CN109047687A - 一种双合金同步重熔制备大型均匀铸锭的装置及方法 - Google Patents

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CN109047687A CN201811216142.6A CN201811216142A CN109047687A CN 109047687 A CN109047687 A CN 109047687A CN 201811216142 A CN201811216142 A CN 201811216142A CN 109047687 A CN109047687 A CN 109047687A
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刘思雨
黄雪驰
柴玉莹
刘中秋
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Abstract

本发明属于电渣重熔和大型装备制造技术领域，尤其涉及一种双合金同步重熔制备大型均匀铸锭的装置及方法。该装置包括冷却水循环系统、供电系统、自耗电极升降装置、电极导杆、自耗电极连接法盘、结晶器和底水箱，还包括内棒外管式双合金自耗电极；内棒外管式双合金自耗电极包括内层棒状和外层管状自耗电极两组电极；两组电极采用成分不同的两种合金材料且与焊接在自耗电极连接法盘的预留焊接头焊接；电极导杆的一端与自耗电极升降装置焊接，另一端与自耗电极连接法盘焊接；冷却水循环系统用于冷却结晶器和底水箱；供电系统的正极与电极导杆连接，负极与底水箱连接。该装置能够有效减少偏析，同时适用于制备大型均匀铸锭。

Description

一种双合金同步重熔制备大型均匀铸锭的装置及方法
技术领域
本发明属于电渣重熔和大型装备制造技术领域，尤其涉及一种双合金同步重熔制备大型均匀铸锭的装置及方法。
背景技术
随着冶金工业的发展，生产的铸锭合金含量逐步增多，这类铸锭尤其是大型铸锭生产过程中容易产生中心偏析。中心偏析及其伴随的疏松级别的增加不仅影响铸坯的后续热加工性能与成材率，也直接影响到轧材产品组织与力学性能稳定性。
目前，在高端钢产品铸造领域仍处于劣势，铸坯的偏析、疏松缺陷得不到有效改善，提升钢铁产品质量已成为企业提高行业竞争力的重要途径。
现阶段提出的减轻中心偏析的方法有如下：(1)加压铸锭法，即将锭模放入压力容器中，在加压的情况下使钢锭凝固，或者在保温帽处盖上特殊的罩，密封起来，再加压使钢锭凝固；(2)搅拌法，即用搅拌棒搅动钢水，以打碎柱状枝晶，细化晶粒，减轻偏析；(3)超声波铸造法，即边利用超声波产生的振动搅拌钢水边进行铸造。但是，以上方法都是实验方法，对大生产是不适用的，因为这些方法相应的设备投资较大，不利于实用。还有一种方法是提高凝固速度法，即通过提高凝固速度来减轻偏析，但锭内气压造成的鼓肚不能通过，存在安全隐患。
日本某厂曾经为了改善用高碳Cr-Mo钢锭制造大型支承辊的偏析问题，开发了AP工艺，即用续浇的低碳钢水稀释原来钢锭心部的钢水成分，以此来减轻中心偏析的危害。但该工艺主要是针对大型支承辊的，不太适用于用电渣重熔技术制备大型铸锭。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种双合金同步重熔制备大型均匀铸锭的装置及方法，该装置采用不同材质的内棒外管状双合金自耗电极，能够有效减少偏析，同时适用于制备大型均匀铸锭。
(二)技术方案
本发明提供一种双合金同步重熔制备大型均匀铸锭的装置，包括冷却水循环系统、供电系统、自耗电极升降装置、电极导杆、自耗电极连接法盘、结晶器和底水箱，还包括内棒外管式双合金自耗电极；
所述内棒外管式双合金自耗电极包括两组电极，分别为内层棒状自耗电极和外层管状自耗电极；
所述内层棒状自耗电极和所述外层管状自耗电极采用成分不同的两种合金材料；
所述内层棒状自耗电极和外层管状自耗电极与焊接在所述自耗电极连接法盘底部的预留焊接头焊接；
所述电极导杆的一端与自耗电极升降装置焊接，另一端与所述自耗电极连接法盘焊接，用于将与所述自耗电极连接法盘相连的内棒外管式双合金自耗电极伸入所述结晶器中；
