CN114700481A - 一种细化铸锭组织和改善铸锭表面质量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细化铸锭内部组织和改善铸锭表面质量的装置及方法，由带有水冷夹层的结晶器、水冷夹层内带有可上下移动的环形阻流壁构成新型水冷结晶器。电渣重熔时，环形阻流壁根据结晶器内的电渣锭高度进行持续上移，从而实现电渣锭不同高度的冷却，进而同时改善电渣锭表面和内部质量、防止电渣锭应力开裂现象。现有无环形阻流壁的普通水冷结晶器，无论如何改变结晶器的循环水流量，水冷结晶器夹层内的水流速呈单一模式始终存在，存在电渣锭内部质量差、表面质量差、电渣锭应力开裂不能同时改善的问题。本发明开发的新型带环形阻流壁的水冷结晶器，同时获得了最优的电渣锭表面和内部质量、并防止电渣锭应力开裂现象。

Description

一种细化铸锭组织和改善铸锭表面质量的装置及方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器的电渣重熔装置和使用方法。

背景技术

目前电渣重熔的生产工艺为，电渣重熔初期先将少量的预熔渣置于结晶器底，在金属电极与底板的电弧热下熔渣逐步熔化，随后持续加入剩余熔渣进行熔化；当全部熔渣熔化完后形成液态渣池，将金属电极插入到液态渣池中，在液态渣池焦耳热和水冷结晶器的作用下，金属电极不断熔化成液滴穿过液态渣池，在水冷结晶器的作用下凝固成电渣锭，随着金属电极的不断熔化和电渣锭的不断升高，完成了整支电渣锭的制备。电渣锭表面和内部质量的保证是电渣重熔工艺的关键技术效果，申请人采用改变冷却水进水和/或出水的模式，较常规电渣重熔结晶器明显改善电渣锭表面和内部质量（参见CN2022101082855、CN2022101083256），但是重熔方法引入至工业化生产还需要磨合，且不能实现金属熔池的均匀持续冷却，改善效果还需要提升。因此，需要研发新的设备以及方法，同时改善电渣重熔中电渣锭内部和表面质量、防止电渣锭应力开裂对于生产大型锻件具有重要的意义。

发明内容

本发明同时提升电渣锭表面和内部质量，细化碳化物尺寸、预防电渣锭应力开裂，为大型锻件产品提供优质的电渣锭。与现有技术相比，本发明的创造性在于：本发明首次公开了带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器及其使用方法，使得结晶器轴向上的水流量呈环形阻流壁处的水流速快、环形阻流壁上部和下部的水流速慢，实现同时提高电渣锭内部质量和表面质量的目标。

本发明采用如下技术方案：

一种同时改善电渣锭内部和表面质量的电渣重熔装置，包括水冷结晶器，所述水冷结晶器的夹层内设有移动式环形阻流壁，具体为上下移动式环形阻流壁；作为常识，水冷结晶器为电渣重熔的场所，带有夹层用于冷却水循环，具有进水口与出水口，本发明在现有水冷结晶器的基础上创造性的提出水冷结晶器的夹层内设有上下移动式环形阻流壁，组成一种带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器的电渣重熔装置。具体的，夹层内的移动式环形阻流壁的长度大于30cm，优选的，移动式环形阻流壁长度在40～50cm。优选的，移动式环形阻流壁的厚度是夹层厚度的30～55%，优选40～50%。

作为常识，电渣重熔装置具有常规基础部件以及结构，比如电源、水冷电缆、金属电极、底水箱、液态渣池、水冷结晶器，结晶器内腔作为金属熔池。水冷结晶器的外层和内层构成夹层，用于水流，水冷结晶器设有进水口、出水口，与水冷结晶器夹层连通，循环流动实现结晶器的冷却，本发明中，进水口位于水冷结晶器的下部，出水口位于结晶器的上部。通过移动结晶器夹层内的环形阻流壁，使得环形阻流壁处的水流速增加，细化电渣锭组织晶粒和碳化物尺寸，同时改善电渣锭表面质量。

