния во флюсораскислительной смеси составляет (0,2 - 0,6) % от массы нерафинированного электролитического хрома. 3 табл.

Способ выплавки высокохромистого никелевого сплава, включающий загрузку хрома, никеля и другой металлошихты, шлакообразующих и раскислителей, их расплавление, отличающийся тем, что хром загружают электролитически нерафинированный, в качестве раскислителя используют никельмагниевый сплав, а в качестве шлакообразующих флюс АН Ф 1 3 0, при этом соотношение флюса к магнию никельмагниевого сплава составляет 2 10, а количество магния к флюсораскислительной смеси составляет 0,2 0,6% от массы нерафинированного электролитического хрома.