所述冷却水循环系统用于冷却所述结晶器和底水箱；
所述供电系统的正极与所述电极导杆连接，负极与所述底水箱连接。
如上所述的方案，优选地，所述内棒外管式双合金自耗电极的两组电极长度相等且同轴安装，其中，所述内层棒状自耗电极为实心棒状电极。
如上所述的方案，优选地，所述外层管状自耗电极中间为空心，外边缘形成管状。
如上所述的方案，优选地，所述内层棒状自耗电极包括3～5段易偏析合金元素含量不同的自耗电极段，所述自耗电极段依次焊接形成内层棒状自耗电极；
所述外层管状自耗电极包括3～5段易偏析合金元素含量不同的自耗电极段，所述自耗电极段依次焊接形成外层管状自耗电极。
如上所述的方案，优选地，所述外层管状自耗电极包括均匀分布在所述预留焊接头的由多个小直径棒状自耗电极组成的电极群，所述电极群排成管状围绕所述内层棒状自耗电极。
如上所述的方案，优选地，所述冷却水循环系统采用低进高出的方式进行冷却水循环，包括位于所述结晶器一侧下部设置的结晶器入水口和上部设置的结晶器出水口；
还包括位于所述结晶器侧壁的结晶器壁冷却水缝，用于冷却所述结晶器。
本发明提供的双合金同步重熔制备大型均匀铸锭的装置，可制备大型均匀铸锭的质量为50吨至200吨。
本发明还提供一种采用上述装置制备大型均匀铸锭的方法，包括如下步骤：
S1、确定铸锭凝固过程中容易发生偏析的合金元素，假设c0为铸锭中容易发生偏析的合金元素平均含量，c’为内层棒状自耗电极中该合金元素平均含量。
S2、确定内层棒状自耗电极中易被偏析的合金元素平均含量，根据钢种，正偏析发生在铸锭凝结半径2/3处及以后的位置，则内层棒状自耗电极中易被排斥的合金元素如C的平均含量取：Cc’＝(1/2～2/3)c0；
负偏析发生在铸锭的下部靠外侧，则内层棒状自耗电极中不易被排斥的合金元素如Si的平均含量取：Sic’＝(3/2～3)c0。
S3、根据内层棒状自耗电极中易被偏析的合金元素平均含量，依据保证大型铸锭中各元素平均含量的原则，确定外层管状自耗电极中易被偏析的合金元素平均含量c”，c”＝c0+△，其中△＝c0-c’；
对于铸锭凝固过程中易被排斥的元素C，该元素在外层管状自耗电极中的含量大于在内层棒状自耗电极中的含量；
对于铸锭凝固过程中不易被排斥的元素Si，该元素在外层管状自耗电极中的含量小于在内层棒状自耗电极中的含量。
S4、确定内棒外管式双合金自耗电极中易被偏析的合金元素含量分布，由于在铸锭凝固过程中，易被排斥的合金元素C的含量不断增加且容易富集在铸锭心部，不易被排斥的合金元素Si的含量不断降低且容易富集在铸锭下部靠外侧，因此在保证内棒和外管各自易被偏析的合金元素平均含量的前提下，内棒外管式双合金自耗电极中易被排斥的合金元素C的含量在竖直方向由下至上逐渐减少，不易被排斥的合金元素Si的含量由下至上逐渐增多。
S5、根据内棒外管状双合金自耗电极易被偏析的合金元素平均含量及分布趋势，采用炉外精炼配合连铸技术制备内棒外管状双合金自耗电极。
S6、校正两组电极的同心度和垂直度，并将其焊接在自耗电极法盘底面的预留焊接头上，即完成内棒外管状双合金自耗电极的制备。
S7、进行电渣重熔制备铸锭。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的方法，能够提高铸锭化学成分的均匀性，保证金属质量和使用寿命。由于采用合金含量不同的内棒外管式双合金自耗电极，产生的液滴可以稀释原来铸锭心部的钢水成分，减轻了偏析危害，降低了裂纹敏感性，改善了铸锭心部的塑性指标，使之与普通钢锭相比晶粒尺寸减小，凝固组织致密，从而提高了铸锭化学成分的均匀性，保证金属的质量和使用寿命。
2、本发明提供的方法，改善了铸锭中心的凝固条件。由于铸锭顶部存在高温热源，同时熔化电极的金属熔滴也从上到下向铸锭中的液体传热，改变了铸锭凝固时的热状态，使铸锭实现了从下到上的定向凝固，避免了普通铸锭凝固过程中出现的“结晶雨”现象，消除了铸锭下部的负偏析锥。
3、本发明提供的装置，节约金属，提高金属收得率。由于使铸锭在凝固过程中的收缩不断得到补充，消除了中心疏松和缩孔缺陷，减少了废品率。同时由于保证了冒口最后凝固，可以减小冒口的体积，减少金属消耗；在铸锭浇注完成后，采用电渣加热可以迅速建立正的温度梯度，有效抑制偏析发生的可能性，尤其是铸锭下部的负偏析，使铸锭尾部切除量减小，提高了金属的收得率。
