CN114705041A - 一种真空自耗炉结晶器冷却装置及其冷却方法 - Google Patents

一种真空自耗炉结晶器冷却装置及其冷却方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及冶金设备技术领域，特别是涉及一种真空自耗炉结晶器冷却装置及其冷却方法。本发明包括坩埚，所述坩埚外壁由内至外依次设置有隔水套、分水套和结晶器壳体，所述坩埚外壁和隔水套之间为进水层，所述隔水套和分水套之间为存水层，所述分水套和结晶器壳体之间为回水层；所述坩埚下方设置有进水口，所述进水口与进水排出口相连；所述回水层的回水口的一端设置在结晶器壳体上，所述回水口的另一端与回水排进口相连。本发明通过提供了一种真空自耗炉结晶器冷却装置及其冷却方法，使坩埚内部的熔融态金属在结晶时，晶粒更加细小，排布更加规则，使金属锭的金相组织结构更加均匀。

Description

一种真空自耗炉结晶器冷却装置及其冷却方法
技术领域
本发明属于冶金设备技术领域，具体涉及一种真空自耗炉结晶器冷却装置及其冷却方法。
背景技术
真空自耗炉是应用真空技术生产特种钢的设备，通常采用电弧炉、电渣炉等作为前级设备，再对其生产的电极进行进一步重熔精炼。真空自耗炉作为重熔设备，可以有效改善材料的结晶组织结构、韧性等，可以使钢铁材料的综合性使用寿命等有效提高、从而获得更高质量的合金材料。真空自耗炉用于熔炼特种钢、活泼的和难熔的金属如钛、钼、铌。通常应用在一些高端领域的关键部位，如航天、航空、高铁等项目上，故对其各种性能的苛求是显而易见，这也相应的提高了对冶炼设备的要求。
冷却是真空自耗炉的命脉，充足的冷却是真空自耗炉正常工作的根本保证。目前，市面上已经投入使用的大部分真空自耗炉结晶器都存在冷却工艺不可控，导致金属的金相组织不规则的问题。生成的金属锭在熔炼初期，金属晶粒过大，后期金属晶粒排布不规则。另外，对于冷却水回水温度都缺少有效的监控。一旦坩埚出现异常情况，导致回水温度过高，或者冷却水瞬间汽化，进而出现坩埚壁熔穿事故，冷却水泄露进入坩埚内部，冷却水瞬间汽化膨胀爆炸。甚至冷却水被电弧电离成氢气和氧气，产生“氢爆”，造成严重安全事故。
发明内容
本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种真空自耗炉结晶器冷却装置及其冷却方法，以解决上述背景技术中出现的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种真空自耗炉结晶器冷却装置，包括坩埚，所述坩埚外壁由内至外依次设置有隔水套、分水套和结晶器壳体，所述坩埚外壁和隔水套之间为进水层，所述隔水套和分水套之间为存水层，所述分水套和结晶器壳体之间为回水层；所述坩埚下方设置有进水口，所述进水口与进水排出口相连；所述回水层的回水口的一端设置在结晶器壳体上，所述回水口的另一端与回水排进口相连；所述结晶器壳体下部通过连接口与自循环系统的入口端相连，所述自循环系统的出口端与进水口相连。
在一个优选地实施方式中，所述存水层上端设置有压盖，所述压盖的一端与隔水套相连，所述压盖的另一端与分水套通过异型胶圈密封连接。
在一个优选地实施方式中，所述坩埚外壁与隔水套间距为10mm。
在一个优选地实施方式中，所述进水层上端与水汽温度监测系统的一端相连，所述水汽温度监测系统的另一端与回水排相连。
进一步地，所述水汽温度监测系统包括三通管路，所述三通管路包括第一连接口、第二连接口和第三连接口，所述第一连接口与进水层上端相连，所述第二连接口与回水排相连，所述第三连接口通过固定座与PT100热电偶相连，所述固定座与第三连接口之间设置有密封垫。
进一步地，所述第二连接口与回水排之间设置有先导常开电磁阀。
在一个优选地实施方式中，所述自循环系统包括循环水泵，所述循环水泵进口端与连接口之间设置有用于监测自循环系统管路内部水压的传感器，所述循环水泵出口端与进水口之间设置有单向阀。