本发明公开了使用上述同时改善电渣锭内部和表面质量的电渣重熔装置进行电渣重熔的方法，包括以下步骤：电渣重熔装置的底水箱开启水冷，开启水冷结晶器进水口与出水口，开始电渣重熔，且底水箱的水冷、结晶器的循环水冷持续开启直至电渣重熔结束；水冷结晶器夹层内的移动式环形阻流壁随着金属电极的重量损失而升高，直至电渣重熔完成，得到同时改善电渣锭内部和表面质量的电渣锭。

本发明同时改善电渣锭内部和表面质量的电渣重熔装置在进行电渣重熔时，具体包括如下步骤：

（1）采用上述带有可移动式环形阻流壁的水冷结晶器，电渣重熔时，结晶器夹层内的可移动式环形阻流壁的升降根据金属电极的重量损失进行调节；

（2）电渣重熔过程中，底水箱和水冷结晶器的循环冷却水始终呈开启模式；

（3）随着金属电极的重量不断降低（即液态渣池-金属熔池界面的不断升高），结晶器夹层内的可移动式环形阻流壁也逐渐升高，并在电渣重熔过程中维持移动式环形阻流壁顶端低于液态渣池-金属熔池界面3～8cm，优选4～6cm，最优选5cm；直至电渣重熔完成。

本发明中，水冷结晶器侧壁的夹层内设有可移动式环形阻流壁，优选的，水冷结晶器侧壁的夹层内设有丝杠，移动式环形阻流壁安装在丝杠上，实现可移动，比如丝杠竖直设置，从而使得环形阻流壁上下移动。液态渣池和上部分金属熔池圆柱区对应的结晶器铜制内层外壁水流速始终处于合理的冷却模式、电渣锭表面渣壳变薄；作为优选示例，水冷结晶器夹层内的移动式环形阻流壁低于液态渣池-金属熔池界面5 cm，使得移动式环形阻流壁对应的结晶器铜制内层外壁的水流速增加，对应高度的下部分金属熔池V型区的冷却强度显著增加，降低了电渣锭中心偏析、细化组织晶粒和碳化物尺寸；低于可移动式环形阻流壁的结晶器铜制内层外壁的水流速处于合理的冷却模式，有效防止下部的电渣锭发生低温马氏体相变应力开裂现象；实现同时改善电渣锭表面和内部质量、防止下部电渣锭应力开裂的目标。

为了控制结晶器夹层内可移动式环形阻流壁的高度，本发明还公开了一种根据金属电极熔化损失重量计算移动式环形阻流壁高度的方法，用于根据金属电极损失重量控制移动式环形阻流壁的高度，其中结晶器的上圆口直径小于下圆口的直径，具有一定的锥度，其为常识。金属电极损失重量和移动式环形阻流壁高度的关系如下公式(1)：

其中结晶器上圆口半径为r，结晶器下圆口半径为R，结晶器高度为L，移动式环形阻流壁的高度为H，长度单位均为cm；金属电极的损失重量为M，单位为kg；金属电极的密度为p，单位kg/cm³；C为可移动式环形阻流壁顶端与液态渣池-金属熔池界面的高度差，取5cm。H+C为液态渣池-金属熔池界面的高度，移动式环形阻流壁高度是指移动式环形阻流壁顶端距离结晶器底端的距离。

现有技术不需要可移动式环形阻流壁的高度参数，也不涉及根据该高度调节冷却的方法，本发明首次公开了可移动式环形阻流壁随着金属电极损失重量的关系，结合本发明带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器，实现同时提高电渣锭内部和表面质量、防止电渣锭应力开裂的目标；有效解决了现有技术无法使得电渣锭内部和表面质量同时改善、防止电渣锭应力开裂的电渣重熔高碳钢产品的问题。

本发明相较于现有技术的优点和技术效果如下：

其一、采用带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器及其使用方法，使得下部金属熔池V型区的冷却强度显著增加，下部金属熔池V型区的深度变浅、金属熔池凝固速率加快，改善电渣锭偏析、细化组织晶粒和碳化物尺寸等。

其二、采用带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器及其使用方法，在保证下部金属熔池V型区冷却强度显著增加的情况下，上部金属熔池圆柱区和液态渣池处于合理的水冷强度，有利于金属熔池圆柱区的表面渣壳变薄，即电渣锭表面渣壳变薄，改善电渣锭表面质量。

