CN114606391A - 一种电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置 - Google Patents
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Abstract
一种电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置，包括组合结晶器和电源，其中组合结晶器由三边冷却段和平板导电段组成，三边冷却段与平板导电段之间用两个绝缘垫片绝缘隔断；组合结晶器底部设有引锭板，组合结晶器与引锭板之间用绝缘板绝缘隔断。本发明设计了平板导电段，通过改变导电段与渣池的接触位置，从而改变冶炼过程的电流流动方向，高温区也随之向下移动；可以保证高温区在自耗电极与平板导电段范围内，从而有效减少液态渣池向母材传递热量，避免导致母材熔化过多，使其与自耗电极接触的问题；又能使高温区向渣池下面移动，金属熔池的深度就会增加，渣壳的厚度就会减小，从而改善钢锭的表面质量。
Description
技术领域
本发明属于冶金设备技术领域，特别涉及一种电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置。
背景技术
大型铸锻件是大型铸件和大型锻件的简称，在新型核电、火电等能源装备的核心构件中都有广泛的应用，是制备重大型装备的基础，其质量情况直接关系到设备运行的安全性和可靠性；而铸锭又是大型锻件的母坯，只有进行加工处理之后才能形成能够投入生产的构件，铸造件花费的时间很长，往往会占生产周期的40％以上，所以铸造过程是生产大型构件的主要环节之一；大型装备的制造过程决定了过程会持续很久，所以在铸件凝固过程中会存在不可避免的成分偏析、缩孔、缩松、晶粒形态和尺寸不均匀等缺陷；其中的一些宏观偏析在后续的热加工过程中是很难以得到有效改善，所以为了减少这些问题，就需要在铸锭的制备过程就开始控制。
生产过程中，由于大型铸锭制备成本较高，并且宏观偏析分布只能通过解剖铸锭进行分析才能得到；所以在生产实验中，其存在周期长、成本高、能耗大等不利特点，铸锭宏观偏析的根本原因是凝固过程中固液相之间的相对流动，对此，研究有关大型铸锭的新型生产方式有助于控制铸锭偏析分布。
对于一些高品质特殊大型锻件的生产，仍存在产品性能不均、性能不稳、成材率成品率低等问题。
电渣重熔钢锭具有成分均匀、组织致密、夹杂物细小且弥散分布、力学性能优异等诸多优点，因此，关于电渣冶金法制备金属复合钢锭，尤其是对于应用于轧制领域的金属复合轧辊的研究报道也是层出不穷；这些报道主要集中在以下三个方面：1、通过改变自耗电极的形状、个数、分布等条件，增加冶炼过程的稳定性，提高复合材料质量如《Developmentof high performance new composite roll》；2、调整电渣试验装置，例如设计了结晶器和电源，结晶器从上往下依次包括第一结晶器和第二结晶器；电源则是用到了工频电源和脉冲电源；还有设计了一种一体式结晶器，如中国专利《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》，3、直接将连接后的金属棒材采用电渣重熔原理进行复合，过程不使用自耗电极的中国专利《一种低密度抗高速冲击磨损的复合钢板制造方法》；以上研究中，使用导电结晶器进行液固复合实验，可以有效地解决现有复合工艺中存在的结合强度差、成本高昂、效率低下、不能规模化生产的各种问题；但缺点也很明显，由于导电结晶器的形状限制，电流回路基本集中在渣池表面，所以其高温区位置也有一定局限性。
使用导电结晶器回路的电渣重熔制备复合钢锭可以分为两个回路：第一种回路是：变压器-短网-自耗电极-渣池-凝固铸锭-底水箱-短网-变压器；第二种回路是：变压器-短网-自耗电极-渣池-导电结晶器-短网-变压器；在传统的导电结晶器工艺制备复合钢锭的方法中，导电回路通常选择上述两种回路，根据曹玉龙论文的描述利用第二种回路时，是可以有效地控制芯棒表面熔化层的深度，从而防止芯棒表面过度熔化，减少熔覆层成分的稀释，进而降低熔覆层的力学性能。在实际的熔炼过程中，结晶器的强冷作用下，导电段下端附近的渣池处于凝固状态，所以电流主要从自耗电极流入导电段的中上部。
