CN110195140A - 一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高纯直接还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，首先使用真空间隙式给料机构，将高纯还原铁从炉盖加入到感应熔炼坩埚中进行熔炼，熔炼后的金属液体达到浇注温度时打开分离环进入熔炼坩埚底部的水冷结晶器，金属液体和导杆头部的牵引头冷凝结晶形成一体，金属液体经结晶器冷却形成铸坯，冷却后的铸坯经过牵引、导杆、导轮、导轨组成的拉坯机构，通过拉—推—停周期性的往复运动，由拉坯机构中的伺服电机及智能控制单元来完成主体的过程控制实现垂直连续铸坯。本发明能够利用低真空感应熔炼技术配合高纯直接还原铁，在低真空下用高纯直接还原铁生产熔炼纯铁棒坯，不存在常规熔炼的合金化问题，降低生产成本，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及真空熔炼和真空铸造技术领域，尤其涉及一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法。
背景技术
人类社会的不断进步，新型工业，尖端工业，雨后春笋般不断涌现，高温合金、高熵合金、非晶合金、稀土永磁等行业的发展更是日新月异，这些行业有一个共性，那就是需要一种基础性工业原料---熔炼纯铁，这种熔炼纯铁目前只能依靠极少数具备先进大钢铁工业流程的企业来生产，而大钢铁长流程生产熔炼纯铁实属小众，大工业钢铁流程产能大，产品外形尺寸大，为了适应熔炼纯铁的要求，必须进行大量的切割加工后方可进行棒材轧制，这肯定是既不经济也不合理的一种流程。另外，传统的连续铸造模式里有导流槽，滤渣器，中间包等环节，环节越多金属液体和耐火材料的接触就越多，非金属夹杂物也会相应增加，而熔炼纯铁的纯净度随着工业化的进程在不断提升，这就迫切需要一种短流程，低成本，高纯度，专业化熔炼纯铁的工业化新型体系。一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，能够利用低真空感应熔炼技术配合高纯直接还原铁，在低真空下用高纯直接还原铁生产熔炼纯铁棒坯，不存在常规熔炼的合金化问题，便于高效的连续性生产，进而有效提升熔炼纯铁的纯净度，降低生产成本，提高生产效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，旨在改善现有工业化熔炼纯铁的生产体系中存在流程较长，生产成本高，纯度低和生产效率低下的问题。
本发明是这样实现的：一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，本发明生产熔炼纯铁的原料为高纯直接还原铁，熔炼纯铁的生产步骤如下：
S1、加料，通过真空式给料机将高纯直接还原铁从炉盖的真空布料接口中加入熔炼炉的真空室中；
S2、熔炼，进入真空室中的高纯直接还原铁落入真空室中的感应熔炼坩埚中，通过感应熔炼坩埚中的感应线圈加热熔炼；
S3、铸造，加热熔炼后的金属液体采用垂直连续铸造工艺铸造成型，垂直连铸由结晶器、电磁搅拌、密封装置、牵引装置、引杆、导向轮、导轨组成，结晶器的顶端与感应熔炼坩埚的底部通过密封装置贯通连接，金属液体流入结晶器，在结晶器外部设置的电磁搅拌装置作用下对金属液体进行搅拌，金属液体在结晶器中经过冷却水流过结晶器冷却结晶，冷却后的铸坯经过牵引装置、导杆、导向轮、导轨进入拉坯机构；
S4、拉坯，进入拉坯机构中的铸坯，在控制系统调控驱动机构的驱动速度从而控制拉坯速度，然后拉坯成型的金属铸坯进入压下机构中进行压下，压下后的金属铸坯进入切割机构中；
S5、切割，切割机构采用等离子自动切割装置在红外定尺71的辅助下保证铸坯长度的精确切割；
S6、收料，切割完成的铸坯在重力作用下落入切割机构底部的坯罐坯车中进行收集。
进一步的，炉盖的真空布料接口处密封安装的真空式给料机采用的是真空间隙式给料机。
