CN110369682A - 一种基于熔渣保护多层浇注磁场电流复合处理制备大铸锭的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于熔渣保护多层浇注磁场电流复合处理制备大铸锭的装置及方法，该装置包括钢锭模、冒口、渣包及中间包，钢锭模的上部还分别设有可移动式平行电极和可移动式磁场线圈；浇注时先根据浇注的大铸锭的规格，确定所需钢液量，并根据钢液中易偏析元素的性质将该钢液量分成若干份，调整每份中易偏析元素含量，浇注第一份钢液前，加入保护渣，并保证在渣层中出钢，吸附夹杂物，在磁场和/或电流的作用下，逐渐凝固至熔池较小时，加入下一份钢液，并补充保护渣，直至钢液全部浇注，制得铸锭。本发明的浇注方法能够净化钢液，减轻甚至消除宏观偏析，减轻缩松缩孔。

Description

一种基于熔渣保护多层浇注磁场电流复合处理制备大铸锭的 装置及方法

技术领域

本发明属于冶金和铸造领域，尤其涉及一种基于熔渣保护多层浇注磁场电流复合处理制备大铸锭的装置及方法。

背景技术

尽管连铸连轧工艺已经得到广泛应用，但20％以上金属材料仍需要经过铸造过程。得到的铸锭经锻造、热处理等后续加工形成最终构件；其中大型铸锻件是国防、冶金、石化、交通、电力、基础机械等的基础工业部件，直接关系到国家重大工程和国计民生，是衡量国家总国国力强弱的重要指标。铸锭作为金属材料的母坯，其品质、性能、成本等各方面都限制和影响后续加工处理工艺，影响最终产品的性能和材料利用率。

然而，铸锭通常存在成分、组织不均匀、偏析严重、易出现裂纹等缺点，且不能在后续处理中消失或弱化，严重影响材料的成材率、利用率、成形性能、使用性能、能耗。为改善铸锭性能，发展出很多浇铸方法：为了降低温度梯度，从而使铸锭成分和结构更加均匀出现的的半连续铸造，但出现气隙，熔池深，大铸锭中的宏观偏析严重，且易形成裂纹；为较小熔体热量散失出现的热顶半连续铸造，但会扩大熔池高度，偏析严重，同时结晶器内静压力较大，易出现裂纹；为了提高铸锭表面质量和皮下偏析出现的气膜热顶铸造，在小尺寸铸锭上效果，但大尺寸铸锭较难控制；为增强强制对流或避免与器壁接触出现的外场作用下的铸造，设备复杂，成本较高，同时宏观偏析仍较明显；为减轻宏观偏析出现的多包浇铸法，对各包钢液成分控制还不够连续、自然，且加入下一包钢液时，对已凝固部分产生冲刷和重熔，额外造成局部成分的不均匀，同时，随着同一包钢液的凝固，熔池逐渐减小，注入下一包后，熔池迅速增大，呈周期性变化，一定程度上造成宏观偏析的周期性变化；为减小熔池来削弱宏观偏析的电渣重熔法，通过电渣重熔，始终保持较小熔池，减轻宏观偏析，但自耗原料电极棒通常不能像多包浇铸一样，通过调整成分进一步减轻宏观偏析，而且能耗较大。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种基于熔渣保护多层浇注磁场电流复合处理制备大铸锭的装置；

本发明的第二目的是提供采用上述装置进行浇注的方法，该方法能够提高铸锭均质化程度、减小热裂纹，有效减轻宏观偏析、有效避免氧化、净化钢液，进而能够连续、稳定地制备良好性能的铸锭。

技术方案：本发明基于熔渣保护的多包浇注制备铸锭的装置，包括钢锭模、设于该钢锭模端口处的冒口、设于冒口上端的渣包及中间包，所述钢锭模上端还分别设有独立的移动式平行电极和移动式磁场线圈。

