CN110076309B - 一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置及方法 - Google Patents

一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置，包括脉冲电源、示波器以及一对片状电极，所述一对片状电极相对设置在结晶器的内外两侧，所述脉冲电源以及示波器与所述片状电极电性连接。本发明还公开了一种采用上述电脉冲装置局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的方法。本发明能够有效提高保护渣局部的结晶率，改善保护渣控制传热的能力，同时可以调控局部保护渣的流变性，有利于渣膜均匀分布，从而改善铸坯质量。

Description

一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装 置及方法
技术领域
本发明属于钢铁连铸技术领域，尤其涉及一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置及方法。
背景技术
连铸结晶器保护渣是连铸过程中重要的功能材料，在连铸结晶器内发挥绝热保温、防止液面结壳、隔绝空气、防止钢水二次氧化、改善铸坯润滑条件、控制传热以及吸收非金属夹杂等重要作用，因此冶炼过程中,连铸保护渣性能对连铸过程的顺利进行以及钢材质量都有极大的影响。
在连铸过程中，保护渣首先经人工或加样机加入结晶器，在吸收了钢水(约1500℃)的热量后，与钢液接触的保护渣发生熔化，并在钢水表面形成一层液渣层。液态保护渣在结晶器泵吸作用的带动下会流入坯壳与结晶器壁的间隙，从而形成一层保护渣膜结构。流入间隙的这部分液态保护渣，遇到水冷结晶器壁因急冷而发生凝固，一部分会形成固态保护渣。一般来说，结晶器壁与坯壳之间的保护渣膜依次分为玻璃层、结晶层和液态层。渣膜内的结晶层主要作用是控制传热，传热太快或传热不均匀，都会产生热应力，容易导致铸坯裂纹；反之，传热太慢或传热不充分，由于凝固坯壳太薄，易产生鼓肚，甚至发生拉漏事故。因此，对保护渣的结晶以及相变过程进行调控对改善铸坯质量具有非常重要的理论和现实意义。而目前对保护渣结晶性能进行调控主要是通过改变保护渣成分来实现的，改变成分就导致全部保护渣的结晶性能都发生改变，同时也会导致保护渣其他物理化学性能的变化。所以采用其他手段对局部保护渣相态分布进行调控就具有重要的理论和现实意义。
从文献检索的情况来看，虽然目前有少量利用电脉冲对连铸结晶器保护渣相态调控的专利，但全部是对保护渣整体性能的改变与调控，没有针对渣膜局部缺陷的调控方法。比如说公开号为CN 108746533A的专利《一种脉冲电流控制连铸结晶器保护渣结晶度的方法》，公开的是一种利用脉冲电流实时控制保护渣结晶度的方法，虽然能调控连铸结晶器保护渣的结晶行为，但无法只改变局部渣膜的性质同时不影响其他位置保护渣结晶情况，不能解决铸坯局部缺陷的问题；公开号为CN 107622726A的专利《一种电脉冲作用下连铸结晶器内保护渣结晶与传热行为的模拟装置及方法》公开了一种施加电脉冲调控连铸结晶器内保护渣结晶与传热行为的模拟装置及方法，但同样是通过改变结晶器内所有保护渣的性质进行调控。
发明内容
本发明首次开发出了局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的脉冲装置以及完善了该装置的使用方法。
本发明的目的之一在于提供一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置及方法。该方法能够有效的控制结晶器壁与坯壳间局部保护渣的凝固、结晶行为，改善渣膜传热条件，很好地防止了渣膜分布不均、传热不均匀等造成的铸坯表面质量问题。
本发明一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置，其包括脉冲电源、电极支架、示波器以及一对片状电极，连接杆A、连接杆B；所述一对片状电极由片状电极C、片状电极D构成；所述连接杆A上设有绝缘保护套；所述连接杆A的一端与片状电极C相连，另一端用导线与脉冲电源相连，或另一端用导线通过示波器与脉冲电源相连；所述连接杆的材质为刚性材质、优选为金属材质，所述绝缘保护套的材质为陶瓷材质；
