CN116117083A - 一种大型模铸钢锭的凝固控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型模铸钢锭的凝固控制装置及方法，包括钢锭模，钢锭模包括电渣炉结晶器和球墨铸铁模，电渣炉结晶器上端与球墨铸铁模下端连接并构成圆台形的钢锭模，钢锭模的上端端口直径大于下端端口直径，球墨铸铁模上端连接保温冒口，保温冒口外侧设置感应线圈。本发明提供的大型模铸钢锭的凝固控制装置及方法，钢锭模结构上部采用球墨铸铁，下部采用电渣炉结晶器结构，实现钢锭的梯度冷却，凝固初期采用在电渣炉结晶器中喂钢棒实现内外同时冷却，后期采用电渣补缩技术对大钢锭进行热补缩，通过调控凝固过程钢锭内外温度场演变规律，实现大型模铸钢锭的均质化凝固，改善模铸固有的头部和心部铸造缺陷造成的成材率低及产品报废的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电渣冶金技术领域，特别是涉及一种大型模铸钢锭的凝固控制装置及方法。
背景技术
连铸铸坯中心冷却技术和大型模铸钢锭凝固控制技术能够实现铸坯和铸锭的高均质化。连铸是目前钢铁材料的主要生产方式，但连铸坯中心偏析和疏松等质量问题严重，尤其是厚度超过300mm的板坯和直径超过600mm的圆坯，中心质量问题非常突出。模铸是高端特殊钢和特种合金必不可少的生产工艺，尤其是大单重产品必须要采用大型模铸锭，但大型模铸钢锭，尤其是合金含量高的大型钢锭，凝固过程会产生各种缺陷，大型钢锭的主要缺陷有裂纹、非金属夹杂、疏松缩孔、偏析等，缩孔等，形成机制与钢锭凝固过程物理场控制密切相关，尤其是心部温度场的变化。
现有技术中已存在相关的利用电渣补缩改善大钢锭凝固质量的技术方案。如中国专利号：201811041752.7，发明创造名称为：一种制备钢锭的方法，该专利方案包括向带冒口的锭模内浇注金属，向液态金属表面加入渣料，使用电渣加热工艺加热金属，通过搅拌作用平衡钢锭结晶过程中液芯的温度和化学成分，对凝固过程中钢锭物理场的控制作用有限，尤其是未对钢锭凝固过程中心部高温区域冷却速率进行调控，且向液芯通入气体搅拌容易在钢液内部产生小气泡，反而降低凝固质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型模铸钢锭的凝固控制装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，钢锭模结构上部采用球墨铸铁，下部采用电渣炉结晶器结构，实现钢锭的梯度冷却，凝固初期采用在电渣炉结晶器中喂钢棒实现内外同时冷却，后期采用电渣补缩技术对大钢锭进行热补缩，通过调控凝固过程中宏观物理场演变规律，实现大型模铸钢锭的均质化凝固，改善模铸固有的头部铸造缺陷造成的成材率低及产品报废的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种大型模铸钢锭的凝固控制装置，包括钢锭模和保温冒口，所述钢锭模包括电渣炉结晶器和球墨铸铁模，所述电渣炉结晶器上端与所述球墨铸铁模下端连接并构成圆台形的所述钢锭模，所述钢锭模的上端端口直径大于下端端口直径，所述球墨铸铁模上端连接所述保温冒口，所述保温冒口外侧设置感应线圈。
优选地，所述球墨铸铁模与所述电渣炉结晶器的高度比例范围为1:3-3:1，所述钢锭模的母线与中心轴的夹角为2°-8°。
优选地，所述钢锭模还包括设置于所述电渣炉结晶器下端的底水箱，所述底水箱两端分别设有底水箱进口和底水箱出口。
本发明还提供一种大型模铸钢锭的凝固控制方法，采用以上所述的大型模铸钢锭的凝固控制装置，包括以下步骤：
步骤1、将所述电渣炉结晶器通水；
步骤2、将钢液注入所述钢锭模内，使钢液的液面位置在所述保温冒口内；
步骤3、将所述感应线圈通电，对所述保温冒口附近钢液进行加热保温；
步骤4、记录液面位置，将钢棒喂入钢液，对钢液中心部进行冷却，通过动态调整喂棒速度以保持钢液液位恒定不变；
步骤5、在凝固后期随着喂入钢棒的速度逐渐趋于零时，将熔化好的液态重熔渣倒入所述保温冒口内，提升剩余的所述钢棒并使其底端处于液态重熔渣中，以剩余的所述钢棒作为补缩电极，设定好电流及电压后，通电进行补缩，补缩时将所述感应线圈断电；
步骤6、进行电渣重熔补缩操作后断电，控制所述补缩电极脱离渣池。