进一步说，本发明装置所述渣包的下端设有渣液管，中间包的下端设有钢液管，且钢液管出钢口置于渣层中出钢。

本发明采用上述装置进行浇注的方法，包括如下步骤：

(1)根据浇注的大铸锭的规格，确定所需钢液量，并根据钢液中易偏析元素的含量将该钢液量分成若干份，逐一熔炼钢液；其中，根据元素的易偏析程度，调整第一份钢液易偏析成分高于钢锭目标成分的0.001-5％，最后一份钢液易偏析成分低于其目标成分的0.001-10％，而中间各包钢液成分，根据元素性质线性调整或根据实际效果的相应规律调整；

(2)采用中间包向钢锭模中浇注第一份钢液前，先通过渣包加入1-50cm厚的保护渣，然后中间包钢液管插入保护渣内浇入第一份钢液，在第一份钢液凝固的过程中施加磁场和/或电流，待其凝固到上部只有1-5cm厚的金属液时，添加第二份钢液，在钢液添加过程中，上移电极及线圈，并按照渣钢的液态比0.001-2:1实时补充保护渣，随后在第二份钢液凝固的过程中，继续施加磁场和/或电流，待其凝固到上部只有1-5cm后的金属液时，添加第三份钢液，重复之前的步骤，直到达到所需钢锭尺寸，最后待钢锭模中的钢液完全凝固、冷却后脱模，制得铸锭。

本发明通过分批次向中间包中添加设置好成分的钢液，保留多包浇铸优点的情况下，减轻宏观偏析的同时，实时补充保护渣，保护渣能够铺展在钢液表面，隔绝空气，保温的同时，防止氧化，通过在渣层中出钢液，进一步去除夹杂物，净化钢液；同时，在凝固过程中，对熔体施加磁场处理和/或电流处理，能够通过产生不同形式的电磁力，增强熔体内部流动，有利于提高铸锭均质化程度，提高熔渣去夹杂效果，进一步减轻甚至消除宏观偏析，提高补缩性能，减小热裂纹，减小夹杂物尺寸、数量，提高机械性能。本发明的浇注方法无论铸锭尺寸大小，均能提高铸锭质量，提高成材率，降低能耗，节约成本。

进一步说，步骤(2)中，中间包中的出钢速度为0.001～50t/min。保护渣的出渣速度为0.001～10t/min。本发明保持较小熔池，并不断调整出钢和出渣速度，第一次加入渣液时保证无明显飞溅下，0.1-10t/min较大速度出渣至渣液厚度为1-50cm，第一次加入钢液时因铸模温度较低，钢液凝固较快，需要较大的出钢速度0.1-50t/min，尽快达到设定渣钢(液)比。

更进一步说，本发明步骤(1)及(2)中，钢液浇铸的过热度为5-100℃。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：首先，在保持多包浇铸优点的同时，通过覆盖保护渣能够隔绝空气，防止钢液表面氧化，同时通过在渣层中出钢，进一步吸附杂质，净化钢液，且具有保温作用，结合铸模加热冒口，有效避免上部钢液凝固，提高凝固过程中的补缩能力，减轻缩松缩孔；此外，在凝固过程中，对熔体施加磁场处理和/或电流处理，能够通过产生不同形式的电磁力，增强熔体内部流动，有利于提高铸锭均质化程度，提高熔渣去夹杂效果，进一步减轻甚至消除宏观偏析。

附图说明

图1为本发明浇注初始钢液时的装置结构示意图；

图2为本发明浇注最末钢液时的装置结构示意图；

图3为本发明磁场线圈俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1及图2所示，本发明基于熔渣保护多层浇注磁场电流复合处理制备大铸锭的装置，包括钢锭模1、该钢锭模1的底端设有钢锭模底座2，钢锭模1的端口处设有冒口3，该冒口3的上端分别设有渣包4及中间包5，该装置还包括设于钢锭模1上端的独立式的移动式平行电极6和移动式磁场线圈7，本发明能根据需要，移动式平行电极6和移动式磁场线圈7分别单独使用或同时复合使用。移动式平行电极6通过平行对电极调控及移动装置8进行调控和移动，移动式磁场线圈7通过磁场线圈调控及移动装置9进行调控和移动，该平行对电极调控及移动装置8和磁场线圈调控及移动装置9例如可采用现有的液压机械臂实现调控和移动，为现有的装置。磁场线圈7为铜管线圈，其上分别设有电源接口10及冷却水出入口11，如图3所示。