进而通过在炉盖的顶端面上设置真空布料接口，方便与给料机连接，同时给料机采用真空间隙式，通过控制给料间隙，方便保证感应熔炼坩埚中高纯直接还原铁的质量在一定范围的连续作业，同时因为直接还原铁密度低，加料过程会暂时停留在金属液体表面，不会对熔炼好的金属液体产生影响，尽管如此，在设置加料间隔时需保证上批次进入感应熔炼坩埚的直接还原铁熔于金属液体后再进行加注，防止直接还原铁在液体表面上堆积，保证正常的连续作业。
进一步的，感应熔炼坩埚的高度高于常规坩埚。
进而通过在感应熔炼坩埚中设置感应线圈，通过感应熔炼坩埚中的感应线圈通过电流时产生电磁涡流对感应熔炼坩埚中的高纯直接还原铁进行熔炼，具有加热速率高热量利用率高的优点，同时感应熔炼坩埚较高的高度方便为开设溜渣槽留出空间，同时较高的坩埚高度有利于熔炼时产生的非金属夹杂物的上浮。
进一步的，垂直连铸的流数配置为两流。
进而通过垂直连铸的流数配置为两流有利于事故状态下的液体处理。
进一步的，结晶器采用多级结构，内设阻热板、分离环、铜模。
进而通过结晶器采用多级结构，通过分离环、铜模用于导流金属液体，同时结晶器方便降温。
进一步的，牵引装置和拉坯机构中的驱动机构均采用直流伺服电机驱动。
进而通过采用伺服电机，利用伺服电机便于控制速度，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中应用可实现无极调速。
进一步的，压下机构采用液压轮组进行自动调节。
进而通过，通过压下机构中设置相对的液压轮组通过控制系统调节液压轮组之间的距离，方便挤压铸坯，进而方便保证铸坯的表面粗糙度。
进一步的，红外定尺71的长度不超过1.5米。
进而通过红外定尺及等离子自动切割保证铸坯长度的精确切割，考虑到熔炼纯铁的实际要求，红外定尺长度不超过1.5米，线下可根据用户要求另行切割。
进一步的，拉坯机构中的铸坯拉速和真空间隙式给料机的给料速度之间相互配合。
进而通过利用真空间隙式能够控制给料的间隙，方便保证感应熔炼坩埚中高纯直接还原铁的质量在一定范围的连续作业，同时因为直接还原铁密度低，加料过程会暂时停留在液体金属表面，不会对熔炼好的液体产生影响，尽管如此，在设置加料间隔时需保证上批次进入感应熔炼坩埚的直接还原铁熔于金属液体后再进行加注，防止直接还原铁在液体表面上堆积，保证正常的连续作业。
进一步的，高纯直接还原铁采用超纯磁性铁精粉，经过固定碳、氢气两步直接还原生产的直接还原铁，金属化率99％以上。
进而通过固定碳、氢气两步直接还原生产的直接还原铁金属化率99％以上，纯铁的洁净度较高，化学成分均可达到熔炼纯铁的技术要求，这就为本发明项目提供了良好的铁基原料，含铁量较高，含铁的纯度较高，从而降低了原料的成本。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)、本发明通过生产熔炼纯铁的原料为高纯直接还原铁，高纯直接还原铁生产采用磁性铁精粉，这种磁性铁精粉Fe3O4含量可以达到99％以上，全铁含量大于71.5％，用这种新型铁精粉经过固定碳、氢气两步直接还原生产的直接还原铁，金属化率99％以上，其它化学成分均可达到熔炼纯铁的技术要求，含铁量较高，含铁的纯度较高，从而降低了原料的成本。
(2)、本发明通过真空舱用于放置感应熔炼坩埚，通过感应熔炼坩埚中的感应线圈通过电流时产生电磁涡流对感应熔炼坩埚中的高纯直接还原铁进行熔炼，下部的真空舱用于真空熔炼铸造金属铸坯，真空熔炼和真空铸造，都是在真空下完成，具有熔炼周期较短、便于熔炼温度控制，降低生产成本，提高生产效率。同时熔炼后的金属液体从感应熔炼坩埚中直接进入采用垂直连续铸造工艺连接的直立式结晶器，免去了液体污染环节，一举解决了传统连续铸造模式中，环节越多金属液体和耐火材料的接触就越多，非金属夹杂物也就会伴随而来的难题。垂直连铸不会出现弧型连铸铸坯内夹杂物在内弧面聚积的现象，具有铸坯冷却均匀，凝固组织对称性好，纯度较高的有点，同时低真空下用高纯直接还原铁生产熔炼纯铁棒坯，不存在常规熔炼的合金化问题。
