CN111590054B - 一种抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置及方法，所述的装置包括一体式结晶器、变压器电源、短网和自耗电极；一体式结晶器内从上至下设有渣料区、熔炼区和结晶区；所述自耗电极包括自耗电极正极和自耗电极负极；所述变压器电源、短网、自耗电极正极、渣料区、自耗电极负极、短网和变压器电源构成供电回路。本发明还包括一种抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的方法。本发明具有结构简单，使用寿命长，冶炼电流稳定，安全性高等优点。

Description

一种抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置及方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，特别是一种抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置及方法。

背景技术

我国的钢产品在全世界占有量50%以上，而大多钢厂离不开热轧辊，其每年消耗也非常惊人，年消耗量达50万吨以上，产值达一百多亿。而复合高速钢轧辊以优异的耐磨性和使用寿命越来越受到国内大型钢企的青睐。由于高速钢合金量达15%以上，离心工艺通常采用三层复合方式，技术难度大，制造废品率高，国内具备生产能力的轧辊厂寥寥，同时结合层缺陷等一些质量问题也经常导致轧辊使用过程的提前报废，造成客户损失。

目前国内90%的热轧采用离心浇铸的方式覆合，但这种方式容易产生合金偏析，外层与芯部冶金结合存在铸造缺陷，且厚度不均匀，组织粗大。国外如日本采用CPC（Continuous Pouring Process for Cladding的缩写，意思是连续浇铸外层成型法）技术生产的热轧辊，目前已成熟应用，售价高出同材质轧辊的1/3。该工艺是将需要复合的外层金属液体浇入到在其中心安装有芯棒材料的水冷结晶器内，芯棒材料通过在其上部安装的感应加热器进行预热，从而实现两种材料的复合，并实现两种材料之间的界面达到冶金结合，通过抽锭设备，将复合好的轧辊不断地从水冷结晶器中抽出，使生产连续进行，直接复合轧辊浇注完成。CPC生产技术相较于离心浇铸在组织上基本解决了偏析等问题，但该技术价格贵，成本高，生产周期长，且由于是连续浇注，还是存在氧化夹渣及组织粗大等问题，所以影响了轧辊的上机寿命。

CN108372286B公开了一种电渣重熔法制备双金属复合轧辊的装置及方法，其装置包括T型结晶器的上部结晶器和下部水冷结晶器；上部结晶器为导电结晶器，与下部水冷结晶器绝缘隔断，下部水冷结晶器装配液位检测仪；重熔复合变压器电源通过短网导线与上部结晶器连接；方法为：化渣结束后，断开化渣供电回路；浇渣时，当结晶器内渣池的液面没过导电石墨块下沿时，轧辊辊芯预热供电回路导通并对辊芯进行预热；预热结束，关闭此回路并降低自耗电极至其端部插入渣池以导通电极熔化与双金属复合供电回路，随之进行双金属的熔炼复合。

上述专利文献的方法虽然公开了电渣重熔法制备双金属复合轧辊的方法，但采用的设备却存在以下缺陷：（1）在结晶器方面，其上部为导电结晶器、下部为冷却结晶器组成的T型结晶器，且上、下结晶器通过绝缘阻隔，一方面会导致结构大大复杂化，且渣温不易控制；（2）在电路短网和电极方面，电路短网为：变压器→短网→自耗电极→导电结晶器→短网→变压器；电极采用整体圆套或者数根圆电极，先通过自耗电极为正极，引锭板为负极进行预热，而后又改自耗电极为正极，导电结晶器为负极。这样的电路中，假如在导电结晶器有冷却的情况下，就容易因导电结晶器壁出现渣皮而阻断电流，使熔炼过程不稳定，假如导电结晶器没有冷却的情况下，则很容易因为渣温较高而导致导电结晶器损坏；（3）在结晶器放置方面，其结晶器直接置于引锭板上，且必须采用石棉绳或镁砂进行绝缘密封，当电极与结晶器壁间的距离过小或电极过偏时，容易引起分流打弧，损坏结晶器，严重情况下，还会因结晶器被击穿后漏水而发生爆炸事故；（4）轧辊辊芯不能自身进行水温调节，进而无法精确控制双金属覆合层的厚度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种结构简单，使用寿命长，冶炼电流稳定的抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置及方法。

