（材料学专业论文）脱气除渣工艺对镍基合金组织和性能的影响.pdf

硕士学位论文 摘要 随着宇航、航空和电子工业技术的飞速发展，对镍基合金质量的要求日益严格，尤 其是对镍基合金中的精密合金线材，不仅要求其具有合格的化学成分和使用性能，而且 要求其具有合格的内在质量与表面质量。 在对某合金厂生产的镍基合金线材进行质量检测的过程中发现：存在于合金内部的 非金属夹杂物是导致合金产品产生裂纹、断丝的主要原因。 本文采用钢包底吹氩和泡沫陶瓷过滤两种脱气除渣工艺试制生产了镍基合金 c r 2 0 n i 3 5 和4 j 4 3 ，并使用各种分析仪器对两种工艺生产出的合金进行气体元素和夹杂 物含量的测定，研究两种工艺对合金显微组织和性能的影响。 针对钢包底吹氩工艺，根据相似原理制作水模型进行实验室模拟，测定氩气流量等 主要参数对工艺的影响，确定出c 眩o n i 3 5 合金和4 j 4 3 合金底吹氩工艺的吹氩流量范围。 工业应用结果表明：在合适的氩气流量下，底吹氩工艺可以使合金中氧元素和夹杂物的 含量得到较好控制。在c r 2 0 n i 3 5 合金底吹氩实验中，当吹氩量为3 l m i n 时，合金中氧 元素含量与未吹氩时相比分别下降3 6 和2 3 ；夹杂物总量分别减少2 4 和1 8 。在 4 j 4 3 合金底吹氩实验中，当氩气流量为5 l m i n 时，合金中氧元素含量与未吹氩时相比 下降5 1 ，合金中夹杂物总量减少4 6 。吹氩后合金在室温下的各项力学性能也得到一 定程度的提高。 4 j 4 3 合金泡沫陶瓷过滤工艺工业应用结果表明：过滤工艺可以有效的去除合金中的 夹杂物、提高合金在室温下的力学性能。与未过滤时相比，过滤后合金中夹杂物总量减 少4 8 ，合金的抗拉强度提高1 1 a ，延伸率提高1 0 。 根据以上两种工艺工业应用的结果，采用吹氩+ 过滤工艺对该厂原有的合金生产工 艺进行改进，并使用改进后的工艺试制生产了4 j 4 3 合金。工业应用结果表明：改进后 的工艺在去除合金中气体元素和夹杂物方面具有较好的稳定性，可有效的减少合金中的 氧元素和非金属夹杂物，提高合金的各项性能。与该厂原有的电渣重熔工艺相比，改进 后的吹氩+ 过滤工艺具有操作方便、易于控制、稳定性好且成本低廉的特点。从工业应 用的角度讲，使用吹氩+ 过滤工艺不但可以对合金起到稳定的脱气除渣效果，还可节约 大量的经济成本，是较为理想的合金生产工艺。 关键词：钢包底吹氩工艺；氩气流量；泡沫陶瓷过滤工艺；夹杂物含量；力学性能 。j 丝塑兰垡塑塑篁型塑堂塑型一 a b s t r a c t w i t l lt 1 1 er 印i dd e v e l o p m e n to fa v i a t i o n ，a e r o s p a c e ，a i l de l e c 仃o m ci n d 训a lt e c l l i l o l o g y ， t h er e q u i r e m e n t sf o rn i _ b a s e da l l o y sa r es t r i c t c r e s p e c i a l l yf o rt i l i n 诵r e s n o to i d yc h e m i c a l c o n s t i t u t i o na i l ds e i c ep e 墒眦a n c ea r el i i i l i t e d ，b u ta l s oi 仰e ra 1 1 ds 耐a c eq u a l i t i e s a r e r e q u i i e d d u r i n gt l l ep r o c e s so fq u a l i 谚t e s to f n i - b a s e da l l o y 、航r e sb y o n ea l l o yc o m p a r l y ，i ti sf o u n dt h a ti l o n m e t a l i n c l u s i o l l sa r et h em a i nc a l i s eo fc r a c k 孤db r e a ：kh lp r o d u c t s i n “sp a p e r ，t h et e c h n