优选地，步骤4中，所述钢棒为与所制钢锭相同材质的钢棒，所述钢棒包括上下连接的圆柱体段和圆锥体段，所述圆锥体段的底面直径与所述圆柱体段的直径相等，所述圆锥体段的底面直径为所述保温冒口上端端口直径的30％-80％，所述圆锥体段的圆锥顶角为5°-20°，所述圆锥体段底端初始位置位于所述钢锭模高度的50％～80％高度位置。
优选地，步骤3中，采用所述感应线圈对所述保温冒口附近钢液进行加热时采用以下任意一种用电制度，保证顶部钢液温度始终处于液相线以上40℃～50℃：
a、在整个加热周期内加热功率无变化；
b、加热功率有周期性变化；
c、加热与暂停交错进行。
优选地，步骤5中，所述补缩电极底端距离液态重熔渣液面的距离为10-30mm，补缩过程采用的有效输入功率为正常重熔的40％-55％，熔速为100-300kg/h，输入功率逐级递减。
优选地，重熔渣在熔化前需进行烘烤，去除其中的水分。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的大型模铸钢锭的凝固控制装置及方法，通过设计全新的钢锭模结构，钢锭模结构上部采用球墨铸铁，下部采用电渣炉结晶器结构，保温冒口采用感应电渣对钢锭冒口补缩，上面的球墨铸铁模冷却速度较慢，下面的电渣炉结晶器结构，通水后冷却速度较快，实现了钢锭的梯度冷却；凝固初期采用自耗式芯部冷却技术(电渣炉结晶器中喂钢棒)与下部电渣炉结晶器实现内部与外部同时冷却，后期采用电渣补缩技术对大钢锭进行热补缩，与传统大型模铸钢锭的凝固方法相比，采用“内外共冷和梯度冷却”等措施控制温度场和凝固进程，可完全按照预期的凝固方式实现大型合金钢锭的均质化凝固，改善模铸固有的头部铸造缺陷造成的成材率低及产品报废的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的大型模铸钢锭的凝固控制装置喂在钢棒时的结构示意图；
图2为本发明提供的大型模铸钢锭的凝固控制装置在电渣补缩时的结构示意图；
图中：1-电渣炉结晶器、2-球墨铸铁模、3-保温冒口、4-感应线圈、5-底水箱、6-底水箱进口、7-底水箱出口、8-钢棒、81-圆柱体段、82-圆锥体段、9-补缩电极、10-结晶器进水口、11-结晶器出水口。
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。
本发明的目的是提供一种大型模铸钢锭的凝固控制装置及方法，以解决现有技术存在的问题，钢锭模结构上部采用球墨铸铁，下部采用电渣炉结晶器结构，实现钢锭的梯度冷却，凝固初期采用在电渣炉结晶器中喂钢棒实现内外同时冷却，后期采用电渣补缩技术对大钢锭进行热补缩，通过调控凝固过程中宏观物理场演变规律，实现大型模铸钢锭的均质化凝固，改善模铸固有的头部铸造缺陷造成的成材率低及产品报废的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图2所示，本实施例提供一种大型模铸钢锭的凝固控制装置，包括钢锭模和保温冒口3，钢锭模包括电渣炉结晶器1和球墨铸铁模2，电渣炉结晶器1上端与球墨铸铁模2下端连接并构成圆台形的钢锭模，钢锭模的上端端口直径大于下端端口直径，球墨铸铁模2上端连接保温冒口3，保温冒口3外侧设置感应线圈4。
钢锭模上部采用球墨铸铁结构，下部采用电渣炉结晶器结构，保温冒口3采用感应电渣对钢锭冒口补缩，上面的球墨铸铁模2冷却速度较慢，下面的电渣炉结晶器1结构，通水后冷却速度较快，实现了钢锭的梯度冷却；电渣炉结晶器1下端设置结晶器进水口10，上端设置结晶器出水口11，通过结晶器进水口10与结晶器出水口11对电渣炉结晶器1进行循环通水，以在外侧对钢锭进行冷却。
本实施例中，球墨铸铁模2与电渣炉结晶器1的高度比例范围为1:3-3:1，钢锭模的母线与中心轴的夹角为2°-8°。钢锭模上下部分(球墨铸铁模2和电渣炉结晶器1)的冷却速度不一样，不同吨位的炉子，上下部分的高度比例根据实际效果做出调整。通过上下两个部分不一样的冷却速度，来达到温度场呈梯度分布，自下而上的单向凝固的目的。钢锭模的母线与中心轴的夹角可根据不同吨位炉子做出调整，以方便的取出钢锭。
本实施例中，钢锭模还包括设置于电渣炉结晶器1下端的底水箱5，底水箱5两端分别设有底水箱进口6和底水箱出口7。通过向底水箱5内通水，以便对钢锭底部进行冷却。