本发明的技术方案是：

本发明之一种抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置，包括一体式结晶器、变压器电源、短网和自耗电极；一体式结晶器内从上至下设有渣料区、熔炼区和结晶区；所述自耗电极包括自耗电极正极和自耗电极负极；所述变压器电源、短网、自耗电极正极、渣料区、自耗电极负极、短网和变压器电源构成供电回路。

进一步，所述自耗电极正极和自耗电极负极均为半圆环电极；正极的半圆环电极与假电极焊接成一体固定于电渣炉的其中一横梁支臂上，负极的半圆环电极与假电极焊接成一体固定于电渣炉的另一横梁支臂上。

进一步，还包括轧辊辊芯，所述轧辊辊芯的中心位置开设有中心孔，所述中心孔的上部和下部分别连接进/出水管。

进一步，还包括底水箱，所述轧辊辊芯设于底水箱的面板的中心孔中。

进一步，所述一体式结晶器为一体式T型结晶器，一体式结晶器的底部直接与底水箱的面板螺纹连接。

进一步，所述一体式结晶器的外侧且位于结晶区位置处设有能够移动的感应加热及保温装置。

本发明之一种抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的方法，包括以下步骤：

S1：将轧辊辊芯与一体式结晶器保持轴线重合，并接好轧辊辊芯中心孔处的进/出水管，保证中心孔内有冷却液体通过；

S2：对进入一体式结晶器之前的渣料进行化渣，并对轧辊辊芯进行预热；

S3：预热完毕后，将化渣后的渣液倒入一体式结晶器内，通电进行渣液起弧；

S4：轧辊辊芯在高温渣液和轧辊辊芯中心孔冷却的双重作用下，出现一定厚度的表层熔融，自耗电极不断熔化产生的金属液滴逐渐与轧辊辊芯熔融状态的金属覆合在一起，并在一体式结晶器的冷却作用下凝固成一定厚度的覆合工作层；