o l o g yo fa r g o nb o t t o mb u b b l i n gi nt u n d i s ha n df o 锄c e r a l n i cf i l t e r a r eu s e di i lt 1 1 cp f o d u c t i o np r o c e s so fi l i c k e l b a s e da l l o y sc r 2 0 n i 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c a lp r o p e n i e sa tr 0 0 m t e m p e r a t u r e c 伽叩a r e dw 池n o n 矗l t e r ，t h et o t a l 卸u n to fn o n i n e t a l l i ci n c l u s i o n sd o p p e d 4 8 ，m et e n s i l es 臼旧n g t ho fa l l o yi i l c r e a s e d1 1m p a ，a n de l o n g a t i o ni i l c f e a s e dl0 w i t l lt h er e s u l t so ft l l e s et 、v 0h n d so fp r o c e s s e s ，u s et l l ec o n l b i n a t i o no fa r g o nb o 讹m b u b b l i n g 锄df i l t e r i n gp r o c e s st 0i i n p r o v e 1 ep r o d u c t i o np r o c e s s e s ，t l l e nu s et l l e 皿p r 0 v e d t e c h n o l o g yt 0p r o d u c e4 j 4 3a l l o y t h e 砌u s t f i a ja p p l i c a t i o nr e s u l t ss l l o wm a t ：t h eh p r o v e d t e c h n o l o g yc a i lr e 玎v eg a se l e m e 鹏锄mn o n m e 协n i ci n c l u s i o n ss 切b i l 时趾de 疏c t i v e l ya i l d i i n p r o v et l l ea l l o yp e r f 0 肌a n c e c o m p a r e dt h e 耐咖a l e s r p r o c e s s ，也ei 瑚i p r o v e dt e c h n o l o g ) r h a v e l ea d v a n t a g e so fc o n 们le 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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：久夔 翩虢o - 、讹 1 只毕日 窍啦日 y 7 硕士学位论文 第1 章绪论 镍具有高的强度和塑性以及优良的耐蚀性，在冷、热状态下均有较好的压力加工性 能，熔点高达1 4 5 5 。并具有铁磁性、磁伸缩性及高的电真空性等特殊的物理性能，是 制造镍合金、耐氧化材料的重要元素【l 】。 镍和多种元素组成的各种镍基合金( 如镍锰合金、镍铜合金、镍镁合金、镍铬合金 等) ，由于具有良好的耐蚀性、抗高温蠕变性及稳定的软磁性、电真空性、电热性等一 系列特殊的物理性能而广泛地应用于机械制造、无线电、化工和其它工业技术部门中f 2 】， 主要用来制作各种电子管零件、无线电设备零件、耐蚀结构件、精密仪器结构件以及化 工耐蚀设备和医疗设备中的重要零件。 1 1 镍基合金概述 1 1 1 镍基合金的分类、性能及用途 当今工业领域使用的镍基合金主要具有以下三方面的特性【3 】：首先是耐蚀性好，特 别是对潮湿的或是高温气体腐蚀介质具有良好的耐蚀性；其次是具有较好的抗高温蠕变 性能，镍基高温合金是目前最重要的高温合金；第三方面是具有一些独特稳定的物理性 能，如软磁性、电真空性、电热性能等。 