附图说明
图1为本发明实施例1中双合金同步重熔制备大型均匀铸锭的装置示意图；
图2为本发明实施例1中内棒外管式双合金自耗电极的示意图；
图3为本发明实施例2中内棒外管式双合金自耗电极的示意图。
【附图标记说明】
1：升降横臂；2：电极导杆；3：自耗电极连接法盘；4：预留焊接头；5：内层棒状自耗电极；6：外层管状自耗电极；7：结晶器出水口；8：结晶器入水口；9：结晶器壁冷却水缝；10：结晶器；11：底水箱；12：立柱；13：变压器；14：电缆；15：操作平台。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
如图1所示的双合金同步重熔制备大型均匀铸锭的装置包括自耗电极连接法盘、内棒外管式自耗电极、冷却水循环系统、供电系统、自耗电极升降装置、电极导杆2、结晶器10和底水箱11。
所述自耗电极升降装置包括升降横臂1和立柱12。立柱12竖直设置于操作平台15上，立柱12的上方通过滑块与升降横臂1的一端连接，所述滑块内壁设置有若干滚轮，所述滚轮带动所述滑块沿立柱12上下移动，进而带动升降横臂1的上下移动。升降横臂1的另一端与电极导杆2的一端固定连接，电极导杆2正对结晶器10的中心位置，用于控制内棒外管式双合金自耗电极进出结晶器10。
自耗电极连接法盘3一端与电极导杆2焊接，另一端用于与内棒外管式双合金自耗电极连接。自耗电极连接法盘3的底部中心和边缘处凸出设置有预留焊接头4，预留焊接头4可设为凸起的圆环，用于与内棒外管式双合金自耗电极连接。
如图2所示，内棒外管式双合金自耗电极包括两组电极，分别为内层棒状自耗电极5和外层管状自耗电极6，内层棒状自耗电极5套设于外层管状自耗电极6内部。内层棒状自耗电极5为实心棒状，一端通过预留焊接头4与自耗电极连接法盘3焊接在一起，另一端用于浸入结晶器10熔化形成钢锭；外层管状自耗电极6中间为空心，外边缘形成管状，一端通过预留焊接头4与自耗电极连接法盘3焊接在一起，另一端用于浸入结晶器10熔化形成钢锭。
两组电极长度相等，且同轴对齐，但材质不同。优选地，内层棒状自耗电极5和外层管状自耗电极6的用料量相同，即内层棒状自耗电极5的横截面积与外层管状自耗电极6的横截面积相等，且内层棒状自耗电极5与外层管状自耗电极6之间的间隔距离为内层棒状自耗电极5的半径的15％，外层管状自耗电极6的外直径小于结晶器10的内部空心的直径，内层棒状自耗电极5的横截面积与结晶器10的上端面横截面积之比为1：3。上述设置可以使自耗电极的液滴滴落的位置更加科学，有利于结晶器10内渣池的温度均匀分布，从而使钢锭的冶炼凝固效果更好。
由于采用了内棒外管式双合金自耗电极，电极能克服趋肤效应的不利影响，电极端头各处熔化速度快且一致，金属液滴可细化20％～30％，提高了精炼效果，降低了大型钢锭中夹杂物含量，细化了大型钢锭的结晶组织。
同时，由于采用合金含量不同的内棒外管式双合金自耗电极，产生的液滴可以稀释原来铸锭心部的钢水成分，减轻了偏析危害，降低了裂纹敏感性，改善了铸锭心部的塑性指标，使之与普通钢锭相比晶粒尺寸减小，凝固组织致密，从而提高了铸锭化学成分的均匀性，保证金属的质量和使用寿命。
所述供电系统包括变压器13和两根电缆14，变压器13固定在操作平台15上，电流从变压器13流出，通过其中一根电缆14依次流入电极导杆2、自耗电极连接法盘3以及内层棒状自耗电极5中，流经结晶器10中的渣池，最后通过底水箱11和另一根电缆15流回变压器13，使得渣温分布更均匀，加热效果好。
所述冷却水循环系统包括结晶器10和底水箱11。结晶器10一侧上下设置有结晶器入水口8和结晶器出水口7，结晶器冷却水一般采用低进高出的方式进行冷却水循环，冷水从下部结晶器入水口8进入，然后向上蔓延，吸热后从上部结晶器出水口7流出；还包括位于结晶器10侧壁的结晶器壁冷却水缝9，结晶器壁冷却水缝9环绕整个结晶器10的杯壁，这样的话冷却水相当于进入之后就会包围结晶器10的整个圆柱形侧壁，用于冷却结晶器10。在结晶器10的正下方，操作平台15上设置一底水箱11，用于对结晶器10的底部进行降温。冷却水循环系统中，冷却水流过结晶器10和底水箱11，用于冷却渣池和钢液。