发明内容
本发明的目的是提供一种电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置，通过改变导电结晶器位置和形状来改变电流路径，从而改变渣池的高温区位置，改善渣池温度分布，制得的复合材料提高了金属结合界面的均匀性，能够有效地改善了其表面质量及力学性能；可以有效改善传统导电结晶器的局限性。
本发明的电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置包括组合结晶器和电源1，组合结晶器由三边冷却段2和平板导电段10组成，三边冷却段2与平板导电段10之间用两个绝缘垫片6绝缘隔断；组合结晶器底部设有引锭板9，组合结晶器与引锭板9之间用绝缘板12绝缘隔断。
上述装置中，三边冷却段2由三个侧板组成，中侧板的两端各连接一个边侧板；两个边侧板的一个端面与绝缘垫片6连接，两个绝缘垫片6同时与平板导电段10一个侧壁连接。
上述装置中，电源1的一极通过短网与平板导电段10连接，另一极与自耗电极5连接；短网上设有大电流开关11。
上述装置中，三边冷却段2和平板导电段10内设有冷却水腔用于流通冷却水。
上述装置中，三边冷却段2和平板导电段10的材质为铜。
上述装置中，绝缘板12的材质为镁砂和石棉绳。
上述装置中，绝缘垫片6的材质为石棉。
本发明的电渣重熔法制备复合钢锭板坯的方法，采用上述装置，按以下步骤进行：
(1)将母材3置于组合结晶器内，母材3为立方体，母材3的底面与绝缘板12相接触，母材3的三个侧壁分别与三边冷却段2的中侧板和两个边侧板贴紧连接，母材3的另外一个侧壁与平板导电段10相对；
(2)向三边冷却段2和平板导电段10的冷却水腔内通入冷却水；
(3)将熔融的渣料放入方框结晶器内母材3与板型导电段10之间的空间，形成液态渣池4；
(4)将自耗电极5通过升降装置放入液态渣池4内，将连接板型导电段10和自耗电极5的短网上的大电流开关11合闸，使电源1、大电流控制开关11、平板导电段10、液态渣池4与自耗电极5构成的供电回路导通；通过电源1加热使液态渣池4的温度升高，并使母材4的一个侧壁表面形成熔化层，同时使自耗电极5熔化形成液滴，沉积在液态渣池4底部形成金属熔池7；
(5)随着金属熔池7的逐渐累积，金属熔池7与母材3表面的熔化层复合，在冷却作用下金属熔池7凝固在母材3的表面，形成熔覆层8；
(6)开启抽锭系统使引锭板9下降，将覆盖有熔覆层8的母材3拉出，直至制成复合钢锭板坯。
上述的步骤(3)中，先将渣料在电阻炉中烘烤去除水分，随炉冷却至常温，然后采用引弧化渣的方式制成熔融的渣料，再放入组合结晶器内。
上述的步骤(4)中，自耗电极5的数量为一个或多个，自耗电极5为圆柱型或板型；当自耗电极5为多个时，各自耗电极5的形状尺寸相同，且与母材3的距离相等。
上述的步骤(6)中，当覆盖有熔覆层8的母材3在组合结晶器内达到所需长度时，在不开启抽锭系统的情况下，通过升降装置将自耗电极5升高，使其脱离液态渣池4，并关闭大电流开关11；熔覆层8的母材3冷却至常温后，取出复合钢锭板坯。
本发明设计了有别于传统电渣重熔法制备复合钢锭的导电结晶器，即存在平板导电段，冶炼的过程是通过改变导电段与渣池的接触位置，从而改变冶炼过程的电流流动方向，传统的结晶器电流是流向引锭板处，而本发明的电源回路连接平板导电段，且液渣会沿着平板导电段上部的侧壁上浮，所以电流是向平板导电段下部流入，焦耳热分布向渣池的下部移动，高温区也随之向下移动；传统导电结晶器的高温区主要位于自耗电极与母材之间的渣池，且分布在渣池的上部，所以为了避免表面质量太差，不能使渣壳过厚；采用本发明的组合结晶器，可以保证高温区在自耗电极与平板导电段范围内，从而有效减少液态渣池向母材传递热量，避免导致母材熔化过多，使其与自耗电极接触的问题；又能使高温区向渣池下面移动，金属熔池的深度就会增加，渣壳的厚度就会减小，从而改善钢锭的表面质量。
本设计可以通过改变电渣炉横梁支臂，调整母材与自耗电极的距离，当冶炼高熔点材料时，其熔速较慢，可以使自耗电极靠近母材，增加其熔覆层融化速度，反之，当冶炼低熔点材料时，其熔速较快，可以使自耗电极靠近平板导电段，减少其熔覆层融化速度，故而可以保证冶炼的稳定性，减少耗能。
