“炉外精炼-电渣”冶炼GH3128合金Φ480,mm电渣锭工艺研究

赵 越， 王树财， 王志刚， 张 鹏， 李 宁，王艾竹

(抚顺特殊钢股份有限公司技术中心，辽宁 抚顺 113000)

GH3128合金是我国基于GH3044合金自主研发的一种以W、Mo固溶强化并用B、Ce、Zr强化晶界的镍基高温合金。合金使用温度在950 ℃以下，具有较高的塑性、持久和蠕变强度，以及良好的抗氧化性等工艺性能，综合性能优于GH3536和GH3044等同类镍基固溶强化合金[1-2]。近年来随着航空航天装备设计规格的逐渐变化，GH3128合金大圆棒材使用量日趋增加、成品规格日渐增大，而从GH3128合金研制至今电渣锭的最大锭型仅为Φ360 mm，用来生产Φ250 mm以上大圆棒材锻比相对较小，内部组织及探伤水平很难得到保证。由于锭型较小，无法使用大型加工设备，制约了棒材的生产工艺优化，且降低了生产效率和成材率。随着抚顺特殊钢股份有限公司冶炼及加工设备的更新，通过扩大GH3128合金电渣锭锭型可以提高大圆棒材的锻比，优化加工工艺，提高成材率及加工效率，改善成品探伤质量。但是对于合金化程度偏高的GH3128合金而言，成分偏析是扩大锭型的难题。

因此，本文通过调整非真空感应及电渣冶炼工艺，消除偏析，最终实现GH3128合金Φ480 mm电渣锭的研制及应用。

非真空感应炉由于合金收得率高、投资少、见效快等因素，生产节奏控制灵活，早已广泛应用于特殊钢和特殊合金等领域。东北特钢集团抚顺特殊钢股份有限公司从20世纪90年代开始，一直在研发并使用1 t非真空感应炉冶炼GH3128等高Cr、Mo、W含量的镍基合金。随着科技进步以及前期经验，已成功开发使用30 t非真空感应炉冶炼GH3128等品种。本文所用GH3128合金是采用30 t非真空感应炉冶炼Φ250 mm或Φ330 mm电极棒+电渣重熔Φ480 mm电渣锭精炼工艺生产。

为了降低电极棒气体含量，提高纯净度，改善电渣锭冶金质量，炼钢时采用“非真空感应+LF+VOD”工艺，经过合金化、吹氧、脱气、提纯、模铸等工序，降低钢液气体含量，提高钢液纯净度。某公司生产的GH3128的炉外精炼工艺主要包括LF和VOD两个工位，其中LF炉的主要作用是合金化(主要调整Cr、Ni、Mo、W等元素)、脱硫、调整温度满足VOD开吹要求。VOD炉的主要作用为氧化期吹氧脱碳，还原期脱氧、脱氮、调整合适的温度和成分。

某公司30 t的VOD炉自2011年4月由INTECO公司进行改造后[3]，配备了先进的MTA废气分析系统，可以在VOD脱碳过程中收集数据，分析废气成分，测量废气流量，并通过这些数据来评估VOD工艺过程，进而在生产控制中发挥指导作用[4]。先后成功冶炼了GH3128、GH3044、N08028等合金，该工艺不但可以保证产品的质量，有效提高产品的生产效率，还可以降低冶炼成本。

电渣前结合Meltflow-ESR电渣冶炼模拟系统对偏析倾向及渣皮厚度的模拟结果，设计了交换支臂电渣炉的冶炼工艺参数：电压：60～68 V；
电流：7 000～8 000 A，熔速：3～6 kg/min。电极棒经电渣重熔成Φ480 mm电渣锭，化学成分见表1。

电渣锭在3150T快锻机经3火开坯后，在1800T精锻机经1火加工为Φ250 mm棒材，同时生产90 mm方试验料。探伤合格后取试验材料，试验材料取自90 mm方及成品棒材，在交货态试样上进行低倍及显微组织检验，力学性能检验试样分别选择90 mm方纵向和棒材横向进行检验，试样经1 200 ℃热处理。

