阅读说明：本技术 一种超低气体含量镍基合金690的制备方法 (Preparation method of nickel-based alloy 690 with ultralow gas content ) 是由 王方军 吴畏 刘应龙 李永友 刘海定 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及超低气体含量镍基合金690的制备方法,该方法采用真空感应熔炼+电渣重熔的双联工艺,制备的镍基合金690中(O+N+H)气体总含量小于60ppm,并且锻造性能好。(The invention relates to a preparation method of a nickel-based alloy 690 with ultralow gas content, which adopts a duplex process of vacuum induction melting and electroslag remelting, wherein the total content of (O + N + H) gas in the prepared nickel-based alloy 690 is less than 60ppm, and the forging performance is good.)

一种超低气体含量镍基合金690的制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料的冶炼领域，特别涉及一种超低气体含量镍基合金690的制备方法。

背景技术

1E级电偶温度计主要用于先进压水堆核电站反应堆堆芯出口温度的测量，为了保护热电偶元件，同时配合热电偶在高温、高压力的环境下进行正常工作，热电偶需要配合套管使用，这样不仅可以延长热电偶的使用寿命，还可以起到支撑和固定热电极、增加其强度的作用。考虑到反应堆堆芯长期高温，并且在部分工况下需要在650℃以上较长时间使用，选择耐高温更好的UNS N06690合金材料，镍基合金690是一种镍基类耐热耐蚀合金，是美国合金牌号UNS N06690合金。

为了确保套管材料不影响热电偶的使用寿命和测量的准确定、稳定性，需要制备（O+N+H）气体总含量小于60ppm的超低气体含量的690合金材料。

目前专利号为2012105744199的专利报道了能制备出O含量能达到20ppm的一种工业化生产3吨超纯净I-690合金电渣重熔锭的工艺方法，专利号为2014108094083的专利报道了O含量能达到24ppm的大尺寸、超纯净、高性能镍基合金690的电渣重熔方法，但采用这些方法制备的690合金都有一个共同特点：N含量高至100ppm左右。其（O+N+H）气体总含量大于120ppm，远远不能满足先进核级套管材料的技术要求。

目前降低镍基合金690（O+N+H）气体总含量的常用方法是在对合金电极二次重熔时采用真空自耗重熔的方式，但是真空自耗重熔钢锭的表面质量较差，对钢锭进行锻造时，锻造加工性能不好，易造成钢锭表面开裂，导致产品成品率降低。

因此，需要开发一种更加优异的超低气体含量镍基合金690的合金钢锭的制备工艺方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种超低气体含量镍基合金690的制备方法，该方法采用真空感应熔炼+电渣重熔的双联工艺，制备的镍基合金690中（O+N+H）气体总含量小于60ppm，并且锻造性能好。

本发明的技术方案是：

超低气体含量镍基合金690的制备方法，有以下步骤：

1）自熔电极棒

根据690合金的配比取各组分，真空感应熔炼，≥2Pa的真空环境下浇铸成圆棒，≥24小时保持真空环境，真空环境下冷却至100℃以下后取出钢锭，得到电渣重熔的自熔电极棒；

2）电渣重熔预熔渣

按重量份为：Al：5～15份、Fe：85～95份取各组分，经真空感应熔炼制备的Fe-Al钢锭为圆棒，精整，作为洗渣用的Fe-Al自熔电极；

电渣重熔的渣料配比按重量份为：CaF₂：65～175份、CaO：6 ～112份、Al₂O₃：10～13份、MgO：12～115份；

先取少量（渣量由结晶器大小决定）上述渣料加入结晶器中，通过碳电极起弧将渣料加热至熔融态后，然后移出碳电极，将Fe-Al自熔电极缓慢下降到熔融的电渣重熔渣料中，通电起弧形成熔池，缓慢不间断地将余下渣料加入到熔池中熔化；

待熔化后的渣料在结晶器中冷却后，取出，形成固态预熔渣，破碎，得到电渣重熔690合金的预熔渣；

3）电渣重熔

取步骤2）所得预熔渣， 800℃烘烤，放入结晶器中加热至熔融态，将步骤1）所得自熔电极缓慢下降到熔融的预熔渣中，通电起弧，冷却，结晶器顶部通入氩气，将自熔电极棒调整电压至45～55V、电流3000～7500A，自熔电极棒缓慢熔化，熔化后的自熔电极棒液滴穿过熔融的渣池在结晶器的底部重新结晶，得到表面光洁的电渣锭。