所述片状电极D通过连接杆B及导线连接到脉冲电源上，或所述片状电极D通过连接杆B及导线连接到示波器上，所述示波器与脉冲电源相连；
所述一对片状电极相对设置在结晶器的内外两侧，且片状电极C位于结晶器的内侧，所述片状电极D位于结晶器的外侧；所述片状电极C不溶于钢液中；
所述电极支架固定设置在所述结晶器的顶部，所述一对片状电极连接于所述电极支架上；所述片状电极C通过连接杆A与所述电极支架连接，有两处连接点，分别在连接杆A、绝缘保护套上且连接处与电极支架绝缘。
在本发明中，之所以采用金属连接杆A，是因为需要实现片状电极C与结晶器的同频振动，常规的导线根本无法实现作业。同时金属连接杆A采用绝缘保护套保护，是因为在应用时，该连接杆A直接与钢液以及保护渣接触会导致电场分散，降低调控精准性。之所以选用氧化铝、氧化镁、氧化锆中的至少一种作为陶瓷材质，是因为这些陶瓷的耐热温度高；且抗侵蚀性好，不会对钢液和保护渣的成分造成很大影响。同时，在结晶器在振动时，保护渣和钢液是具有一定的粘度的，选用这些陶瓷材质配合连接杆A和电极支架可以尽可能的实现片状电极D、片状电极C与结晶器的振动频率、振动幅度保持一致。这是本发明的首创。
本发明一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置，所述电极支架带动一对片状电极进行同频率、同幅度振动。在本发明中所述同频率、同幅度振动指的是，电极与结晶器的振动频率和振动幅度一致，且两个电极之间的振动频率和幅度是一致的。
本发明一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置，所述连接杆A的高度大于等于(结晶器+电极支架)的高度，所述绝缘保护套的高度大于结晶器的高度。这样设计，是为了避免连接杆直接接触钢液和保护渣使电场分散；而且由于连接杆与绝缘保护套是刚性的，这就进一步确保了两个电极之间的振动频率和幅度是一致的，而且其振动频率和振动幅度分别与结晶器的该种参数一致。这样设计，有利于使用过程中的极片的精准定位，进而达到对设定区域精准调控的目的。作为进一步的优选方案，本发明片状电极C通过连接杆A和绝缘保护套共同连接到电极支架上。
本发明一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置，所述陶瓷材质选自氧化铝、氧化镁、氧化锆中的至少一种；
所述连接杆A和片状电极C的材质选自Mo、W中的至少一种。
本发明一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置，所述电极支架与片状电极均可调整位置，使需调控区域位于两片电极之间。
本发明一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置，两片状电极于结晶器侧壁相平行设置。
本发明一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置，插入结晶器内的片状电极距结晶器内壁2-15mm，位于结晶器外侧的片状电极直接与结晶器外壁连接。
本发明一种使用权利电脉冲装置局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的方法，包括如下步骤：
步骤一：连接电路
连接两块片状电极、连接杆A、连接杆B、示波器、脉冲电源，并固定到电极支架上；
步骤二：放置电极
将电极支架安装到结晶器壁上，调整支架与电极位置，使得片状电极D连接到结晶器壁外侧，片状电极C插入结晶器内，使所需调控渣膜位于两电极之间；
步骤三：施加电流
打开脉冲电源，在两块电极间施加指定参数的脉冲电流，通电一段时间后关闭电源，取出片状电极，通过铸坯表面质量以及结晶器内温度等参数观察调控效果。
本发明一种使用权利电脉冲装置局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的方法，电脉冲峰值电流在1～10000A，输出电压在0～380V，频率在10～200Hz，占空比为0.25～0.75，通电时间为1～10min。
作为优选方案，本发明一种使用权利电脉冲装置局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的方法，电脉冲峰值电流在20～150A，输出电压在20～36V，频率在30～60Hz，占空比为0.4～0.7，通电时间为2～8min。
本发明的原理：