在一个优选地实施方式中，所述回水口设置在结晶器壳体外侧壁的中部位置。
一种利用权利要求1至8任一项所述的真空自耗炉结晶器冷却装置的冷却方法，包括以下步骤：
步骤1，更换坩埚，首先，关闭结晶器的进水排与回水排，然后关闭先导常开电磁阀，最后完成结晶器内坩埚的更换工作；
步骤2，使先导常开电磁阀处于开阀状态，启动水汽温度监测系统，根据现场环境温度，设定水汽温度报警值；
步骤3，打开进水排阀门和回水排阀门，冷却水从进水口进入，充满进水层，接着冷却水充满存水层，然后充满回水层，最后冷却水从回水口流入回水排；
步骤4，待结晶器内进水层冷却水流量和流速均满足额定要求时，结晶器内部开始进行熔炼与结晶操作；结晶器工作过程中实时监测冷却水回水温度，保证回水层中的冷却水温度不超过50℃；
步骤5，当结晶器内部金属结晶过半，冷却水回水温度升至50℃时，开启自循环系统的循环水泵，调整进水层中冷却水的流量和流速达到额定要求；同时，控制回水层中的冷却水温度不超过50℃，直至结晶完毕。
本发明的有益效果在于：1、通过提供一种真空自耗炉结晶器冷却装置及其冷却方法，优化了冷却装置的结构和冷却方法，使坩埚内部的熔融态金属在结晶时，晶粒更加细小，排布更加规则，使金属锭的金相组织结构更加均匀。
2、通过在结晶器冷却水回水路设置水汽温度监测系统，实现对冷却水水汽温度的实时监测，当冷却水水汽温度出现异常时可以及时中断熔炼过程，进而避免出现安全事故。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明图1的A处放大结构示意图。
图3是本发明图1的B处放大结构示意图。
图4是本发明图1的C处放大结构示意图。
附图标记为：1、坩埚；2、隔水套；3、分水套；4、结晶器壳体；5、进水口；6、回水口；7、进水层；8、存水层；9、回水层；10、进水排；11、回水排；12、循环水泵；13、异型胶圈；14、连接口；15、三通管路；16、第一连接口；17、第二连接口；18、第三连接口；19、PT100热电偶；20、固定座；21、密封垫；22、先导常开电磁阀；23、传感器；24、单向阀；25、压盖。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照说明书附图1-4，该实施例的一种真空自耗炉结晶器冷却装置，包括坩埚1，所述坩埚1外壁由内至外依次设置有隔水套2、分水套3和结晶器壳体4，所述坩埚1外壁和隔水套2之间为进水层7，所述隔水套2和分水套3之间为存水层8，所述分水套3和结晶器壳体4之间为回水层9；所述坩埚1下方设置有进水口5，所述进水口5与进水排10出口相连；所述回水层9的回水口6的一端设置在结晶器壳体4上，所述回水口6的另一端与回水排11进口相连；所述结晶器壳体4下部通过连接口14与自循环系统的入口端相连，所述自循环系统的出口端与进水口5相连。所述存水层8上端设置有压盖25，所述压盖25的一端与隔水套2相连，所述压盖25的另一端与分水套3通过异型胶圈13密封连接。异形胶圈13下部为梯形，可以正好固定在标准密封用燕尾槽中。异形胶圈13上部有两瓣分开的触手形状突起，设计成这种形状是为了使它可以有更好的柔韧性与贴合度。在压盖25与分水套3密封连接时，异形胶圈13的两瓣触手型突起可以起到更好的密封效果。所述坩埚1外壁与隔水套2间距为10mm，10mm的缝隙保证冷却水可以快速流动，并及时带走坩埚1产生的热量。所述进水层7上端与水汽温度监测系统的一端相连，所述水汽温度监测系统的另一端与回水排11相连。所述水汽温度监测系统包括三通管路15，所述三通管路15包括第一连接口16、第二连接口17和第三连接口18，所述第一连接口16与进水层7上端相连，所述第二连接口17与回水排11相连，所述第三连接口18通过固定座20与PT100热电偶19相连，所述固定座20与第三连接口18之间设置有密封垫21。