“爐外精煉-電渣”冶煉GH3128合金Φ480 mm電渣錠工藝研究

趙 越， 王樹財， 王志剛， 張 鵬， 李 寧，王艾竹

(撫順特殊鋼股份有限公司技術中心，遼寧 撫順 113000)

GH3128合金是我國基于GH3044合金自主研發的一種以W、Mo固溶強化并用B、Ce、Zr強化晶界的鎳基高溫合金。合金使用溫度在950 ℃以下，具有較高的塑性、持久和蠕變強度，以及良好的抗氧化性等工藝性能，綜合性能優于GH3536和GH3044等同類鎳基固溶強化合金[1-2]。近年來隨著航空航天裝備設計規格的逐漸變化，GH3128合金大圓棒材使用量日趨增加、成品規格日漸增大，而從GH3128合金研制至今電渣錠的最大錠型僅為Φ360 mm，用來生產Φ250 mm以上大圓棒材鍛比相對較小，內部組織及探傷水平很難得到保證。由于錠型較小，無法使用大型加工設備，制約了棒材的生產工藝優化，且降低了生產效率和成材率。隨著撫順特殊鋼股份有限公司冶煉及加工設備的更新，通過擴大GH3128合金電渣錠錠型可以提高大圓棒材的鍛比，優化加工工藝，提高成材率及加工效率，改善成品探傷質量。但是對于合金化程度偏高的GH3128合金而言，成分偏析是擴大錠型的難題。

因此，本文通過調整非真空感應及電渣冶煉工藝，消除偏析，最終實現GH3128合金Φ480 mm電渣錠的研制及應用。

1 試驗材料及試驗方法

非真空感應爐由于合金收得率高、投資少、見效快等因素，生產節奏控制靈活，早已廣泛應用于特殊鋼和特殊合金等領域。東北特鋼集團撫順特殊鋼股份有限公司從20世紀90年代開始，一直在研發并使用1 t非真空感應爐冶煉GH3128等高Cr、Mo、W含量的鎳基合金。隨著科技進步以及前期經驗，已成功開發使用30 t非真空感應爐冶煉GH3128等品種。本文所用GH3128合金是采用30 t非真空感應爐冶煉Φ250 mm或Φ330 mm電極棒+電渣重熔Φ480 mm電渣錠精煉工藝生產。

為了降低電極棒氣體含量，提高純凈度，改善電渣錠冶金質量，煉鋼時采用“非真空感應+LF+VOD”工藝，經過合金化、吹氧、脫氣、提純、模鑄等工序，降低鋼液氣體含量，提高鋼液純凈度。某公司生產的GH3128的爐外精煉工藝主要包括LF和VOD兩個工位，其中LF爐的主要作用是合金化(主要調整Cr、Ni、Mo、W等元素)、脫硫、調整溫度滿足VOD開吹要求。VOD爐的主要作用為氧化期吹氧脫碳，還原期脫氧、脫氮、調整合適的溫度和成分。

某公司30 t的VOD爐自2011年4月由INTECO公司進行改造后[3]，配備了先進的MTA廢氣分析系統，可以在VOD脫碳過程中收集數據，分析廢氣成分，測量廢氣流量，并通過這些數據來評估VOD工藝過程，進而在生產控制中發揮指導作用[4]。先后成功冶煉了GH3128、GH3044、N08028等合金，該工藝不但可以保證產品的質量，有效提高產品的生產效率，還可以降低冶煉成本。

電渣前結合Meltflow-ESR電渣冶煉模擬系統對偏析傾向及渣皮厚度的模擬結果，設計了交換支臂電渣爐的冶煉工藝參數：電壓：60～68 V；電流：7 000～8 000 A，熔速：3～6 kg/min。電極棒經電渣重熔成Φ480 mm電渣錠，化學成分見表1。

電渣錠在3150T快鍛機經3火開坯后，在1800T精鍛機經1火加工為Φ250 mm棒材，同時生產90 mm方試驗料。探傷合格后取試驗材料，試驗材料取自90 mm方及成品棒材，在交貨態試樣上進行低倍及顯微組織檢驗，力學性能檢驗試樣分別選擇90 mm方縱向和棒材橫向進行檢驗，試樣經1 200 ℃熱處理。