镍基合金按其特性和应用领域可分为耐腐蚀镍合金、耐高温镍合金和具有特殊物理 性能的功能镍合金( 包括软磁合金、弹性合金、电阻合金、膨胀合金、测温合金、电真 空用合金等) 【4 】。 1 1 1 1 镍基耐蚀合金 镍基耐蚀合金是以n i 为基体( n i 含量5 0 ) ，加入c u 、c r 、m o 、w 等元素，在 还原性、中性及稀酸性介质中保持其腐蚀率为四级评定标准的i 及i i 级的合金。镍基耐 蚀合金按成分分类，主要有镍铜系、镍铬系、镍钼系、镍铬钼系、镍铬铝铜系【5 1 。 1 镍基耐蚀合金的主要性能 镍基耐蚀合金具有优良的耐腐蚀性能，合金强度高，塑性好，可进行冷、热加工变 形，焊接性能良好【6 l 。 合金的耐腐蚀性是指在给定的腐蚀体系中合金所具有的抗腐蚀能力。镍基合金在某 浸蚀性介质中具有显著的耐蚀性所具备的条件是【7 1 ：合金本身的热力学稳定性高；合 金在介质中可以由活化态转化成钝态；合金表面生成难溶的和保护性能良好的腐蚀产物 膜。 镍基耐蚀合金具有良好的综合力学性能，当强度和硬度升高时，合金的塑性、韧性 脱气除渣工艺对镍基合金组织和性能的影响 降低。在低温下直到液氢温度也没有塑一脆转变现剩引。 镍基耐蚀合金具有良好的可焊性【9 1 ，可以采用常用的焊接方法进行同材和异材的焊 接。焊后可以提高合金的强度，但塑性会有所降低。 2 镍基耐蚀合金的用途 镍基耐蚀合金通常在工作环境恶劣的条件下使用，其应用领域包括化工行业中各种 腐蚀介质的处理、输送、贮存等设备；环保工程中接触腐蚀介质的装备，如废气的除硫 装置；还有船舶和海洋工程中许多要求耐海水或耐海洋潮湿大气腐蚀的部件等【l o 】。 镍铜系耐蚀合金广泛应用于化学、化工、石油、冶金、海洋工程、船舶、环保等领 域，通常用于阀门和泵的零件、螺旋桨轴、船舶上固定装置和固紧件、化工及石油加工 设备、锅炉给水加热器及其他热交换器。镍铬系耐蚀合金主要用于加热设备、化学工业、 环境污染控制、航空航天以及动力工业中，如制造退火、渗碳、氮化等热处理设备、部 件。镍钼系耐蚀合金也在很多工业部门得到应用，如石油化工、纸浆和造纸工业、酸性 油气田的油井生产设备、烟道除硫装置，废料焚化炉的除尘器等。镍铬钼系耐蚀合金主 要用来制造耐腐蚀的管道、容器、反应器、热交换器以及泵、阀等【2 1 。 1 1 1 2 镍基高温合金 高温合金是指能在6 0 0 以上的高温下，抗氧化、抗热腐蚀并在一定应力作用下长 时间工作的一类合金材料【1 1 】。 镍基高温合金是在英国n i m o m i c 合金基础上发展起来的，合金中加入了大量的强化 合金元素，如w 、m o 、c r 、n 、a l 、c o 等，大多数镍基合金中不含f e 或很少含 f e ( 含量 c a o m g o c r 2 0 3 ，钢水润 湿角大小次序如下：c r 2 0 3 a 1 2 0 3 m g o 。此外，还需考虑透气转的材质在高温下应具 有不与金属液或熔渣反应的化学稳定性。 3 透气砖的安装方式 透气砖按安装方式分为整体式透气砖和外装式透气砖3 5 硼。 整体式透气砖安全系数高，寿命较长，安装方便，但更换困难。整体式透气砖适用 于吹氩时间低、透气砖寿命能与钢包寿命同步的工艺条件。 外装式透气砖更换方便但由于附有安装设备，结构相对较复杂，对砖芯的现场安装 质量要求较高，容易造成人为操作事故。外装式透气砖由于能快速更换砖芯，对钢包的 周转及包龄提高有益，适用于吹氩时间长、透气砖更换频繁的工艺状况，特别是精炼钢 包。 4 透气砖安装位置的选择 钢包底吹氩位置对钢水混匀有显著影响，经许多实践表明吹氩位置距钢包中心1 2 r 处底吹效果最佳，但为了减少底吹气流带来钢水搅拌对包壁的冲刷，氩气吹入位置确定 1 2 硕士学位论文 在距钢包中心1 2 r 1 3 r 处【3 2 1 ，同时为提高透气砖寿命，减少漏钢事故，透气砖应避 开钢水冲击区，透气砖位置如图1 5 所示。 图1 5 透气砖安装位置示意图【3 2 】 1 3 4 影响底吹氩工艺精炼效果的主要因素 钢包底吹氩工艺对合金的脱气除渣效果除了与吹氩压力、吹氩时间、透气砖的材质、 放置位置等工艺参数有关外，还与吹氩过程中氩气的搅拌功率以及氩气的流量大小有 关。 