一种大型模铸钢锭的凝固控制方法，采用以上所述的大型模铸钢锭的凝固控制装置，包括以下步骤：
步骤1、将电渣炉结晶器1通水；
步骤2、将钢液注入钢锭模内，使钢液的液面位置在保温冒口3内；
步骤3、将感应线圈4通电，对保温冒口3附近钢液进行加热保温；
步骤4、记录液面位置，将钢棒8喂入钢液，对钢液中心部进行冷却，通过动态调整喂棒速度以保持钢液液位恒定不变；
步骤5、在凝固后期随着喂入钢棒的速度逐渐趋于零时，将熔化好的液态重熔渣倒入保温冒口3内，提升剩余的钢棒8并使其底端处于液态重熔渣中，以剩余的钢棒8作为补缩电极9，设定好电流及电压后，通电进行补缩，补缩时将感应线圈4断电；
步骤6、进行电渣重熔补缩操作后断电，控制补缩电极9脱离渣池。
本方法中，钢锭模上部采用球墨铸铁结构，下部采用电渣炉结晶器结构，保温冒口3采用感应电渣对钢锭冒口补缩，上面的球墨铸铁模2冷却速度较慢，下面的电渣炉结晶器1结构，通水后冷却速度较快，实现了钢锭的梯度冷却；凝固初期采用自耗式芯部冷却技术(电渣炉结晶器1中喂钢棒8)与下部电渣炉结晶器1实现内部与外部同时冷却，后期采用电渣补缩技术对大钢锭进行热补缩，与传统大型模铸钢锭的凝固方法相比，采用“内外共冷和梯度冷却”等措施控制温度场和凝固进程，可完全按照预期的凝固方式实现大型合金钢锭的均质化凝固，改善模铸固有的头部铸造缺陷造成的成材率低及产品报废的问题。
步骤4中，钢棒8为与所制钢锭相同材质的钢棒，钢棒8包括上下连接的圆柱体段81和圆锥体段82，圆锥体段82的底面直径与圆柱体段81的直径相等，圆锥体段82的底面直径为保温冒口3上端端口直径的30％-80％，圆锥体段82的圆锥顶角为5°-20°，圆锥体段82底端初始位置位于钢锭模高度的50％～80％高度位置。钢液中心部的温度是v形的，钢棒8下端的圆锥体段82可以与钢液中心v形的温度场相匹配，降低中心温度，使温度梯度变平缓。圆锥体段82放入钢液中，在降低温度的同时会在钢液里完全熔化。
步骤3中，采用感应线圈4对保温冒口3附近钢液进行加热时采用以下任意一种用电制度，保证顶部钢液温度始终处于液相线以上40℃～50℃：
a、在整个加热周期内加热功率无变化；
b、加热功率有周期性变化；
c、加热与暂停交错进行。
采用以上用电制度都是为了保持保温冒口3附近的钢液加热效果，不让保温冒口3附近的钢液凝固。
步骤5中，补缩电极9底端距离液态重熔渣液面的距离为10-30mm，补缩过程采用的有效输入功率为正常重熔的40％-55％，熔速为100-300kg/h，输入功率逐级递减。为了达到较好的补缩效果，补缩时的功率会比电渣重熔时低。根据补缩的进度来调整功率，当补缩完毕后，功率将为零。在进行补缩时，对渣池供电进行加热，保持渣温在1850-1950K。
重熔渣在熔化前需进行烘烤，去除其中的水分。
下面以具体实例对本发明技术方案作详细说明。
本实施例中钢锭模上端直径为1200mm，下端直径为800，平均直径为1000mm，总高度为2400mm，球墨铸铁模2与电渣炉结晶器1的高度比例为1：1；保温冒口3的高度为600mm。
大型模铸钢锭的凝固控制方法具体包括以下步骤：
步骤1、预备工作：
a、配置渣料，采用55F四元渣系(55％CaF2-20％CaO-22％Al2O3-3％MgO)；
b、烘烤渣料，使用加热炉在873K温度下烘烤5h以上以去除渣中的水分；
步骤2、将钢锭模下部电渣炉结晶器1通水；
步骤3、向钢锭模和保温冒口3注入30t液态金属，钢牌号为H13，使钢液的液面位置在保温冒口3内；
步骤4、将感应线圈4通电，对保温冒口3附近钢液进行加热保温，使温度保持在1850K以上；
步骤5、记录液面位置，将钢棒8喂入钢液，对钢液中心部进行冷却，通过动态调整喂棒速度以保持钢液液位恒定不变，所喂钢棒8为与所制钢锭相同材质的钢棒，钢棒上端的圆柱体段的直径为400mm，下端的圆锥体段高度为1200mm；
步骤6、在凝固后期随着喂入钢棒的速度逐渐趋于零时，将熔化好的液态重熔渣迅速倒入保温冒口3内，保持渣温在1850-1950K；
步骤7、提升剩余的钢棒8并使其底端处于液态重熔渣中，以剩余的钢棒8作为补缩电极9，设定好电流及电压后，通电进行补缩，补缩电极9底端距离液态重熔渣液面的距离为10mm，补缩过程采用的有效输入功率为正常重熔的50％左右，熔速为150kg/h，输入功率逐级递减；
