镍基高温合金真空熔炼过程中镁挥发的动力学

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.s1.011 北京铜铁学胰学报： 1062年增刊2 镍基高温合金真空熔炼过程中 镁挥发的动力学 北京钢铁学院高湿合金救研室 傅杰王惠王被 长城钢厂三分厂研究室 陈思普 摘 要 真空电孤重熔镍基高温合金GH220,自耗电极端部熔化区“突出环”内部的镁分布基本 均匀，而熔化液层及液固两相区的镁分布不均匀，从熔化液层表面到原始电极区镁含量显著 增高。熔化液层中距表面约0.3毫米内的镁含量[Mg]s和重熔锭镁含量[Mg]i均与电极原始 镁含量[Mg]e呈直线关系，本试验条件下，[Mg]s=0.18[Mg]e,[Mg]i=0.30[Mg]e。重 熔过程的镁挥发主要发生于电极端部熔滴形成阶段，挥发过程主要受控于镁由原始电极向熔 化液层一气相界面迁移的速度，传质系数K12=0.107厘米·移1。 真空感应熔炼GH220,镁挥发受液相边界层中扩散与不面挥发反应的混合控制，并非 受控于气相边界层中镁的扩散。在试验条件下，液相边界层中镁的扩散与界面挥发反应总传 质系数K23=10110-2厘米·耖1，而气相边界层中镁扩散的传质系数K4=47.17厘米· 粉1，根据】-K:及K与工艺参数的关系，建立了镁挥发的数学横型，即 dr [Mg]e与镁加入量、挥发温度、气相压力、保持时间、合金液面面积、塔体休积之间的定量 关系式。此模型在实验室和生产条件下均得到了很好的验证，可用于调整真空感应熔炼的工 艺参数，实现有效地控制合金镁含量。 一、前言 合金及钢中微量的镁对性能有重要影响。在铁、镍基高温合金及某些奥氏体不锈钢、结 构钢中加镁，可明显改善工艺塑性和使用性能1~)。GH220合金如果不加镁就达不到高的 塑性和长的持久寿命1。高温合金大都有个最佳镁含量范围1【北8北9。文献指出，原始金属 的镁含量不同，经真空电弧重熔后的镁含量相近，结果性能并不一致1。这意味着镁既可 通过微合金化，也可通过熔炼过程中的某些作用来影响合金的组织和性能。因此，准确控制 合金的最佳镁含量和控制熔炼过程的合适镁变化量，是保证合金质量的重要课题之一。 如所周知，高温下镁的蒸汽压很高，挥发倾向大，影响镁挥发速度的因素很多，实现镁 的控制较为困难。本文研究了真空电弧重熔过程中镁挥发的机理，提出了真空感应熔炼过程 一96—

北 京 们 铁 学 映 ， 报 二 年 月刊 镍基高温合金真空熔炼过程中 镁挥发的动力学 北 京钢 铁 学院 高温 合 金教 研 室 长 城钢 厂 三 分 厂 研 究 室 傅 杰 王 感 王 迫 陈 思， 摘 要 真 空 电弧 重 熔 镍 基 高温 合金 ， 自耗 电 极 端 部熔 化 区 “ 突 出环 ” 内部 的 铁 分 布基 本 均 匀， 而 熔 化液 层 及液 固 两 相 区 的 镁 分 布不 均 匀 ， 从熔 化液层 表 面 到 原始 电极 区镁 含 量 显 著 增 高 。 惊 化液 层 中距 表 面 约 毫 米 内的镁 含量 〔 〕 和 重熔 锭 镁 含量 〔 均 与 电极 原始 镁 含 量 〕 呈 直 线 关 系 ， 本试 验 条件 ， 〕 〕 。 重 熔 过 程 的 镁挥 发 主 要 发 生 于 电 极 端 部熔 滴 形 成阶段 ， 挥 发 过 程 主 要 受控 于 镁 由原始 电极 向熔 化液 层一 气相 界 面 迁 移 的速 度 ， 传质 系数 二 了厘 米 · 秒 一 ’ 。 真 空 感应 熔 炼 。 ， 镁挥 发 受液 相 边 界层 中扩 散 与界 面 挥 发 反 应 的 混 合 控 制 ， 并 非 受控 于 气相 边 界层 中镁 的扩 散 。 