表1 GH3128合金化学成分 %

2.1 气体含量

炼钢时采用“非真空感应+LF+VOD”工艺，经过脱气、还原等工序，气体含量得到了有效的控制。通过分析出钢前试样中的气体O、N含量可以看到，气体成分控制良好(见表2)，这为后续电渣冶金质量的提高提供了必要保障。

表2 GH3128合金非真空感应冶炼过程中气体成分分析结果 ×10-6

2.2 电渣锭表面质量及合金低倍组织

根据设计参数(电压：60～68V；
电流：7 000～8 000 A；
熔速：3～6 kg/min)设定了电渣炉冶炼工艺，成功冶炼出了GH3128合金Φ480 mm电渣锭，电渣锭表面质量良好，如图1所示，左边为尾部，右边为头部。

图1 GH3128合金Φ480 mm电渣锭表面状态

电渣锭通过精快锻联合工艺加工为Φ250 mm成品棒材，棒材车光后经Φ1.2 mm平底孔探伤无杂波，分别在相当于钢锭头部、尾部的成品棒材上取横、纵向低倍片，进行低倍组织观察(如图2和图3所示)，由图2～图3可见，合金棒材低倍组织致密、晶粒均匀、无明显的偏析带。通过对钢锭表面质量、成品棒材探伤及头尾低倍组织的检查，可以确定钢锭表面及内部质量良好。说明了GH3128合金Φ480 mm电渣锭冶炼工艺设计合理，冶金质量合格，同时也证明了整支棒材的锻造工艺制定合理，实现了组织均匀的控制。

图2 GH3128合金Φ250 mm横向低倍组织

图3 GH3128合金Φ250 mm纵向低倍组织

2.3 显微组织

在横向低倍上沿半径方向取样(取样位置为边缘、1/2R和中心，如图4所示)。对纵向显微组织进行金相观察可知，棒材头尾组织均匀。

图4 GH3128合金Φ250 mm显微组织(×100)

通过Φ480 mm锭加工的Φ250 mm棒材头尾取样在显微镜100倍下观看非金属夹杂物，完全满足生产大圆棒材的基本需求(见表3、图5)。

表3 GH3128合金Φ250 mm棒材非金属夹杂物/级

图5 GH3128合金Φ250 mm棒材非金属夹杂物(×100)

2.4 力学性能

因为GH3128合金大圆棒材技术条件中仅要求检验高温拉伸性能，所以在横向低倍和纵向90 mm方上各取两套高温拉伸试样，经过热处理后，对试样进行测试，测试结果见表4。

表4 GH3128合金Φ250 mm锻制棒材高温拉伸性能

由表4可知，由Φ480 mm电渣锭锻造生产的GH3128合金Φ250 mm成品棒材横向与纵向的力学性能水平一致，均高于标准要求，且留有一定预度。这说明无论从Φ480 mm电渣锭加工到Φ250 mm棒材还是加工到90 mm方试样，变形量均足够充分，组织均匀性良好，力学性能无明显差别。由此可见，GH3128合金扩大到Φ480 mm电渣锭后采取精快锻联合的锻造生产工艺合理，可以满足GH3128合金大圆棒材的稳定生产。与此同时，由于锻比的增大，也改善了棒材锻造加工后的内部质量，提高了组织均匀性，进而提升了探伤水平。因此，GH3128合金Φ480 mm电渣锭经合理的冶炼及加工后，锻制棒材的力学性能可以达到技术标准要求。

(1)GH3128合金冶炼时采用“非真空感应+LF+VOD”工艺，经过合金化、吹氧、脱气、提纯、模铸等工序，可以降低钢液气体含量，提高钢液纯净度；

(2)利用计算机模拟的手段设计并优化电渣工艺参数，成功的冶炼出无冶金缺陷的GH3128合金Φ480 mm电渣锭；

(3)扩大锭型后的GH3128合金在3150T快锻+1800T精锻联合工艺下锻制出晶粒均匀、探伤合格的Φ250 mm成品棒材；

(4)利用Φ480 mm电渣锭加工的GH3128合金成品棒材90 mm方与横向(棒材本体)力学性能水平一致，均可以达到技术条件的要求。