本发明的工作原理如下：在电渣重熔过程中，将渣料放入结晶器内，此时渣料会落入结晶器底部。将内棒外管式双合金自耗电极插入渣料中，进行起弧、化渣操作。当渣料变成熔融状态的渣池时，将内棒外管式自耗电极插入渣池内部10mm～50mm处，启动变压器进行通电冶炼。在通电过程中，渣池产生焦耳热将自耗电极端部融化，由固态变成液滴，穿过渣池，落入结晶器中形成金属熔池，且同时受冷却循环系统的作用，迅速凝固形成钢锭。同时，金属熔池将渣池顶起来，渣池浮到结晶器上部。
由于铸锭顶部存在高温热源，同时熔化电极的金属熔滴也从上到下向铸锭中的液体传热，改变了铸锭凝固时的热状态，使铸锭实现了从下到上的定向凝固，避免了普通铸锭凝固过程中出现的“结晶雨”现象，消除了铸锭下部的负偏析锥。
采用双合金同步重熔制备大型均匀铸锭的装置制备大型均匀铸锭的方法，包括如下步骤：
S1、确定铸锭凝固过程中容易发生偏析的合金元素，如C等易发生正偏析的元素(即易被排斥的元素)和Si等易发生负偏析的元素(即不易被排斥的元素)。假设c0为铸锭中容易发生偏析的合金元素平均含量，c’为内层棒状自耗电极中该合金元素平均含量。
S2、确定内层棒状自耗电极中易被偏析的合金元素平均含量。根据钢种，正偏析一般发生在铸锭凝结半径2/3处及以后的位置。以偏析指数为1.5为例计算，建议内层棒状自耗电极中易被排斥的合金元素C的平均含量取Cc’＝(1/2～2/3)c0；
负偏析一般发生在铸锭的下部靠外侧，以偏析指数为0.7为例计算，建议内层棒状自耗电极中不易被排斥的合金元素Si的平均含量取Sic’＝(3/2～3)c0。
S3、根据内层棒状自耗电极中易被偏析的合金元素平均含量，依据保证大型铸锭中各元素平均含量的原则，确定外层管状自耗电极中易被偏析的合金元素平均含量c”，c”＝c0+△，其中△＝c0-c’。
在外层管状自耗电极制备过程中，保证易被排斥的合金元素C的含量，减少不易被排斥的合金元素Si的含量；在内层棒状自耗电极制备过程中，保证不易被排斥的合金元素Si的含量，减少易被排斥的合金元素C的含量。
S4、确定内棒外管式双合金自耗电极中易被偏析的合金元素含量分布。由于在铸锭凝固过程中，易被排斥的合金元素C的含量不断增加且容易富集在铸锭心部，不易被排斥的合金元素Si的含量不断降低且容易富集在铸锭下部靠外侧，因此在保证内棒和外管各自易被偏析的合金元素平均含量的前提下，内棒外管式双合金自耗电极中易被排斥的合金元素C的含量在竖直方向由下至上逐渐减少，不易被排斥的合金元素Si的含量由下至上逐渐增多。
S5、根据内棒外管状双合金自耗电极易被偏析的合金元素平均含量及分布趋势，采用炉外精炼配合连铸技术制备内棒外管状双合金自耗电极。
S6、校正两组电极的同心度和垂直度，并将其焊接在自耗电极法盘底面的预留焊接头上，即完成内棒外管状双合金自耗电极的制备。
S7、进行电渣重熔制备铸锭。
实施例2
实施例2提出另一种双合金同步重熔制备大型均匀铸锭的装置，与实施例1基本相同，不同的地方在于：如图3所示，将外层管状自耗电极6设为均匀分布在预留焊接头4的由多个小直径棒状自耗电极组成的电极群，电极群排成管状围绕内层棒状自耗电极5。其中，电极群的横截面积等于内层棒状自耗电极5的横截面积。电极群的根数一般根据冶炼的钢锭质量的大小而确定，若钢锭质量大，则可以设置8根，若钢锭质量小，则可以设置6根。再根据电极群的根数，确定电极群中每个小直径棒状自耗电极的直径大小。
本发明中，单根棒状自耗电极尺寸较小，制备工艺简单，成本低，容易制得成分均匀、组织致密的棒状自耗电极，减少了电极缺陷进入钢锭的几率，从源头上减轻了大型钢锭偏析等质量问题。
在制备大型铸锭时，内层棒状自耗电极5也可以采用3～5段易偏析合金元素含量不同的自耗电极段，所述自耗电极段依次焊接形成内层棒状自耗电极5。外层管状自耗电极6也可以采用3～5段易偏析合金元素含量不同的自耗电极段，所述自耗电极段依次焊接形成外层管状自耗电极6。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双合金同步重熔制备大型均匀铸锭的装置，包括冷却水循环系统、供电系统、自耗电极升降装置、电极导杆、自耗电极连接法盘、结晶器和底水箱，其特征在于，还包括内棒外管式双合金自耗电极；
