一种蒙乃尔合金的冶炼方法与流程

背景技术：

蒙乃尔合金又称镍铜合金，是以金属镍为基体，包含铜、铁、锰等元素的一种耐蚀合金，其组织为高强度单相奥氏体组织，是一种用量大、用途广、综合的耐蚀合金。此合金在含氟介质中具有优异的耐蚀性，对热浓碱液也有优良的耐蚀性，同时还耐水、中性溶液、海水、大气等的腐蚀。

目前蒙乃尔合金的报道主要集中在性能研究、应用方面的介绍，生产工艺鲜有介绍，主要是该合金冶炼和成型难度较大。国内需求基本以进口为主，国内可以稳定生产的厂家极少。国外蒙乃尔合金多采用真空感应熔炼+电渣重熔双联工艺冶炼，此种工艺优点是材料洁净度高，组织成分均匀，缺点是工艺控制难度极大，尤其是电渣过程，铸锭锻造开裂问题严重，成材率不足50%。也有单采用真空感应炉冶炼的工艺生产蒙乃尔合金，但以该方法所生产的材料洁净度不高，锻造成型更困难，成材率更低。一般的工业化生产，以真空感应熔炼+电渣重熔双联工艺为主。

蒙乃尔合金的锻造成型问题近年来研究成果较多，但实际应用效果甚微，主要是未从根本上解决问题，实际上，锻造成型困难与电渣铸锭的质量直接相关，由于蒙乃尔合金熔点较低，传统的电渣过程很难控制低熔速进行，势必会造成局部凝固时间过长，铸锭晶粒粗大、成分偏析严重，这必然会引起锻造时延晶界开裂，这也是该类合金锻造困难的主要原因。所以，解决该类合金锻造性问题的根本还是冶炼工艺的改进。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种蒙乃尔合金的冶炼方法，以保证铸锭的凝固组织均匀。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其包括真空感应熔炼和电渣重熔工序，所述真空感应熔炼工序为：采用真空感应炉冶炼目标钢种，过热度40℃～60℃低温出钢，浇注至水冷锭模中制成所述的自耗电极；所述电渣重熔工序中，重熔期的熔速为3.5kg/min～4kg/min。

本发明所述电渣重熔工序的预熔渣成分为：caf265%～70%、cao15%～20%、al2o38%～10%、mgo2%～3%、sio22%～3%，半球点温度为1230℃～1240℃。

本发明所述电渣重熔工序中，重熔期的电压为42v～44v、电流为4000a～4500a。

本发明所述自耗电极的填充比为0.67～0.73。

本发明构思为：金属经电渣重熔后，铸锭质量的好坏与电极质量息息相关，同等工艺下，低偏析、组织均匀的自耗电极，电渣后铸锭的偏析程度、组织均匀性要远远好于高偏析、组织不均的自耗电极；这是因为电渣过程是边熔化、边凝固的过程，组织成分传递性很大。经验表明，是对一些v型偏析严重的电极电渣后成分偏析进一步扩大了，可锻性很差。所以，自耗电极的质量是合金生产的第一个管控的工序。本发明提供的真空感应炉低过热度浇注、水冷锭模冷却是解决该问题的有效手段，低过热度浇注后，金属的凝固时间缩短，选分结晶时间也缩短，偏析的程度减弱，再加上四周强冷，使凝固结晶时间进一步缩短，晶粒度也比传统的冷却减少很多。根据检测，本发明工艺生产的电极，较传统工艺偏析程度减少了20%～30%，晶粒尺寸降低40%以上。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过真空感应炉冶炼熔炼、低过热度浇注、水冷锭模冷却，从而得到低偏析、组织均匀、高质量的自耗电极，再进行保护气氛电渣重熔；电渣过程控制较低熔速，从而有效的保证了铸锭的凝固组织均匀，避免了成分偏析和延晶界开裂，所得铸锭晶粒细小、质量更好。

本发明保证低熔速冶炼，以此获得较好的凝固组织和低偏析钢锭；首先要保证电渣渣系的匹配，蒙乃尔合金液相线温度1350℃，本发明设计的渣系成分更为匹配；其次采用较高电压、较低电流的电参数，以此获得浅平熔池，保证低熔速下获得良好的表面质量；再次，通过适当增加填充比来改善电渣工艺，较低熔速下保持较低的渣温，形成良好的凝固条件。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本蒙乃尔合金的冶炼方法适用于冶炼的蒙乃尔合金主要目标成分（wt）：ni63%～70%，cu28%～34%，fe≤2.5%，mn≤1%，si≤0.5%，c≤0.02%，p≤0.015%，s≤0.020%；方法工艺如下所述。