其三、采用带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器及其使用方法，在保证下部金属熔池V型区冷却强度显著增加的情况下，环形阻流壁下部的成型电渣锭处于合理的水冷强度，有利于防止高碳钢电渣锭的应力开裂。

其四、本发明首次公开了金属电极损失重量和可移动式环形阻流壁高度的计算方法，根据电渣炉操控台上的电极重量损失示数就能够自动控制结晶器夹层内的环形阻流壁的持续移动。

附图说明

图1为带有夹层、夹层内带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器结构示意图；

图2为带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器的电渣重熔装置结构示意图（浅V型金属熔池特征）；

图3为移动式环形阻流壁与水冷结晶器的铜制内层结构示意图；

图4为带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器的电渣重熔装置结构示意图，带有尺寸参数标记；

图5为实施例二可移动式环形阻流壁高度随金属电极损失重量的关系；

图6为实施例二制备的电渣锭，表面光滑、质量好；

图7为现有水冷结晶器的电渣重熔装置结构示意图；

图8为对比例一制备的电渣锭，表面平整、质量较好；

图9为对比例二制备的电渣锭，表面呈波纹状、质量差；

其中：1-上部金属熔池圆柱区，2-下部金属熔池V型区，3-电渣锭，4-移动式环形阻流壁，5-水冷结晶器钢制外层，6-水冷结晶器铜制内层，7-结晶器进水口，8-底水箱,9-移动丝杠，91-电机，10-液态渣池，11-金属电极，12-结晶器出水口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。本发明涉及的具体部件以及部件的具体连接方法为现有常规方法，比如丝杠与可移动式阻流壁的安装与控制等。移动丝杠常规竖直安装在夹层的上下壁上并穿出上壁与常规电机连接，电机由控制器控制，控制器根据金属电极的损失重量带动丝杠旋转，进而通过丝杠旋转控制可移动式阻流壁在夹层内的持续上移，市售控制器或者单片机都可应用；电机重量损失的获取为现有技术，根据现有电渣重熔装置配置的称量计重设备得到。

本发明公开了一种带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器的电渣重熔装置及使用方法，可以达到同时细化电渣锭内部组织晶粒、改善电渣锭表面质量的目的。为此，本发明开发了带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器。电渣重熔时，环形阻流壁根据金属电极的重量损失进行高度调节。本装置和工艺使得液态渣池和上部分金属熔池圆柱区始终处于合理的冷却模式、电渣锭表面渣壳变薄；同时下部分金属熔池V型区对应高度的结晶器的冷却强度显著增加，使得金属熔池V型区变浅、凝固速率变快、电渣锭组织晶粒和碳化物尺寸细化，达到了同时改善电渣锭表面和内部质量的目的。现有技术采用无环形阻流壁的水冷结晶器，无论如何改变结晶器的水冷制度，始终存在电渣锭内部质量差、表面质量差、电渣锭应力开裂三者不能同时改善的问题。本发明开发的带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器，同时获得了最优的电渣锭表面和内部质量，同时防止电渣锭应力开裂。

实施例一

如图1所示，一种带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器的电渣重熔装置，包括水冷结晶器及其他常规部件，其中水冷结晶器钢制外层5、水冷结晶器铜制内层6中间的空腔为夹层，水冷结晶器的夹层设有移动式环形阻流壁4，安装在移动丝杠9上，实现上下移动，移动丝杠常规竖直安装在夹层的上下壁上并穿出上壁与常规电机91连接；水冷结晶器设有进水口7、底水箱8、出水口12，冷却水从进水口进入夹层内。

如图2所示，在电渣重熔时，电渣锭3在结晶器内，其上方为金属熔池、液态渣池10，金属电极11在最上方。

如图3所示，移动式环形阻流壁4为圆环结构，设有内螺纹孔，移动丝杠9与其螺纹连接，可通过移动丝杠的转动控制移动式环形阻流壁上下移动；移动式环形阻流壁与水冷结晶器铜制内层6之间的空隙用于冷却水流动。

