精炼含氮金属合金的工艺
技术领域
本发明涉及一种使用自耗电极的电弧重熔来精炼含氮金属合金的工艺。
背景技术
真空电弧重熔(VAR)是一种用于精炼金属合金以获得更好的抗蠕变性和抗疲劳性的工艺。在VAR工艺中，将待精炼的金属合金的自耗电极放置在VAR炉的真空室中，在自耗电极的下方设置第二电极，并且在电极之间触发电弧。由此，自耗电极开始熔化，并且形成了熔化的金属合金池。在自耗电极和熔化的金属合金池之间维持电弧，熔化的金属合金被输送到模具中，并且铸造出了精炼的金属合金锭。US4578795公开了VAR工艺和VAR炉的示例。
特别地，VAR用于精炼如下金属合金，所述金属合金将用于例如航空航天应用中，或石油和天然气产业中，如不锈钢合金、基于铁(Fe)、钴(Co)或镍(Ni)的超合金以及高合金化的钢合金。在VAR工艺中，可以从金属合金中去除非金属夹杂物以及有害元素和挥发性元素。然而，在VAR工艺中，由于VAR炉内的低压，所以对金属合金有有益影响的挥发性元素也可能挥发和损失。例如，金属合金的含氮(N)量通常在VAR工艺期间降低。在很多情况下，不可能的是，在不超过金属合金的氮溶解度的情况下增加自耗电极的金属合金中的氮含量，从而形成气泡。气泡由于在炉室内引起振动和不稳定的真空压力而对VAR工艺产生负面影响。
对于一些合金，在炉内在例如30kPa的Ar气压的情况下进行电弧重熔，以减少氮的损失。然而，已经发现这会导致不稳定的电弧和大量的振动，这限制了可能产生的锭的尺寸。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种使用自耗电极的电弧重熔来精炼含氮金属合金的工艺，该工艺至少在一些方面克服了上述缺点。特别地，目的是提供一种可以通过其减少金属合金的氮含量下降的工艺，使得精炼的金属合金可以获得与精炼前的金属合金的氮含量接近的氮含量。
至少第一目的通过根据权利要求1的工艺来实现。在从属权利要求中公开了该工艺的有利实施方式。
通过使Ar气在1Pa至500Pa的相对低的压力下流动通过炉，防止了氮(N)的挥发，并且由此降低了电弧重熔工艺期间的金属合金中的N的减少。精炼的金属合金可以获得与自耗电极的未精炼的金属合金的N含量接近的N含量。
氩(Ar)压以及其它工艺参数(如自耗电极与熔化的金属合金池之间的电弧电压和电极间隙)应使得在自耗电极与熔化的金属合金池之间维持稳定且扩散的电弧。Ar气压应该足够低，使得不产生等离子体。等离子体可能导致电弧变窄，从而变得静止，致使自耗电极的不良熔化以及增加的氮挥发。通过使Ar气压保持足够低，电弧能够快速扫描自耗电极表面，从而使熔化工艺更容易被控制。
根据一个实施方式，Ar气压(PAr)＞2Pa。根据另一个实施方式，PAr≥5Pa。根据另一个实施方式，PAr≥10Pa。根据另一个实施方式，PAr≥20Pa，根据又一个实施方式，PAr≥50Pa。足够Ar气压的存在将保证实现目标的技术效果，即，显著防止金属合金中的N挥发。
如上所述，Ar气压不应太高。根据一个实施方式，PAr≤500Pa。根据一个实施方式，PAr≤400Pa。根据一个实施方式，PAr≤300Pa。根据一个实施方式，PAr≤200Pa。
根据一个实施方式，Ar气压为2Pa至500Pa。根据一个实施方式，Ar气压为1Pa至100Pa。根据另一个实施方式，Ar气压为2Pa至50Pa，根据又一个实施方式，Ar气压为5Pa至50Pa。
电极间隙优选可以在5mm至15mm的范围内，更优选为7mm至12mm，甚至更优选为8mm至10mm。
用于维持电弧的平均电弧电压可以在20V至25V的范围内。
根据一个实施方式，该工艺包括通过熔滴短路控制(drop-short control)的方式控制电极间隙。在本文中，熔滴短路控制是指通过维持熔滴短路设定点(即熔滴短路频率或熔滴短路周期)来控制电极间隙的工艺。熔滴短路控制有助于控制电极间隙。例如，熔滴短路频率可以被设定成0.5s-1至10s-1，如1s-1至4s-1。可替代地，可以使用电压控制来控制电极间隙，即，通过维持电压设定点来控制电极间隙。
根据一个实施方式，所述方法包括在触发电弧之前形成通过炉的稳定的Ar气流。在这方面，稳定可以是指只在限定的Ar气压范围内或Ar气压的预先限定的子范围内波动。这将改善触发并维持稳定且扩散的电弧并且获得稳定的熔化速率的条件。
根据一个实施方式，使Ar气流动通过炉包括使Ar气在恒定或大致恒定的Ar气压下连续流动。在本文中，“大致恒定”旨在意指不允许Ar气压偏离期望的Ar气压值超过±10％。通过在熔化期间维持恒定或大致恒定的Ar气压，防止了可能导致不稳定电弧的振荡。
金属合金可以是不锈钢合金、基于铁(Fe)、钴(Co)或镍(Ni)的超合金或高合金化的钢合金。特别地，金属合金可以是具有至少0.001重量百分比(重量％)至0.20重量百分比(重量％)、优选0.025重量％至0.10重量％的氮含量的金属合金。所述工艺对于在金属合金中溶解有氮的金属合金来说是特别有用的，因为与结合在金属氮化物中的氮相比，溶解的氮在VAR期间更有可能消散。