钢包炉吹氩精炼过程对均匀钢液成分和温度、脱氧和脱硫、去除钢中非金属夹杂物 等过程具有重要意义1 3 7 1 。在此过程中，氩气搅拌加速了钢渣间物质传递，有利于钢液 成分和温度的均匀化，有利于钢液中脱氧、脱硫反应的进行。钢包底吹氩工艺中钢中非 金属夹杂物的去除主要依靠气泡的浮选作用，在此过程中，氩气泡的形态对夹杂物的去 除情况起到了决定性的作用。 1 3 4 1 氩气搅拌功率对吹氩工艺精炼效果的影响 搅拌功率是吹氩搅拌过程的关键，它决定了底吹氩精炼过程对钢液成分和温度的均 匀程度以及对氧、硫元素的去除情况【3 引。搅拌功率太小，达不到均匀钢液成分和温度及 脱氧、脱硫的目的；若搅拌功率太大则会引起钢、渣卷混，甚至喷溅。 目前，还无法对吹氩搅拌功率进行精确的计算和测量。在冶金学术界，推出了不少 计算搅拌功率的方法，但是意见很不一致，主要差别在于膨胀功、浮力功的确定原则。 文献【3 9 】提出的全浮力模型中，认为气体所作的总功包括4 部分：喷孔处温度急剧变化产 生的膨胀功、气体上浮过程压力减小带来的膨胀和浮力功、气体的动力功以及气体喷出 时残余静压力使气体膨胀所作的功。对于钢包吹氩系统而言，许多研究结果表明，气泡 在上升过程中所作的功是引起熔池搅拌混合的最主要部分，气体动能大部分消耗在喷口 处。 王平【4 0 】认为气体浮力作用的结果是使气泡上浮，并未向钢液提供动能。向钢液提供 动能的只有气体的初动能和气体的膨胀功。考虑到气体进入钢液的临界条件，导出吹氩 搅拌功率的计算式为： 脱气除渣工艺对镍幕合会组织和性能的影响 占= 铧毛 3 _ 5 ( 刚小h 辨 n 5 ， 式中： s 一吹氩搅拌功率( w t ) q 一氩气流量( m 3 s ) 巧一氩气初始温度( k ) 乃钢液温度( k ) p 旷氩气的出口压力( m p a ) 胁氩气出口处钢液压力( m p a ) 胁钢液表面压力( m p a ) 从均匀钢液成分和促进传质考虑，装置的混合特性是其基本特性之一。用均匀混合 时间屯来表示混合特性( 屯的值可以通过实验来测定) ，均匀混合时间与搅拌功率的关系 如式( 1 6 ) 所示【4 1 】： 乙= 8 0 0 占吨4 ( 1 6 ) 若要缩短钢包精炼处理时间并使钢液高纯化，应增大反应的表观速度常数，即搅拌 强化。式( 1 7 ) 反映了搅拌功率对脱硫反应速度的影响【4 2 l ： l g ( 7 k 三) = 口l g ( 占3 r 胆) + l g y + l g c ( 1 7 ) 式中： 一吹氩搅拌功率( w t ) k 扩散系数 三一设备长度( m ) ) ，一实际反应界面积与钢液断面积之比 由式( 1 7 ) 可以看出：随着搅拌功率的提高，大量吹入的气体使气体的摩尔数增加。 在气体搅拌条件下，气泡破裂导致反应界面积急剧增加，因此搅拌越强烈对脱氧、脱硫 反应越有利。因此钢包底吹氩工艺的首要任务就是用尽可能少的氩气产生最大的搅拌能 和最短的混均时间。 1 3 4 2 氩气流量对夹杂物去除效果的影响 钢包吹氩精炼钢液主要是利用气泡的浮选作用，即夹杂物与气泡发生碰撞并粘附在 气泡壁上，然后随气泡上浮而被去除。夹杂物颗粒与小气泡碰撞并粘附于气泡上的机制 如图1 6 所示。由图可见：夹杂物颗粒被气泡捕获可分解为几个过程m 】：夹杂物向 气泡靠近并发生碰撞；夹杂物与气泡间形成钢液膜：夹杂物在气泡表面上滑移； 形成动态三相接触使液膜排除和破裂；夹杂物与气泡团的稳定化和上浮。在这几个 过程中，夹杂物颗粒与气泡的碰撞和粘附起核心作用。 1 4 硕二 ：学位论文 图1 6 夹杂物颗粒与气泡碰撞并粘附于气泡示意图【4 3 】 文献【3 8 】中提出，底吹氩过程中夹杂物的去除效率可由式( 1 8 ) 计算得出。 删一忙割 n 8 ， 式中：卜夹杂物的去除效率 q 氩气流量( m 3 s ) d 一夹杂物直径( m ) 办一气泡直径( m ) r 一吹氩时间( s ) 幻，岛一常数 由式( 1 8 ) 可以得出，钢包底吹氩工艺去除夹杂物的效率取决于气泡直径磊、夹杂物 直径彩和总吹氩量q f 。因此，在底吹氩过程中，氩气泡尺寸越小、吹氩量越大，越有 利于钢液中夹杂物的去除，大尺寸夹杂物相对于小尺寸夹杂物来说也更易被去除。 许多研究人员通过不同模型给出计算气泡尺寸的方法，认为气泡尺寸以是气体流量 的q 的函数【删： 以= o 6 2 4 q o 4 0 6( 1 9 ) 在静止的钢液中，采用底透气砖向钢液中吹氩时，根据吹入气体流量的大小存在三 种气泡状态。