（1）真空感应熔炼工序：采用500kg真空感应炉冶炼目标钢种，制备与上述蒙乃尔合金目标成分相同的自耗电极。

a、布料：按目标成分，一次布料将镍板、纯铁铺于坩埚内部，均匀布料，铜板、金属锰等其他辅料视冶炼进程二次加料。

b、真空熔炼：布料完毕后合上炉门，启动水系统、真空系统；待炉内真空度降至5pa及以下后开始送电，缓慢增加功率控制熔化进程；待*料熔化完成2/3～3/4时加入铜板等物料，待所有炉料熔清后，在≤1.5pa真空度下精炼40～60min；精炼结束充氩至2000pa及以上，微调至成分合格。

c、出钢：保持过热度40℃～60℃低温出钢，浇注至φ200～220*1500～1800mm水冷锭模中；冷却后脱模扒皮，即可得到所述的自耗电极。

（2）电渣重熔工序：

a、电极焊接：焊接电极至假电极上，置于200℃～250℃炉中1.5h～2h去焊接应力。

b、渣系及烘烤：预熔渣成分caf265%～70%、cao15%～20%、al2o38%～10%、mgo2%～3%、sio22%～3%，半球点温度为1230℃～1240℃，渣量25～30kg。预熔渣在600℃～700℃烘烤至少10h后使用。

c、引弧剂铺设：在底水箱正中铺设φ220～230*30mm引锭板，再在引锭板上放置直径*高*厚为φ200～210mm*50mm*0.1mm引弧圈，圈内放置充分烘烤的1.5kg～2kg蒙乃尔合金引弧屑、0.05kg～0.08kg铝粒和0.3kg～0.5kg预熔渣，压实；圈外四周放置0.1～0.2kg预熔渣。

d、台车入位：安装φ300*1300mm结晶器及保护罩，吊装自耗电极至结晶器正中央，用木楔固定，台车进入熔炼位，夹持电极并对中，接通氩气、水、除尘管道。

e、引弧化渣：将电极下降至距离引弧剂40mm～50mm时，设定起弧电压20v～25v、电流1800a～2000a，通电引弧，电流稳定后缓慢加入预熔渣料，加渣速度2.5～3kg/min，引弧化渣时间25min～28min，化渣期末电流升至4000a～4200a，电压升至40v～42v。

f、重熔期熔炼：化渣期完成后进入重熔期，重熔期熔速3.5kg/min～4kg/min，根据熔速微调电压、电流在40v～44v、4000a～4500a范围内小幅波动，重熔期终止电压40v～42v，电流4000a～4500a。

g、补缩：熔炼至电极质量剩余40kg～50kg时开始补缩，补缩期初始电压40v～42v、初始电流4000a～4500a，终止电压25v～30v、终止电流1500a～1800a，补缩期25～30min，补缩时缓慢降低电压、电流。

h、氩气保护：电渣整个熔炼过程包括引弧化渣、重熔、补缩均在氩气保护下进行，氩气体积流量50l/min～150l/min，以保证气氛中氧≤30×10-6为目标。

i、脱模：熔炼结束后60min～80min脱模，电渣钢锭放入500℃～550℃加热炉中缓冷。

实施例1：本蒙乃尔合金的冶炼方法采用下述具体工艺。

（1）电极制备：根据目标成分，使用500kg真空感应炉冶炼；待炉内真空度降至5pa后开始送电；待*料熔化完成2/3时加入铜板等物料；待所有炉料熔清后，在1.2pa真空度下精炼40min；精炼结束充氩至2000pa，微调至成分合格。保持过热度50℃低温出钢，浇注在φ200*1800mm水冷锭模中，冷却后扒皮，焊接至辅助电极上；置于200℃炉中2h以去焊接应力。

电极主要成分为：ni66.4%，cu30%，fe2%，mn1%，si0.5%，c0.02%，p0.015%，s0.010%。

（2）在底水箱正中铺设φ220*30mm引锭板，再在引锭板上放置直径*高*厚为φ200mm*50mm*0.1mm同材质引弧圈，充分烘烤的1.5kg蒙乃尔合金引弧屑、0.05kg铝粒和0.3kg预熔渣，压实。圈外四周放置0.1kg预熔渣。依次放置φ300*1300mm结晶器及保护罩、安装自耗电极、台车入位，接通氩气管道。

（3）将预熔渣在600℃下烘烤10h；预熔渣成分为：caf265%，cao20%，al2o310%，mgo3%，sio22%，半球点温度为1236℃，渣量25kg。

（4）电渣冶炼：将电极下降至距离引弧剂40mm时，设定起弧电压20v、电流1800a，通电引弧，弧光稳定后缓慢加入渣料，加渣速度为2.5kg/min，引弧化渣时间25min，化渣期末电流升至4000a，电压升至40v。

