CN103333992B - 渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，包括阳极电极、阴极电极、直流电源及其金属导线，阳极电极的一端浸入装载在炉体内的待脱氧钢液上方的熔渣中，阳极电极的搅拌头部分和旋转轴部分采用一体成型，阳极电极能实现可控自旋，金属导线通过电刷与阳极电极的旋转轴部分电连接，可调转速电动机的电主轴同轴传动阳极电极，可调转速电动机的电主轴端通过绝缘材料制作的联轴器与阳极电极的端部固定连接，使阳极电极进行轴向旋转，进而带动阳极电极的搅拌头部分对熔渣进行搅拌，搅拌头部分的转速根据熔渣的粘度来调节。本发明的通过电极对钢液和熔渣进行搅拌，既能增加电子的转移速率又能提高氧的传递速率，从而大大提高脱氧的速率。

Description

渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置

技术领域

本发明涉及一种电极装置，特别是一种电化学脱氧电极装置，应用于冶金电化学精炼和电化学合金化等技术领域。 

背景技术

在我国转炉炼钢作为主要的炼钢方式，在其冶炼过程中往往带入大量的氧。这使得脱氧成为钢的精炼过程中尤为重要的环节，氧的含量直接影响钢材的质量。然而传统的脱氧方法很难达到较高纯净度且生产效率不高。在现有的渣金间外加电场电化学无污染脱氧法，其主要原理是在熔化的金属液与炉渣之间，通过插入熔渣的顶电极和置于金属液的底电极由直流脉冲电源施加电场，顶电极接电源的正极，底电极接电源的负极，通过控制氧离子在熔渣体系中的传导方向和速度，从而实现金属液的无污染脱氧。如公开号为CN101235430A发明专利公开了一种钢包炉中外加电场无污染脱氧精炼的方法，在熔化的钢液或金属液和熔渣之间，通过插入熔渣的顶电极和置于钢液中的底电极，由外加直流电源施加电场，同时在钢包炉中对钢液或金属液进行搅拌和实现气氛控制的条件下，控制氧离子在熔渣体系中的传导方向和速度以及增强溶解氧在钢液或金属液中的传质，从而实现钢液或金属液的无污染脱氧精炼。这是一种利用外加电场对金属中的氧加以定向引导，从而达到脱氧的目的的新方法。但研究发现氧元素在渣金间的扩散以及电极和熔渣之间的电导率是影响脱氧速率的重要因素，因此必须要加大氧元素在渣中的传递速率，提高电极与熔渣之间的电导率。 

电极对渣金间电化学脱氧起着至关重要的作用，现有的一种新型的电极材料，其包括一电极外壳，电极外壳导电；一密封件，其与电极外壳的开口端密封连接，在电极外壳内形成一空腔，空腔内设有脱氧剂；其特征在于，电极外壳包括：一内层，其为致密混合导体透氧膜，致密混合导体透氧膜具有钙钛矿结构；一外层，其为多孔材料导电层。采用本发明的电极可以促进氧在阳极的电化学反应以及氧气在熔渣中的排除，同时有效防止了阳极其他离子的电极反应，提高了电流效率和脱氧效率。但是这种电极的缺点在于制作工艺复杂，材料昂贵。因此，由于技术本身的不足使渣金间传质过程受到很大的制约，这也是冶金电化学精炼和电化学合金化需要研究和亟待解决的关键问题。 

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提供一种渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，用于外加电场无污染脱氧，在渣金间外加直流电场无污染脱氧方法的基础上，电极采用这种能搅拌熔渣或钢液的具有特殊结构的电极，增大了扩散驱动力，加速传质过程，可以提高脱氧效率和脱氧速率，本发明电极的制作工艺简单，材料成本低，适合工业化应用。 

为达到上述发明创造目的，本发明的构思如下： 

将用于渣金间外加电场的电极制作成一种具有搅拌桨功能的特殊的结构的电极，使电极不仅不影响导电效率，同时还能对钢液和熔渣进行搅拌，既能增加电子的转移速率又能提高氧的传递速率，从而大大提高脱氧的速率。