(3)、本发明通过冷却后的铸坯经过牵引装置、导杆、导向轮、导轨进入拉坯机构，拉坯机构中的铸坯，在控制系统调控驱动机构的驱动速度从而控制拉坯的速度，然后拉坯成型的金属铸坯进入压下机构中进行压下，压下后的金属铸坯进入切割机构中，控制系统通过控制拉坯机构和牵引装置中伺服电机的转速，从而控制铸坯进入拉坯机构的时长与拉坯机构的拉坯速率，同时控制真空式给料机的给料间隔，通过控制系统保证生产的适应性和生产稳定后的智能化生产，便于保证感应熔炼坩埚中高纯直接还原铁的质量在一定范围的连续作业。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明生产熔炼纯铁的整体流程结构示意图；
图2是本发明中垂直连铸的流程结构示意图；
图3是本发明实施例中结晶器的结构示意图；
图4是本发明实施例中拉坯机构的结构示意图；
图5是本发明实施例中压下机构的结构示意图。
图中：1、炉盖；11、真空布料接口；2、真空室；3、感应熔炼坩埚；4、结晶器；41、分离环；42、铜模；5、拉坯机构；6、压下机构；61、液压轮组；51、伺服电机；7、切割机构；8、坯罐坯车；9、控制系统。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示，一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，本发明生产熔炼纯铁的原料为高纯直接还原铁，熔炼纯铁的生产步骤如下：
S1、加料，通过真空式给料机将高纯直接还原铁从炉盖1的真空布料接口11中加入熔炼炉中的真空室2中；
S2、熔炼，进入真空室2中的高纯直接还原铁落入真空室2中的感应熔炼坩埚3中，通过感应熔炼坩埚3中的感应线圈加热熔炼；
S3、铸造，加热熔炼后的金属液体采用垂直连续铸造工艺铸造成型，垂直连铸由结晶器4、电磁搅拌、密封装置、牵引装置、引杆、导向轮、导轨组成，结晶器4的顶端与感应熔炼坩埚3的底部通过密封装置贯通连接，金属液体流入结晶器4，在结晶器4外部设置的电磁搅拌装置的作用下对液体进行搅拌，金属液体在结晶器4中经过冷却水流过结晶器4冷却结晶，冷却后的铸坯经过牵引装置、导杆、导向轮、导轨进入拉坯机构5；
S4、拉坯，进入拉坯机构5中的铸坯，在控制系统9调控驱动机构的驱动速度从而控制拉坯的速度，然后拉坯成型的金属铸坯进入压下机构6中进行压下，压下后的金属铸坯进入切割机构7中；
S5、切割，切割机构7采用等离子自动切割装置在红外定尺71的辅助下保证铸坯长度的精确切割；
S6、收料，切割完成的铸坯在重力作用下落入切割机构7底部的坯罐坯车8中进行收集。
进而通过本发明生产熔炼纯铁的原料为高纯直接还原铁，高纯直接还原铁生产采用磁性铁精粉，这种磁性铁精粉Fe3O4含量可以达到99％以上，全铁含量大于71.5％，用这种新型铁精粉经过固定碳、氢气两步直接还原生产的直接还原铁，金属化率99％以上，其它化学成分均可达到熔炼纯铁的技术要求，含铁量较高，含铁的纯度较高，从而降低了原料的成本，同时设置立式真空熔炼炉，该熔炼炉设置上下两个真空舱室并且真空舱的范围较小，上部设置的真空舱用于放置感应熔炼坩埚3，通过熔炼坩埚3中的感应线圈通过电流时产生电磁涡流对熔炼坩埚3中的高纯直接还原铁进行熔炼，下部的真空舱用于真空熔炼铸造金属铸坯，真空熔炼和真空铸造，都是在真空下完成，具有熔炼周期较短、便于熔炼的温度控制，降低生产成本，提高生产效率，同时熔炼后的金属液体从熔炼坩埚3中直接进入采用垂直连续铸造工艺的直立结晶器中，免除了金属液体的污染，一举解决了传统连续铸造模式环节越多金属液体和耐火材料的接触就越多，非金属夹杂物也就会伴随而来的难题。垂直连铸不会出现弧型连铸铸坯内夹杂物在内弧面聚积现象，具有铸坯冷却均匀，凝固组织对称性好，纯度较高的优点，同时低真空下用高纯直接还原铁生产熔炼纯铁棒坯，不存在常规熔炼的合金化问题，同时冷却后的铸坯经过牵引装置、导杆、导向轮、导轨进入拉坯机构5，拉坯机构5中的铸坯，在控制系统9调控驱动机构的驱动速度从而控制拉坯的速度，然后拉坯成型的金属铸坯进入压下机构6中进行压下，压下后的金属铸坯进入切割机构7中，控制系统9通过控制拉坯机构5和牵引装置中伺服电机51的转速，从而控制铸坯进入拉坯机构5的时长与拉坯机构5的拉坯速率，同时控制系统9控制真空给料机的给料间隔，通过控制系统9保证生产的适应性和生产稳定后的智能化生产，便于保证感应熔炼坩埚3中高纯直接还原铁的质量在一定范围的连续作业，同时整个熔炼过程不添加或少添加其它辅料，熔炼过程渣量控制在2％～3％，降低了渣量，生产周期控制在24小时之内。