化渣期完成后自动进入重熔期，重熔期熔速3.5kg/min，电压u为40v～44v、电流i为4000a～4500a，重熔期终止电压40v、电流4000a。

熔炼至电极剩余40kg时开始补缩，补缩期初始电压40v、电流4000a，终止电压25v、电流1500a，补缩期25min，补缩时缓慢降低电压、电流。

（5）氩气保护：整个熔炼过程均在氩气保护下进行，氩气流量50～100l/min，以保证气氛中氧≤30×10-6为目标。

（6）熔炼结束后60min脱模，电渣钢锭放入500℃加热炉中缓冷。

本实施例所得电渣锭表面质量良好，无渣沟、裂纹，无疏松、缩孔等低倍缺陷。在电渣锭顶部中心取样，实测主要化学成分：ni66.5%，cu30.5%，fe2%，mn1%，si0.3%，c0.01%，p0.015%，s0.006%；符合要求。在电渣锭底部中心取样，实测主要化学成分：ni66.2%，cu30.5%，fe2%，mn1%，si0.4%，c0.01%，p0.014%，s0.003%；符合要求。

实施例2：本蒙乃尔合金的冶炼方法采用下述具体工艺。

（1）电极制备：根据目标成分，使用500kg真空感应炉冶炼；待炉内真空度降至3pa后开始送电；待*料熔化完成3/4时加入铜板等物料；待所有炉料熔清后，在1.5pa真空度下精炼50min；精炼结束充氩至2500pa，微调至成分合格。保持过热度60℃低温出钢，浇注在φ220*1500mm水冷锭模中，冷却后扒皮，焊接至辅助电极上；置于220℃炉中1.5h以去焊接应力。

电极主要成分为：ni65%，cu31.5%，fe2.5%，mn0.5%，si0.2%，c0.01%，p0.013%，s0.015%。

（2）在底水箱正中铺设φ230*30mm引锭板，再在引锭板上放置直径*高*厚为φ210mm*50mm*0.1mm同材质引弧圈，充分烘烤的1.6kg蒙乃尔合金引弧屑、0.05kg铝粒和0.3kg预熔渣，压实。圈外四周放置0.1kg预熔渣。依次放置φ300*1300mm结晶器及保护罩、安装自耗电极、台车入位，接通氩气管道。

（3）将预熔渣在700℃下烘烤10h；预熔渣成分为：caf267%，cao20%，al2o38%，mgo3%，sio22%，半球点温度为1234℃，渣量30kg。

（4）电渣冶炼：将电极下降至距离引弧剂50mm时，设定起弧电压20v、电流1800a，通电引弧，弧光稳定后缓慢加入渣料，加渣速度为3kg/min，引弧化渣时间25min，化渣期末电流升至4000a，电压升至42v。

化渣期完成后自动进入重熔期，重熔期熔速4kg/min，电压u为42v～44v、电流i为4000a～4500a，重熔期终止电压42v、电流4000a。

熔炼至电极剩余50kg时开始补缩，补缩期初始电压42v、电流4000a，终止电压30v、电流1500a，补缩期30min，补缩时缓慢降低电压、电流。

（5）氩气保护：整个熔炼过程均在氩气保护下进行，氩气流量100～150l/min，以保证气氛中氧≤30×10-6为目标。

（6）熔炼结束后80min时脱模，电渣钢锭放入500℃加热炉中缓冷。

本实施例所得电渣锭表面质量良好，无渣沟、裂纹，无疏松、缩孔等低倍缺陷。在电渣锭顶部中心取样，实测主要化学成分：ni65%，cu31.4%，fe2.5%，mn0.4%，si0.1%，c0.01%，p0.015%，s0.008%。符合要求。在电渣锭底部中心取样，实测主要化学成分：ni65%，cu31.5%，fe2.4%，mn0.4%，si0.1%，c0.01%，p0.014%，s0.006%。符合要求。

实施例3：本蒙乃尔合金的冶炼方法采用下述具体工艺。

（1）电极制备：根据目标成分，使用500kg真空感应炉冶炼；待炉内真空度降至4pa后开始送电；待*料熔化完成70%时加入铜板等物料；待所有炉料熔清后，在1.3pa真空度下精炼60min；精炼结束充氩至2200pa，微调至成分合格。保持过热度45℃低温出钢，浇注在φ200*1800mm水冷锭模中，冷却后扒皮，焊接至辅助电极上；置于250℃炉中2h以去焊接应力。