根据以上发明构思，本发明采用下述技术方案： 

一种渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，包括阳极电极、阴极电极、直流电源及其金属导线，阳极电极的一端浸入装载在炉体内的待脱氧钢液上方的熔渣中，直流电源的正极通过一条金属导线与阳极电极的一端电连接，阴极电极作为底电极安装在炉体上，阴极电极的一端穿过炉体的壳体与待脱氧钢液直接接触，使待脱氧钢液和阴极电极一起构成熔渣的阴极系统，阴极电极的另一端通过另一条的金属导线与直流电源的负极电连接，使直流电源、阳极电极和阴极电极之间形成导电通路，并通入直流电流，阳极电极由浸入熔渣中的搅拌头部分和阳极电极本体的旋转轴部分采用一体成型，阳极电极相对于熔渣的空间位置不变，阳极电极能实现可控自旋，金属导线通过电刷与阳极电极的旋转轴部分电连接，设于在炉体外部的可调转速电动机的电主轴同轴传动阳极电极，可调转速电动机的电主轴端通过绝缘材料制作的联轴器与阳极电极的端部固定连接，使阳极电极进行轴向旋转，进而带动阳极电极的搅拌头部分对熔渣进行搅拌，搅拌头部分的转速根据熔渣的粘度来调节。

作为本发明技术方案的改进，阴极电极与阳极电极具有相同结构，即阴极电极由浸入待脱氧钢液中的搅拌头部分和阴极电极本体的旋转轴部分采用一体成型，阴极电极的旋转轴部分转动安装在炉体上，阴极电极能实现可控自旋，金属导线也通过电刷与阴极电极的旋转轴部分电连接，另有一台可调转速电动机的电主轴同轴传动阴极电极，可调转速电动机的电主轴端也通过绝缘材料制作的联轴器与阴极电极的端部固定连接，使阴极电极进行轴向旋转，进而带动阴极电极的搅拌头部分对待脱氧钢液进行搅拌，搅拌头部分的转速根据待脱氧钢液的粘度来调节。 

作为上述技术方案的改进，阳极电极和阴极电极至少其一的搅拌头形成螺旋式圆盘结构，螺旋式圆盘为空心波轮壳体结构，壳体结构上分布设置一系列空心开口，螺旋式圆盘的转动方向朝向空心开口方向，螺旋式圆盘的螺旋方向为单一的左螺旋或右螺旋，阳极电极的螺旋式圆盘进行竖直方向上的螺旋升角转动，驱动距离渣金界面较近处的熔渣通过搅拌向熔渣层顶部流动，阴极电极的螺旋式圆盘进行竖直方向上的反向螺旋升角转动，驱动距离渣金界面较近处的待脱氧钢液通过搅拌向钢液底部流动。 

上述阳极电极和阴极电极皆优选采用金属陶瓷制成。 

上述联轴器优选由绝缘陶瓷材料制成。 

上述螺旋式圆盘优选以0~20r/min转速对待脱氧钢液进行搅拌。 

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 

1.本发明所用电极结构为螺旋型圆盘，以往所用的电极都是圆柱体电极，其与熔渣的接触面积很小，而脱氧反应主要是在界面处反应，本发明所用电极增大了电极与熔渣的接触面积即增大了反应面积，从而提高了脱氧速率；

2.本发明所用电极结构为空心圆盘，采用空心结构将使熔渣与电极的接触面积增加两倍，使反应界面增大两倍；

3.本发明所用电极结构为螺旋结构，在反应进行时，电极通过自身的旋转可以将熔渣底部已经溶氧量达到饱和的熔渣通过电极内部的空心通道到达顶部，从而使上下熔渣成分交换；

4.本发明所用电极通过自身的旋转还可以将钢液顶部接近完成脱氧目标的钢液向钢液底部驱动流动，加快钢液内部的传质和扩散，从而使上下钢液成分交换，进一步提高脱氧的效率；

5.本发明的电极材料可用金属陶瓷材料浇注成型后再烧结，耐熔渣腐蚀性强，可重复利用，降低成本。

6. 本发明渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置能简化钢液精炼工艺，提高生产率，降低生产成本。 

