CN103602824B - 一种基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置及方法，属于电渣重熔技术领域，该装置包括结晶器、自耗电极、导电杆、立柱、底水箱、控制电机、电机支座、减速器、皮带传动装置、旋转轴、导电横臂、真空罩和真空泵。真空泵通过管道连接至真空罩；控制电机和减速器固定连接在电机支座上；减速器通过皮带传动装置连接旋转轴；旋转轴通过法兰盘与导电杆连接；导电杆与自耗电极焊接在一起；自耗电极插入结晶器中形成整个重熔装置。在真空的作用下，钢锭中氧含量和氢含量降低，元素烧损少，钢锭无气孔产生；同时在离心力的作用下，熔速增大，重熔电耗降低，金属液滴得到细化，精炼效果提高，钢锭晶粒得到细化，质量显著提高。

Description

一种基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置及方法

技术领域

本发明属于电渣重熔技术领域，具体是一种基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置及方法。

背景技术

传统电渣重熔是在大气环境下将电流通入自耗电极中，依靠渣池产生的焦耳热将自耗电极熔化，形成的金属液滴在渣池得到精炼，并穿过渣池到达结晶器底部，在冷却水作用下凝固成钢锭。电渣重熔独具提高金属洁净度，控制凝固组织及最终成型达到毛坯精化三重功能。采用该方法生产的钢锭具有组织致密、成分均匀、表面光洁及优异的力学性能等优点。但采用传统电渣重熔方法生产大断面钢锭时，仍然存在着钢锭结晶组织粗大、偏析和晶粒度不均匀等问题。此外，生产高合金钢锭时，元素烧损严重，成分控制困难，气体含量会增加。同时，电耗过高、生产效率低也制约着电渣重熔的发展。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置及方法。

本发明的技术方案是：

一种基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置，包括结晶器、自耗电极、导电杆、立柱和底水箱，底水箱固定于操作平台上，结晶器放置在底水箱上，导电杆的一端与自耗电极的一端固定连接，该装置还包括控制电机、电机支座、减速器、皮带传动装置、旋转轴、导电横臂、真空罩和真空泵； 

所述结晶器上方安装有真空罩，真空泵通过管道连接至真空罩；

所述电机支座套在立柱上，控制电机和减速器均固定连接在电机支座上；

所述减速器的输入端连接控制电机的输出端，减速器的输出端连接皮带传动装置的传动主动轮，皮带传动装置的传动从动轮连接旋转轴，皮带传动装置的传动皮带套在传动主动轮和传动从动轮外，传动从动轮套于旋转轴的一端，旋转轴的另一端与导电杆连接，传动从动轮通过承重轴承安装在导电横臂上。