在试 验 条件下 ， 液 相 边 界层 中镁 的扩 散 与界 面 挥 发反 应 总 传 质 系数 二 一 ’ 一 厘 米 秒 一 ‘ ， 而 气相 边 界层 中镁 扩 散 的 传质 系 数 二 厘 米 秒 一 。 根据 〔 〕 二 一 八 ， ’ 及人 。 与 工 艺 参数 的 关 系 ， 建 立 了侠挥 发 的 数 学 模 型 ， 即 【 与镁 加 入 量 、 挥 发 温 度 、 气相 压 力 、 保 持时 间 、 合 金液 面 面 积 、 熔体休 积 之 间 的 定 量 关 系式 。 此 模 型 在 实验 室 和 生 产 条件下 均 得到 了很好 的验 证 ， 可 用 于调 整真 空 感应 熔 炼 的 工 艺参数 ， 实 现 有效 地控制 合 金 镁 含量 。 一 、 前 气玉 口 合金 及钢 中微量的 镁 对性 能有重 要影响 。 在铁 、 镍基 高温 合金 及某些 奥 氏 体不锈钢 、 结 构钢 中加 镁 ， 可 明显 改善工艺塑性和使 用 性能 ‘ 一 “ 。 合金 如果 不加 镁就达 不到 高的 塑性和 长的 持久 寿命 ‘ 。 高温合 金 大都 有个最 佳镁 含量 范 围〔 ‘ ‘ 】 。 文献 指 出 ， 原 始金 属 ， 的 镁 含量 不 同 ， 经 真空 电弧重 熔后的 镁含量 相近 ， 结果 性能并 不 一致 ’ 。 。 这意味着 镁既 可 通 过微合 金 化 ， 也可通 过熔炼过 程 中的 某些 作用 来影响 合金 的组 织 和 性能 。 因此 ， 淮 确 控制 合 金 的最 佳镁 含量 和控制熔炼 过 程的 合适镁变化量 ， 是保证 合金质量 的重 要课题 之 一 。 如所 周 知 ， 高温下镁 的蒸汽压很 高 ， 挥发倾 向大 ， 影响 镁挥发速 度的 因素很 多 ， 实现 镁 的 控制较 为困难 。 本文研究 了真空 电弧 重 熔过程 中镁挥发 的 机理 ， 提 出了 真空感 应熔炼 过 程 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．s1．011

中镁挥发的数学模型。为准确控制真空熔炼过程中镁变化量和最终镁含量提供了依琳。·· 二、真空电孤重熔过程中镁的挥发机理 1.研究方法：用真空电弧炉重熔山真空感应炉熔炼的GH220电极，电极仅镁含量不同， 其他成分基本不变。重熔后观察电极余尾熔化端部的组织，用岛津AA一650原子吸收光谱分 析各原始电极、电极余尾端部熔化液层和液固两相区、熔化区“突出环”及重熔钢锭（轧材 取样)等部位的镁含量与分布情况。 2.自耗电极端部的金属熔化特征：电极端部在直流电弧作用下，金属呈薄层熔化沿端面 下流，在阴极斑点汇成熔滴，熔滴达一定尺寸后自端部断落经弧隙区过波到金属熔池，在结 晶器中凝固成锭。不更改重熔工艺突然停电，可观察到正常熔炼过程的电极端部形态。本试 验条件下的电极端部如图1所示。因停电时机不同，图1(a)为熔滴刚刚断落，电极端部呈球 冠形。图1(b)为熔谪正在形成，电极端部近于园锥形，锥顶可见熔滴形成迹象。此外，所有 电极端部均作在一个“突出环”，环的外径一般大于电极直径约2毫米（见图1)。 山图2、图3可清楚看出电极端部金属 熔化特征。分为三个明显区域，即原始电极 区、熔化液层和夹在二者之间的过渡区（见 图2)。于电极在耐火材料模中浇注时缓 冷，原始电极区为大柱状晶垂直于电极中 心。停电后的快冷使熔化液层呈细小树枝状 晶垂直于液层表面。过渡区为液固两相区， 一次晶轴比原始电极加宽并增长，但多次轴 数量减少（见图3）。由图4看出，“突出环” b 部位没有液固两相区，说明粘附在电极侧表 图1电极端部形态 面的环形金属液并非电极熔化形成，而是电 —一熔清刚断落 极端部烙化液层在电弧作用下翻上去的。上 b一熔滴正在形成 述熔化特征反映重熔过程的电极内部温度分布。因电弧温度高，做熔化液县和液固两相区 图2电极端部纵低倍照片 较为宽大，达儿毫米。“突出环”区电极温度低 因3电极端部金属培化特征×50 于合金固相线温度，电极未熔化，没有液固两 a—原始电极区b一一液固两相区c一培化液层区 -97-