目前对保护渣结晶性能进行调控主要是通过改变保护渣成分来实现的，改变成分就导致全部保护渣的结晶性能都发生改变，同时也会导致保护渣其他物理化学性能的变化。而本发明利用电脉冲对结晶器渣道内保护渣相态分布进行局部调控，能够有效提高保护渣局部的结晶率，改善保护渣控制传热的能力，同时可以调控局部保护渣的流变性，有利于渣膜均匀分布，从而改善铸坯质量。
脉冲电流的主要作用是：局部改变熔渣粘度，控制渣膜厚度，调整保护渣结晶率，控制局部渣膜的相态分布更加符合钢种连铸要求。片状电极的主要作用是：施加不均匀的电场，在两片电极中间位置电场强度较大，保护渣性质改变更为显著，从而在不影响其余部位渣膜的条件下调控局部渣膜结晶与相变行为。采用钼、钨制电极和连接杆的目的是：钼、钨熔点高，电极及连接杆可反复利用，同时利用其刚性，为两片电极的同频振动提供必要条件。
在本发明中，之所以采用金属连接杆A，是因为需要实现片状电极C与结晶器的同频振动，常规的导线根本无法实现作业。同时金属连接杆A采用绝缘保护套保护，是因为在应用时，该连接杆A直接与钢液以及保护渣接触会导致电场分散，降低调控精准性。之所以选用氧化镁、氧化锆中的至少一种作为陶瓷材质，是因为这些陶瓷的耐热温度高；且抗侵蚀性好，不会对钢液和保护渣的成分造成很大影响。同时，在结晶器在振动时，保护渣和钢液是具有一定的粘度的，选用这些陶瓷材质配合连接杆A和电极支架可以尽可能的实现片状电极D、片状电极C与结晶器的振动频率、振动幅度保持一致。这是本发明的首创。
本发明于现有技术的本质区别在于以及实施难点在于：要实现电极与结晶器的同频、同幅度振动；所以本发明通过采用带有绝缘保护套的刚性导电连接杆，在减少电场分散的同时，确保电极与结晶器的振动频率和振动幅度一致，且两个电极之间的振动频率和幅度是一致的。
本发明一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置，所述连接杆A的高度大于等于(结晶器+电极支架)的高度，所述绝缘保护套的高度大于结晶器的高度。这样设计，是为了避免连接杆直接接触钢液和保护渣使电场分散；而且由于与连接杆绝缘保护套是刚性的，这就进一步确保了两个电极之间的振动频率和幅度是一致的，而且其振动频率和振动幅度分别与结晶器的该种参数一致。这样设计，有利于使用过程中的极片的精准定位，进而达到对设定区域精准调控的目的。作为进一步的优选方案，本发明片状电极C通过连接杆A和绝缘保护套共同连接到电极支架上。
本发明电脉冲参数及通电时间的选择依据是：该参数下调控相态分布的效率高，能耗低，安全性较高，同时对调控区域外渣膜影响小。
与现有技术相比较本发明所具有的优势：
1)设备装置简单。本发明由四个主要部件构成，设备简单，且操作过程较少，使用方法简单。
2)调控保护渣结晶能力强。通过施加一定参数的脉冲电流，从而来改变液态渣的离子结构，可有效改变保护渣结晶度，从而改变渣膜的相态分布，调控传热过程。
3)可调控局部保护渣的流变性。通过施加一定参数的脉冲电流改变液态渣粘度，能够调控渗渣过程，促进渣膜均匀分布。
4)可局部调控。通过在两块片状电极间施加的电场较为密集，在不改变保护渣整体性质的同时，可调控两块电极间的液态渣性质，从而实现局部调控相态分布的目的，减少局部渣膜性能不佳带来的问题。
5)本发明的调整精度高，由于实现了同频、同幅度振动，使得本发明所开发的设备在使用时，其实际调整区域和设计的调整区域是完全一致的。
综上所述，本发明之电脉冲局部调控连铸结晶器内保护渣结晶、相变的方法能够有效的控制结晶器壁与坯壳间局部保护渣的凝固、结晶行为，改善渣膜传热条件，能够很好、很精准的处理结晶器内渣膜布局分布不均、局部传热不均匀等造成的铸坯表面质量问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明片状电极与导线连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置，包括脉冲电源1、示波器2、电极支架3，连接杆A、连接杆B以及一对片状电极C、D；电极支架3使用时固定于结晶器侧壁4上，随结晶器振动；一对片状电极C、D通过连接杆A、B固定于电极支架3上并且相对设置在结晶器侧壁4的内外两侧，使需调控区域位于两片电极C、D之间。一对片状电极C、D通过连接杆A、B与脉冲电源1、示波器2连接，组成脉冲电路。本实施例，通过在一对片状电极C、D之间施加不均匀的电场，在两片电极C、D中间位置电场强度较大，使得一对电极C、D之间的保护渣性质改变更为显著，从而在不影响其余部位渣膜的条件下调控局部渣膜结晶与相变行为。为方便使需调控区域位于两片电极C、D之间，电极支架3与片状电极C、D在结晶器侧壁上的位置均可进行调整。