请参阅图1，炉盖1的真空布料接口11处密封安装的真空式给料机采用的是真空间隙式给料机。
进而通过在炉盖1的顶端面上设置真空布料接口11，方便与给料机连接，同时给料机采用真空间隙式，通过利用真空间隙式能够控制给料的间隙，方便保证感应熔炼坩埚3中高纯直接还原铁的质量在一定范围的连续作业，同时因为直接还原铁密度低，加料过程会暂时停留在液体金属表面，不会对熔炼好的液体产生影响，尽管如此，在设置加料间隔时需保证上批次进入感应熔炼坩埚3的直接还原铁熔于金属液体后再进行加注，防止直接还原铁在液体表面上堆积。
请参阅图1，感应熔炼坩埚3的高度高于常规坩埚。
进而通过在感应熔炼坩埚3中设置感应线圈，通过感应熔炼坩埚3中的感应线圈通过电流时产生电磁涡流对熔炼坩埚3中的高纯直接还原铁进行熔炼，具有加热速率高热量利用率高的优点，同时感应熔炼坩埚3较高的高度方便为开设溜渣槽留出空间，同时较高的坩埚高度有利于熔炼时产生的非金属夹杂物的上浮。
请参阅图1，垂直连铸的流数配置为两流。
进而通过垂直连铸的流数配置为两流有利于事故状态下的液体处理。
请参阅图2，结晶器4采用多级结构，内设阻热板、分离环41、铜模42。
进而通过结晶器4采用多级结构，通过分离环41、铜模42，用于导流金属液体，同时结晶器4方便降温。
请参阅图1和图4，牵引装置和拉坯机构5中的驱动结构均采用直流伺服电机51驱动。
进而通过采用伺服电机51，利用伺服电机51便于控制速度，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，伺服电机51转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中应用可实现无极调速。
请参阅图5，压下机构6采用液压轮组61进行自动调节。
进而通过，通过压下机构6中设置相对的液压轮组61通过控制系统9调节液压轮组61之间的距离，方便挤压铸坯，进而方便保证铸坯的表面粗糙度。
请参阅图1，红外定尺71的长度不超过1.5米。
进而通过红外定尺及等离子自动切割保证铸坯长度的精确切割，考虑到熔炼纯铁的实际要求，定尺长度不超过1.5米，线下可根据用户要求另行切割。
请参阅图1，拉坯机构5中的铸坯拉速和真空间隙式给料机的给料速度之间相互配合。
进而通过利用真空间隙式能够控制给料的间隙，方便保证感应熔炼坩埚3中高纯直接还原铁的质量在一定范围的连续作业，同时因为直接还原铁密度低，加料过程会暂时停留在液体金属表面，不会对熔炼好的液体产生影响，尽管如此，在设置加料间隔时需保证上批次进入感应熔炼坩埚3的直接还原铁熔于金属液体后再进行加注，防止直接还原铁在液体表面上堆积，保证正常的连续作业。
请参阅图1，高纯直接还原铁采用超纯磁性铁精粉，经过固定碳、氢气两步直接还原生产的直接还原铁，金属化率99％以上。
进而通过固定碳、氢气两步直接还原生产的直接还原铁金属化率99％以上，纯铁的洁净度较高，化学成分均可达到熔炼纯铁的技术要求，这就为本发明项目提供了良好的铁基原料，含铁量较高，含铁的纯度较高，从而降低了原料的成本。
工作原理：本发明在使用时首先使用真空间隙式给料机构，将高纯还原铁从炉盖加入到真空室感应熔炼坩埚3中进行熔炼，熔炼后的金属液体在达到浇注温度时，打开分离环41，金属液体进入熔炼坩埚3底部的水冷结晶器4，金属液体和导杆头部的牵引头冷凝结晶形成一体，金属液体经结晶器冷却形成铸坯，冷却后的铸坯经过牵引、导杆、导轮、导轨组成的拉坯机构5，通过拉—推—停，拉—推—停周期性的往复运动，由拉坯机构5中的伺服电机51及智能控制单元来完成主体的过程控制，从而实现垂直连续铸坯，然后经过切割机构7中等离子自动切割装置在红外定尺71的辅助下保证铸坯长度的精确切割后落入坯罐坯车8中进行收集转运
通过上述设计得到的装置已基本能满足一种能够利用低真空感应熔炼技术配合高纯直接还原铁，在低真空下用高纯直接还原铁生产熔炼纯铁棒坯，不存在常规熔炼的合金化问题，便于高效的连续性生产，进而有效提升熔炼纯铁的纯净度，降低生产成本，提高生产效率。