中镁挥 发 的 数学模型 。 为准确控 制真空熔炼 过程 中镁 变 化量 和最 终 镁 含量 提 供 了依据 ‘ 二 、 真空 电孤重熔过程 中镁的挥发机理 研究 方 法 少月真空 电弧 炉 重熔 山真空感 应 炉熔炼的 电极 ， 电极仅 镁 含量 不 同 ， 其他成 分基 本不 变 。 重熔后观察电极 余尾熔 化端 部的 组 织 ， 用 岛津 一 原子 吸 收光谱分 析各原 始 电极 、 电极余 尾端部熔 化液层 和 液 固两 相 区 、 熔化 区 “ 突 出环 ” 及重熔钢 锭 轧材 取样 等部位的 镁 含量 与 分布情况 。 · ‘ 自耗 电极端部的 金属熔化特征 电极端 部在直流 电弧 作用 下 ， 金属呈 薄层 熔 化沿端面 下流 ， 在阴极斑 点汇成 熔滴 ， 熔滴达 一定尺寸后 自端部断 落经弧 隙 区过渡到 金属熔 池 ， 在结 晶器 中凝 固成锭 。 不更 改重熔工艺 突然停 电 ， 可 观察到正常 熔炼过 程的 电极端部 形态 。 本试 验 条 件 下的 电极端部如图 所 示 。 因停 电时 机不 同 ， 图 为熔滴刚 刚断落 ， 电极端 部呈 球 冠 形 。 图 为熔滴正在形成 ， 电极端 部近 于园锥 形 ， 锥 顶可 见熔滴形成迹象 。 此 外 ， 所有 电极端 部均 存在 一个 “ 突 出环 ” ， 环 的 外径 一般 大于电极直径约 毫米 见图 。 由图 咐护执八注偏饭公，呀衡 、 图 可清楚看 出电极端部金 属 熔化特征 。 分 为三个明显 区域 ， 即原始电极 区 、 熔化液 层 和 夹 在二 者之间的过渡 区 见 图 。 由于电极在耐火材料模中浇注时 缓 冷 ， 原始 电极 区 为 大柱状 晶垂直 于 电 极 中 心 。 停 电后 的 快冷 使熔化液层呈 细 小树枝状 晶垂 直 于液层表 面 。 过渡 区 为液 固两 相 区 ， 一次 晶轴 比原始 电极加 宽并增长 ， 但 多次轴 数量减 少 见 图 。 由图 看 出 ， “ 突 出环” 部位没 有液 固两 相 区 ， 说明粘附在 电极侧表 面的环 形金属 液 并非 电极熔 化形成 ， 而是 电 极端部熔化液 层 在 电弧 作 用 下翻上 去 的 。 上 毅 图 电 极端 部 形态 － 熔 摘 刚 断 落 － 熔 滴 正 在 形 成 轰熔化 特征 反映 ” 重熔过 程的 电极 内部温 度分 布 。 因电弧 温 度高 ， 故熔化液层和 液 司两 相区 、热 毓委 砰 次 图 电 极 端 部 纵 低倍 照 片 较为宽 大 ， 达几毫米 。 “ 突 出环” 区电极温 度低 于合金 固相线温 度 ， 电极未熔化 ， 没有液 固两 图 电 极 端 部金 属 熔 化 特征 。 － 原 始 电 极 区 － 液 固两 相 区 ‘一 绪 化袱 层 区