电渣重熔时，金属电极在液态渣池的焦耳热下进行熔化，并在水冷结晶器的冷却下重新凝固为电渣锭。具体的，电渣重熔时，将预熔渣加入到带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器内，通电后在金属电极下端和水冷结晶器底面之间形成电弧熔化预熔渣并形成液态渣池，随后金属电极下端插入液态渣池形成供电回路，在液态渣池的电阻焦耳热下熔化呈熔滴、穿过渣池并在水冷结晶器的冷却下形成电渣锭，此为常规技术。电渣重熔过程中，底水箱和水冷结晶器的循环冷却水始终为开启模式，可移动式环形阻流壁根据金属电极的减少上下移动。作为示例，电渣重熔初期，底水箱的循环冷却水始终为开启模式、水冷结晶器采用下进水口进水、顶部出水口出水、可移动式环形阻流壁在夹层内底部；随着电渣锭的不断升高，当液态渣池-金属熔池界面到达可移动式环形阻流壁上方5cm时，可移动式环形阻流壁开始随着金属电极的重量损失而升高，直至电渣重熔结束。本发明中，涉及的位置关系为实际生产时的位置关系。本发明中，液态渣池-金属熔池界面的高度指液态渣池-金属熔池界面至水冷结晶器底部的距离，移动式环形阻流壁的高度是指移动式环形阻流壁的上端至水冷结晶器底部的距离。

结晶器顶部的出水口使得液态渣池和上部分金属熔池圆柱区始终处于合理的冷却模式、电渣锭表面渣壳变薄；表面渣壳变薄有利于下部分金属熔池V型区与水冷结晶器间的传热。液态渣池-金属熔池界面下方5cm处的环形阻流壁使得对应高度的下部分金属熔池V型区的水流速和冷却强度显著增加，有利于金属熔池V型区变浅、金属熔池的凝固时间变快，降低了电渣锭内部的二次枝晶间距、细化电渣锭内部组织晶粒和碳化物尺寸，实现同时改善电渣锭表面和内部质量的目标。

本发明采用的电渣炉为现有市售产品，只需要在现有的水冷结晶器夹层内设置移动式环形阻流壁并可上下移动即可得到本发明的装置；具体操作方法以及测试方法都为本领域常规方法，位置关系以实际生产时的状态为基础，进水为常温水。

实施例二

参见图4，带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器，可移动式环形阻流壁的长度为50cm, 厚度是夹层厚度的一半，C取5cm，结晶器下口内径为64cm、上口内径为56cm、高为190cm。金属电极为两头直径均为45cm的圆柱形GCr15钢连铸坯，其密度为8×10^-3kg/cm³。

使用CaF₂∶CaO∶Al₂O₃=50∶25∶25的预熔渣（质量比），用渣量为125kg，加入到电渣炉的带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器内进行金属电极的重熔，电渣重熔过程中的电流、电压分别为12500A、60V，电极熔化速率为400kg/h，保护气氛电渣炉的氩气通入流量为30NL/min。结晶器的循环冷却水的流量为70 m³/h；底水箱的循环冷却水的流量为25 m³/h。

电渣重熔过程中，随着金属电极的重量损失、电渣锭的高度逐渐增加、可移动式环形阻流壁逐渐升高，直至电渣重熔结束。根据公式（1）得到可移动式环形阻流壁高度与金属电极的重量损失的对应关系如图5所示，虚线表示在对应金属电极损失重量下，移动式环形阻流壁不移动，其高度就是50cm。

电渣重熔结束后脱模，得到4000kg的表面光滑的GCr15钢，电渣锭表面光滑、无缺陷、质量良好，参见图6。

为了测定电渣重熔中金属熔池的深度，在冶炼结束前向渣池中均匀地加入4kg的FeS粉末，进而采用硫印实验对金属熔池的形状进行标定。对电渣锭上部40cm高的铸锭沿直径进行纵剖、进行硫印实验，硫印实验得到的金属熔池的深度为190mm。

对电渣锭140厘米高的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为190μm。进一步的，利用扫描电镜观察并测定其珠光体的片层间距为0.18μm。表明该电渣锭具有良好的凝固组织。

对比例一

如图7所示，现有水冷结晶器，在实施例一的基础上，为无环形阻流壁，其余不变，得到的电渣锭的二次枝晶间距、组织晶粒粗大。

在实施例二的基础上，将带有可移动式环形阻流壁水冷结晶换为图7的普通水冷结晶器，进水口、出水口的水流量为70 m³/h,底水箱的循环冷却水的流量为25 m³/h，其余不变。同样的进行电渣重熔GCr15钢，得到电渣锭表面质量如图8所示，较实施例二差。