表1 GH3128合金化學成分 %

2 結果分析與討論

2.1 氣體含量

煉鋼時采用“非真空感應+LF+VOD”工藝，經過脫氣、還原等工序，氣體含量得到了有效的控制。通過分析出鋼前試樣中的氣體O、N含量可以看到，氣體成分控制良好(見表2)，這為后續電渣冶金質量的提高提供了必要保障。

表2 GH3128合金非真空感應冶煉過程中氣體成分分析結果 ×10-6

2.2 電渣錠表面質量及合金低倍組織

根據設計參數(電壓：60～68V；電流：7 000～8 000 A；熔速：3～6 kg/min)設定了電渣爐冶煉工藝，成功冶煉出了GH3128合金Φ480 mm電渣錠，電渣錠表面質量良好，如圖1所示，左邊為尾部，右邊為頭部。

圖1 GH3128合金Φ480 mm電渣錠表面狀態

電渣錠通過精快鍛聯合工藝加工為Φ250 mm成品棒材，棒材車光后經Φ1.2 mm平底孔探傷無雜波，分別在相當于鋼錠頭部、尾部的成品棒材上取橫、縱向低倍片，進行低倍組織觀察(如圖2和圖3所示)，由圖2～圖3可見，合金棒材低倍組織致密、晶粒均勻、無明顯的偏析帶。通過對鋼錠表面質量、成品棒材探傷及頭尾低倍組織的檢查，可以確定鋼錠表面及內部質量良好。說明了GH3128合金Φ480 mm電渣錠冶煉工藝設計合理，冶金質量合格，同時也證明了整支棒材的鍛造工藝制定合理，實現了組織均勻的控制。

圖2 GH3128合金Φ250 mm橫向低倍組織

圖3 GH3128合金Φ250 mm縱向低倍組織

2.3 顯微組織

在橫向低倍上沿半徑方向取樣(取樣位置為邊緣、1/2R和中心，如圖4所示)。對縱向顯微組織進行金相觀察可知，棒材頭尾組織均勻。

圖4 GH3128合金Φ250 mm顯微組織(×100)

通過Φ480 mm錠加工的Φ250 mm棒材頭尾取樣在顯微鏡100倍下觀看非金屬夾雜物，完全滿足生產大圓棒材的基本需求(見表3、圖5)。

表3 GH3128合金Φ250 mm棒材非金屬夾雜物/級

圖5 GH3128合金Φ250 mm棒材非金屬夾雜物(×100)

2.4 力學性能

因為GH3128合金大圓棒材技術條件中僅要求檢驗高溫拉伸性能，所以在橫向低倍和縱向90 mm方上各取兩套高溫拉伸試樣，經過熱處理后，對試樣進行測試，測試結果見表4。

表4 GH3128合金Φ250 mm鍛制棒材高溫拉伸性能

由表4可知，由Φ480 mm電渣錠鍛造生產的GH3128合金Φ250 mm成品棒材橫向與縱向的力學性能水平一致，均高于標準要求，且留有一定預度。這說明無論從Φ480 mm電渣錠加工到Φ250 mm棒材還是加工到90 mm方試樣，變形量均足夠充分，組織均勻性良好，力學性能無明顯差別。由此可見，GH3128合金擴大到Φ480 mm電渣錠后采取精快鍛聯合的鍛造生產工藝合理，可以滿足GH3128合金大圓棒材的穩定生產。與此同時，由于鍛比的增大，也改善了棒材鍛造加工后的內部質量，提高了組織均勻性，進而提升了探傷水平。因此，GH3128合金Φ480 mm電渣錠經合理的冶煉及加工后，鍛制棒材的力學性能可以達到技術標準要求。

3 結 論

(1)GH3128合金冶煉時采用“非真空感應+LF+VOD”工藝，經過合金化、吹氧、脫氣、提純、模鑄等工序，可以降低鋼液氣體含量，提高鋼液純凈度；

(2)利用計算機模擬的手段設計并優化電渣工藝參數，成功的冶煉出無冶金缺陷的GH3128合金Φ480 mm電渣錠；

(3)擴大錠型后的GH3128合金在3150T快鍛+1800T精鍛聯合工藝下鍛制出晶粒均勻、探傷合格的Φ250 mm成品棒材；

(4)利用Φ480 mm電渣錠加工的GH3128合金成品棒材90 mm方與橫向(棒材本體)力學性能水平一致，均可以達到技術條件的要求。