相区。 3.镁的变化规律：由图5曲线(1)及图6 的电极端部熔化液层和液固两相区镁分布 (⊙，为以液层表面为原点的距离坐标)，看 出不同镁含量电极的熔化液层与液固两相区 的镁分布规律基本相同，从液层表面向内， 镁含量明显增高，直至达到电极镁含量。熔 化液层与液固两相区的镁含量随ò：增加而增 加的趋势不同。显然是由于两个区域的流体 流动状态不同而使镁的迁移速度不同所致。 图4“突出环”区的结晶组织×50 1一原始电极区b—“变出环”内 图5曲线(2)为“突出环”区的镁分布(O:为以 环表面为原点的距离坐标)，环内镁分布基 本均匀，与熔化液层中[Mg]s相近。说明此环是熔化液层上翻冷凝而成，并非电极侧表面的 金属熔化所致。 0.030 图7为CMg]s、[Mg]i与[Mg]e的关 系，均呈直线，分别以下述回归方程表示： 0.025 243Ig), [Mg]s=0.18[Mg]e (1) 0.020 [Mg]i=0.30[Mg]e (2) 0.015 在本试验条件下，镶挥发约？0%。重熔锭镁 22(Mg). 含量高于电极端部熔化液层表面镁含量。 0.010 [Mg]e越高，[Mg]s与[Mg]i的差值越大。 0.005 4.镁挥发机理的探讨：1960年Johnson 11小指出，真空电重熔的提纯作用可能发 0.51.01.52.02.53.03.5 生于电极端部。但有关电极增部元素挥发的 6,·0:毫米 具体情况至今未见报导。从图7的试验结果 图5电极嘴都便分有 看出，[Mg]e较低时[Mg]s与[Mg]i相近， 1一培化液层与液围两相区2一“突出环”区 [Mg]e较高时则[Mg]i高于[Mg]s。[Mg]i>[Mg]s说明形成熔谪时的每层流体厚度大于 0.3毫米，并非所有金属液均暴露于真空。从镁的分析结果计算出平均镁含量与[Mg]i相同 的流体厚度约为0.5~0.7毫米。整个熔化液层的温度是由外向里逐渐降低，靠近液固两相区 的金属液温度低，粘度大，流速小。当外层金属液汇入熔滴时，内层金属液尚未流到锥顶或 尚未流动，成为新的外层金属液。在真空与高温作用下，新外层金属液的镁含量降低，流动 性增加，汇人熔滴。金属液层如此分层汇入熔滴，熔滴镁含量低于整个金属液层平均镁含 量，但高于[Mg]s。根据[Mg]s<[Mg]i及熔滴形成阶段的金属液流动特征，可以认为镁 的主要挥发部位是电极端部。 电极端部的镁挥发过程包括如下六个步骤：①合金液内部镁原子向合金液表面迁移，② 镁原子通过液相边界层扩散到合金液一气相界面，③合金液一气相界面发生液相变为气相的 镁挥发反应和凝聚的逆反应[Mg]=Mg气：④气态镁分子通过气相边界层扩散到气相：⑤气 态镁分子通过气相向冷凝壁迁移，⑥冷凝。因镁的蒸汽压很高，故③不会成为镁挥发的限制 环节。纯镁的蒸汽压可用下式计算1) 98

口 “ 突 出环 ’ － 原 始 电 极 区 区 的结晶 组 织 。 一 ‘ 突 出环 “ 内 相区 。 镁 的变化规律 由图 曲线 及图 的 电极端部熔化液 层 和液 固两 相 区 镁 分 布 为以液 层表 面 为原点的距 离坐标 ， 看 出不 同镁 含量 电极的 熔化液 层与液 固 两 相区 的镁分布规律基 本相同 ， 从液 层表面 向内 ， 镁 含量 明显 增高 ， 直至达 到电极镁 含量 。 熔 化液 层与液 固两 相 区的镁 含量随 增加 而 增 加 的趋势不 同 。 显然是 由于两个区域的流体 流动状态 不 同而使镁的 迁移速 度不 同所 致 。 图 曲线 为 “ 突 出环 ” 区的镁 分 布 为以 环表面 为原点的距 离坐标 ， 环 内镁 分布基 本均匀 ， 与 熔化液层 中〔 〕 相近 。 金属熔化所致 。 说 明此环是 熔化液层上翻冷凝 而成 ， 并非 电极侧表面的 图 为 、 〔 与 〔 〕 的 关 系 ， 均呈 直线 ， 分别以 下述 回 归方程表示 〕 在 本试验 条件下 ， 镁挥发约 。 重熔键镁 含 高于电极端部熔化液层表 面 镁 含 量 。 越 高 ， 〔 与 的差值越 大 。 镁挥发机理的探讨 年 川 指出 ， 真空电弧重熔的提纯作用 可能发 生于电极端部 。 