本发明的其它优点和有利特征将从下面的详细描述中体现出来。
附图说明
下面将参考附图通过示例进一步描述本发明的实施方式，其中
图1是示出了根据本发明的实施方式的工艺的流程图。
具体实施方式
图1中的流程图中示意性地示出了根据本发明的实施方式的在炉中使用自耗电极的电弧重熔来精炼含氮金属合金的工艺。该方法包括下列步骤：
A：提供金属合金的自耗电极；
B：提供第二电极；
C：在炉内提供受控气氛，包括在1Pa至500Pa的Ar气压下使Ar气流动通过炉；
D：在自耗电极和第二电极之间触发电弧，以熔化自耗电极，从而形成熔化的金属合金池；
E：维持自耗电极与熔化的金属合金池之间的电弧；以及
F：将熔化的金属合金输送到模具中，并且铸造精炼的金属合金锭。
由待精炼的金属合金构成的自耗电极可以例如具有不锈钢合金、基于铁(Fe)、钴(Co)或镍(Ni)的超合金或高合金化的钢合金。金属合金可以具有至少0.001重量百分比(重量％)至0.20重量百分比(重量％)的氮含量，如0.025重量％至0.10重量％。自耗电极可以是圆柱形的。
自耗电极位于VAR炉的炉室中的冷却坩埚内，所述冷却坩埚例如是由水套包围的水冷坩埚。坩埚的内径大于自耗电极的直径。驱动机构用于控制炉内自耗电极的位置，并且用于随着自耗电极被熔化而使自耗电极下降。
根据一个实施方式，第二电极可以包括与自耗电极相同的金属合金，但根据另一个实施方式，第二电极可以由不同的金属合金形成，这是因为包含来自第二电极的金属合金的所形成的锭的部分可以容易地与精炼金属合金的其余锭分开。第二电极位于冷却坩埚内的自耗电极的下方。电极之间形成有间隙，可以使用驱动机构来控制该间隙。
Ar气压可以低至1Pa，但根据其它实施方式，Ar气压可以为至少2Pa或至少5Pa。Ar气压可以高达500Pa，但也可以被限制为最大为100Pa或50Pa。Ar气可以在第二电极上方的位置处进入炉中，使得当电弧被触发时，Ar气在熔化的金属合金池上流动。优选地，在触发电弧之前形成稳定的Ar气压。优选地，在电弧重熔工艺期间，通过使Ar气在熔化的金属合金池上连续地流动来使Ar气压维持恒定或大致恒定，从而有助于保持电弧的稳定。
可以通过使电流通过自耗电极来触发电弧。在将第二电极维持在地电位的同时将负电压施加到自耗电极。可以控制电压、电流和/或电极间隙，以维持稳定的扩散电弧。根据一个实施方式，通过熔滴短路控制的方式来控制电极间隙，即，基于所期望的检测到的熔滴短路率来控制电极间隙。在例如US4578795中描述了这种熔滴短路控制。
放置有电极的冷却坩埚形成模具，熔化的金属合金在该模具中凝固，使得铸造了锭。因此，所铸造的锭具有比自耗电极大的直径。
实施例1
直径为400mm的两个自耗电极由元素组成与标准UNS N06985对应的测试合金制成，所述测试合金即Mo含量相对较高且添加了Co和Cu的稳定奥氏体NiCrFe合金。在重熔之前，测试合金含有0.037重量百分比(重量％)的N。
在真空中使用VAR重熔第一个自耗电极，即，没有使Ar在熔化的金属合金池上流动。炉内压力为约0.15Pa。在电流为9kA、电压为20V至21V且熔化速率为6kg/分钟的情况下，使用熔滴短路控制(3.5s-1)来实现稳定的熔化速率。
在使Ar在熔化的金属合金池上流动的情况下使用电弧重熔来重熔第二个自耗电极。在重熔工艺期间，Ar气压是变化的，并且允许Ar气压稳定在不同的水平。注意，随着Ar气压升高到200Pa以上(熔化率降低)，电弧变得不稳定，并且在Ar气压为10kPa时产生等离子体，从而导致熔滴短路频率的迅速增加。
在与炉中的各种Ar气压对应的位置处从所接收的重熔测试合金锭取样，并且进行关于元素组成的分析。关于氮含量的分析结果示于表1中。可以看出，发现了5Pa和170Pa的Ar气压对维持与重熔前类似的N含量表现出是特别有利的。该重熔工艺对测试合金的其它合金元素没有显著影响。
表1
实施例2
自耗电极由具有根据Sanicro 28(标准UNS N08028)的组成的测试合金形成，所述测试合金即加入了Mo、Mn和Cu的奥氏体NiCrFe合金。在重熔之前，测试合金含有0.085重量％的N。
在5Pa的稳定Ar气压下在使Ar在熔化的金属合金池上流动的情况下，使用电弧重熔来重熔自耗电极。在电流为7.5kA且电压为22.2V的情况下，使用熔滴短路控制(3s-1)来实现4.8kg/分钟的稳定的熔化速率。在电流为10.5kA且电压为22.5V的情况下，使用熔滴短路控制(1.5s-1)来实现7.5kg/分钟的第二稳定的熔化速率。
在重熔之后，从重熔锭中取样，并且进行关于元素组成的分析。发现了N含量已经由0.085重量％下降到0.077重量％，即，下降了9％。相比之下，在真空中的对应合金的重熔期间，N含量从0.096重量％下降到0.080重量％，即，下降了17％。
当然，本发明不以任何方式限于上述实施方式，而是在不脱离所附权利要求中所限定的本发明的范围的情况下，对于本领域技术人员来说，本发明的修改的许多可能是显而易见的。