其中，冒口3自内侧壁由外设有加热层12和保温层13，渣包4及中间包5上均设有加热层12。渣包4的下端设有渣口塞14及渣液管15，中间包5内设有塞棒16，下端设有钢液管17，且钢液管17出钢口置于渣层中出钢。

实施例1

本实例制备5吨低合金钢Q345钢锭，成分如下表1所示。

表1 A级Q345低合金钢成分表

该低合金钢Q345钢锭的制备方法包括如下步骤：

(1)按照设计先后准备4份钢液，过热度为25℃：第一份2吨，其中碳含量偏高0.1％(相对于表1中的成分，下同)；第二份1吨，其中碳含量偏高0.02％；第三份1吨，其中碳含量偏低0.08％；第四份1吨，其中碳含量偏低0.14％；

(2)通过冒口加热层加热至1400℃，加入保护渣，速度为0.005t/min，熔渣厚度在5-10cm，保证浸没出钢口2-3cm后，将第一份钢液加入到中间包中，并通过中间包塞棒将钢液沿钢液管注入钢锭模中，速度为0.05t/min，同时出钢口随着液面上升而上升，并保持出钢口浸没在渣层中2-3cm，相应补充保护渣量保证渣层厚度为5-10cm，渣钢的液态比0.02～0.6:1；

(3)在步骤(2)的同时，当铸模内钢液超过4-5cm高后，插入上部电极至钢液表面以下2-3cm，打开电源，并随着熔体高度的增加，不断相应升高上部电极位置，持续处理熔体；

(4)待钢液凝固到上部只有1-5cm厚的金属液时，加入下一份钢液；

(5)重复步骤(4)，至浇铸完全部钢液，等待完全凝固后，得到高品质铸锭。

实施例2

本实例制备20吨低合金钢Q345钢锭，组分与实施例1相同，其方法步骤如下：

(1)按照设计先后准备6份钢液，过热度为15℃：第一份5吨，其中碳含量偏高0.05％；第二份3吨，其中碳含量偏高0.02％；第三份3吨，其中碳含量正常；第四份3吨，其中碳含量偏低0.04％；第五份3吨，其中碳含量偏低0.06％；

(2)打开加热冒口加热至1400℃，加入保护渣，速度为0.1t/min，至熔渣厚度在8-12cm，浸没出钢口3-4cm后，将第一份钢液加入到中间包中，通过中间包塞棒将钢液沿钢液管注入钢锭模中，速度为1t/min，同时出钢口随着液面上升而上升，并保持出钢口浸没在渣层中2-3cm，相应补充保护渣量保证渣层厚度为8-12cm，，渣钢的液态比0.01～0.38:1；

(3)在步骤2的同时，提前放置好磁场线圈6，并通入冷却水，当铸模内钢液达到5-8cm高后，打开脉冲电源，并随着熔体高度的增加，不断相应升高磁场线圈，持续处理熔体；

(4)待钢液凝固到上部只有3-5cm厚的金属液时，加入下一份钢液；

(5)重复步骤(4)，至浇铸完全部钢液，等待完全凝固后，得到高品质铸锭。

实施例3

本实例制备200吨低合金钢Q345钢锭，组分与实施例1相同，其方法步骤如下：

(1)按照设计先后准备8份钢液，过热度为10℃：第一份25吨，其中碳含量偏高0.1％；第二份15吨，其中碳含量偏高0.08％；第三份15吨，其中碳含量偏高0.06％；第四份15吨，其中碳含量偏高0.04％；第五份15吨，其中碳含量偏高0.02％；第六份15吨，其中碳含量正常；第七份15吨，其中碳含量偏低0.01％；第八份15吨，其中碳含量偏低0.02％；第九份15吨，其中碳含量偏低0.03％；第十份15吨，其中碳含量偏低0.04％；第十一份15吨，其中碳含量偏低0.06％；第十二份15吨，其中碳含量偏低0.08％；第十三份15吨，其中碳含量偏低0.09％；第十四份5吨，其中碳含量偏低0.11％；