但有关电极端部元素挥发的 具体情况至今未见报导 。 从 图 的试验结果 看 出 ， 〕 较 低时 〕 与 呈相近 ， 么一 犷万︹︺， 田 电 极 端 部 镜分 布 － 络 化 液层 与液 固 两招 区 － 突 出环 区 较 高时则 高于 。 说 明形成熔滴时的 每层 流 体 厚 度 大于 。 毫 米 ， 并 非所 有金属液均暴露于真空 。 从镁的 分析结果计算 出平均镁 含量 与 〔 相 同 的流体厚 度约 为 。 毫米 。 整个熔化液层的温度是 由外 向里逐渐降低 ， 靠 近液 固两 相区 的 金属 液温度低 ， 粘度大 ， 流速小 。 当外层金属液 汇人熔滴时 ， 内层 金属液 尚未流到锥顶或 尚未流动 ， 成 为新的 外层 金属液 。 在真空与高温作用 下 ， 新外层金属液的镁含量降低 ， 流动 性 增加 ， 汇入熔 滴 。 金属 液层 如此分层 汇入熔滴 ， 熔滴镁含量低于整 个金属液层 平 均 镁 含 量 ， 但 高 于 〔 〕 。 根据 〔 〕 〔 及熔滴形成 阶段的 金属液流动特征 ， 可 以认 为镁 的主 要挥发 部位是 电极端部 。 电极端部的 镁挥发 过程包括 如下六 个步骤 ①合金 液 内部镁原子 向合金液表面 迁移 ② 镁原子通 过液 相边界层扩 散到合金液一气相界面， ③合金 液一气相界面发 生浓相变为气相心 镁挥发 反 应 和凝聚的 逆反应 〔 〕 气， ④气态镁 分子通 过 气相边界层扩 散到 气相 ⑤ 气 态 镁分子通 过 气相 向冷凝壁 迁移 ⑥冷凝 。 因镁的蒸汽压很 高 ， 故③不 会成 为镁挥 发的 限 制 环节 。 纯镁的 蒸汽压 可用 下式计算 ’ 、 一 一

0.040 23(Mg). 0.020 0.035 0.018 0.030 0.016 2 18〔Mg), 0,014 0.025 0.012 0.020 0.010 三0.015 5(Mg). W) 0.008 0.010 0.006 0.004 .003 0.002 0 0.51.01.52.02.53.03.5,4.0 00.0100.0300.050 61:毫米 (Mg),% 因6：电极增部培化液层及液圆两相区的候分布 图7〔Mg5,〔Mg)i与〔Mg)o的关系 1-〔Mgs2-〔Mg〕i 1ogP9a=-6802 +4.993 (3) PMg=PA,·NM,当[Mg]=0.01~0.05%时，1450℃的Pmg=1.9310.19毫米汞柱，1600℃ 的PMg=4.02~21.33毫米汞柱。重熔时真空度约10~‘毫米汞柱，镁分压趋于0。镁挥发很易 进行。真空下重熔，水冷的结晶器壁及炉壳的表面积很大，④⑤⑥亦不应成为镁挥发的限制 环节。 关于①②，因液固两相区及熔化液层内的传质过程较复杂，传质系数难以分别确定，不 能肯定那个步骤更慢。但从镁的分布可肯定，镁原子在液固两相区(0：>1.5毫米)和熔化 液层（⊙：=1~2毫米）中的迁移速度均对镁挥发过程有影响。我们认为，镁挥发过程受①② 两步混合控制，或受控于镁由电极向熔化液层一气相界面迁移的速度。 5.镁的控制：电极端部金属液层（包括两相区）中的金属液以素流方式流过电极固体表面， 镁的传质通量 J=-DOC.+u C-EOC=K::(C-Coe) (4) 式中：-DS为镁原子扩散通量，6C为层流流动引起的传质通量，u。为层流在方向的 速度分量：C为单位体积的镁重量，~E8S为素流对传质的贡献，E为素流扩散系数， K:为传质系数，C∝为金属液层表面的镁浓度。本试验条件下，C∝=0，则 dc.=-Ki2C Adt A为电极端部金属液层表面积，重熔工艺一定时，A为常数。将C换算为百分浓度并整理， 得到 -99一