S5：随着双金属覆合过程的进行，启动抽锭系统进行抽锭，并通过调节轧辊辊芯中心孔内的水温，控制轧辊辊芯表层的熔化厚度；

S6：随着抽锭的进行，待具有覆合工作层的轧辊辊芯长度增加到预设长度后，对其进行感应加热保温；

S7：当轧辊辊芯覆合工作层达到所需目标长度后，停止抽锭；抬升自耗电极脱离渣池，断电，完成轧辊辊芯覆合工作层的双金属熔覆操作。

进一步，S1~S3具体包括以下步骤：

将留有中心孔的轧辊辊芯固定在底水箱的中心孔内，使得轧辊辊芯与一体式结晶器保持轴线重合，并将一体式结晶器安装于底水箱上，接好轧辊辊芯的中心孔处的进/出水管；

将自耗电极分别装至电渣炉的各横梁支臂的夹头上并夹紧；

按计算的渣料重量，称取烘烤的渣料待用；

选取适量的石墨化渣包放至化渣机特定平台上，接通化渣机电源，起弧后不断加入渣料进行化渣；同时，对轧辊辊芯进行感应预热；

预热完毕后，在一体式结晶器与轧辊辊芯之间安装导渣模，化渣完毕后，将化渣后的液渣通过导渣模倒入一体式结晶器中，取走导渣模后，通电进行渣液起弧。

进一步，S5中，控制轧辊辊芯表层的熔化厚度为5~10mm。

进一步，所述轧辊辊芯采用低合金钢进行锻造或铸造而成；所述自耗电极采用离心浇铸方式将高速钢预制成圆筒体，再将圆筒体一分为二，形成自耗电极的正极和负极。

本发明的有益效果：

（1）采用一体式结晶器，结构简单，渣温易于控制，熔速快，省电；

（2）供电回路不存在因渣皮绝缘的影响导致冶炼电流不稳定现象，一体式结晶器在水冷作用下，也不会导致高温渣液对一体式结晶器内壁的损坏；

（3）自耗电极采用两个半圆筒组合，其中一个半圆电极充当正极，另一个半圆电极充当负极，这样可以降低对轧辊辊芯的温度影响；

（4）将结晶器直接置于底水箱的面板上，不必采用任何绝缘措施，工装简单容易控制，且避免了分流引起的打弧现象以及可能造成的安全事故；

（5）在轧辊辊芯的中心留孔，采用可调试水冷却装置，通过调节水温，能够精确控制双金属覆合层厚度；

（6）高速钢制成自耗电极进行熔融，使得钢水在渣池中获得二次过滤净化，轧辊辊芯的工作层，经高速钢套电渣熔覆而成，因此外层钢水洁净度更高；

（7）结合层无气孔、疏松、夹渣等铸造缺陷，高速钢外层凝固结晶的冷却温度场及其稳定性远优于离心铸造工艺，铸态晶粒均匀、细小，经过锻造后这一优势得到进一步巩固和强化；结合层质量和轧辊辊芯强度，大大降低了轧辊制造中热处理工序的断裂风险，使轧辊可以采取更剧烈的加热与冷却工艺制度，并由此缩短工艺周期，同时也使高速钢材料获得了更充分的组织转变和更优异的轧辊使用性能。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例一体式结晶器的结构放大示意图。

附图标识说明：1.一体式结晶器；2.变压器电源；3.短网；4.自耗电极正极；5.自耗电极负极；6.升降机构；7.底水箱；8.轧辊辊芯；9.移动式感应线圈；10.假电极；11.渣料区；12.熔炼区；13.结晶区；61.横梁支臂；62.夹头；71.面板；81.中心孔；82.出水管；83.进水管。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示：一种抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置，包括一体式结晶器1、变压器电源2、短网3和自耗电极；一体式结晶器1内从上至下设有渣料区11、熔炼区12和结晶区13；所述自耗电极包括自耗电极正极4和自耗电极负极5；所述变压器电源2、短网3、自耗电极正极4、渣料区11、自耗电极负极5、短网3和变压器电源2构成供电回路。

上述方案具有以下优点：（1）采用一体式结晶器，相对应现有将结晶器分成上部和下部而言，大大简化结构；（2）上述的供电回路不存在因渣皮绝缘的影响导致冶炼电流不稳定现象，一体式结晶器在水冷作用下，也不会导致高温渣液对一体式结晶器内壁的损坏。

具体地，本实施例还包括设于电渣炉上的相对设置的两个升降机构6，升降机构6连接横梁支臂61，横梁支臂61上设有用于夹紧自耗电极的夹头62。一体式结晶器1设于两个升降机构之间的下方，一体式结晶器6的下方设有底水箱7，一体式结晶器1的底部直接通过法兰与底水箱7上的面板71连接，这样不需要对一体式结晶器与底水箱的面板采取绝缘措施，工装简单容易控制，且避免了分流引起的打弧现象以及可能造成的安全事故。底水箱7的面板中部设有中心孔，轧辊辊芯8直接安装固定于底水箱7的中心孔中。轧辊辊芯8的中心位置留有中心孔81，在中心孔的上下端焊有进/出水管，例如上端为出水管82，下端为进水管83，在电渣过程中可通水进行冷却，通过调节水温，进而可以精确控制双金属覆合层厚度。轧辊辊芯8的底部连接抽锭系统。由于水温会影响双金属覆合层的厚度，即水温低，冷却快，双金属覆合层的厚度就薄；而水温高，冷却慢，双金属覆合层的厚度就厚。因此通过调节水温，可精确控制双金属覆合层厚度。

本实施例还配有可拆卸的移动式感应线圈9，设于结晶区13的外侧，用于对轧辊辊芯进行预热以及抽锭过程中对覆合工作层进行回火保温。本实施例还配置有独立的化渣机以及导渣模，用于对渣料进行化渣和导渣。

本实施例中，一体式结晶器1为一体式T型结晶器，结晶器根据设计工艺要求分为三部分，上部设计为渣料区11和熔炼区12，下部为结晶区13，其中中部为过渡区。该结构使得渣温易于控制，熔速快，省电。

本实施例中，自耗电极为半圆环电极，即截面形状为半圆形；作为正极的半圆环电极通过与假电极10焊接在一起装夹于电渣炉其中一个横梁支臂夹头上，而作为负极的半圆环电极通过与假电极10焊接在一起装夹于电渣炉另一横梁支臂的夹头上。本实施例的自耗电极采用两个半圆环组合，能够降低对轧辊辊芯温度的影响。

