CN116121547A - 一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法及装置，属于冶金技术领域。该方法为：(1)密封下进行电渣重熔；(2)去除保护气体中氧和水分；(3)在密封空间内设置能够和氧气反应的吸收物质。装置为：在结晶器上部设置有烟罩，烟罩在结晶器上方形成密闭空间，在密闭空间内设置有吸收装置；在结晶器下方设置有冷却底板，冷冻机和/或吸收装置和烟罩的进气口连通。此方法通过将保护气体的温度降低到‑30℃以下，致使保护气中的气态水冷凝成固态，从而去除其中的水分。在密封空间内设置能够和氧气反应的吸收物质，使之与炉内残存的O发生反应，减少电渣锭中易氧化元素的烧损，提高其洁净度，改善其质量，提高其力学性能。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法及装置。
背景技术
电渣重熔炉是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的一种冶金设备，其结构主要包括结晶器、位于结晶器一侧的立柱，立柱上方设置有横向悬臂，横向悬臂上正对结晶器安装有向下延伸进入结晶器的电极棒，用于生产高质量的钢材。科学技术的飞速发展对钢材质量的要求也越来越高，为了使钢材达到更高的性能，提高其洁净度是重要措施之一，在这种背景下，保护性气氛电渣炉便应用而生。
普通的电渣重熔冶炼通常在大气下进行。经大量研究表明，在大气下熔炼的一般电渣炉工艺，由于大气中氧、水气通过熔渣直接往金属熔池传递，同时渣面以上电极表面的高温氧化将活性氧化物带入渣池，增加了渣中的氧势，从而使电渣钢中O含量增加，使自耗电极中Ti、Al、Mg、B、Zr等易氧化元素烧损严重。氧的介入除了与金属元素的阳离子直接发生反应外，更多是由于熔渣上方的电极受热氧化引起的。过去的几十年中为了降低熔渣的氧势，通常采用往渣池中加入脱氧剂的方法，但是这会导致熔渣组分改变，从而使重熔铸锭头尾部位中的易氧化元素含量与自耗电极不一致。而采用全密闭可控气氛保护的电渣重熔技术不再需要对熔渣脱氧，可以很好的解决这个问题。
全密闭保护性气氛电渣炉使用的是气密型惰性气体保护罩，既防止了重熔过程中电渣钢增氢，也防止了大气对与金属电极和渣池的氧化，使电渣钢中的氢、氧、氮不高于电极坯料中的原始含量。重熔过程中易氧化元素烧损很少，比如钛的烧损量微乎其微，而普通电渣炉钛的烧损量可达30％～50％。另外，电渣锭的头尾化学成分的均匀性也大大优于普通电渣炉生产的电渣锭，包括重熔含铝、钛钢在内，电渣锭的头尾铝、钛等化学成分偏差极小。
全密闭保护性气氛电渣炉主要是通过向密闭的保护罩内通入惰性气体防止重熔过程钢中活泼金属元素氧化。大多数采用氩气保护，而对于含氮的钢种重熔时则可以釆用氮气保护，另外，单纯为了控制电渣钢中氢含量时，也可以采用干燥空气进行保护。
通过实验研究表明，采用保护气氛电渣重熔可以明显减少元素的烧损，降低钢锭中的氧含量但由于电渣炉炉型结构、气密性以及使用的惰性气体纯净度(有时会含有夹杂气体，如H2O、O2)等问题，在冶炼高纯净的钢种或者合金时，炉内微弱的氧分压仍然会影响电渣钢的质量，因此，有必要采用一些独特的手段降低或者避免这种情况的发生。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法及装置，该方法及装置能够降低全密闭保护性气氛电渣重熔熔炼环境氧势、提高电渣锭洁净度的装置。此方法以在保护气氛电渣重熔过程中，将保护气体的温度降低到-30℃以下，致使保护气中的气态水冷凝成固态，从而去除其中的水分。在降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置中放置活性元素的颗粒，使之与炉内残存的O发生反应，从而去除炉内气氛环境中的O，减少电渣锭中易氧化元素的烧损，提高电渣锭的洁净度，这有利于改善电渣锭的质量，提高最终产品的力学性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法，需要满足以下几点：
(1)密封下进行电渣重熔；
(2)去除保护气体中氧和水分；
(3)在密封空间内设置能够和氧气反应的吸收物质。
