[发明专利]一种高性能合金超纯净化真空感应熔炼系统及其使用方法

说明书

一种高性能合金超纯净化真空感应熔炼系统，包括常规真空感应熔炉以及冷却系统，还包括坩埚外底部两侧的双透气砖底吹系统、补加料室、喂线装置、测温取样粘渣联合装置和L型中间包及塞棒。可同时高效实现高性能合金对于N、O、S及残余脱硫剂、夹杂物、夹渣的有效控制，实现高性能合金的纯净化制造。

技术领域

本发明属于特种冶金领域，具体涉及高性能金属材料真空冶金过程中使用的熔炼系统及其使用方法。

背景技术

真空感应熔炼(VIM)是高性能金属制造主要的初始熔炼手段，自1920年左右得到工业化应用，并随着航空航天领域对以高温合金为代表的高性能合金材料需求及要求的不断提升，而在功能和吨位等方面得到持续发展。

典型的真空感应熔炼系统由电源、真空系统、密封性良好的炉体、内部熔炼装置(感应线圈、耐材坩埚、中间包、钢锭模)组成。真空感应熔炼作为高性能合金的初始熔炼手段，通常与电渣重熔(ESR)、真空电弧重熔(VAR)组成铸锭联合生产工艺，包括VIM-VAR、VIM-ESR、VIM-ESR-VAR。从功能的角度，上述工艺流程对VIM的要求为精确的合金成分控制，超低有害元素含量，优异的纯净化水平。

基于良好的真空氛围，目前的真空感应熔炼均可以使高性能合金的成分得到准确的控制，并使有害元素的脱除效率和效果显著提升。

高性能合金的纯净化指N、O、S杂质元素，以及夹杂物/夹渣的控制。S含量是影响材料疲劳寿命的重要因素，VIM是脱硫的主要环节，同时还必须考虑残余脱硫剂含量的控制(对于VIM-VAR工艺流程而言尤为重要)。此外，高性能合金通常含有Nb、Ti、Al等与N、O亲和力大的元素，坩埚炉衬和中间包在高温熔炼过程也不可避免会受到侵蚀，再加上脱硫产物，由此形成的夹杂物、夹渣极易成为高性能材料制成部件的裂纹源。综上所述，真空感应熔炼高性能合金在纯净化方面的要求为同时以合理的成本实现N、O、S、残余脱硫剂、夹杂物、夹渣的控制。但目前的真空熔炼系统无法同时有效地满足上述需求。

综合文献及专业书籍调研，早期的真空感应熔炼系统熔炼浇铸装置由耐材坩埚、钢锭模组成，N含量的控制主要依靠精选原料和长时间的真空静置，S含量的控制主要依靠精选原料，由此带来材料成本的显著上升。夹杂物和夹渣并无有效的控制手段。

随着技术的进步和下游要求的提高，真空感应熔炼系统在上述纯净度改善方面也得到一定的发展。

脱氮方面，CN107190158A提到通过C-O反应结合真空静置，可以有效地脱N。但由于高性能合金的C含量要求一般在0.1%以下，C、O的精准匹配难度较大，因此气泡数量有限。CN106868345A提到采用超高温精炼脱N，但超高温操作会导致炉衬侵蚀加剧，夹杂物和夹渣数量增加。CN105238934A和CN106222460B提到在熔炼后期再加入Nb、Al、Ti等与N有较强亲和力的元素，这是工业生产的通行做法，但并未有效解决前期脱出主体原料中N的问题。CN102703794B、CN102719686B和CN103114172A均提到真空感应炉底部中间装配一个透气砖，并通过底吹氩气产生气泡脱氮的方法，该方法是一种成本可控且基本不产生副作用(炉衬侵蚀)的脱氮方法，但该方法一是只提及了底吹氩脱氮这一功能，而未系统解决S、O、夹杂物、夹渣等高性能合金纯净度的系统问题，同时由于真空感应熔炼熔池自中间向下，再由底部两侧向上流动的特点，透气砖的位置放在中间会抑制氩气气泡的有效上浮，并影响脱N效果。因此当前的真空感应熔炼脱氮存在脱氮效果或效率较差等不足。