高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法的使用，本着进一步完善其功能的宗旨，设计者对该装置进行了进一步的改良。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，其特征在于：本发明生产熔炼纯铁的原料为高纯直接还原铁，生产熔炼纯铁的步骤如下：
S1、加料，通过真空式给料机构将高纯直接还原铁从炉盖(1)的真空布料接口(11)中加入熔炼炉中的真空室(2)中；
S2、熔炼，进入真空室(2)中的高纯直接还原铁落入真空室(2)中的感应熔炼坩埚(3)中，通过感应熔炼坩埚(3)中的感应线圈加热熔炼；
S3、铸造，加热熔炼后的金属液体采用垂直连续铸造工艺铸造成型，所述垂直连铸由结晶器(4)、电磁搅拌、密封装置、牵引装置、引杆、导向轮、导轨组成，所述结晶器(4)的顶端与感应熔炼坩埚(3)的底部通过密封装置贯通连接，金属液体流入结晶器(4)，在结晶器(4)外部设置的电磁搅拌装置的作用下对金属液体进行搅拌，金属液体在结晶器(4)中经过冷却水流过结晶器(4)得到冷却结晶，冷却后的铸坯经过牵引装置、导杆、导向轮、导轨进入拉坯机构(5)；
S4、拉坯，进入拉坯机构(5)中的铸坯，在控制系统(9)调控拉坯机构的驱动速度从而控制拉坯速度，然后成型的金属铸坯进入压下机构6中进行压下以提高表面粗糙度，压下后的金属铸坯进入切割机构(7)中；
S5、切割，切割机构(7)采用等离子自动切割装置在红外定尺(71)的辅助下保证铸坯长度的精确切割；
S6、收料，切割完成的铸坯在重力作用下落入切割机构(7)底部的坯罐坯车(8)中进行收集。
2.根据权利要求1所述的一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，其特征在于，所述炉盖(1)的真空布料接口(11)处密封安装的真空式给料机采用的是真空间隙式给料机。
3.根据权利要求2所述的一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，其特征在于，所述感应熔炼坩埚(3)的高度高于常规坩埚。
4.根据权利要求3所述的一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，其特征在于，所述垂直连铸的流数配置为两流。
5.根据权利要求4所述的一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，其特征在于，所述结晶器(4)采用多级结构，内设阻热板、分离环(41)、铜模(42)。
6.根据权利要求5所述的一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，其特征在于，所述牵引装置和拉坯机构(5)中的驱动机构均采用直流伺服电机(51)驱动。
7.根据权利要求6所述的一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，其特征在于，所述压下机构(6)采用液压轮组(61)进行自动调节。
8.根据权利要求7所述的一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，其特征在于，所述红外定尺(71)的长度不超过1.5米。
9.根据权利要求8所述的一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，其特征在于，所述拉坯机构(5)中的铸坯拉速和真空间隙式给料机的给料速度之间相互配合。
10.根据权利要求9所述的一种高纯还原铁真空熔炼垂直连铸生产熔炼纯铁的方法，其特征在于，所述高纯直接还原铁，采用超纯磁性铁精粉，经过固定碳、氢气两步直接还原生产的直接还原铁，金属化率99％以上。
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