所述的去除保护气体中氧和水分的办法选用通入温度小于等于-30℃的保护气体；或者在保护气体进气口设置有能够和氧气和水反应的吸收物质。
其中，在保护气体进气口设置有能够和氧气和水反应的吸收物质和在密封空间内设置能够和氧气反应的吸收物质可以相同或不同。
具体操作包括以下步骤：
(1)将达到预定温度的熔渣倒入结晶器内；将结晶器及上部自耗电极密封；
(2)向密闭空间通入去除氧气的保护气体，将自耗电极插入渣池中，进行引弧化渣和电渣重熔，自耗电极熔化形成的金属熔池，冷却后，凝固成电渣锭；
(3)电渣重熔中产生的高温烟气，通过设置在密闭空间的能够和氧气反应的吸收物质吸收高温烟气中的氧气，从而降低重熔气氛中氧势，提高电渣锭洁净度。
采用本发明的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法，电渣锭中氧含量为15ppm以下。
所述的保护气体优选为Ar气或N2气。
所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法中，所述的引弧化渣是：使用自耗电极直接引弧化渣，通过自耗电极将熔渣融化。所述的方法采用钢屑作为引弧材料，然后将自耗电极下降到结晶器底部接触到钢屑的位置，这样接通高压后立即会产生电弧，将熔渣熔化。由于刚开始电极距离引弧材料较近，电流较大，所以应当设定较小的电流，使自耗电极不断上升，而化渣阶段需要较大的热量来熔化熔渣，所以要设定较大的电压。以上的电流、电压根据自耗电极材质和采用的熔渣确定。
所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法中，所述的电渣重熔是：自耗电极熔化形成的金属液滴沉入液态渣池底部，逐渐累积形成金属熔池；在结晶器的冷却作用下，逐渐形成凝固电渣锭；经过电渣重熔的金属性能有了显著的改善。在刚开始重熔时，由于自耗电极较凉，不能让自耗电极插入太深，否则自耗电极会与渣池凝固在一起，无法继续焰炼。所以应当以较小的电压加热自耗电极一段时间。经过一段时间后，为了加快自耗电极的熔速，应当不断增大熔炼功率。随着自耗电极的熔化变短，短网发生改变，应当开始递减功率。
所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法中，结晶器内部的冷却水道冷却水流通，冷却底板内部的冷却水道冷却水流通。熔渣先在电阻炉中提前烘去水分。
所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法中，在吸收装置中的能够和氧气反应的吸收物质，为颗粒状，其能够增大反应面积，高温烟气温度一般在300～500℃，在这个温度范围高温烟气中同O2气和能够和氧气反应的吸收物质快速反应，从而达到去除氧的目的。
所述的能够和氧气反应的吸收物质，可以根据熔炼金属的成分，选择Cu粉、Cu粒、Al粉、Al粒、海绵钛等其他活性成分。
本发明还提供了一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置，包括结晶器、烟罩、冷却底板、冷冻机和吸收装置；
在结晶器上部设置有烟罩，烟罩在结晶器上方形成密闭空间，在密闭空间内设置有吸收装置；在结晶器下方设置有冷却底板，在烟罩设置有进气口，冷冻机和/或吸收装置和烟罩的进气口连通。
所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置，还包括电源、自耗电极；自耗电极通过密闭空间后延伸至结晶器内部，电源的一个电极和自耗电极连接，另一个电极和冷却底板连接；电源、电源开关、自耗电极、渣池、金属熔池、冷却底板形成供电回路；渣池的热效应提供热量。
所述的结晶器包括结晶器主体，在结晶器主体的内设置有冷却水道，并设置有进水口和出水口。
所述的结晶器主体优选为圆柱状结晶器主体。
进一步的，所述的烟罩分为上烟罩和下烟罩。上烟罩用于方便开启和密封，下烟罩用于设置多个功能进出口。
所述的下烟罩设置有进气口、排烟口、送料口，下烟罩的送料口和进料装置连接。
所述的冷却底板设置有冷却水道，并设置有冷却底板进水口和冷却底板出水口。
作为优选，所述的吸收装置设置在下烟罩进气口。