本发明利用液渣启动的方式，通过在复合系统改变电流流向及改变电极熔化与金属复合供电回路增加其操作的便捷性，也可以增加其冶炼过程的稳定性。本发明通过改进电渣的实验装置及电流的路径，对渣池的温度场进行合理的优化，尤其是渣-金属界面处，这种方法可以有效降低表面的渣壳厚度，有利于制备出界面强度高、质量好的复合材料。
附图说明
图1为本发明的电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置剖面结构示意图；
图2为本发明的电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置俯视剖面结构示意图；
图中，1、电源，2、三边冷却段，3、母材，4、液态渣池，5、自耗电极，6、绝缘垫片，7、金属熔池，8、熔覆层，9、引锭板，10、平板导电段，11、大电流开关，12、绝缘板。
具体实施方式
本发明的自耗电极材质即为复合材料的熔覆层材质，当自耗电极为多个时，对其进行焊接连接时要保证竖直且紧密排列，以便在重熔复合过程中始终保持自耗电极距母材表面间距一定。
本发明采用组合结晶器，有利于增大渣池的体积，提高渣池的发热量，增加母材的预热，同时也有利于调节自耗电极与母材的距离，以及复合材料工作层的厚度。
本发明的组合结晶器根据冶炼所需材料尺寸设置尺寸。
本发明实施例中的三边冷却段2和平板导电段10材质为铜。
本发明实施例中耐高温绝缘垫片6材质为石棉。
本发明实施例中耐高温绝缘材料12材质为镁砂和石棉绳，隔绝母材与引锭板。
本发明实施例中采用的渣料成分按质量百分比为CaF2 40～55％，CaO 15～25％，Al2O320～30％，MgO 0～5％，SiO2 0～10％。
本发明实施例中供电回路的电流为200～2000A、电压为10～100V。
实施例1
电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置结构如图1所示，俯视图结构如图2所示，包括组合结晶器和电源1，组合结晶器由三边冷却段2和平板导电段10组成，三边冷却段2与平板导电段10之间用两个绝缘垫片6绝缘隔断；组合结晶器底部设有引锭板9，组合结晶器与引锭板9之间用绝缘板12绝缘隔断；
三边冷却段2由三个侧板组成，中侧板的两端各连接一个边侧板；两个边侧板的一个端面与绝缘垫片6连接，两个绝缘垫片6同时与平板导电段10一个侧壁连接；
电源1的一极通过短网与平板导电段10连接，另一极与自耗电极5连接；短网上设有大电流开关11；
三边冷却段2和平板导电段10内设有冷却水腔用于流通冷却水；
方法为：
(1)将母材3置于组合结晶器内，母材3为立方体，母材3的底面与绝缘板12相接触，母材3的三个侧壁分别与三边冷却段2的中侧板和两个边侧板贴紧连接，母材3的另外一个侧壁与平板导电段10相对；
(2)向三边冷却段2和平板导电段10的冷却水腔内通入冷却水；将连接平板导电段10和自耗电极5的短网上的大电流开关11合闸；
(3)先将渣料在电阻炉中烘烤去除水分，随炉冷却至常温，然后采用引弧化渣的方式制成熔融的渣料；将熔融的渣料放入方框结晶器内母材3与板型导电段10之间的空间，形成液态渣池4；
(4)将自耗电极5通过升降装置放入液态渣池4内，将连接板型导电段10和自耗电极5的短网上的大电流开关11合闸，使电源1、大电流控制开关11、平板导电段10、液态渣池4与自耗电极5构成的供电回路导通；通过电源1加热使液态渣池4的温度升高，并使母材4的一个侧壁表面形成熔化层，同时使自耗电极5熔化形成液滴，沉积在液态渣池4底部形成金属熔池7；自耗电极5的数量为一个，板型；
(5)随着金属熔池7的铸件累积，金属熔池7与母材3表面的熔化层复合，在冷却作用下金属熔池7凝固在母材3的表面，形成熔覆层8；
(6)开启抽锭系统使引锭板9下降，将覆盖有熔覆层8的母材3拉出，直至制成复合钢锭板坯；
组合结晶器尺寸为长300mm，宽200mm，高400mm；母材3的材质为GCr15钢，尺寸为长300mm，宽80mm，高400mm；自耗电极5的材质为GCr15钢；复合钢锭板坯长300mm，宽200mm，高300mm；工作层厚度120mm；