需要说明的是，片状电极C材质为Mo或W、边长为3～10cm、厚度1～3mm的薄片，插入结晶器内使用；片状电极D为铁或铜制，尺寸相同，可与结晶器侧壁外表面连接，电极C采用Mo或W制作，熔点高，电极可反复利用。
参见图2，为阻止连接杆A与熔融保护渣接触，减小电场的分散程度，使电场分布集中与两片电极之间，插入结晶器渣道内连接杆A由绝缘保护套保护，绝缘保护套材料为氧化铝、氧化镁或氧化锆。
一种使用上述电脉冲装置局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的方法，包括如下步骤：
步骤一：连接电路
将两块片状电极通过导线与脉冲电源1连接，并固定到电极支架3上；
步骤二：放置电极
确定需调控相态的渣膜位置后，将电极支架放到正上方的结晶器侧壁上并固定，调整支架与电极位置，一支电极连接到结晶器侧壁外侧，一支电极插入结晶器内并与结晶器侧壁平行，使所需调控渣膜位于两电极之间，如图1所示。
步骤三：施加电流
打开脉冲电源1，在两块电极间施加指定参数的脉冲电流，通电一段时间后关闭电源，取出片状电极，通过铸坯表面质量以及结晶器内温度等参数观察调控效果。
本实施例中电脉冲峰值电流在1～10000A，优选为20～150A，输出电压在0～380V，优选为20～36V，频率在10～200Hz，优选为30～60Hz，占空比为0.25～0.75，优选为0.4～0.7，通电时间为1～10min，优选为2～8min。
本发明能够有效提高保护渣局部的结晶率，改善保护渣控制传热的能力，同时可以调控局部保护渣的流变性，有利于渣膜均匀分布，从而改善铸坯质量。
以下根据具体的实验实施例进行说明。
实施例1
采用图1所示局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置对304不锈钢连铸中传热过大的局部区域进行调控，使用电脉冲峰值电流在30A，输出电压在24V，频率在60Hz，占空比为0.6，通电时间为6min，电极距结晶器内壁11mm。
经观察和取样检测，该部位铸坯裂纹显著减少，渣膜平均厚度为2.7mm，分布均匀，结晶率为83％，晶粒尺寸变大，该部位热流减小95KW/m2。
实施例2
采用图1所示局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置对IF钢连铸中传热过大的局部区域进行调控，使用电脉冲峰值电流在120A，输出电压在20V，频率在45Hz，占空比为0.3，通电时间为5min，电极距结晶器内壁8mm。
经观察和取样检测，该部位铸坯裂纹显著减少，渣膜平均厚度为3.7mm，分布均匀，结晶率为86％，晶粒尺寸变大，该部位热流减小138KW/m2。
实施例3
采用图1所示局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置对高锰钢连铸中传热过大的局部区域进行调控，使用电脉冲峰值电流在60A，输出电压在32V，频率在30Hz，占空比为0.4，通电时间为8min，电极距结晶器内壁13mm。
经观察和取样检测，该部位铸坯裂纹显著减少，渣膜平均厚度为3.3mm，分布均匀，结晶率为90％，晶粒尺寸变大，该部位热流减小146KW/m2。
实施例4
采用图1所示局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置对高铝钢连铸中传热过大的局部区域进行调控，使用电脉冲峰值电流在45A，输出电压在28V，频率在20Hz，占空比为0.7，通电时间为3min，电极距结晶器内壁5mm。
经观察和取样检测，该部位铸坯裂纹显著减少，渣膜平均厚度为1.9mm，分布均匀，结晶率为92％，晶粒尺寸变大，该部位热流减小103KW/m2。
实施例5
采用图1所示局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置对弹簧钢连铸中传热过大的局部区域进行调控，使用电脉冲峰值电流在80A，输出电压在25V，频率在50Hz，占空比为0.5，通电时间为4min，电极距结晶器内壁15mm。