通过PT100热电偶19实现水汽温度实时监测，一旦结晶器的坩埚1的冷却过程中出现异常工况，比如水路堵塞，电弧打火，坩埚变形失效等，导致冷却水回水温度瞬间升温超过60℃，或者更有甚者，进水层7中冷却水由于坩埚1瞬间的急剧升温而汽化变成高温水蒸气，温度同样会超过60℃，PT100热电偶19会将温度信号转化为电信号，并传输给控制系统，控制系统随即发布命令对熔炼电源进行断电，终止出现异常的熔炼过程。所述第二连接口17与回水排11之间设置有先导常开电磁阀22。更换坩埚1时，进水层7将直接暴露在大气中，回水排11中的冷却水会在大气压力的作用下流进结晶器内部，造成工人操作的极大不便。通过设置先导常开电磁阀22，可以通过关闭先导常开电磁阀22来对回水排11中的冷却水进行阻断。而其“常开”功能则是考虑到在结晶器正常冷却的过程中，即便在先导常开电磁阀22断电或者出现故障的情况下，其阀门依旧打开，保证一直有冷却水流过，从而保证系统对于冷却水水汽温度的实时监控。所述自循环系统包括循环水泵12，所述循环水泵12进口端与连接口14之间设置有用于监测自循环系统管路内部水压的传感器23，所述循环水泵12出口端与进水口5之间设置有单向阀24。当坩埚1中的金属锭冷却过半后，冷却水到达熔融态金属液面位置的坩埚1外壁之前，早已受到坩埚1内下半部分炙热的金属锭的烘烤，温度已经升高，冷却效果大大下降。为了保证冷却效果，此时通过设置自循环系统，开启循环水泵12，将回水层9下半部分的冷却水通过循环水泵12重新抽入进水口5。通过冷却水在结晶器内部的自循环，可以在不增加冷却水总进水流量的前提下，实现进水层7冷却水流量的增加，从而保证结晶器炼锭后期的冷却效果，进而保证成品锭的结晶质量。所述回水口6设置在结晶器壳体4外侧壁的中部位置。冷却水由进水口5进入进水层7，进水层7与存水层8下端联通，但由于存水层8上端封堵，所以冷却水几乎全部在进水层7流动，而且流速很快。当冷却水经由结晶器上端流入回水层9时，通过将回水口6设置在结晶器壳体4外侧壁的中部位置，在结晶器壳体4与分水套3中间的回水层9下部分将会有一部分已经受热升温的冷却水无法及时排出。回水层9中已经升温的冷却水会削弱进水层7中冷却水的冷却效果，进而降低进水层7冷却水的冷却效果，降低坩埚1分水套的温度梯度，这样可以使坩埚1内部的熔融态金属在结晶时，晶粒更加细小，排布更加规则，使金属锭的金相组织结构更加均匀。
本发明使用时，以钛合金熔炼过程为例，操作人员需要根据所加工材料的重量进行坩埚1的更换，首先，关闭结晶器的进水排10与回水排11，然后关闭先导常开电磁阀22，最后完成结晶器内坩埚1的更换工作。第二步为使先导常开电磁阀22处于开阀状态，启动PT100热电偶19的水汽温度监测系统，根据现场环境温度（一般为25℃），设定水汽温度报警值为60℃。第三步为打开进水排10阀门和回水排11阀门，冷却水从进水口5进入，充满进水层7，接着冷却水充满存水层8，然后充满回水层9，最后冷却水从回水口6流入回水排11。第四步为待结晶器内进水层7冷却水流量稳定在100m3/h，流速稳定在1m/s时，结晶器内部开始进行熔炼与结晶操作；结晶器工作过程中实时监测冷却水回水温度，保证回水层9中的冷却水温度不超过50℃。当结晶器内部金属结晶过半，冷却水回水温度升至 50℃时，开启自循环系统的循环水泵12，调整进水层7中冷却水的流量增大到120m3/h，流速为1.2m/s；同时，控制回水层9中的冷却水温度不超过50℃，直至结晶完毕。如果遇到突发情况，一旦冷却水受热汽化变成高温水蒸气，或者冷却水本身温度超过60℃，水汽温度监测系统就会检测到60℃的预警温度，PT100热电偶19就会立即将温度信号传递给控制系统，系统会立即做出反应，切断熔炼电源，终断结晶器的熔炼过程。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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 (9)