吹氩流量较小时呈均匀细小分散的稳定气泡流，这种情况下，气泡尺寸在 上升过程中基本不变。随着吹氩流量增加，气泡流开始脉动，气泡脱离透气砖后因气泡 之间相互碰撞合并成大气泡。当吹氩流量继续增加，气体在透气砖表面连成一片，形成 气袋后脱离透气砖。后两种气泡流状态均会引起强烈的表面紊流，造成钢液卷渣吸气。 小尺寸的气泡对去除夹杂物较为有利，一方面它仍能使钢液产生紊流，促进钢液循 环，增大夹杂物的湍流碰撞聚合长大的概率，另一方面，又不会使钢液面产生较大波动， 造成卷渣和二次氧化。 吹氩量的增加在定程度上可以促进夹杂物的去除，但易生成大尺寸气泡，造成卷 渣和二次氧化，通过增加吹气量来提高夹杂物去除效率的方法具有一定局限性，只有选 脱气除渣t 艺对镍基合会组织和性能的影响 择适宜的吹氩量才能起到较好的去杂效果。 1 3 5 钢包底吹氩工艺国内外发展概况 中间包底部安装多孔透气砖吹氩技术，是2 0 世纪末发展起来的一项去除钢液中非 金属夹杂物新技术m j 。 n a s a l 【i 等人首先在2 0 世纪8 0 年代初经一系列研究后发现【删：中间包吹氩可以 减少5 0 2 0 0 岬的大颗粒夹杂物数量，板坯超声波检查缺陷指数下降8 0 。1 9 9 0 年 m a r i q u e 经研究后也认为，在中间包吹氩条件下，铸坯内氧化物夹杂面积比与不吹氩相 比，下降了2 5 5 0 ，铸坯中夹杂物数量下降了2 5 ，未发现大于2 5 哪的夹杂物。 1 9 9 0 年新日铁研制了一种旋转喷嘴，借助耐火材料制的旋转叶轮，使吹入中间包的气泡 分裂成微细气泡分散在钢水中，促进捕获夹杂物上浮。国内关于中间包吹氩技术的研究 还处于起步阶段，仅限实验室基础研究，工业应用的报道也多用于大型熔炼设备，而对 中小型熔炼炉的钢包底吹氩工艺研究甚少【4 1 7 4 9 】。 1 4 泡沫陶瓷过滤技术 泡沫陶瓷过滤板是一种新型多孔陶瓷制品，液态铸造合金通过泡沫陶瓷过滤板时， 合金熔体受到网状陶瓷骨架的阻碍，形成曲折、迂回的流动方式。合金液流中的非金属 夹杂物在各种过滤机制的作用下，被捕捉和分离，使液态铸造合金得到净化，达到去除 非金属夹杂物，降低铸件废品率和提高铸件机械性能的目的【5 0 1 。 1 4 1 泡沫陶瓷过滤板除渣机理 1 4 1 1 滤饼机制 复杂的泡沫陶瓷结构，可以高效率地机械阻挡合金中的各种非金属夹杂物。当合金 熔体通过结构复杂的泡沫陶瓷过滤板时，通过过滤介质的机械分离作用，把大于过滤器 表面孔眼的夹杂物滤除，并使之沉淀在过滤板合金熔体的流入端，随着夹杂物在过滤板 表面上堆积数量的增多，逐渐形成了一层“滤饼”，使合金液流道进一步变细，因而新增 的过滤介质表面可以滤除更为细小的夹杂物。与此同时，介质内部也有过滤作用，在贯 穿于陶瓷体的众多小孔中，有的呈现微小狭缝，有的存在死角，这些变化不同的区域都 是截获夹杂物的可能位置，可以更好的去除夹杂物【5 l 】。 1 4 1 2 沉淀作用 当合金熔体通过过滤板时，由于过滤板内部通道曲折多变，合金熔体微元流速度变 化较大，一些很细小夹杂物颗粒即沉淀于过滤板内部的一些角落而被去除。 1 4 1 3 吸附作用 由于过滤板具有较大的表面，这种陶瓷表面不被合金熔体所润湿，而且对不被合金 1 6 硕士学位论文 熔体润湿的固态微细夹杂物有较强的吸附能力。同时这种陶瓷表面又能被合金熔体中呈 液态的夹杂物液滴( 熔剂夹杂或低熔点金属化合物) 润湿，将夹杂物液滴吸附于其上而 滤除【5 2 5 3 1 。 以上三种机制综合作用，使泡沫陶瓷过滤可以达到极好的效果。不但可以滤掉合金 熔体中小至1 0 2 0 岬的微细夹杂物颗粒，而且能滤掉用一般过滤介质难以滤除的液态 熔剂夹杂。 1 4 2 泡沫陶瓷过滤板的工艺参数 1 4 2 1 泡沫陶瓷过滤板的尺寸 理论上，合金熔体流经过滤板的速度越小所含的夹杂物越易被吸附，考虑到实际生 产情况，推荐的流动速度一般是1 0 1 9 r n j l 以。过滤板面积大小的选择可由式( 1 1 0 ) 估算 【5 2 l ： 州7 ( 口6 咿6 0 ) ( 1 1 0 ) 式中：厂一过滤板有效面积( i n 2 ) v ，熔体在过滤板内流速( r i l s ) m 一流量( k g m i n ) 口一过滤板孔隙度 6 一液态熔体密度( 咖m 3 ) 上式给出的只是指导性公式，用户可根据实际情况进行调整。 