复合钢锭板坯用4％硝酸酒精溶液腐蚀处理后的宏观形貌可以看出，表面呈现出微熔状态，表面处形成了界面结合均匀、无气孔、夹杂、裂纹等缺陷的同种金属结合界面；
二次间距可以表征偏析，与普通电渣重熔方式得到的GCr15钢锭相比，二次间距由210μm降至180μm，降低了14％，间距减少表明偏析减少，硬度也由39.7HRC升高至40.7HRC，上升了2.5％；抗拉强度由612.475MPa升高至636.217MPa，升高了3.8％；力学性能都有普遍升高。
实施例2
装置结构同实施例1；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)自耗电极5的数量为3个，自耗电极5为圆柱型；3各自耗电极5的形状尺寸相同，且与母材3的距离相等；
(2)组合结晶器尺寸为长500mm，宽400mm，高600mm；母材3的材质为#45钢，尺寸为长500mm，宽200mm，高600mm；自耗电极5的材质为GCr15，尺寸为直径60mm、长1400mm；复合钢锭板坯的尺寸为长500mm，宽400mm，高500mm；复合的工作层厚度200mm；
(3)当覆盖有熔覆层8的母材3在组合结晶器内达到所需长度时，通过升降装置将自耗电极5升高，使其脱离液态渣池4，并关闭大电流开关11；覆盖有熔覆层8的母材3冷却至常温后，取出制成的复合钢锭板坯；
复合钢锭板坯用4％硝酸酒精溶液腐蚀处理后的宏观形貌；经分析后，其结合界面同样无气孔、夹杂、裂纹等缺陷；
与普通电渣重熔方式得到的复合钢锭相比，GCr15间的二次间距由210μm降至160μm，降低了23％，表明偏析减少、硬度也由39.7HRC升高至44.3HRC，上升了11％；抗拉强度由612.475MPa升高至636.399MPa，升高了3.9％。
实施例3
装置结构同实施例1；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)自耗电极5的数量为2个，自耗电极5为圆柱型；各自耗电极5的形状尺寸相同，且与母材3的距离相等；
(2)组合结晶器尺寸为长500mm，宽400mm，高600mm；母材3的材质为S136钢，尺寸为长500mm，宽200mm，高500mm；自耗电极5的材质为42CrMo，尺寸为直径80mm、长1500mm；复合钢锭板坯的尺寸为长500mm，宽400mm，高500mm；复合的工作层厚度200mm；
复合钢锭板坯用4％硝酸酒精溶液腐蚀处理后的宏观形貌；经分析后，其结合界面同样无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。
实施例4
装置结构同实施例1；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)自耗电极5的数量为1个，自耗电极5为板型；
(2)组合结晶器尺寸为长500mm，宽400mm，高600mm；母材3的材质为#45钢，尺寸为长500mm，宽200mm，高600mm；自耗电极5的材质为42CrMo，尺寸为长420mm、宽120mm、高1600mm；复合钢锭板坯的尺寸为长500mm，宽400mm，高500mm；复合的工作层厚度200mm；
复合钢锭板坯用4％硝酸酒精溶液腐蚀处理后的宏观形貌；经分析后，其结合界面同样无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。
实施例5
装置结构同实施例1；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)自耗电极5的数量为5个，自耗电极5为圆柱型；各自耗电极5的形状尺寸相同，且与母材3的距离相等；
(2)组合结晶器尺寸为长500mm，宽400mm，高600mm；母材3的材质为2Cr13，尺寸为长500mm，宽200mm，高600mm；自耗电极5的材质为中碳钢，尺寸为直径35mm、高1500mm；复合钢锭板坯的尺寸为长500mm，宽400mm，高500mm；复合的工作层厚度200mm；
复合钢锭板坯用FeCl3腐蚀液(5gFeCl3+100mlHCl+100ml酒精)硝酸酒精溶液腐蚀处理后的宏观形貌；经分析后，其结合界面同样无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。