所述的吸收装置包括吸收壳体，吸收壳体形成空腔，在空腔内设置有能够和氧气反应的吸收物质；在吸收壳体上设置有孔洞，能够和氧气反应的吸收物质的直径>孔洞的直径；通过吸收装置，能够实现在电渣重熔过程中，形成的高温烟气和吸收装置作用，从而保证保护气体电渣炉系统中的氧势逐渐降低。
所述的冷冻机用于将通入的保护气体降低至-30℃以下，从而将气体和H2O分离。
保护气体通过冷冻机、烟罩进气口、吸收装置，保证电渣炉中反应正常进行。
本发明的一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法及装置，通过对保护气体的吸收和处理，使结晶器内的熔炼气氛进行深度净化，尤其是对于含有易氧化元素的金属的重熔，不仅有利于减少元素烧损，利于电渣锭头尾成分的均匀化控制，还有利于控制电渣锭中O、H等气体含量，降低氧化物夹杂的含量，提高洁净度。
附图说明
图1为本发明实施例1的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例2的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置的剖面结构示意图；
图3为吸收装置的三视图；(a)为正视图，(b)为侧视图，(c)为俯视图；
以上图中，1-电源；2-电源开关；3-自耗电极；4-上烟罩、5-吸收装置；6-进料装置；7-排烟口；8-下烟罩进气口；9-冷却机；10-下烟罩；11-渣池；12-结晶器出水口；13-结晶器主体；14-金属熔池；15-结晶器进水口；16-冷却底板主体；17-冷却底板出水口；18-冷却底板进水口。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明实施例中自耗电极与结晶器的轴线相互重合。
本发明实施例中自耗电极接在假电极上，并将假电极悬挂在电渣炉的支臂上。
本发明实施例中吸收装置中所放置的是Cu屑，可以增加活性物质同炉气的接触面积。
本发明实施例中结晶器的直径为350mm。
本发明实施例中自耗电极的直径为250mm。
本发明实施例的熔渣含有的成分按质量百分比CaF2 50～70％，CaO 10～25％，Al2O3 20～30％，MgO 0～5％。
本发明实施例中自耗电极的熔化速度为200～400kg/h。
本发明实施例中自耗电极的材料为G20Cr2Ni4A。
实施例1
本实施例的一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置，其结构示意图见图1，包括结晶器主体13、上烟罩4、下烟罩10、冷却底板主体16、冷冻机9、吸收装置5、电源1、自耗电极3；
在结晶器主体13上部连接有下烟罩10，在下烟罩10上方连接有上烟罩4，上烟罩4和下烟罩10在结晶器主体13上方形成密闭空间，在下烟罩的侧壁上设置有吸收装置5；在结晶器主体13下方设置有冷却底板主体16，冷却底板主体16设置有冷却水道，并设置有冷却底板进水口18和冷却底板出水口17。在下烟罩10设置有下烟罩进气口8，冷冻机9通过管道和下烟罩进气口8连通。
自耗电极3通过密闭空间后延伸至结晶器主体13内部，电源1的一个电极和自耗电极3连接，另一个电极通过电源开关2后和冷却底板主体16连接；电源1、电源开关2、自耗电极3、渣池11、金属熔池14、冷却底板主体16形成供电回路；渣池11的热效应提供热量。
在结晶器主体13的内设置有冷却水道，并设置有结晶器进水口15和结晶器出水口12。
本实施例中，结晶器主体13为圆柱状结晶器主体。结晶器从上到下依次为结晶器出水口12、圆柱状结晶器主体13、结晶器进水口15。在结晶器中设有冷却水道，通入冷却水提供冷却。
下烟罩还设置排烟口7、送料口，下烟罩的送料口和进料装置6连接。
所述的吸收装置5，其三视图见图3，包括吸收壳体，吸收壳体形成空腔，在空腔内设置有铜粒；在吸收壳体上设置有孔洞，铜粒的直径>孔洞的直径；通过吸收装置，能够实现在电渣重熔过程中，形成的高温烟气和吸收装置作用，从而保证保护气体电渣炉系统中的氧势逐渐降低。
所述的冷冻机用于将通入的保护气体降低至-30℃以下，从而将气体和H2O分离。
保护气体通过冷冻机、烟罩进气口、吸收装置，保证电渣炉中反应正常进行。