通过硫印实验测定的金属熔池深度为365mm；对电渣锭140厘米高度的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为245μm；进一步的，利用扫描电镜观察并测定其珠光体的片层间距为0.46μm。表明该电渣锭的凝固组织差。

对比例二

在实施例二的基础上，将带有可移动式环形阻流壁水冷结晶换为图7的普通水冷结晶器，进水口、出水口的水流量为140 m³/h,底水箱的循环冷却水的流量为25 m³/h，其余不变。进行同样的电渣重熔GCr15钢，得到电渣锭表面质量如图9所示，表面呈波纹状、质量差。

通过硫印实验测定的金属熔池深度为244mm；对电渣锭140厘米高度的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为214μm；进一步的，利用扫描电镜观察并测定其珠光体的片层间距为0.31μm。

对比例三

在实施例二的基础上，将带有可移动式环形阻流壁水冷结晶换为图7的普通水冷结晶器，进水口、出水口的水流量为100 m³/h,底水箱的循环冷却水的流量为25 m³/h，其余不变。进行同样的电渣重熔GCr15钢，得到电渣锭表面质量肉眼可见微小波纹。通过硫印实验测定的金属熔池深度为318mm；对电渣锭140厘米高度的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为231μm；进一步的，利用扫描电镜观察并测定其珠光体的片层间距为0.39μm。

以上结果表明，现有结晶器，无论如何调整冷却参数，得到的电渣锭表面和内部质量都需要改善，无法兼得好的电渣锭表面和内部质量。

对比例四

如CN2022101083256所示，为单进多出式水冷结晶器，其余基础部件一样，得到的电渣锭的二次枝晶间距、组织晶粒大于实施例。以上述实施例二的钢种以及炉渣为原料，采用其应用实施例一的方法，进行电渣重熔GCr15钢，得到电渣锭表面光滑、无缺陷、质量良好。通过硫印实验测定的金属熔池深度为195mm；对电渣锭140厘米高度的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为196μm；进一步的，利用扫描电镜观察并测定其珠光体的片层间距为0.21μm。表明其凝固组织不如实施例二。

对比例证明了本发明提出的带有可移动式环形阻流壁水冷结晶细化电渣锭组织晶粒尺寸的优越性。

现有的电渣重熔装置如图7所示，当水冷结晶器冷却强度过小时，金属熔池凝固速率变慢，组织晶粒和碳化物粗大、严重影响了电渣锭内部质量；当水冷结晶器的冷却强度过大时，造成了电渣锭表面渣壳变厚且表面质量很差等问题；因为在液态渣池-结晶器壁间存在凝固的渣壳，在金属熔池上升中存在不能够将上方凝固的渣壳熔化，为电渣锭表面渣壳变厚、波纹状表面的成因之一，同时电渣锭表面渣壳与下部金属熔池V型区对应的结晶器壁的传热也有关系，从而影响内部质量；电渣重熔的动态过程复杂，涉及传热和电渣锭凝固的动态变化，因此现有技术无法满足电渣锭大型化和产品高性能化的要求。本发明采用带有可移动式环形阻流壁水冷结晶，能同时获得表面光滑和内部质量优异的电渣锭。进一步的，本发明采用带有可移动式环形阻流壁水冷结晶，使得液态渣池和上部分金属熔池部位处于合理冷却模式，下部分金属熔池处于强水冷模式，同时细化电渣锭组织晶粒和改善表面质量。这对于生产大型锻件具有重要的实践生产意义。

实施例三

在实施例二的基础上，选择可移动式环形阻流壁顶端与液态渣池-金属熔池界面的高度差C为4cm，其余一样，得到GCr15钢的电渣锭。通过硫印实验测定的金属熔池深度为190mm；对电渣锭140厘米高度的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为191μm；进一步的，利用扫描电镜观察并测定其珠光体的片层间距为0.18μm，其凝固组织与实施例二相差不大。但是得到的电渣锭表面光滑度下降、其表面质量较实施例二差，但是优于对比例。