1 4 2 2 泡沫陶瓷过滤板的孔径 泡沫陶瓷过滤板孔径大小的常用表示方法是p p i ，不同p p i 对应的过滤单胞尺寸如 表1 8 所示。 表1 8 不同p p i 对应的单胞尺寸删 不同p p i 和不同厚度的过滤板对夹杂物粒子的过滤效果是不同的。p p i 越大、厚度 越厚，过滤效果越好【5 6 1 。通用的标准过滤板的厚度都是5 0 衄，如果太厚，熔体通过 的速度就会变慢，为达到某一流量就不得不加大过滤板的尺寸。厚度一定时p p i 不同， 对夹杂物粒子特别是2 0 岬以下的小粒子的捕获能力也不一样。p p i 越大，捕获小粒子 1 7 脱气除渣t 艺对镍基合会组织和性能的影响 能力越强，这是因为小孔径过滤板具有较大的比表面积的缘故。 1 4 2 3 泡沫陶瓷过滤板的材质 泡沫陶瓷是用陶瓷浆料涂挂网状泡沫塑料，干燥后高温烧结而成。所以泡沫陶瓷的 枝干实际上是壁厚很薄的空心管道。熔融合金液通过泡沫陶瓷过滤板时，泡沫陶瓷纤细 的枝干处于高温合金液的包围与冲刷之下，这就要求泡沫陶瓷的材质必须有足够的耐高 温热冲击、高温强度以及在高温下不与合金液或熔渣反应的化学稳定性。不同的铸件合 金熔化浇注温度、浇注量与化学活性不同，所选用的泡沫陶瓷材质也应不刚5 7 j 。各种合 金适用的泡沫陶瓷过滤板的材料及成分如表1 9 中所示。 表1 9 各种合金适用的泡沫陶瓷过滤片的材质及成分【5 4 1 1 4 3 泡沫陶瓷过滤技术国内外发展概况 技术发达国家在近2 0 年中研制和开发了多种材质的铸钢与高温合金铸造生产用泡 沫陶瓷过滤材料及相应的制品叫4 j ，由于高纯部分稳定氧化锆泡沫陶瓷性能优良，目前 在国外应用广泛，用量很大。根据英国f o s e c o 公司最近公布的数据，采用高纯部分稳 定氧化锆泡沫陶瓷浇注的铸钢件重量可以从几盎司到4 t 。高纯部分稳定氧化锆泡沫陶瓷 已成为国外几家大型铸造耗材公司如f o s e c o 、s e l e e 、h i t e c h 等的重要产品。氧化铝泡 沫陶瓷与氧化锆氧化铝泡沫陶瓷等产品一般用于8 0 蚝以下的中小型铸钢或高温合金 的铸件生产中1 5 引。 铸造合金用的泡沫陶瓷过滤器在国内的发展始于上世纪8 0 年代，约有近十家单位 开展了泡沫陶瓷过滤器的研究和生产。目前国内已有多条生产有色合金与铸铁用泡沫陶 瓷的生产线，但铸钢与高温合金用泡沫陶瓷的研制尚处于探索和开发过程中。尤其在可 过滤大量钢液的高纯部分稳定氧化锆泡沫陶瓷过滤器的研究方面，国内长期以来处于空 白状态。南昌航空工业学院铸造教研室近年来一直从事高纯部分稳定氧化锆泡沫陶瓷的 研究工作，现已取得一定突破，所研制的高纯部分稳定氧化锆泡沫陶瓷常温强度已接近 国际水平1 5 9 1 。 1 8 硕l 学位论文 1 5 课题研究意义及研究内容 1 5 1 课题研究意义 随着科学技术和工业生产的日益发展，特别是宇航、导弹、航空和电子工业技术等 领域的飞速发展，对镍基合金质量的要求日益严格。尤其是镍基合金中的精密合金线材， 不仅要求其具有合格的化学成分和力学性能，而且还要求其具有合格的内在质量与表面 质量。合金净化已成为有色金属及其合金生产的关键工艺环节。先进的合金净化技术对 于提高有色金属及其合金的质量、确保合金产品的使用性能具有非常重要的意义。 本课题组在对国内某合金厂产品的研究过程中发现：该厂经不同工艺生产出的各牌 号的镍基合金均存在有不同程度的质量问题，如铸锭中存在大量的缩孔和气孔、棒材表 面有微裂纹、锻造方坯中含有数目不等的非金属夹杂物等。为了解决生产中的实际问题， 重点对引起合金表面微裂纹的原因进行了研究。通过前一段时间的研究工作，发现合金 中非金属夹杂物的存在是造成合金产品质量波动的主要原因。若合金坯料中的非金属夹 杂物得不到有效控制，在后续的拉拔工艺中，合金棒材表面就会产生裂纹甚至发生丝材 断裂的现象。 同时在与国内外同类产品的对比中发现：该厂合金中o 、n 元素的含量明显高于其 它同类产品。由于该厂在合金的生产工艺中并没有采用炉外精炼工艺，即便是经电渣重 熔工艺精炼后的合金内部仍存有大量的非金属夹杂物。