本实施例的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法，采用上述装置，能够改善电渣炉中氧势、减少元素烧损、提升钢锭质量，具体方法为：
将自耗电极3装配到假电极上，将假电极悬挂在电渣炉的横梁支臂上，自耗电极1的轴线与结晶器主体13的轴线重合；
结晶器主体13内部的冷却水道内通入冷却水，向在结晶器下方设置的冷却底板主体16内部的冷却水；
将预热过的熔渣倒入结晶器主体13中；
将下烟罩和上烟罩安装在结晶器主体13上方，形成密闭空间，向密闭空间内通入保护气体Ar气，Ar气在通入前，通过冷却机9使其温度达到0℃以下，去除保护气体中的水分，之后通过气管经由下烟罩进气口8直接进入密闭空间中；
使用自耗电极直接引弧化渣，通过自耗电极将熔渣融化。采用钢屑作为引弧材料，然后将自耗电极下降到结晶器底部接触到钢屑的位置，这样接通高压后立即会产生电弧，将熔渣熔化；
在接通高压后自耗电极熔化形成的金属液滴沉入液态渣池底部，逐渐累积形成金属熔池；在结晶器的冷却作用下，逐渐形成凝固电渣锭，在此过程中金属熔池中的气体上浮并进入渣池中，最后进入至保护气氛，在密闭空间内气体温度升高，气体上升同吸收装置中的Cu粒反应。
自耗电极熔化速度为200kg/h，元素烧损小，电渣锭中的氧含量由熔炼室内气氛未经净化的15-20ppm降低到15ppm以下，并且铸锭表面光滑，表面质量优异，成分检测中元素烧损较少，极大的提高了钢锭的质量。
实施例2
本实施例的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置，其结构示意图见图2，具体结构同实施例1；不同之处在于：吸收装置5设置在下烟罩进气口8处。
方法同实施例1，不同点在于：
在保护气体通过冷却机9将温度降低-30℃以下，去除保护气中的水分，通过下烟罩进气口8直接进入吸收装置5，同铜屑和铜粒反应后再进入电渣炉中，同时由于反应的进行，温度不断升高，气体上升同吸收装置中的铜屑和铜粒反应。进一步降低氧含量。制备出的电渣锭中的氧含量由熔炼室内气氛未经净化的15-20ppm降低到10ppm以下，并且铸锭表面光滑，表面质量优异，极大的提高了钢锭的质量。
实施例3
本实施例的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置，同实施例2，不同之处在于：未设置冷冻机，则制备出的电渣锭中的氧含量由熔炼室内气氛未经净化的15-20ppm降低到12ppm以下。
对比例1
一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法，仅仅满足，密封下进行电渣重熔，则密闭空间中的氧含量大幅增加，电渣锭中的氧含量在30-50ppm。
对比例2
一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法，仅仅满足，(1)密封下进行电渣重熔；(2)通入温度小于等于-30℃的保护气体；则电渣锭中氧含量降低在15-20ppm，说明未设置吸收装置，保护气体中仅H2O分离，其中还包含少量杂质气体。
对比例3
一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法，同实施例1，不同在于：仅仅满足，(1)密封下进行电渣重熔；(3)在密封空间内设置能够和氧气反应的吸收物质；则电渣锭中氧含量降低至20-25ppm，说明如果通入密封空间的保护气体未进行低温处理，即为采用的装置，和实施例1相比，未设置冷冻机，则保护气体中含有少量H2O，使得电渣锭中氧含量和实施例1相比有少许增多。
Claims (10)
1.一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法，其特征在于，满足以下几点：
(1)密封下进行电渣重熔；
(2)去除保护气体中氧和水分；
(3)在密封空间内设置能够和氧气反应的吸收物质。
2.根据权利要求1所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法，其特征在于，所述的去除保护气体中氧和水分的办法选用通入温度小于等于-30℃的保护气体、或者在保护气体进气口设置有能够和氧气和水分反应的吸收物质。