实施例四

在实施例二的基础上，选择可移动式环形阻流壁顶端与液态渣池-金属熔池界面的高度差C为6cm，其余一样，得到表面光滑的GCr15钢，电渣锭表面光滑、质量良好；通过硫印实验测定的金属熔池深度为200mm；对电渣锭140厘米高度的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为195μm；进一步的，利用扫描电镜观察并测定其珠光体的片层间距为0.21μm。凝固组织较实施例二差，优于对比例。

实施例五

在实施例二的基础上，选择可移动式环形阻流壁顶端与液态渣池-金属熔池界面的高度差C为2cm，其余一样，得到GCr15钢的电渣锭。电渣锭表面光滑度下降，其表面质量较对比例一（现有技术）差，不符合同时细化电渣锭组织晶粒和改善表面质量。

实施例六

在实施例二的基础上，选择可移动式环形阻流壁顶端与液态渣池-金属熔池界面的高度差C为8cm，其余一样，得到GCr15钢的电渣锭。通过硫印实验测定的金属熔池深度为215mm；对电渣锭140厘米高度的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为204μm；进一步的，利用扫描电镜观察并测定其珠光体的片层间距为0.25μm，不符合同时细化电渣锭组织晶粒和改善表面质量。

实施例七

在实施例二的基础上将阻流壁厚度减小至夹层厚度的三分之一，根据实施例二的方法，得到电渣锭表面光滑、无缺陷、质量良好；通过硫印实验测定的金属熔池深度为218mm；对电渣锭140厘米高度的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为206μm；进一步的，利用扫描电镜观察并测定其珠光体的片层间距为0.26μm。

在实施例二的基础上将阻流壁厚度减小至夹层厚度的40%，根据实施例二的方法，得到电渣锭表面光滑、无缺陷、质量良好，内部二次枝晶间距为、珠光体的片层间距与实施例二近似。

实施例八

在实施例二的基础上将阻流壁厚度增加至夹层厚度的三分之二，根据实施例二的方法进行电渣重熔，出现结晶器内冷却水流量波动大和骤然减小情况，冶炼中断。

实施例九

在实施例二的基础上将阻流壁长度减小至20cm，根据实施例二的方法，得到电渣锭表面光滑、无缺陷、质量良好；通过硫印实验测定的金属熔池深度为215mm；对电渣锭140厘米高度的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为205μm；进一步的，利用扫描电镜观察并测定其珠光体的片层间距为0.25μm。

在实施例二的基础上将阻流壁长度减小至40cm，根据实施例二的方法，得到电渣锭表面光滑、无缺陷、质量良好；对电渣锭140厘米高度的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为199μm；进一步的，利用扫描电镜观察并测定其珠光体的片层间距为0.21μm。

实施例十

在实施例二的基础上将阻流壁长度增加至60cm，根据实施例二的方法，得到电渣锭表面光滑、无缺陷、质量良好；通过硫印实验测定的金属熔池深度为190mm；对电渣锭140厘米高度的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为190μm；进一步的，利用扫描电镜观察并测定其珠光体的片层间距为0.18μm，然而电渣锭表面出现裂纹。

根据以上描述，本发明开发了一种新型的带有可移动式环形阻流壁水冷结晶器的电渣重熔技术。这种出水模式使得高于或低于环形阻流壁的水流速呈合理模式，环形阻流壁处的水流速显著增加：即液态渣池和上部金属熔池圆柱区呈合理的冷却模式，下部金属熔池V型区的冷却强度显著增加。液态渣池和上部金属熔池圆柱区为电渣锭表面渣壳的形成区，合理冷却模式使得电渣锭表面获得良好的表面质量；下部金属熔池V型区为金属熔池的凝固区，增加金属熔池V型区的冷却强度使得金属熔池凝固速率变快，从而降低了电渣锭中心偏析、细化组织晶粒。