八︺“曰︸ 几幼甘 借，曰方 八甘﹄﹃ 、 门， 。 、 闻 荟 几 ， ‘ ︹﹃叭﹃岁︺ 、 芝六︶ 。 一 乙 ， 奄米 〔 卜 ‘ 〕 。 ， 田 电 极 端 部熔 化 液 层 及 液 固 两 相 区 的 分 布 田 〔 ， 、 与〔 〕 的关 系 一 〔 ， 一 〔 〕 。 品 一 。 。 。 品 。 · ， 。 ， 当 〔 ‘ 时 ， ℃ 的 ， 一 。 毫米汞柱 ， ℃ 的 ， 。 一 毫米汞柱 。 重熔时真空度约 。 毛毫米汞柱 ， 镁 分压趋 于 。 镁挥 发很 易 进行 。 真空 下重熔 ， 水冷的结晶器壁 及炉壳的 表面积很 大 ， ④⑤⑥亦不应 成为镁挥发的限制 环 节 。 关 于①② ， 因液固 两相区 及熔化液层 内的 传质过程较 复杂 ， 传质系数难 以 分别确定 ， 不 能肯定那 个步骤 更慢 。 但从镁的 分布可肯定 ， 镁原子 在液 固两相 区 奄米 和 熔 化 液 层 一 毫米 中的迁移速度 均对镁挥发过 程有影响 。 我 们认 为 ， 镁挥发 过程受①② 两步 混 合控制 ， 或受控于镁 由电极 向熔化液 层一气相 界面 迁移 的 速度 。 镁的 控制 电极端部金属液层 包 括 两相 区 中的金属液 以紊流方式流过电极 固体表面 ， 镁的 传质通量 日 ‘ 。 。 ， ， 。 。 、 一 口 画 一 宁 “ 勺 一 ‘ 万了 “ 工、 ” 、 七 一 、 声 李 二 。 、 ， ‘ ， 。 、 ， 、 、 二 ， 二 ， 一 、 、 ， ， 、 一 。 、 ， ， 八朴 一 ‘ 丽犷为读振于犷 散通且 ’ ” 乙 七 为层流 流 动 ， 起的 传 质遇 里 ， “ 乙 为 从 流仕。 万 间时 速 度分量 为单位体积的 镁重 量 一 釜 为紊流对 传质的 贡献 ， 为紊 流 扩 。 系 数， 为传质系 数， 为金属液 层 表面 的镁 浓度 。 本试验 条件 下 ， 二 二 ， 则 一 人 为电极端 部金属 液 层 表 面积 ， 重 熔工艺 一定时 ， 为常 数 。 将 换算 为百分 浓度 并 整 理 ， 得到 一 一

gMgdKAd ⅴ为熔化液层体积。在熔炼时间τ内，熔化液层总体积从O变到ⅴ，若略去弧隙区及熔池的镁 挥发，[Mg]由[Mg]e变到[Mg]i,则 [Mg]i Me∫dedv=∫-KAar [Mgle 0 0 A [Mg]i=[Mg]ee -KVT (5) 由(5)式可见，A、V、t一定时，[Mg]i与[Mg]e成直线关系，直线过原点，与图7相符。 -Kiar 本试验条件下，A=14.4厘米2，V=720厘米3，t=560秒。从(2)式，e =0.30, 则K:=0.107厘米·秒1，传质系数较大。 Johnson Li)指出，提高真空度及减小结晶器与电极间或熔体与泵间的气流阻力是提高 提纯效果的唯一有效途径。然而，增大结晶器和电极间距（减小充填比）会恶化重熔锭表面 质量，生产上较难实施。从镁挥发动力学来讨论，由(5)式得出 .KIAY [Mg]i=[Mgle e (6) 式中Y为合金液比重，W为平均熔化速度。其他条件一致时，增加[Mg]e或W均可使[Mg]i 增加。故在真空度和充填比一定时，可通过调整[Mg]e和工艺制度来控制[Mg]i。(6)式应 能推广到真空电弧重熔过程中其他挥发元素的控制，如锰的控制及铅、氢等有害元素的去 除。 三、真空感应熔炼过程中镁挥发的数学模型 1.研究方法：川50公斤真空感应炉熔炼GH220合金，电源频率为2500赫兹。仅调整合金的 镁加入量，其他成分不变，研究了不同镁加人量[Mg]a、挥发温度t,气相压力P,及保持时间τ 对[Mg]的影响。