因此，如果能采用合适的脱气除 渣工艺，有效的降低合金中气体元素和非金属夹杂物的含量。就可使合金在常温、高温 和低温下的机械性能得到显著提高。此外，脱气除渣工艺还能显著改善合金的各种铸造 性能，消除铸造缺陷，有利于合金铸件内在质量的提高。 1 5 2 课题研究内容 综上所述，合理有效的脱气除渣工艺对提高合金产品的质量具有关键作用。因此本 课题的主要研究内容为： 1 分析不同吹氩参数下底吹氩工艺的脱气除渣效果。通过检测不同参数下合金中气 体和非金属夹杂物的含量，分析该工艺对合金显微组织和各项性能的影响，并以此为依 据确定出最合理的吹氩工艺参数； 2 结合实际生产，制定出合理可行的泡沫陶瓷过滤工艺。分析该工艺对合金中非金 属夹杂物去除效果及其对合金显微组织和各项性能的影响； 3 综合以上两种工艺的实验结果，结合实际生产现场，制定出最为经济有效的脱气 除渣工艺，使合金产品的质量得到最大程度上的提高。 1 9 脱气除渣工艺对镍基合金组织和性能的影响 第2 章实验材料及方法 2 1 实验材料、工艺及设备 2 1 1 实验材料 本实验中涉及到的脱气除渣工艺主要有两种，分别是钢包底吹氩工艺和泡沫陶瓷过 滤工艺。在钢包底吹氩实验中使用底吹氩工艺试制生产了电阻合金c r 2 0 n i 3 5 和膨胀合 金4 j 4 3 ，在泡沫陶瓷过滤实验中试制生产了膨胀合金4 j 4 3 。 电阻合金c r 2 0 n i 3 5 的原材料为：电解镍、金属铬、电解锰、硅钙、硅铁、镍镁、 海绵钛。配料过程完全依照g b 厂r 1 2 3 4 1 9 9 5 中的规定，如表2 1 所示。 表2 1 g b 厂r 1 2 3 4 1 9 9 5 中电热合金c r 2 0 n i 3 5 化学成分f 2 】 化学成分( 质量分数) cpsm n c rn is if e 不大于 o 0 80 0 2o 0 1 51 o o1 8 o 2 1 o3 4 o 3 7 01 o o 3 0 0 余量 4 j 4 3 膨胀合金的原材料为：电解镍、纯铁、金属锰、4 5 撑钢、硅钙、海绵钛、镍镁。 配料过程完全按照t 5 2 3 6 2 0 0 5 中的规定，如表2 2 所示。 表2 2y b 厂r 5 2 3 6 2 0 0 5 中4 j 4 3 合金化学成分要求 化学成分( 质量分数) cpss im nn if e ，大于 0 1 0 0o 0 2 00 0 2 00 3 0 00 7 5 1 2 54 1 0 4 3 o余量 2 1 2 制备工艺及实验设备 2 1 2 1 合金制备工艺 1 吹氩工艺流程： 中频感应炉熔炼一镇静吹氩_ 下注法浇注_ 热锻成方坯_ 轧制盘条一冷拔_ 酸洗 _ 软化退火一拉丝至成品； 2 过滤工艺流程： 中频感应炉熔炼一泡沫陶瓷过滤一下注法浇注_ 热锻成方坯_ 轧制盘条- 冷拔_ 酸洗_ 软化退火一拉丝至成品。 2 1 2 2 实验设备 1 熔炼设备 合金的冶炼采用容量为1 优的中频感应熔炼炉进行冶炼。本实验采用的中频感应炉 2 0 硕二i ：学位论文 的工艺参数如表2 3 所示。 表2 3中频感应炉工艺参数 中频感应炉熔炼时，采用石灰和萤石造渣，其成分及性能如表2 4 所示。脱氧剂使 用自制的铝石灰，其成分是：a 1 7 5 5 0 ，c a o ：4 0 2 0 ，a 1 2 0 3 璺0 ，水份s 0 5 。 表2 4 渣料的成分及性能 2 锻造设备 合金锻造采用空气锤。加热温度保持在1 1 8 0 1 2 1 0 之间。始锻温度1 1 0 0 ，终 锻温度为8 0 0 ，冷却方式采用空冷。锻造加热速度不宜过快，过程时间不宜过长，否 则除氧化皮过厚外还容易造成晶粒粗化，从而降低合金的加工性能。 3 检测设备 本实验主要检测设备有：m e f 3 大型万能显微镜( c c d 图象采集系统) 、金属氧氮 分析仪( 美国力可t c _ 4 3 6 ) 、直读光谱仪( 德国斯派克s p e c 仃d 1 a bl a v f c 0 2 a ) 、激光粒 度分析仪( 英国m a s t e r s i z e r2 0 0 0 0 ) 、万能试验拉伸机( 岛津a g - 1 0 1 a ) 、电子膨 胀仪( d i l 4 0 2 p c ) 、扫描电子显微镜( h i t a c l l is 5 0 0 ) 。 