本实施例中，一种抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的方法，包括以下步骤：

S101：将轧辊辊芯与一体式结晶器保持轴线重合，并接好轧辊辊芯中心孔处的进/出水管，保证中心孔内有冷却液体通过。

具体地，将留有中心孔的轧辊辊芯固定在底水箱的中心孔内，使得轧辊辊芯与一体式结晶器保持轴线重合，并将一体式结晶器安装于底水箱上，接好轧辊辊芯的中心孔处的进/出水管；将自耗电极分别装至电渣炉的各横梁支臂的夹头上并夹紧。

本实施例中，轧辊辊芯的预制主要包括选材及热处理。 其中，可根据产品用途对所选用的材质进行铸造或锻造，满足轧辊辊颈强度要求，材质优选为低合金钢。例如本实施例选用45#钢或42CrMo来锻造轧辊辊芯，再通过机加工轧辊辊芯，并通过热处理方式对轧辊辊芯进行调质。本实施例中，芯部根据用途采用锻造或铸造低合金钢，一方面，强度大于600MPa，强韧性远高于传统离心工艺所用的铸造球墨铸铁，安全性高，可增加轧制在线时间；另一方面，轧辊报废后，轧辊辊芯不易报废，可重复使用，达到复合循环经济、绿色制造理念的目的。

本实施例中，预制高速钢辊套作为自耗电极。优选采用离心浇铸方式将高速钢预制成圆筒体；再将圆筒体一分为二，分成正极和负极，置于各横梁支臂的夹头上并夹紧。

S102：对进入一体式结晶器之前的渣料进行化渣，并对轧辊辊芯进行预热。

具体地，按计算的渣料重量，称取经过严格烘烤工艺烘烤的渣料待用；选取合适的石墨化渣包放至化渣机特定平台上，接通独立化渣机电源，并使石墨化渣棒与石墨化渣包稍微接触，起弧后不断加入渣料进行化渣。与此同时，安装好移动式感应线圈，对轧辊辊芯进行感应预热，将轧辊辊芯预热至500~600℃。

S103：预热完毕后，在一体式结晶器与轧辊辊芯之间安装导渣模，化渣完毕后，将化渣后的液渣通过导渣模倒入一体式结晶器中，取走导渣模后，通电进行渣液起弧。

具体地，预热完毕后，迅速在装好的一体式结晶器与轧辊辊芯之间安放好导渣模。化渣完毕后，使用天车起吊石墨化渣包至电渣炉的一体式结晶器处，通过翻转方式，将石墨化渣包中的液渣通过导渣模倒入一体式结晶器的渣料区，取走导渣模后，通电进行渣液起弧。本实施例的通电后的电路回路为：变压器电源→短网→自耗电极正极→渣料区→自耗电极负极→短网→变压器电源。本实施例倒入渣料区的渣液温度优选为1750℃。

S104：轧辊辊芯在高温渣液和轧辊辊芯中心孔冷却的双重作用下，出现一定厚度的表层熔融，自耗电极不断熔化产生的金属液滴逐渐与轧辊辊芯熔融状态的金属覆合在一起，并在一体式结晶器的冷却作用下凝固成一定厚度的覆合工作层。

具体地，自耗电极经升降机构降至渣料区进行熔化，且过程中的各参数自动控制，以实现稳定调节和连续监控。

S105：随着双金属覆合过程的进行，启动抽锭系统进行抽锭，并通过调节轧辊辊芯中心孔内的水温，控制轧辊辊芯表层的熔化厚度。

具体地，随着双金属覆合过程的进行，启动抽锭系统进行抽锭，并通过调节轧辊辊芯中心的水温，精准控制轧辊辊芯表层的熔化厚度（5~10mm），使双金属覆合工作层金属熔池保持稳定，进而保持电极熔化与双金属覆合过程的稳定有序进行。

S106：随着抽锭的进行，待具有覆合工作层的轧辊辊芯长度增加到预设长度后，对其进行感应加热保温。

具体地，随着抽锭的进行，待具有覆合工作层的轧辊辊芯长度增加到一定程度后，立即安装好移动式感应线圈。在不断的抽锭过程中，由于覆合的外层是高速钢材料，又是快速冷却得到非常致密的组织，但冷却太快高速钢层面存在很大的内应力，为了防止开裂，在轧辊辊芯的出口外，用低频的移动式感应线圈加热至300~600℃保温，进入回火处理。