所述电机支座通过绝缘垫片固定在导电横臂上。

所述旋转轴通过导电轴承与导电横臂连接。

所述传动从动轮与旋转轴之间设置有绝缘密封垫。

所述承重轴承与导电横臂之间设置有绝缘密封垫。

所述旋转轴与真空罩之间采用旋转密封件进行密封。

所述自耗电极与导电杆焊接固定。

所述旋转轴与导电杆通过法兰盘连接。

采用所述的基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置进行电渣重熔的方法，包括以下步骤：

步骤1：通过导电横臂将自耗电极伸入结晶器中；

步骤2：在结晶器上方安装真空罩后连接并启动真空泵，排除真空罩和结晶器内的气体，使绝对真空度处于0.026 kPa ~60.75kPa范围内；

步骤3：将冷却水通入结晶器和底水箱内并投入烘烤好的固态渣料，通过导电横臂将自耗电极插入渣料中；

步骤4：接通交流电源使电流经变压器流向导电横臂，再由导电横臂经导电轴承流向旋转轴，最后流入自耗电极，开始电渣重熔；

步骤5：电渣重熔过程中产生的有害气体在压力差作用下由渣池、金属熔池逐渐向外逸出；

步骤6：当结晶器内钢锭的高度达到结晶器直径大小时，控制电机通过减速器带动皮带传动装置运行，进而带动自耗电极旋转；

步骤7：根据通入自耗电极的电流大小，调整控制电机转速，使自耗电极转速在50rpm~200rpm范围内；

步骤8：电渣重熔过程开始补缩时，逐渐减小电流，同时降低自耗电极转速；

步骤9：待自耗电极全部融化后，关闭交流电源和控制电机，保持真空泵继续运行，结晶器和底水箱内的冷却水继续循环直至钢锭完全冷却，即完成整个电渣重熔过程。

有益效果：

本发明的基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置，在离心力作用下，熔速增大，效率提高，最大可达25%，重熔电耗降低。同时金属液滴得到细化，运动路径延长，最大可为不旋转情况下的2倍，充分提高了液滴精炼效果，降低了夹杂物含量。旋转自耗电极对渣池起到搅拌作用，使渣池温度分布更加均匀，起到细化晶粒的作用。电极的旋转能够使金属熔池变浅平，大大减少了晶间偏析、内部疏松等质量问题。在真空环境中的压力差作用下，水蒸气和其他有害气体易于排除，有利于熔渣的干燥，防止金属熔池的氧化和气体的进入；金属液滴在滴落过程中可实现真空去气，避免有害气体和金属液滴发生化学反应，降低了金属液滴的氧含量和氢含量，确保钢锭中无气孔；真空环境中元素烧损少，金属收得率高；同时消除了白点及年轮状偏析，显著提高钢锭质量。

附图说明

图1本发明具体实施方式的基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置结构示意图；

   （a）为基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置的旋转控制部分结构示意图；

   （b）为基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置整体结构示意图； 

其中，1-控制电机，2-减速器，3-电机支座，4-传动主动轮，5-传动从动轮，6-传动皮带，7-承重轴承，8-导电轴承，9-导电横臂，10-旋转轴，11-真空罩，12-法兰盘，13-导电杆，14-自耗电极，15-金属熔池，16-结晶器，17-钢锭，18-底水箱，19-真空泵，20-操作平台，21-立柱，22-绝缘垫片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

实施例1

基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置，如图1（a）和（b）所示，包括结晶器16、自耗电极14、导电杆13、立柱21和底水箱18，底水箱18固定于操作平台20上，结晶器16放置在底水箱18上，导电杆13的一端与自耗电极14的一端焊接固定，该装置还包括控制电机1、电机支座3、减速器2、皮带传动装置、旋转轴10、导电横臂9、真空罩11和真空泵19；控制电机1的型号为YVP355M2-90kW-10p，减速器2的型号为BLY27-11-11，真空泵的型号为2XZ-15B，自耗电极采用201不锈钢。

结晶器16上方安装有真空罩11，真空泵19通过管道连接至真空罩11，熔化的金属液滴从自耗电极14端头滴落，穿过渣层形成金属熔池15，在结晶器16的强制冷却下逐渐凝固形成钢锭，重熔过程结束后，分离真空罩11，抬起结晶器16，使其与底水箱18分离，重熔后的钢锭便从结晶器16中脱落。

如图1（a）所示，该电渣重熔装置的旋转控制部分包括控制电机1、电机支座3、减速器2、皮带传动装置、旋转轴10和导电横臂9；电机支座3套在立柱上，控制电机1和减速器2均固定连接在电机支座3上；电机支座3通过绝缘垫片22固定在导电横臂9上。控制电机1、减速器2能与自耗电极14一同升降。减速器2与旋转轴10之间靠传动皮带6传动，传动从动轮5通过轴键与旋转轴10固定在一起，传动从动轮5与旋转轴10之间设置有绝缘密封垫。

减速器2的输入端连接控制电机1的输出端，减速器2的输出端连接皮带传动装置的传动主动轮4，皮带传动装置的传动从动轮5连接旋转轴10，皮带传动装置的传动皮带6套在传动主动轮4和传动从动轮5外，传动从动轮5套于旋转轴10的一端，旋转轴10的另一端与导电杆13连接，传动从动轮5通过承重轴承7安装在导电横臂9上，承重轴承7与导电横臂9之间设置有绝缘密封垫，防止电流进入控制电机1。传动从动轮5、旋转轴10、导电杆13与自耗电极14的重量通过承重轴承7施加在导电横臂9上。