3.一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将达到预定温度的熔渣倒入结晶器内；将结晶器及上部自耗电极密封；
(2)向密闭空间通入去除氧气的保护气体，将自耗电极插入渣池中，进行引弧化渣和电渣重熔，自耗电极熔化形成的金属熔池，冷却后，凝固成电渣锭；
(3)电渣重熔中产生的高温烟气，通过设置在密闭空间的能够和氧气反应的吸收物质吸收高温烟气中的氧气，从而降低重熔气氛中氧势，提高电渣锭洁净度；使得电渣锭中氧含量为15ppm以下。
4.权利要求3所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法，其特征在于，所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法中，所述的引弧化渣是：使用自耗电极直接引弧化渣，通过自耗电极将熔渣融化；采用钢屑作为引弧材料，然后将自耗电极下降到结晶器底部接触到钢屑的位置，这样接通高压后立即会产生电弧，将熔渣熔化；由于刚开始电极距离引弧材料较近，电流较大，所以应当设定较小的电流，使自耗电极不断上升，而化渣阶段需要较大的热量来熔化熔渣，所以要设定较大的电压。
5.权利要求3所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法，其特征在于，所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法中，所述的电渣重熔是：自耗电极熔化形成的金属液滴沉入液态渣池底部，逐渐累积形成金属熔池；在结晶器的冷却作用下，逐渐形成凝固电渣锭；经过电渣重熔的金属性能有了显著的改善；在刚开始重熔时，由于自耗电极较凉，不能让自耗电极插入太深，否则自耗电极会与渣池凝固在一起，无法继续焰炼；所以应当以较小的电压加热自耗电极一段时间；经过一段时间后，为了加快自耗电极的熔速，应当不断增大熔炼功率；随着自耗电极的熔化变短，短网发生改变，应当开始递减功率。
6.权利要求1或3所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的方法，其特征在于，所述的能够和氧气反应的吸收物质，根据熔炼金属的成分确定，选自Cu粉、Cu粒、Al粉、Al粒、海绵钛中的一种或几种的混合。
7.一种降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置，其特征在于，包括结晶器、烟罩、冷却底板、冷冻机和吸收装置；
在结晶器上部设置有烟罩，烟罩在结晶器上方形成密闭空间，在密闭空间内设置有吸收装置；在结晶器下方设置有冷却底板，在烟罩设置有进气口，冷冻机和/或吸收装置和烟罩的进气口连通。
8.根据权利要求7所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置，其特征在于，所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置，还包括电源、自耗电极；自耗电极通过密闭空间后延伸至结晶器内部，电源的一个电极和自耗电极连接，另一个电极和冷却底板连接；电源、电源开关、自耗电极、渣池、金属熔池、冷却底板形成供电回路；渣池的热效应提供热量。
9.根据权利要求7所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置，其特征在于，所述的结晶器包括结晶器主体，在结晶器主体的内设置有冷却水道，并设置有进水口和出水口；
和/或，所述的烟罩分为上烟罩和下烟罩；所述的下烟罩设置有进气口、排烟口、送料口，下烟罩的送料口和进料装置连接；
和/或，所述的冷却底板设置有冷却水道，并设置有冷却底板进水口和冷却底板出水口。
10.根据权利要求7所述的降低重熔气氛中氧势提高电渣锭洁净度的装置，其特征在于，所述的吸收装置包括吸收壳体，吸收壳体形成空腔，在空腔内设置有能够和氧气反应的吸收物质；在吸收壳体上设置有孔洞，能够和氧气反应的吸收物质的直径>孔洞的直径；并且当吸收装置和烟罩的进气口连通时，所述的吸收装置设置在下烟罩进气口。
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