经观察和取样检测，该部位铸坯裂纹显著减少，渣膜平均厚度为2.2mm，分布均匀，结晶率为81％，晶粒尺寸变大，该部位热流减小82KW/m2。
实施例6
采用图1所示局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置对帘线钢连铸中传热过大的局部区域进行调控，使用电脉冲峰值电流在110A，输出电压在36V，频率在40Hz，占空比为0.7，通电时间为5min，电极距结晶器内壁9mm。
经观察和取样检测，该部位铸坯裂纹显著减少，渣膜平均厚度为2.5mm，分布均匀，结晶率为91％，晶粒尺寸变大，该部位热流减小93KW/m2。
发明人在技术开发过程中，还尝试了不采用金属连接杆A直接用导线的方案，效果不理想。
发明人在技术开发过程中，还尝试了不采用金属连接杆A和绝缘保护套保护的方案，效果更加不理想。甚至出现实验直接失败的情况。
发明人在技术开发过程中，还尝试了连接杆A采用刚性材质、连接杆B直接用导线替代，但实施时，极易出现非同频振动的情况，导致实验效果不理想。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的电脉冲装置，其特征在于：包括脉冲电源（1）、示波器（2）、电极支架（3）以及一对片状电极，连接杆（A）、连接杆（B）；所述一对片状电极由片状电极（C）、片状电极（D）构成；所述连接杆（A）上设有绝缘保护套；所述连接杆（A）的一端与片状电极（C）相连，另一端用导线与脉冲电源相连，或另一端用导线通过示波器与脉冲电源相连；连接杆的材质为金属材质，所述绝缘保护套的材质为陶瓷材质；
所述片状电极（D）通过连接杆（B）及导线连接到脉冲电源上，或所述片状电极（D）通过连接杆（B）及导线连接到示波器上，所述示波器与脉冲电源相连；
所述一对片状电极相对设置在结晶器的内外两侧，且片状电极（C）位于结晶器的内侧，所述片状电极（D）位于结晶器的外侧；所述片状电极（C）不溶于钢液中； 插入结晶器内的片状电极距结晶器内壁2-15mm，位于结晶器外侧的片状电极直接与结晶器外壁连接；
所述电极支架固定设置在所述结晶器的顶部，所述一对片状电极连接于所述电极支架上；所述片状电极（C）通过连接杆（A）与所述电极支架连接，有两处连接点，分别在连接杆（A）、绝缘保护套上且连接处与电极支架绝缘。
2.根据权利要求1所述的电脉冲装置，其特征在于：结晶器振动时，所述电极支架带动一对片状电极随结晶器进行同频率、同幅度振动。
3.根据权利要求1所述的电脉冲装置，其特征在于：所述连接杆（A）的高度大于等于结晶器加电极支架的高度之和，所述绝缘保护套的高度大于结晶器的高度。
4.根据权利要求3所述的电脉冲装置，其特征在于：
所述陶瓷材质选自氧化铝、氧化镁、氧化锆中的至少一种；
所述连接杆（A）和片状电极（C）的材质选自Mo、W中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的电脉冲装置，其特征在于：所述电极支架与片状电极均可调整位置，使需调控区域位于两片电极之间。
6.一种使用权利要求1-5任一项所述的电脉冲装置局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：连接电路
连接两块片状电极、连接杆（A）、连接杆（B）、示波器、脉冲电源，并固定到电极支架上；
步骤二：放置电极
将电极支架安装到结晶器壁上，调整支架与电极位置，使得片状电极（D）连接到结晶器壁外侧，片状电极（C）插入结晶器内，使所需调控渣膜位于两电极之间；
步骤三：施加电流
打开脉冲电源，在两块电极间施加指定参数的脉冲电流，通电一段时间后关闭电源，取出片状电极，通过铸坯表面质量以及结晶器内温度参数观察调控效果。
7.根据权利要求6所述的一种使用电脉冲装置局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的方法，其特征在于：电脉冲峰值电流在1~10000A，输出电压在0~380V，频率在10~200Hz，占空比为0.25~0.75，通电时间为1~10min。
8.根据权利要求7所述的一种使用电脉冲装置局部调控连铸结晶器渣道内保护渣相态分布的方法，其特征在于：电脉冲峰值电流在20~150A，输出电压在20~36V，频率在30~60Hz，占空比为0.4~0.7，通电时间为2~8min。
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