步骤1）所述自熔电极棒的直径为100mm～200mm。

步骤2）所述破碎后预熔渣的渣料粒度小于10mm。

步骤2）所述电渣熔化的液态渣料为澄清、均匀状态。

步骤2）、3）采用石墨电极棒在所述的结晶器中加热。

步骤3）所述预熔渣烘烤的时间≥4小时。

步骤3）所冷却是在结晶器和底板采用水冷却。

步骤3）所述氩气的流速为200～400l/min。

步骤3）所述电渣锭的直径为160mm～300mm。

真空感应熔炼是制备纯净合金钢锭的有效手段，但真空浇铸后直接脱模的钢锭还处于高温状态，与大气接触很容易造成钢锭表面氧化从而吸附气体，如果钢锭氧化层不能全部彻底去除，后续制备的合金气体含量往往较高，而在真空环境下冷却的钢锭，其表面非常洁净，整个钢锭保留了真空熔炼状态下的纯净度，制备的合金气体含量更低。

本发明中的Fe-Al钢锭和渣料配比制备的预熔渣具有以下典型优点：（1）稳定的炉渣成分，避免生产时出现渣料混合不均匀导致成分不稳定的缺点；（2）在进行电渣重熔生产时，起弧化渣容易，时间短，钢锭底部质量好，收得率高；（3）大幅度地简化、甚至取消渣料烘烤，降低渣料烘烤的电耗；（4）渣中水分含量极低，有效防止重熔过程大量的增氢，也可防止化渣时的崩渣现象，保证操作安全性；（5）采用颗粒状渣料，粉尘少、环境污染小，特别是对机械设备的传动部件的磨损小；（6）本发明中的Fe-Al钢锭能有效去除渣料中易于与气体通过化学反应结合到合金中从而导致合金气体含量增加的杂质和其他杂质元素。

电渣重熔是一种重要的提纯材料改善组织的冶金工艺技术，对材料的性能有着非常大的影响。电渣重熔可以有效的降低有害元素，细化夹杂使杂质均匀化分布，细化组织使组织均匀化等。合适的电渣重熔工艺还能大大改善合金的热加工性能，确保合金热加工不开裂，从而提高成材率。

本发明一种超低气体含量镍基合金690材料的制备方法的有益效果是，所述制备方法使镍基合金690的气体含量更低，满足先进核级热电偶套管材料对合金（O+N+H）总气体含量＜60ppm的要求，有利于我国核电技术的提高，具有非常显著的经济效益和社会效益。

采用本发明所述方法制备的镍基合金690，经测试其O、N、H气体含量重量百分比为：O＜20ppm，N＜30ppm，H＜10ppm，O+N+H＜60ppm，得到的是超低气体含量镍基合金690。

具体实施方式

实例1

一种超低气体含量镍基合金690的制备方法，包括以下步骤：

a）自熔电极棒的制备

镍基合金690的电极棒按重量份配比为：0.03份C、0.3份Mn、10份Fe、28份Cr、61.67份Ni，采用50kg真空感应熔炼制备而成。经真空感应熔炼的合金在2Pa的真空环境下浇铸成φ100mm圆棒，浇铸后的圆棒继续在2Pa的真空环境中冷却24小时，最大限度确保合金钢锭不被氧化。待合金圆棒在真空环境下冷却至100℃以下取出钢锭，钢锭表面呈光亮金属色；

b）电渣重熔预熔渣的准备

采用真空感应熔炼制备Fe-Al钢锭，用于制备重熔渣料。Fe-Al钢锭的化学成分配比按重量份为：Al：5份、Fe：85份。经真空感应熔炼制备的Fe-Al钢锭为φ170mm圆棒，将圆棒表面砂磨干净去除氧化皮、精整后作为洗渣用的自熔电极。

电渣重熔的渣料配比按重量份为：CaF₂：65份、CaO：11份、Al₂O₃：12份、MgO：12份。

将上述配比渣料在φ280mm的结晶器中通过石墨电极棒加热至熔融状态后移出石墨电极，将上述Fe-Al自熔电极缓慢下降到熔融的电渣重熔渣料中，通电起弧后形成熔池，缓慢不间断地将上述渣料加入到熔池中熔化，熔化过程中确保熔化的液态渣料成澄清、均匀状态。