S107：当轧辊辊芯覆合工作层达到所需目标长度后，停止抽锭；抬升自耗电极脱离渣池，断电，完成轧辊辊芯覆合工作层的双金属熔覆操作。

具体地，当轧辊辊芯覆合工作层达到所需长度后，停止抽锭并进行补缩，待补缩完毕，通过升降机构抬升自耗电极脱离渣池，断电，完成轧辊辊芯覆合工作层的双金属熔覆操作。

Claims (10)

1.一种抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置，其特征在于，包括一体式结晶器、变压器电源、短网和自耗电极；一体式结晶器内从上至下设有渣料区、熔炼区和结晶区；所述自耗电极预制成圆筒体，再将圆筒体一分为二，形成自耗电极的正极和负极；所述自耗电极正极和自耗电极负极均为半圆环电极；所述变压器电源、短网、自耗电极正极、渣料区、自耗电极负极、短网和变压器电源构成供电回路。

2.根据权利要求1所述抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置，其特征在于，所述正极的半圆环电极与假电极焊接成一体固定于电渣炉的其中一横梁支臂上，负极的半圆环电极与假电极焊接成一体固定于电渣炉的另一横梁支臂上。

3.根据权利要求1或2所述抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置，其特征在于，还包括轧辊辊芯，所述轧辊辊芯的中心位置开设有中心孔，所述中心孔的上部和下部分别连接进/出水管。

4.根据权利要求3所述抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置，其特征在于，还包括底水箱，所述轧辊辊芯设于底水箱的面板的中心孔中。

5.根据权利要求1或2所述抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置，其特征在于，所述一体式结晶器为一体式T型结晶器，一体式结晶器的底部直接与底水箱的面板螺纹连接。

6.根据权利要求1或2所述抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的装置，其特征在于，所述一体式结晶器的外侧且位于结晶区位置处设有能够移动的感应加热及保温装置。

7.一种抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将轧辊辊芯与一体式结晶器保持轴线重合，并接好轧辊辊芯中心孔处的进/出水管，保证中心孔内有冷却液体通过；

S2：对进入一体式结晶器之前的渣料进行化渣，并对轧辊辊芯进行预热；

S3：预热完毕后，将化渣后的渣液倒入一体式结晶器内，通电进行渣液起弧；

S4：轧辊辊芯在高温渣液和轧辊辊芯中心孔冷却的双重作用下，出现一定厚度的表层熔融，自耗电极不断熔化产生的金属液滴逐渐与轧辊辊芯熔融状态的金属覆合在一起，并在一体式结晶器的冷却作用下凝固成一定厚度的覆合工作层；

S5：随着双金属覆合过程的进行，启动抽锭系统进行抽锭，并通过调节轧辊辊芯中心孔内的水温，控制轧辊辊芯表层的熔化厚度；

S6：随着抽锭的进行，待具有覆合工作层的轧辊辊芯长度增加到预设长度后，对其进行感应加热保温；

S7：当轧辊辊芯覆合工作层达到所需目标长度后，停止抽锭；抬升自耗电极脱离渣池，断电，完成轧辊辊芯覆合工作层的双金属熔覆操作。

8.根据权利要求7所述抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的方法，其特征在于，S1~S3具体包括以下步骤：

将留有中心孔的轧辊辊芯固定在底水箱的中心孔内，使得轧辊辊芯与一体式结晶器保持轴线重合，并将一体式结晶器安装于底水箱上，接好轧辊辊芯的中心孔处的进/出水管；

将自耗电极分别装至电渣炉的各横梁支臂的夹头上并夹紧；

按计算的渣料重量，称取烘烤的渣料待用；

选取适量的石墨化渣包放至化渣机特定平台上，接通化渣机电源，起弧后不断加入渣料进行化渣；同时，对轧辊辊芯进行感应预热；

预热完毕后，在一体式结晶器与轧辊辊芯之间安装导渣模，化渣完毕后，将化渣后的液渣通过导渣模倒入一体式结晶器中，取走导渣模后，通电进行渣液起弧。

9.根据权利要求7或8所述抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的方法，其特征在于，S5中，控制轧辊辊芯表层的熔化厚度为5~10mm。

10.根据权利要求7或8所述抽锭式电渣重熔法制备双金属覆合轧辊的方法，其特征在于，所述轧辊辊芯采用低合金钢进行锻造或铸造而成；所述自耗电极采用离心浇铸方式将高速钢预制成圆筒体，再将圆筒体一分为二，形成自耗电极的正极和负极。

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