旋转轴10通过导电轴承8与导电横臂9连接，电流由导电横臂9通过导电轴承8流入旋转轴10，然后流向导电杆13和自耗电极14。旋转轴10与导电杆13通过法兰盘12连接，通过调整控制电机1的转速来控制自耗电极14的转速。自耗电极14旋转会产生离心力，在离心力作用下，金属液滴将被甩离自耗电极14端头，在渣层中呈现螺旋线方式下落.旋转轴10与真空罩22之间采用旋转密封件进行密封。

采用基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置进行电渣重熔的方法，按以下步骤进行：

步骤1：通过导电横臂将自耗电极伸入结晶器中；

步骤2：在结晶器上方安装真空罩后连接并启动真空泵，排除真空罩和结晶器内的气体，使绝对真空度处于0.026 kPa ~60.75kPa范围内，本实施例中绝对真空度为0.093 kPa；

步骤3：将冷却水通入结晶器和底水箱内并投入烘烤好的固态渣料，通过导电横臂将自耗电极插入渣料中；

本实施例的渣料采用二元渣系，渣重2kg，其配比为CaF₂70%、Al₂O₃30%（重量比）。在电渣重熔前，先将固态渣在400℃下烘烤5小时，去除渣料中的水分，然后将烘烤好的固态渣料投入结晶器中；

步骤4：接通交流电源使电流经变压器流向导电横臂，再由导电横臂经导电轴承流向旋转轴，最后流入自耗电极，开始电渣重熔；

本实施例的重熔电压为45V，电流为1300A，采用固态渣引弧；

步骤5：电渣重熔过程中产生的有害气体在压力差作用下由渣池、金属熔池逐渐向外逸出；

步骤6：当结晶器内钢锭的高度达到结晶器直径大小时，控制电机通过减速器带动皮带传动装置运行，进而带动自耗电极旋转；

步骤7：根据通入自耗电极的电流大小，调整控制电机转速，使自耗电极转速在50rpm~200rpm范围内；

结晶器内重熔钢锭高度达到120mm时，启动电机，调整电机转速，使自耗电极旋转速度为100rpm。此时，自耗电极端头的金属液滴在离心力作用下以螺旋线方式在渣池中运动，运动路径延长，精炼反应更加充分，夹杂物含量减少。进入金属熔池后，对金属熔池的冲击变大，熔池变浅平，大大降低了晶间偏析、内部疏松等质量问题。另外旋转自耗电极对渣池起到搅拌作用，渣池温度变的更加均匀，起到细化晶粒的效果；

步骤8：电渣重熔过程开始补缩时，逐渐减小电流，同时降低自耗电极转速；

步骤9：待自耗电极全部融化后，关闭交流电源和控制电机，保持真空泵继续运行，结晶器和底水箱内的冷却水继续循环直至钢锭完全冷却，即完成整个电渣重熔过程。

43分钟之后，重熔完成，最终获得直径为120mm，高为500mm的钢锭。将电渣重熔后获得的钢锭通过1050℃正火和280℃回火热处理后，钢锭力学性能为：抗拉强度σ_b/575MPa，屈服点σ_s/410 MPa，伸长率δ/26.8%，冲击功Akv/164J。

为了对比本实施例的基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置及方法对钢锭质量的影响，采用普通电渣重熔方法制备钢锭，其中自耗电极、渣系、渣量、电压、电流、重熔工艺和引弧方法都与本实施例一样。不同的是在整个重熔过程中，不启动真空泵，自耗电极也不旋转。经过50分钟后获得直径为120mm，高为500mm的钢锭。将电渣重熔后获得的钢锭通过1050℃正火和280℃回火热处理后，钢锭力学性能为：σ_b/520 MPa，σ_s/380 MPa，δ/21.5%，Akv/136J。对比可知，在电流相同情况下，本实施例的基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置及方法，电渣重熔效率提高了14%，σ_b提高了9.6%，σ_s提高了7.3%，δ提高了19.8%，Akv提高了17.1%。