附图说明

图1为本发明实施例一渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置结构示意图。 

图2为本发明实施例一的阳极电极的螺旋式圆盘结构的搅拌头部分结构示意图。 

图3为本发明实施例二渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置结构示意图。 

图4为本发明实施例二的阴极电极的螺旋式圆盘结构的搅拌头部分结构示意图。 

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下： 

实施例一：

在本实施例中，参见图1和图2，一种渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，包括阳极电极、阴极电极10、直流电源1及其金属导线，阳极电极的一端浸入装载在炉体7内的待脱氧钢液9上方的熔渣8中，直流电源1的正极通过一条金属导线与阳极电极的一端电连接，阴极电极10作为底电极安装在炉体7上，阴极电极10的一端穿过炉体7的壳体与待脱氧钢液9直接接触，使待脱氧钢液9和阴极电极10一起构成熔渣8的阴极系统，阴极电极10的另一端通过另一条的金属导线与直流电源1的负极电连接，使直流电源1、阳极电极和阴极电极10之间形成导电通路，并通入直流电流，阳极电极由浸入熔渣8中的搅拌头部分和阳极电极本体的旋转轴5部分采用一体成型，阳极电极相对于熔渣8的空间位置不变，阳极电极能实现可控自旋，金属导线通过电刷2与阳极电极的旋转轴5部分电连接，设于在炉体7外部的可调转速电动机4的电主轴同轴传动阳极电极，可调转速电动机4的电主轴端通过绝缘陶瓷材料制作的联轴器3与阳极电极的端部固定连接，使阳极电极进行轴向旋转，进而带动阳极电极的搅拌头部分对熔渣8进行搅拌，搅拌头部分的转速根据熔渣8的粘度来调节。在本实施例中，参见图1和图2，直流电源1的正极与脱氧反应体系中的阳极相连，电源的负极与脱氧反应体系的阴极相连，脱氧反应体系中的阴阳两极利用转轴分别连接到可调转速电动机4上。本实施例装置中以熔渣作为电解质，以待脱氧金属作为阴极。插入熔渣中具有特殊结构的阳极电极，在反应过程中至少通过阳极电极可通过自身的旋转来使熔渣得到搅拌，从而使整个熔渣成分均匀，溶氧能力得到提高。

在本实施例中，参见图1和图2，阳极电极的搅拌头形成螺旋式圆盘6结构，螺旋式圆盘6为空心波轮壳体结构，壳体结构上分布设置一系列空心开口，螺旋式圆盘6的转动方向朝向空心开口方向，螺旋式圆盘6的螺旋方向为单一的左螺旋或右螺旋，阳极电极的螺旋式圆盘6进行竖直方向上的螺旋升角转动，驱动距离渣金界面较近处的熔渣8通过搅拌向熔渣层顶部流动，阴极电极10的螺旋式圆盘6进行竖直方向上的反向螺旋升角转动，驱动距离渣金界面较近处的待脱氧钢液9通过搅拌向钢液底部流动，阳极电极的螺旋式圆盘6转动方向和熔渣流动方向如图2所示。在脱氧过程中，调控螺旋式圆盘6以0~20r/min转速对待脱氧钢液9进行搅拌。本实施例的阳极电极为螺旋空心圆盘结构，既可增大阳极电极与熔渣8的接触面积，又可对待脱氧钢液9进行搅拌。本实施例装置利用渣金间外加电场电化学脱氧原理，通过加大阳极电极与熔渣接触面积来增加脱氧速率。在渣金间外加电场脱氧过程中，由于渣金界面处的熔渣具有一定的溶氧限度，使得氧在渣中的扩散往往是限制脱氧速率的环节，本实施例通过特殊的阳极电极结构，通过阳极电极自身旋转来对熔渣8进行搅拌，将距离渣金界面较近处溶氧量达到饱和的熔渣8通过搅拌到达熔渣8表面，与此同时使溶氧未饱和的熔渣8到达渣金界面，增大了界面处熔渣8与待脱氧钢液9的氧容差，也就增大了扩散驱动力，从而达到增大脱氧速率的目的。 

在本实施例中，阳极电极和阴极电极10皆采用金属陶瓷制成，可用金属陶瓷材料浇注成型后再烧结，耐熔渣腐蚀性强，可重复利用，降低成本。 

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图3和图4，阴极电极10与阳极电极具有相同结构，即阴极电极10由浸入待脱氧钢液9中的搅拌头部分和阴极电极10本体的旋转轴5部分采用一体成型，阴极电极10的旋转轴5部分转动安装在炉体7上，阴极电极10能实现可控自旋，金属导线也通过电刷2与阴极电极10的旋转轴5部分电连接，另有一台可调转速电动机4的电主轴同轴传动阴极电极10，可调转速电动机4的电主轴端也通过绝缘材料制作的联轴器3与阴极电极10的端部固定连接，使阴极电极10进行轴向旋转，进而带动阴极电极10的搅拌头部分对待脱氧钢液9进行搅拌，搅拌头部分的转速根据待脱氧钢液9的粘度来调节。在本实施例中，参见图3，阳极装置Ⅰ和阴极装置Ⅱ采用相同的结构，各自通过自旋分别驱动熔渣8和待脱氧钢液9背向流动，通过对熔渣8和待脱氧钢液9的复合搅拌增加渣金间传质过程，显著提高脱氧的效果。

在本实施例中，参见图3和图4，阴极电极10的搅拌头也形成螺旋式圆盘6结构，螺旋式圆盘6为空心波轮壳体结构，壳体结构上分布设置一系列空心开口，螺旋式圆盘6的转动方向朝向空心开口方向，螺旋式圆盘6的螺旋方向为单一的左螺旋或右螺旋，阳极电极的螺旋式圆盘6进行竖直方向上的螺旋升角转动，驱动距离渣金界面较近处的熔渣8通过搅拌向熔渣层顶部流动，阴极电极10的螺旋式圆盘6进行竖直方向上的反向螺旋升角转动，驱动距离渣金界面较近处的待脱氧钢液9通过搅拌向钢液底部流动。阴极电极10的螺旋式圆盘6转动方向和熔渣流动方向如图4所示。通过阴极电极10的螺旋式圆盘6的搅拌可以使钢液底部含氧量比较高的钢液通过空心通道快速到达渣金界面参加脱氧反应，从而进一步提高了脱氧速率。 