1.一种真空自耗炉结晶器冷却装置，包括坩埚（1），其特征在于：所述坩埚（1）外壁由内至外依次设置有隔水套（2）、分水套（3）和结晶器壳体（4），所述坩埚（1）外壁和隔水套（2）之间为进水层（7），所述隔水套（2）和分水套（3）之间为存水层（8），所述分水套（3）和结晶器壳体（4）之间为回水层（9）；所述坩埚（1）下方设置有进水口（5），所述进水口（5）与进水排（10）出口相连；所述回水层（9）的回水口（6）的一端设置在结晶器壳体（4）上，所述回水口（6）的另一端与回水排（11）进口相连；所述结晶器壳体（4）下部通过连接口（14）与自循环系统的入口端相连，所述自循环系统的出口端与进水口（5）相连。
2.根据权利要求1所述的一种真空自耗炉结晶器冷却装置，其特征在于：所述存水层（8）上端设置有压盖（25），所述压盖（25）的一端与隔水套（2）相连，所述压盖（25）的另一端与分水套（3）通过异型胶圈（13）密封连接。
3.根据权利要求1所述的一种真空自耗炉结晶器冷却装置，其特征在于：所述坩埚（1）外壁与隔水套（2）间距为10mm。
4.根据权利要求1所述的一种真空自耗炉结晶器冷却装置，其特征在于：所述进水层（7）上端与水汽温度监测系统的一端相连，所述水汽温度监测系统的另一端与回水排（11）相连。
5.根据权利要求4所述的一种真空自耗炉结晶器冷却装置，其特征在于：所述水汽温度监测系统包括三通管路（15），所述三通管路（15）包括第一连接口（16）、第二连接口（17）和第三连接口（18），所述第一连接口（16）与进水层（7）上端相连，所述第二连接口（17）与回水排（11）相连，所述第三连接口（18）通过固定座（20）与PT100热电偶（19）相连，所述固定座（20）与第三连接口（18）之间设置有密封垫（21）。
6.根据权利要求5所述的一种真空自耗炉结晶器冷却装置，其特征在于：所述第二连接口（17）与回水排（11）之间设置有先导常开电磁阀（22）。
7.根据权利要求1所述的一种真空自耗炉结晶器冷却装置，其特征在于：所述自循环系统包括循环水泵（12），所述循环水泵（12）进口端与连接口（14）之间设置有用于监测自循环系统管路内部水压的传感器（23），所述循环水泵（12）出口端与进水口（5）之间设置有单向阀（24）。
8.根据权利要求1所述的一种真空自耗炉结晶器冷却装置，其特征在于：所述回水口（6）设置在结晶器壳体（4）外侧壁的中部位置。
9.一种利用权利要求1至8任一项所述的真空自耗炉结晶器冷却装置的冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，更换坩埚（1），首先，关闭结晶器的进水排（10）与回水排（11），然后关闭先导常开电磁阀（22），最后完成结晶器内坩埚（1）的更换工作；
步骤2，使先导常开电磁阀（22）处于开阀状态，启动水汽温度监测系统，根据现场环境温度，设定水汽温度报警值；
步骤3，打开进水排（10）阀门和回水排（11）阀门，冷却水从进水口（5）进入，充满进水层（7），接着冷却水充满存水层（8），然后充满回水层（9），最后冷却水从回水口（6）流入回水排（11）；
步骤4，待结晶器内进水层（7）冷却水流量和流速均满足额定要求时，结晶器内部开始进行熔炼与结晶操作；结晶器工作过程中实时监测冷却水回水温度，保证回水层（9）中的冷却水温度不超过50℃；
步骤5，当结晶器内部金属结晶过半，冷却水回水温度升至 50℃时，开启自循环系统的循环水泵（12），调整进水层（7）中冷却水的流量和流速达到额定要求；同时，控制回水层（9）中的冷却水温度不超过50℃，直至结晶完毕。
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