所述内棒外管式双合金自耗电极包括两组电极，分别为内层棒状自耗电极和外层管状自耗电极；
所述内层棒状自耗电极和所述外层管状自耗电极采用成分不同的两种合金材料；
所述内层棒状自耗电极和外层管状自耗电极与焊接在所述自耗电极连接法盘底部的预留焊接头焊接；
所述电极导杆的一端与自耗电极升降装置焊接，另一端与所述自耗电极连接法盘焊接，用于将与所述自耗电极连接法盘相连的内棒外管式双合金自耗电极伸入所述结晶器中；
所述冷却水循环系统用于冷却所述结晶器和底水箱；
所述供电系统的正极与所述电极导杆连接，负极与所述底水箱连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内棒外管式双合金自耗电极的两组电极长度相等且同轴安装，其中，所述内层棒状自耗电极为实心棒状电极。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外层管状自耗电极中间为空心，外边缘形成管状。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内层棒状自耗电极包括3～5段易偏析合金元素含量不同的自耗电极段，所述自耗电极段依次焊接形成内层棒状自耗电极；
所述外层管状自耗电极包括3～5段易偏析合金元素含量不同的自耗电极段，所述自耗电极段依次焊接形成外层管状自耗电极。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外层管状自耗电极包括均匀分布在所述预留焊接头的由多个小直径棒状自耗电极组成的电极群，所述电极群排成管状围绕所述内层棒状自耗电极。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷却水循环系统采用低进高出的方式进行冷却水循环，包括位于所述结晶器一侧下部设置的结晶器入水口和上部设置的结晶器出水口；
还包括位于所述结晶器侧壁的结晶器壁冷却水缝，用于冷却所述结晶器。
7.一种采用如权利要求1～6中任一所述的装置制备大型均匀铸锭的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确定铸锭凝固过程中容易发生偏析的合金元素，假设c0为铸锭中容易发生偏析的合金元素平均含量，c’为内层棒状自耗电极中该合金元素平均含量；
S2、确定内层棒状自耗电极中易被偏析的合金元素平均含量，根据钢种，正偏析发生在铸锭凝结半径2/3处及以后的位置，则内层棒状自耗电极中易被排斥的合金元素平均含量取：易被排斥元素c’＝(1/2～2/3)c0；
负偏析发生在铸锭的下部靠外侧，则内层棒状自耗电极中不易被排斥的合金元素平均含量取：不易被排斥元素c’＝(3/2～3)c0；
S3、根据内层棒状自耗电极中易被偏析的合金元素平均含量，依据保证大型铸锭中各元素平均含量的原则，确定外层管状自耗电极中易被偏析的合金元素平均含量c”，c”＝c0+△，其中△＝c0-c’；
对于铸锭凝固过程中易被排斥的元素，该元素在外层管状自耗电极中的含量大于在内层棒状自耗电极中的含量；
对于铸锭凝固过程中不易被排斥的元素，该元素在外层管状自耗电极中的含量小于在内层棒状自耗电极中的含量；
S4、确定内棒外管式双合金自耗电极中易被偏析的合金元素含量分布，在保证内棒和外管各自易被偏析的合金元素平均含量的前提下，内棒外管式双合金自耗电极中易被排斥的合金元素含量在竖直方向由下至上逐渐减少，不易被排斥的合金元素含量在竖直方向由下至上逐渐增多；
S5、根据内棒外管状双合金自耗电极易被偏析的合金元素平均含量及分布趋势，采用炉外精炼配合连铸技术制备内棒外管状双合金自耗电极；
S6、校正两组电极的同心度和垂直度，并将其焊接在自耗电极法盘底面的预留焊接头上，即完成内棒外管状双合金自耗电极的制备；
S7、进行电渣重熔制备铸锭。
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