2 2 实验方案及检测分析方法 2 2 1 实验方案 本实验技术路线如图2 1 所示。 2 2 2 实验检测分析方法 1 合金化学成分测定 合金出钢前在炉中取样，使用直读光谱仪( 德国斯派克s p e c 仃o l a b l a v f c 0 2 a ) 对 合金的化学成分进行分析，检测合金的化学成分是否达到国标中的要求。 2 合金中气体含量测定 在合金轧制线材上取样，使用金属氧氮分析仪( 美国力可t c _ 4 3 6 ) 对合金中的o 、 n 元素进行含量测定。 3 合金中夹杂物总量及其粒度测定 在合金轧制线材上取样，利用电解分离夹杂物法对合金中的夹杂物进行电解分离 后，使用式( 2 1 ) 计算夹杂物的总量； 2 l 脱气除渣t 艺对镍基合金组织和性能的影响 合金中夹杂物的含量2 面焉疆丽案案篷錾要 ( 2 1 ) 使用激光粒度分析仪( 英国m a s t e r s i z e r2 0 0 0 0 ) 对分离出的夹杂物进行粒度分 析。( 这部分工作与本课题组王传玉同学共同合作完成。) 4 显微组织观察 在合金的锻坯上取样，试样经抛光、腐蚀后对合金锻坯轴向和径向的显微组织进行 观察，并使用m e f 3 大型万能显微镜( c c d 图象采集系统) 进行拍照。 5 合金室温力学性能的测定 根据金属材料室温拉伸实验方法( g b t 2 2 8 2 0 0 2 ) 中的要求，在合金锻坯或轧制 线材上取样使用万能试验拉伸机( 岛津a g 1 0 t a ) 对合金在室温下的力学性能进行测试。 6 合金膨胀性能的测定 根据膨胀测试要求，对4 j 4 3 合金在轧制线材上取样并加工成m 6 m m 2 4 5 m m 两端 平行的试样，使用电子膨胀仪( d i l 4 0 2 p c ) 测定合金的膨胀性能。 图2 1 实验技术路线 硕上学位论文 第3 章底吹氩工艺物理模拟实验 3 1 实验目的 钢包底吹氩工艺是一种经济实用且简单易行的精炼方法，能有效的均匀合金熔体的 温度和成分、去除合金熔体中的气体元素和夹杂物，改善合金熔体的质量。在应用钢包 底吹氩工艺进行精炼时要涉及到钢包底部进气位置、氩气流量等参数的选择。这些参数 与中间包中合金熔体的流动情况紧密相关。由于直接研究高温合金熔体在技术方面有一 定的困难，而且研究费用也很高，因此根据相似原理制作水模型进行模拟实验，测出吹 氩工艺中主要参数对该工艺的影响，可以节约大量经济成本，有利于研究和指导合金吹 氩工艺的生产实践。 在底吹氩精炼过程中，氩气搅拌加速了合金熔体渣间物质传递，有利于合金熔体 成分和温度的均匀化，有利于合金熔体中脱氧、脱硫反应的进行。在此过程中氩气泡的 形态对夹杂物的去除起到了决定性的作用。由第l 章中吹氩过程氩气搅拌功率的计算可 知，在气体搅拌条件下，搅拌越强烈对脱氧、脱硫反应越有利。通过底吹氩过程中夹杂 物的去除效率公式可以看出，钢包底吹氩工艺对夹杂物的去除效率取决于气泡直径西、 夹杂物直径如和总吹氩量q ，。在底吹氩过程中，氩气泡尺寸越小、吹氩量越大，越有 利于合金熔体中夹杂物的去除，大尺寸的夹杂物相对于小尺寸的夹杂物来说也更易被去 除。 综上所述，可以看出钢包底吹氩工艺的首要任务就是使氩气产生最大的搅拌能和最 短的混均时间。同时，氩气泡的尺寸和总的吹氩量也应得到合理的控制，即在保证氩气 泡细小分散的情况下适当的加大吹氩量。由此，物理模拟实验的目的就是确定氩气流量 等主要参数对实际底吹氩系统的影响，从而更好的服务于实际生产。 3 2 实验原理 冶金过程非常复杂，把冶金过程的现象完全加以模拟是非常困难的。因此，在冷态 模拟实验时，通常使用物理相似的原理。相似理论是模拟实验的基础，在做模拟实验时， 需要根据相似原理将实际条件下的一些物理量相似模拟到模型实验中。 在物理模拟实验中实验原型与实物应具有几何相似、运动相似和动力相似性嘶引。 几何相似就是形状相似，当一个系统的任一长度与另一系统的相应长度之比相同时，就 可以认为这两个系统在几何上是相似的。尺寸长度的比值通常称为比例因子。运动相似 是指两系统具有相似的运动特性，除了几何相似外，两个系统间相应位置的速度具有相 同的比例，则认为达到了运动相似。动力相似是指系统间有相似的力场，当系统中各相 应位置力的量值存在固定比值时，就认为两个系统达到动力相似。 脱气除渣t 艺对镍基合会组织和性能的影响 在