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，包括阳极电极、阴极电极（10）、直流电源（1）及其金属导线，所述阳极电极的一端浸入装载在炉体（7）内的待脱氧钢液（9）上方的熔渣（8）中，所述直流电源（1）的正极通过一条所述金属导线与所述阳极电极的一端电连接，所述阴极电极（10）作为底电极安装在所述炉体（7）上，所述阴极电极（10）的一端穿过所述炉体（7）的壳体与待脱氧钢液（9）直接接触，使待脱氧钢液（9）和阴极电极（10）一起构成熔渣（8）的阴极系统，所述阴极电极（10）的另一端通过另一条的所述金属导线与所述直流电源（1）的负极电连接，使所述直流电源（1）、阳极电极和阴极电极（10）之间形成导电通路，并通入直流电流，其特征在于：所述阳极电极由浸入熔渣（8）中的搅拌头部分和阳极电极本体的旋转轴部分采用一体成型制得，所述阳极电极相对于熔渣（8）的空间位置不变，所述阳极电极能实现可控自旋，金属导线通过电刷（2）与所述阳极电极的旋转轴（5）部分电连接，设在所述炉体（7）外部的可调转速电动机（4）的电主轴同轴传动所述阳极电极，所述可调转速电动机（4）的电主轴端通过绝缘材料制作的联轴器（3）与所述阳极电极的端部固定连接，使所述阳极电极进行轴向旋转，进而带动所述阳极电极的搅拌头部分对熔渣（8）进行搅拌，搅拌头部分的转速根据熔渣（8）的粘度来调节；

所述阳极电极和所述阴极电极（10）至少其一的搅拌头形成螺旋式圆盘（6）结构，所述螺旋式圆盘（6）为空心波轮壳体结构，壳体结构上分布设置一系列空心开口，所述螺旋式圆盘（6）的转动方向朝向空心开口方向，所述螺旋式圆盘（6）的螺旋方向为单一的左螺旋或右螺旋，所述阳极电极的螺旋式圆盘（6）进行竖直方向上的螺旋升角转动，驱动距离渣金界面较近处的熔渣（8）通过搅拌向熔渣层顶部流动，所述阴极电极（10）的螺旋式圆盘（6）进行竖直方向上的反向螺旋升角转动，驱动距离渣金界面较近处的待脱氧钢液（9）通过搅拌向钢液底部流动。

2.根据权利要求1所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，其特征在于：所述阴极电极（10）与所述阳极电极具有相同结构，即所述阴极电极（10）由浸入待脱氧钢液（9）中的搅拌头部分和阴极电极本体的旋转轴部分采用一体成型制得，所述阴极电极（10）的旋转轴（5）部分转动安装在所述炉体（7）上，所述阴极电极（10）能实现可控自旋，金属导线也通过电刷（2）与所述阴极电极（10）的旋转轴（5）部分电连接，另有一台可调转速电动机（4）的电主轴同轴传动所述阴极电极（10），所述可调转速电动机（4）的电主轴端也通过绝缘材料制作的联轴器（3）与所述阴极电极（10）的端部固定连接，使所述阴极电极（10）进行轴向旋转，进而带动所述阴极电极（10）的搅拌头部分对待脱氧钢液（9）进行搅拌，搅拌头部分的转速根据待脱氧钢液（9）的粘度来调节。

3.根据权利要求1或2所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，其特征在于：所述阳极电极和所述阴极电极（10）皆采用金属陶瓷制成。

4.根据权利要求1所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，其特征在于：所述阳极电极和所述阴极电极（10）皆采用金属陶瓷制成。

5.根据权利要求1或2所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，其特征在于：所述联轴器（3）由绝缘陶瓷材料制成。

6.根据权利要求1所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，其特征在于：所述联轴器（3）由绝缘陶瓷材料制成。

7.根据权利要求3所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，其特征在于：所述联轴器（3）由绝缘陶瓷材料制成。

8.根据权利要求4所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，其特征在于：所述联轴器（3）由绝缘陶瓷材料制成。

9.根据权利要求1所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置，其特征在于：在脱氧过程中，所述螺旋式圆盘（6）以0~20r/min转速对待脱氧钢液（9）进行搅拌。