(2)打开加热冒口加热至1400℃，加入保护渣，速度为1t/min，至熔渣厚度在10-15cm，浸没出钢口3-5cm后，将第一份钢液加入到中间包中，通过中间包塞棒将钢液沿钢液管注入钢锭模中，速度为5t/min，并保持出钢口浸没在渣层中3-5cm，相应补充保护渣量保证渣层厚度为10-15cm，渣钢的液态比0.005～0.5:1；

(3)在步骤2的同时，提前放置好磁场线圈，并通入冷却水，当铸模内钢液超过6-8cm高后，插入平行电极至钢液表面以下4-5cm，打开脉冲电源和电极电源，并随着熔体高度的增加，不断相应升高磁场线圈和平行电极，持续处理熔体；

(4)待钢液凝固到上部只有3-5cm厚的金属液时，加入下一份钢液；

(5)重复步骤(4)，至浇铸完全部钢液，等待完全凝固后，得到高品质铸锭。

上述实施例中采用保护窄可为玻璃保护渣或者电渣重熔用渣。其中，电渣重熔用渣优选可为CaF₂-CaO-Al₂O₃三元渣系，CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO四元渣系或CaF₂-CaO-Al₂O₃-MgO-SiO₂五元渣系。渣钢的液态比即为体积比，而限定保护渣和钢液的体积比的作用在于限定渣和钢液的高度，且两者的底面面积一致，体积比即为高度比。此外，本实例列举了上述低合金钢Q345钢锭，以同样可冶炼其他的合金钢锭，渣包加入的保护渣还可为1-50cm厚，渣钢的液态比可为0.001-2:1，钢液浇铸的过热度可为5-100℃，中间包中的出钢速度还可为0.001-50t/min，保护渣的出渣速度还可为0.001-10t/min。

Claims (6)

1.一种基于熔渣保护多层浇注磁场电流复合处理制备大铸锭的装置，其特征在于：包括钢锭模(1)、设于该钢锭模(1)端口处的冒口(3)、设于冒口(3)上端的渣包(4)及中间包(5)，所述钢锭模(1)上端还分别设有独立的移动式平行电极(6)和移动式磁场线圈(7)。

2.根据权利要求1所述的基于熔渣保护多层浇注磁场电流复合处理制备大铸锭的装置，其特征在于：所述渣包(4)的下端设有渣液管(15)，中间包(5)的下端设有钢液管(17)，且钢液管(17)出钢口置于渣层中出钢。

3.采用权利要求2所述装置进行浇注的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据浇注的大铸锭的规格，确定所需钢液量，并根据钢液中易偏析元素的含量将该钢液量分成若干份，逐一熔炼钢液；其中，根据元素的易偏析程度，调整第一份钢液易偏析成分高于钢锭目标成分的0.001-5％，最后一份钢液易偏析成分低于其目标成分的0.001-10％，而中间各包钢液成分，根据元素性质线性调整或根据实际效果的相应规律调整；

(2)采用中间包向钢锭模中浇注第一份钢液前，先通过渣包加入1-50cm厚的保护渣，然后中间包钢液管插入保护渣内浇入第一份钢液，在第一份钢液凝固的过程中施加磁场和/或电流，待其凝固到上部只有1-5cm厚的金属液时，添加第二份钢液，在钢液添加过程中，上移电极及线圈，并按照渣钢的液态比0.001-2:1实时补充保护渣，随后在第二份钢液凝固的过程中，继续施加磁场和/或电流，待其凝固到上部只有1-5cm后的金属液时，添加第三份钢液，重复之前的步骤，直到达到所需钢锭尺寸，最后待钢锭模中的钢液完全凝固、冷却后脱模，制得铸锭。

4.根据权利要求1所述基于熔渣保护的逐层浇注制备铸锭的方法，其特征在于：步骤(1)及(2)中，所述钢液浇铸的过热度为5-100℃。

5.根据权利要求1所述基于熔渣保护的逐层浇注制备铸锭的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述中间包中的出钢速度为0.001-50t/min。

6.根据权利要求1所述基于熔渣保护的逐层浇注制备铸锭的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述保护渣的出渣速度为0.001-10t/min。