随着电渣锭直径和高碳钢中元素含量的不断提高，改善大尺寸高碳钢电渣锭的中心偏析、细化晶粒和碳化物尺寸、防止电渣锭低温马氏体相变应力开裂是生产大尺寸锻件的重要途径。电渣重熔作为生产大尺寸锻件和高碳钢的装备工艺，虽然一定程度上改善了电渣锭质量，但大尺寸高碳钢电渣锭的中心仍存在凝固偏析、晶粒粗大、低温马氏体相变应力开裂等问题。尤其对于大尺寸的高碳轴承钢、模具钢等电渣锭，其凝固过程中产生的粗大碳化物等严重影响了电渣锭的大型化生产。因此，细化组织晶粒和碳化物尺寸是生产大尺寸高碳钢锻件的关键。现有技术的电渣重熔相比连铸坯虽然能够提升钢液的凝固速率，但对于高碳钢的大尺寸电渣锭在凝固过程中仍存在大型碳化物、凝固偏析、晶粒粗大等，尤其对于电渣重熔直径大于60cm的电渣锭，其金属熔池的凝固速率和电渣锭表面质量呈相反的关系。此外，通过优化水冷结晶器的冷却强度，虽然能够在保证电渣锭表面质量的前提下获得较好的内部质量，但其内部质量仍无法满足电渣锭大型化和产品高性能化的要求，且伴随着结晶器水冷强度的增加，使得电渣锭出现应力开裂现象，严重致使电渣锭报废。本发明在保证电渣锭表面渣壳薄而光滑的前提下，提升金属熔池的凝固速度不仅可以改善凝固偏析、细化晶粒和碳化物，对锻件产品还可以起到细晶强化的作用，提升产品的力学性能。细晶强化是同时提高钢的塑韧性和强度的有效途径。细晶强化，即细化组织晶粒的方法之一就是提升钢液的凝固速率。因此，提升凝固速率不仅能够细化晶粒、还能够降低因凝固偏析产生大尺寸碳化物，获得良好的凝固组织。尤其是，本发明首次公开了可移动式环形阻流壁高度与金属电极的损失重量的变化关系，实际生产验证该方法具有显著的技术进步，为工业生产提供可行性保障。

Claims (10)

1.一种细化铸锭内部组织和改善铸锭表面质量的装置，包括水冷结晶器，其特征在于，所述水冷结晶器的夹层内设有移动式环形阻流壁；所述移动式环形阻流壁为上下移动式环形阻流壁。

2.根据权利要求1所述细化铸锭内部组织和改善铸锭表面质量的装置，其特征在于，所述移动式环形阻流壁的长度大于30cm；所述移动式环形阻流壁的厚度是夹层厚度的30～55%。

3.根据权利要求1所述细化铸锭内部组织和改善铸锭表面质量的装置，其特征在于，所述水冷结晶器的夹层内设有移动丝杠；所述移动丝杠上设有移动式环形阻流壁。

4.使用权利要求1所述细化铸锭内部组织和改善铸锭表面质量的装置进行电渣重熔的方法，其特征在于，包括以下步骤：水冷结晶器夹层内的移动式环形阻流壁随着金属电极的重量损失而升高，直至电渣重熔完成，得到同时改善电渣锭内部和表面质量的电渣锭。

5.根据权利要求4所述细化铸锭内部组织和改善铸锭表面质量的装置进行电渣重熔的方法，其特征在于，电渣重熔时，底水箱的水冷、结晶器的循环水冷持续开启直至电渣重熔结束。

6.根据权利要求4所述细化铸锭内部组织和改善铸锭表面质量的装置进行电渣重熔的方法，其特征在于，电渣重熔过程中维持移动式环形阻流壁顶端低于液态渣池-金属熔池界面3～8cm，直至电渣重熔完成。

7.根据权利要求4所述细化铸锭内部组织和改善铸锭表面质量的装置进行电渣重熔的方法，其特征在于，金属电极的重量损失与移动式环形阻流壁高度的关系如下：

其中结晶器上圆口半径为r，结晶器下圆口半径为R，结晶器高度为L，移动式环形阻流壁的高度为H，长度单位均为cm；金属电极的损失重量为M，单位为kg；金属电极的密度为p，单位kg/cm³；C取3～8cm。

8.一种金属电极的重量损失与移动式环形阻流壁高度的计算方法，其特征在于，如下所示：

其中结晶器上圆口半径为r，结晶器下圆口半径为R，结晶器高度为L，移动式环形阻流壁的高度为H，长度单位均为cm；金属电极的损失重量为M，单位为kg；金属电极的密度为p，单位kg/cm³；C取3～8cm。

9.权利要求1所述细化铸锭内部组织和改善铸锭表面质量的装置在电渣重熔中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，电渣重熔过程中维持移动式环形阻流壁顶端低于液态渣池-金属熔池界面3～8cm，直至电渣重熔完成。

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