用供电时间和功率控制温度，镁以16%镁的镍镁中间合金在铝、钛、硼、 饰合金化之后加入，加镁前向炉膛充入一定压力高纯氩，保持时间为加完镁至出钢完毕。考 虑到出钢时金属液面面积的变化，将τ增加30秒。镁分析试样取自电极上部。根据镁挥发动 力学公式及对试验数据的处理，建立了镁挥发的数学模型，用实验室和生产数据验证了模型 的可靠性。 2.镁挥发的限制环节：GH220合金的铝含量较高，但在MgO坩埚中，于1450℃、200毫 米汞柱的氩气氛下，分别保持8~16分钟，合金中不加镁的[Mg]©为痕迹。说明坩埚不会导 致合金增镁，镁的挥发量就是变化量，控制合金中镁归结为控制镁的挥发。 真空感应熔炼过程的镁挥发也包括前述六步骤，但镁的挥发部位是金属熔池，①为镁原 100-

， 二 一 丫 为熔化液层体积 。 在熔炼时 间丫 内 ， 熔化液 层总体积 从。 变到 ， 若略去弧 隙区及熔池 的镁 挥发 ， 由 变到 ， 则 〔 〕 丁 ‘ 〔 〕丁 〔访 ‘ 一 丫 丁 一 ’ 〕 一 一 〕 一 由 式 可 见 ， 、 、 丫 一定时 ， 〔 与〔 〕 成直线关系 ， 直线 过原点 ， 与图 相符 。 本试验 条件下 ， 二 则 厘 米 一 秒 。 一 』、 ， ， ‘ 二 丫 ， ‘ 。 ， ， ， ，二 二 ， 、 、 一 一 。 。 。 遵 术 一 ， 了艺 里 术 ‘ ， 勺 毛护。 从 艺少 了匆一 。 。 ， 一 ， 传质系数较 大 。 一 ’ 。 五 “ “ ’ 指 出 ， 提 高真空度及减小结 晶器与电极 间或熔体与泵 间的 气流阻 力是 提 高 提 纯效果的唯 一有效途 径 。 然 而 ， 增 大结 晶器和电极间距 减小充填比 会恶化重熔锭 表面 质量 ， 生 产上较难实施 。 从镁挥发 动力学来讨论 ， 由 式 得 出 扩 · 丫 〕 一 。 一 一 一 式 中 为合金 液 比重 ， 为平 均熔化速 度 。 其他条件 一致时 ， 增加 【 〕 或 均 可 使 【 〕 增加 。 熬在 真空度和充填 比 一定时 ， 可通 过调整 〔 〕 和工艺制度来控制 〔 〕‘ 。 “ 式应 能推广到真空 电弧 重熔过 程中其他挥发 元 素的控制 ， 如锰 的 控制及铅 、 氢等有害 元 素 的 去 除 。 三 、 真空感应熔炼过程 中镁挥发的数学模型 研究 方 法 用 公斤真空感 应炉熔炼 合金 ， 电源 频率 为 。 。 赫兹 。 仅调 整合 金的 镁加入 量 ， 其他 成分 不 变 。 研究 了不 同镁加 入量 〔 〕 、 挥发 温 度 、 气相压 力 ， 及 保 持时 间丫 对 〔 〕 的影 响 。 用供 电时 间和功 率控制 温 度 ， 镁 以 镁的 镍镁 中间合 金 在铝 、 钦 、 硼 、 钵合金 化之 后加 入 ， 加 镁前 向炉膛充入 一定压 力 高纯氢 ， 保 持时 间为加 完镁至 出钢完毕 。 考 虑到 出钢时 金属 液 面 面积的 变化 ， 将 增加 秒 。 镁 分 析试 样取 自电极上部 。 根据镁 挥发动 力学 公式 及对 试验 数据的 处 理 ， 建立 了镁挥 发的 数学模型 ， 用实验 室和 生 产数据验证 了模型 的 可靠 性 。 镁挥发 的限 制 环 节 合 金 的铝 含量较 高 ， 但在 柑祸 中 ， 于 ℃ 、 毫 米汞 柱的氢 气氛 下 ， 分别 保持 分钟 ， 合金 中不加 镁的 〔 卜为痕迹 。 说 明柑 祸 不 会 导 致合金增镁 ， 镁的 挥发 量 就是 变化量 ， 控制合金 中镁 归结 为控制镁的挥发 。 真空感应熔炼 过程的 镁挥发也包括前述 六步骤 ， 但镁的挥发部位是 金 属熔池 ， ① 为镁原 一 一