电极主要成分为：ni70%，cu28%，fe1.1%，mn0.4%，si0.3%，c0.01%，p0.012%，s0.018%。

（2）在底水箱正中铺设φ225*30mm引锭板，再在引锭板上放置直径*高*厚为φ200mm*50mm*0.1mm同材质引弧圈，充分烘烤的2.0kg蒙乃尔合金引弧屑、0.06kg铝粒和0.5kg预熔渣，压实。圈外四周放置0.15kg预熔渣。依次放置φ300*1300mm结晶器及保护罩、安装自耗电极、台车入位，接通氩气管道。

（3）将预熔渣在650℃下烘烤15h；预熔渣成分为：caf270%，cao15%，al2o310%，mgo2%，sio23%，半球点温度为1240℃，渣量28kg。

（4）电渣冶炼：将电极下降至距离引弧剂42mm时，设定起弧电压25v、电流1900a，通电引弧，弧光稳定后缓慢加入渣料，加渣速度为2.7kg/min，引弧化渣时间28min，化渣期末电流升至4100a，电压升至41v。

化渣期完成后自动进入重熔期，重熔期熔速3.7kg/min，电压u为40v～42v、电流i为4200a～4400a，重熔期终止电压41v、电流4500a。

熔炼至电极剩余45kg时开始补缩，补缩期初始电压41v、电流4500a，终止电压28v、电流1800a，补缩期27min，补缩时缓慢降低电压、电流。

（5）氩气保护：整个熔炼过程均在氩气保护下进行，氩气流量80～120l/min，以保证气氛中氧≤30×10-6为目标。

（6）熔炼结束后70min脱模，电渣钢锭放入550℃加热炉中缓冷。

本实施例所得电渣锭表面质量良好，无渣沟、裂纹，无疏松、缩孔等低倍缺陷。在电渣锭顶部中心取样，实测主要化学成分：ni69%，cu28%，fe1.1%，mn0.4%，si0.28%，c0.01%，p0.013%，s0.008%；符合要求。在电渣锭底部中心取样，实测主要化学成分：ni70%，cu28.2%，fe1.0%，mn0.4%，si0.30%，c0.01%，p0.012%，s0.004%；符合要求。

实施例4：本蒙乃尔合金的冶炼方法采用下述具体工艺。

（1）电极制备：根据目标成分，使用500kg真空感应炉冶炼；待炉内真空度降至4pa后开始送电；待*料熔化完成70%时加入铜板等物料；待所有炉料熔清后，在1.5pa真空度下精炼55min；精炼结束充氩至2100pa，微调至成分合格。保持过热度40℃低温出钢，浇注在φ220*1500mm水冷锭模中，冷却后扒皮，焊接至辅助电极上；置于230℃炉中1.8h以去焊接应力。

电极主要成分为：ni63%，cu34%，fe1.8%，mn0.7%，si0.4%，c0.02%，p0.012%，s0.020%。

（2）在底水箱正中铺设φ220*30mm引锭板，再在引锭板上放置直径*高*厚为φ205mm*50mm*0.1mm同材质引弧圈，充分烘烤的1.8kg蒙乃尔合金引弧屑、0.08kg铝粒和0.4kg预熔渣，压实。圈外四周放置0.2kg预熔渣。依次放置φ300*1300mm结晶器及保护罩、安装自耗电极、台车入位，接通氩气管道。

（3）将预熔渣在680℃下烘烤12h；预熔渣成分为：caf268%，cao18%，al2o39%，mgo2.5%，sio22.5%，半球点温度为1230℃，渣量30kg。

（4）电渣冶炼：将电极下降至距离引弧剂45mm时，设定起弧电压22v、电流2000a，通电引弧，弧光稳定后缓慢加入渣料，加渣速度为2.8kg/min，引弧化渣时间26min，化渣期末电流升至4200a，电压升至42v。

化渣期完成后自动进入重熔期，重熔期熔速3.8kg/min，电压u为41v～43v、电流i为4000a～4200a，重熔期终止电压41v、电流4200a。

熔炼至电极剩余44kg时开始补缩，补缩期初始电压41v、电流4200a，终止电压26v、电流1650a，补缩期28min，补缩时缓慢降低电压、电流。

（5）氩气保护：整个熔炼过程均在氩气保护下进行，氩气流量70～110l/min，以保证气氛中氧≤30×10-6为目标。

（6）熔炼结束后75min时脱模，电渣钢锭放入525℃加热炉中缓冷。

本实施例所得电渣锭表面质量良好，无渣沟、裂纹，无疏松、缩孔等低倍缺陷。在电渣锭顶部中心取样，实测主要化学成分：ni63%，cu34.2%，fe1.5%，mn0.7%，si0.3%，c0.02%，p0.010%，s0.006%。符合要求。在电渣锭底部中心取样，实测主要化学成分：ni63%，cu33.8%，fe1.8%，mn0.7%，si0.4%，c0.02%，p0.011%，s0.004%。符合要求。