待熔化后的渣料在结晶器中冷却后取出形成固态预熔渣，采用颚式破碎机将固态预熔渣进行破碎，破碎后的渣料粒度小于10mm，制成电渣重熔镍基合金690所需的预熔渣。

c）电渣重熔

称取8kg上述预熔渣经800℃烘烤4小时，然后在φ160mm结晶器中通过石墨电极棒加热至熔融状态后移出石墨电极，将镍基合金690自熔电极缓慢下降到熔融的电渣重熔渣料中，通电起弧，在结晶器中结晶器和底板均采用水冷却，在结晶器顶部通入流速为200～250 l/min的氩气隔绝空气，将步骤1）得到的自熔电极棒调整重熔电压至45V、电流3500A。自熔电极棒受电阻热缓慢熔化，熔化后的自熔电极棒液滴穿过熔融的渣料层在结晶器的底部重新结晶，得到组织致密均匀、纯净、表面光洁的φ160mm电渣锭。

将钢锭进行锻造加工后取样，送机械工业以便材料产品质量监督检测中心重庆仪表功能材料检测所检测，其结果为，O：15ppm，N：29ppm，H：6.6ppm，O+N+H：50.6ppm。

采用实施例1所述方法制得的合金是超低气体含量镍基合金690。

实例2

a）自熔电极棒的制备

镍基合金690的电极棒按重量份配比为：0.03份C、0.3份Mn、10份Fe、28份Cr、61.67份Ni，采用500kg真空感应熔炼制备而成。经真空感应熔炼的合金在2Pa的真空环境下浇铸成φ200mm圆棒，浇铸后的圆棒继续在2Pa的真空环境中冷却48小时，最大限度确保合金钢锭不被氧化。待合金圆棒在真空环境下冷却至100℃以下取出钢锭，钢锭表面呈光亮金属色；

b）电渣重熔预熔渣的准备

采用真空感应熔炼制备Fe-Al钢锭，用于制备重熔渣料。Fe-Al钢锭的化学成分配比按重量份为：Al：10份、Fe：90份。经真空感应熔炼制备的Fe-Al钢锭为φ170mm圆棒，将圆棒表面砂磨干净去除氧化皮、精整后作为洗渣用的自熔电极。

电渣重熔的渣料配比按重量份为：CaF₂：70份、CaO：8份、Al₂O₃：9份、MgO：13份。

将上述配比渣料在φ280mm的结晶器中通过石墨电极棒加热至熔融状态后移出石墨电极，将上述Fe-Al自熔电极缓慢下降到熔融的电渣重熔渣料中，通电起弧后形成熔池，缓慢不间断地将上述渣料加入到熔池中熔化，熔化过程中确保熔化的液态渣料成澄清、均匀状态。

待熔化后的渣料在结晶器中冷却后取出形成固态预熔渣，采用颚式破碎机将固态预熔渣进行破碎，破碎后的渣料粒度小于10mm，制成电渣重熔镍基合金690所需的预熔渣。

c）电渣重熔

称取30kg上述预熔渣经800℃烘烤6小时，然后在φ300mm结晶器中通过石墨电极棒加热至熔融状态后移出石墨电极，将步骤1）得到的自熔电极缓慢下降到熔融的电渣重熔渣料中，通电起弧，在结晶器中结晶器和底板均采用水冷却，在结晶器顶部通入流速为300~400l/min的氩气隔绝空气，将镍基合金690自熔电极棒调整重熔电压至55V、电流7500A。自熔电极棒受电阻热缓慢熔化，熔化后的自熔电极棒液滴穿过熔融的渣料层在结晶器的底部重新结晶，得到组织致密均匀、纯净、表面光洁的φ300mm电渣锭。

将钢锭进行锻造加工后取样，送机械工业以便材料产品质量监督检测中心重庆仪表功能材料检测所检测，其结果为，O：18ppm，N：26ppm，H：2.8ppm，O+N+H：46.8ppm。

采用实施例2所述方法制得的合金是超低气体含量镍基合金690。