实施例6
装置结构同实施例1；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)自耗电极5的数量为6个，自耗电极5为圆柱型；各自耗电极5的形状尺寸相同，且与母材3的距离相等；
(2)组合结晶器尺寸为长600mm，宽500mm，高700mm；母材3的材质为#45钢，尺寸为长600mm，宽300mm，高600mm；自耗电极5的材质为GCr15，尺寸为直径30mm；复合钢锭板坯的尺寸为长600mm，宽500mm，高500mm；复合的工作层厚度200mm；
复合钢锭板坯用4％硝酸酒精溶液腐蚀处理后的宏观形貌；经分析后，其结合界面同样无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。
实施例7
装置结构同实施例1；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)自耗电极5的数量为1个，自耗电极5为板型；
(2)组合结晶器尺寸为长500mm，宽400mm，高600mm；母材3的材质为GCr15钢，尺寸为长500mm，宽200mm，高600mm；自耗电极5的材质为#45钢，尺寸为长420mm、宽120mm、高1500mm；复合钢锭板坯的尺寸为长500mm，宽400mm，高500mm；复合的工作层厚度200mm；
复合钢锭板坯用4％硝酸酒精溶液腐蚀处理后的宏观形貌；经分析后，其结合界面同样无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。
实施例8
装置结构同实施例1；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)自耗电极5的数量为2个，自耗电极5为圆柱型；各自耗电极5的形状尺寸相同，且与母材3的距离相等；
(2)组合结晶器尺寸为长500mm，宽500mm，高600mm；母材3的材质为2Cr13钢，尺寸为长500mm，宽200mm，高600mm；自耗电极5的材质为GCr15，尺寸为直径130mm，高1500mm；复合钢锭板坯的尺寸为长500mm，宽500mm，高500mm；复合的工作层厚度200mm；
复合钢锭板坯用4％硝酸酒精溶液腐蚀处理后的宏观形貌；经分析后，其结合界面同样无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。
对比例
采用的自耗电极材质为球墨铸铁，采用的母材材质为普通碳钢；其余与实施例1相同，不同点在于：采用电源-短网-自耗电极-液态渣池-覆盖有熔覆层的母材-底水箱-短网-电源构成的通电回路，且装置中不设置绝缘板；冶炼时发现，母材靠近自耗电极处熔化量很多，是由于电路影响高温区，使其集中在母材与自耗电极之间；结果表明，得到的钢锭表面质量欠佳，界面裂纹缺陷较多。
Claims (10)
1.一种电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置，包括组合结晶器和电源，其特征在于：组合结晶器由三边冷却段和平板导电段组成，三边冷却段与平板导电段之间用两个绝缘垫片绝缘隔断；组合结晶器底部设有引锭板，组合结晶器与引锭板之间用绝缘板绝缘隔断。
2.根据权利要求1所述的电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置，其特征在于所述的三边冷却段由三个侧板组成，中侧板的两端各连接一个边侧板；两个边侧板的一个端面与绝缘垫片连接，两个绝缘垫片同时与平板导电段一个侧壁连接。
3.根据权利要求1所述的电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置，其特征在于所述的电源的一极通过短网与平板导电段连接，另一极与自耗电极连接；短网上设有大电流开关。
4.根据权利要求1所述的电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置，其特征在于所述的三边冷却段和平板导电段内设有冷却水腔用于流通冷却水。