实施例2

本实施例的基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置与实施例1相同，自耗电极、渣系、渣量、电压、重熔工艺和引弧方法均与实施例1一样。本实施例的电流为1800A，电级转速为140rpm，绝对真空度达到0.076 kPa，经过28分钟后获得直径为120mm，高为500mm的钢锭。将电渣重熔后获得的钢锭通过1050℃正火和280℃回火热处理后，钢锭力学性能为：σ_b/551 MPa，σ_s/397 MPa，δ/23%，Akv/148J。

为了对比本实施例的基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置及方法对钢锭质量的影响，采用普通电渣重熔方法制备钢锭，其中，自耗电极、渣系、渣量、电压、电流、重熔工艺和引弧方法都与实施例2一样，但整个重熔过程不启动真空泵，也不旋转自耗电极。经过35分钟后获得直径为120mm，高为500mm的钢锭。将电渣重熔后获得的钢锭通过1050℃正火和280℃回火热处理后，钢锭力学性能为：σ_b/486 MPa，σ_s/370 MPa，δ/20.2%，Akv/124J。对比可知，在电流相同情况下，电渣重熔效率提高了20%，σ_b提高了11.8%，σ_s提高了6.8%，δ提高了12.2%，Akv提高了16.2%。

Claims (4)

1.一种基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置，包括结晶器、自耗电极、导电杆、立柱和底水箱，底水箱固定于操作平台上，结晶器放置在底水箱上，导电杆的一端与自耗电极的一端固定连接，其特征在于：还包括控制电机、电机支座、减速器、皮带传动装置、旋转轴、导电横臂、真空罩和真空泵； 

所述结晶器上方安装有真空罩，真空泵通过管道连接至真空罩；

所述电机支座套在立柱上，控制电机和减速器均固定连接在电机支座上；

所述减速器的输入端连接控制电机的输出端，减速器的输出端连接皮带传动装置的传动主动轮，皮带传动装置的传动从动轮连接旋转轴，皮带传动装置的传动皮带套在传动主动轮和传动从动轮外，传动从动轮套于旋转轴的一端，旋转轴的另一端与导电杆连接，传动从动轮通过承重轴承安装在导电横臂上；

所述电机支座通过绝缘垫片固定在导电横臂上；

所述旋转轴通过导电轴承与导电横臂连接；

所述传动从动轮与旋转轴之间设置有绝缘密封垫；

所述承重轴承与导电横臂之间设置有绝缘密封垫；

所述旋转轴与真空罩之间采用旋转密封件进行密封。

2.根据权利要求1所述的基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置，其特征在于：所述自耗电极与导电杆焊接固定。

3.根据权利要求1所述的基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置，其特征在于：所述旋转轴与导电杆通过法兰盘连接。

4.采用权利要求1所述的基于真空环境下旋转自耗电极的电渣重熔装置进行电渣重熔的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过导电横臂将自耗电极伸入结晶器中；

步骤2：在结晶器上方安装真空罩后连接并启动真空泵，排除真空罩和结晶器内的气体，使绝对真空度处于0.026 kPa ~60.75kPa范围内；

步骤3：将冷却水通入结晶器和底水箱内并投入烘烤好的固态渣料，通过导电横臂将自耗电极插入渣料中；

步骤4：接通交流电源使电流经变压器流向导电横臂，再由导电横臂经导电轴承流向旋转轴，最后流入自耗电极，开始电渣重熔；

步骤5：电渣重熔过程中产生的有害气体在压力差作用下由渣池、金属熔池逐渐向外逸出；

步骤6：当结晶器内钢锭的高度达到结晶器直径大小时，控制电机通过减速器带动皮带传动装置运行，进而带动自耗电极旋转；

步骤7：根据通入自耗电极的电流大小，调整控制电机转速，使自耗电极转速在50rpm~200rpm范围内；

步骤8：电渣重熔过程开始补缩时，逐渐减小电流，同时降低自耗电极转速；

步骤9：待自耗电极全部融化后，关闭交流电源和控制电机，保持真空泵继续运行，结晶器和底水箱内的冷却水继续循环直至钢锭完全冷却，即完成整个电渣重熔过程。