步骤8、进行电渣重熔补缩操作后断电，控制补缩电极9脱离渣池，为了便于判断补缩结束的终点，本实施例中采用外衬耐火材料的钢筋进行判断，控制该钢筋直接从保温冒口3插入钢液中，检测液相的深度，当钢锭模中钢水的液相深度达到保温冒口上端内径的2/3时，开始计时，两个小时后热补缩结束。
本发明的适用范围为10-600t大型钢锭的制备。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种大型模铸钢锭的凝固控制装置，其特征在于：包括钢锭模和保温冒口，所述钢锭模包括电渣炉结晶器和球墨铸铁模，所述电渣炉结晶器上端与所述球墨铸铁模下端连接并构成圆台形的所述钢锭模，所述钢锭模的上端端口直径大于下端端口直径，所述球墨铸铁模上端连接所述保温冒口，所述保温冒口外侧设置感应线圈。
2.根据权利要求1所述的大型模铸钢锭的凝固控制装置，其特征在于：所述球墨铸铁模与所述电渣炉结晶器的高度比例范围为1:3-3:1，所述钢锭模的母线与中心轴的夹角为2°-8°。
3.根据权利要求1所述的大型模铸钢锭的凝固控制装置，其特征在于：所述钢锭模还包括设置于所述电渣炉结晶器下端的底水箱，所述底水箱两端分别设有底水箱进口和底水箱出口。
4.一种大型模铸钢锭的凝固控制方法，其特征在于，采用权利要求1～3中任意一项所述的大型模铸钢锭的凝固控制装置，包括以下步骤：
步骤1、将所述电渣炉结晶器通水；
步骤2、将钢液注入所述钢锭模内，使钢液的液面位置在所述保温冒口内；
步骤3、将所述感应线圈通电，对所述保温冒口附近钢液进行加热保温；
步骤4、记录液面位置，将钢棒喂入钢液，对钢液中心部进行冷却，通过动态调整喂棒速度以保持钢液液位恒定不变；
步骤5、在凝固后期随着喂入钢棒的速度逐渐趋于零时，将熔化好的液态重熔渣倒入所述保温冒口内，提升剩余的所述钢棒并使其底端处于液态重熔渣中，以剩余的所述钢棒作为补缩电极，设定好电流及电压后，通电进行补缩，补缩时将所述感应线圈断电；
步骤6、进行电渣重熔补缩操作后断电，控制所述补缩电极脱离渣池。
5.根据权利要求4所述的大型模铸钢锭的凝固控制方法，其特征在于：步骤4中，所述钢棒为与所制钢锭相同材质的钢棒，所述钢棒包括上下连接的圆柱体段和圆锥体段，所述圆锥体段的底面直径与所述圆柱体段的直径相等，所述圆锥体段的底面直径为所述保温冒口上端端口直径的30％-80％，所述圆锥体段的圆锥顶角为5°-20°，所述圆锥体段底端初始位置位于所述钢锭模高度的50％～80％高度位置。
6.根据权利要求4所述的大型模铸钢锭的凝固控制方法，其特征在于：步骤3中，采用所述感应线圈对所述保温冒口附近钢液进行加热时采用以下任意一种用电制度，保证顶部钢液温度始终处于液相线以上40℃～50℃：
a、在整个加热周期内加热功率无变化；
b、加热功率有周期性变化；
c、加热与暂停交错进行。
7.根据权利要求4所述的大型模铸钢锭的凝固控制方法，其特征在于：步骤5中，所述补缩电极底端距离液态重熔渣液面的距离为10-30mm，补缩过程采用的有效输入功率为正常重熔的40％-55％，熔速为100-300kg/h，输入功率逐级递减。
8.根据权利要求4所述的大型模铸钢锭的凝固控制方法，其特征在于：重熔渣在熔化前需进行烘烤，去除其中的水分。
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Citations (7)
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| BE835406A (fr) * | 1974-11-11 | 1976-03-01 | Procede ameliore pour la production de lingots d'acier de grande dimension | |
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2023
- 2023-01-06 CN CN202310015784.4A patent/CN116117083A/zh active Pending
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