5.根据权利要求1所述的电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置，其特征在于所述的三边冷却段和平板导电段的材质为铜。
6.根据权利要求1所述的电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置，其特征在于所述的绝缘板的材质为镁砂和石棉绳。
7.根据权利要求1所述的电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置，其特征在于所述的绝缘垫片的材质为石棉。
8.一种电渣重熔法制备复合钢锭板坯的方法，其特征在于采用权利要求1所述的装置，按以下步骤进行：
(1)将母材置于组合结晶器内，母材为立方体，母材的底面与绝缘板相接触，母材的三个侧壁分别与三边冷却段的中侧板和两个边侧板贴紧连接，母材的另外一个侧壁与平板导电段相对；
(2)向三边冷却段和平板导电段的冷却水腔内通入冷却水；
(3)将熔融的渣料放入方框结晶器内母材与板型导电段之间的空间，形成液态渣池；
(4)将自耗电极通过升降装置放入液态渣池内，将连接板型导电段和自耗电极的短网上的大电流开关合闸，使电源、大电流控制开关、平板导电段、液态渣池与自耗电极构成的供电回路导通；通过电源加热使液态渣池的温度升高，并使母材的一个侧壁表面形成熔化层，同时使自耗电极熔化形成液滴，沉积在液态渣池底部形成金属熔池；
(5)随着金属熔池的逐渐累积，金属熔池与母材表面的熔化层复合，在冷却作用下金属熔池凝固在母材的表面，形成熔覆层；
(6)开启抽锭系统使引锭板下降，将覆盖有熔覆层的母材拉出，直至制成复合钢锭板坯。
9.根据权利要求8所述的电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置的使用方法，其特征在于步骤(3)中，先将渣料在电阻炉中烘烤去除水分，随炉冷却至常温，然后采用引弧化渣的方式制成熔融的渣料，再放入组合结晶器内。
10.根据权利要求8所述的电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置的使用方法，其特征在于步骤(4)中，自耗电极的数量为一个或多个，自耗电极为圆柱型或板型；当自耗电极为多个时，各自耗电极的形状尺寸相同，且与母材的距离相等。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202210242077.4A CN114606391A (zh) | 2022-03-11 | 2022-03-11 | 一种电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置 |
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| CN202210242077.4A CN114606391A (zh) | 2022-03-11 | 2022-03-11 | 一种电渣重熔法制备复合钢锭板坯的装置 |
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| CN114606391A true CN114606391A (zh) | 2022-06-10 |
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| CN (1) | CN114606391A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115710640A (zh) * | 2022-12-08 | 2023-02-24 | 东北大学 | 分瓣式导电结晶器及改善熔池分布的电渣重熔装置与方法 |
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2022
- 2022-03-11 CN CN202210242077.4A patent/CN114606391A/zh active Pending
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