CN204455251U - 一种在电渣重熔中导入超声波的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种在电渣重熔中导入超声波的装置，属于电渣重熔技术领域。本实用新型包括变压器、导线、电极夹持器、自耗电极和结晶器，还包括超声波发生机构、侧壁导波探头和底部导波探头，结晶器冷却壁侧壁在高度方向上等间距地安装一排侧壁导波探头，上述一排侧壁导波探头中的一个与一个超声波发生机构的输出端相连；结晶器冷却壁底部上安装三个底部导波探头，上述三个底部导波探头分别与三个超声波发生机构的输出端相连；超声波发生机构包括超声波电源、超声波换能器和变幅杆。本实用新型的主要功能是：(1)、降低钢中气体和夹杂物的含量；(2)、使冶炼钢种获得致密均匀的结晶组织。

Description

一种在电渣重熔中导入超声波的装置

技术领域

本实用新型涉及电渣重熔技术领域，更具体地说，涉及一种在电渣重熔中导入超声波的装置。

背景技术

随着机械行业的发展，人们对钢品质的要求越来越高。提高钢的品质主要从以下两个方面：(1)、降低溶解在钢中气体和夹杂物的含量，从而获得洁净度较高的钢；(2)、降低在钢液的凝固过程中所产生的成分偏析、组织不均匀、缩孔和疏松等缺陷，从而获得致密均匀的结晶组织。

电渣重熔法是目前常用的应用于优质钢生产的一种重熔工艺。由于在重熔过程中金属液滴是一滴一滴通过一定厚度的熔渣层，金属液滴的比表面积大，因此增大了钢-渣界面积，熔渣吸附金属液滴中的非金属杂质和其他夹杂的能力大大增加，起到了渣洗的作用，用一般的方法冶炼的钢，经过重熔处理后可以去除80％～90％的非金属夹杂物；同时由于结晶器与水冷却板的强冷却作用，在熔炼过程中晶粒来不及长大，在钢锭内部呈细小均匀分布，从而达到改善钢锭内部组织结构的作用。而且，电渣重熔法对产品的化学成分、夹杂物的形态、结晶方向、枝晶间距、显微偏析等均可以在不同程度上予以控制，电渣重熔技术在现代工业生产中有着不可替代的作用。

在现代冶金中，电渣重熔已经成为有效地去除钢中非金属夹杂物的主要手段之一。电渣重熔法炼钢的迅速发展是由于其本身固有的优点决定的。而且电渣炉设备简单，容易制造，因而投资少，逐渐被应用到大型的工业生产中。目前，很多冶金工作者对电渣重熔技术做了进一步改进，发明了真空电渣重熔、高压电渣重熔、导电结晶器、快速电渣重熔等技术。刘喜海、刘景远，单丹阳等曾对真空电渣重熔的冶金性能做了研究，研究表明：真空电渣重熔技术在去除钢中的气体和非金属夹杂物方面取得了较好的效果，但是由于增加了真空系统，因此设备比较复杂，造价也比普通的电渣重熔炉高很多，成本较高。

最新研究表明，利用超声波所固有的特性，将超声波作为外场对金属液的脱气、凝固组织的晶粒细化以及防止偏析等有很好的促进作用。但现有技术中，对于如何有效的在电渣重熔过程中施加超声波，从而提高冶炼钢种质量一直是困扰冶金行业多年的一个难题。

中国专利申请号：200610038279.8，申请日：2006年2月14日，发明创造名称为：多元相增强金属复合材料制造工艺及设备，该申请案公开了一种制造多元相增强金属基复合材料的设备，该设备由原位反应合成增强体设备和外加增强体熔铸设备组成，其中原位反应合成增强体设备由感应炉、压力机和球磨机组成。外加增强体熔铸设备由工作台、电极把持器、水冷结晶器、组合式水冷结晶器、电磁搅拌器、超声波振动器、送料器、金属液体中间包、底水箱和抽锭设备组成。使用该设备生产多元相增强金属基复合材料时，生产工艺简单，生产成本低，工艺易于控制。该申请案的缺点在于：简单地将一个超声波振动器安装在芯棒或水冷结晶器上，单个超声波振动器并不能有效地利用超声波的空化效应、声流效应以及机械效应，从而不能使钢锭的组织致密均匀及去除钢锭中的夹杂物，进而达不到有效提高冶炼钢种质量的目标；同时超声波振动器安装在芯棒上容易受到高温破坏。

实用新型内容

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的在于克服现有技术中不能有效的在电渣重熔过程中施加超声波提高冶炼钢种质量的不足，提供了一种在电渣重熔中导入超声波的装置，实现了以下功能：(1)、降低钢中气体和夹杂物的含量；(2)、使冶炼钢种获得致密均匀的结晶组织。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，包括变压器、导线、电极夹持器、自耗电极和结晶器，所述的结晶器包括结晶器腔体和结晶器冷却壁，所述的结晶器冷却壁包括结晶器冷却壁侧壁和结晶器冷却壁底部，还包括超声波发生机构、侧壁导波探头和底部导波探头，其中：

所述的结晶器冷却壁侧壁在高度方向上等间距地安装一排侧壁导波探头，上述一排侧壁导波探头中的一个与一个超声波发生机构的输出端相连；

所述的结晶器冷却壁底部上安装三个底部导波探头，上述三个底部导波探头在结晶器冷却壁底部安装点的连线呈等边三角形，上述等边三角形的中心与结晶器冷却壁底部的中心在同一点，上述三个底部导波探头分别与三个超声波发生机构的输出端相连；

所述的超声波发生机构包括超声波电源、超声波换能器和变幅杆，所述的超声波电源的输出端与超声波换能器的输入端相连，超声波换能器的输出端与变幅杆的输入端相连，变幅杆的输出端即为该超声波发生机构的输出端。

作为本实用新型更进一步的改进，所述的侧壁导波探头通过焊接的方式固定在结晶器冷却壁侧壁上，所述的底部导波探头通过焊接的方式固定在结晶器冷却壁底部。

作为本实用新型更进一步的改进，所述的电极夹持器在水平方向和竖直方向上设置有移动导轨。

作为本实用新型更进一步的改进，所述的变压器采用单相交流变压器，变压器有两个输出端，变压器的一个输出端与自耗电极相连，变压器的另一个输出端与结晶器底部相连。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，侧壁导波探头和底部导波探头配合使用，侧壁导波探头导入超声波，利用超声波的空化效应、声波效应以及机械效应，形成均匀的柱状晶，底部导波探头导入超声波，利用超声波的机械效应，打碎刚刚形成的柱状晶，形成晶核，进而形成等轴晶，促使经过电渣重熔的钢获得致密均匀的结晶组织，明显提高钢的力学性能。

(2)本实用新型的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，在电渣重熔过程中，通过侧壁导波探头和底部导波探头导入超声波，由于超声波的空化效应、声流效应以及机械效应的作用，增加了金属液滴与熔渣的接触时间和接触面积，金属液滴与熔渣发生了更彻底的物理化学反应，大大提高了钢中夹杂物的去除率，同时有效地降低钢中气体的含量，从而获得洁净度较高的钢。

(3)本实用新型的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，侧壁导波探头安装在结晶器冷却壁侧壁上、底部导波探头安装在结晶器冷却壁底部上，通过结晶器腔体内冷却水的冷却作用能有效地保护侧壁导波探头和底部导波探头，避免侧壁导波探头和底部导波探头遭到高温破坏。

(4)本实用新型的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，结构设计合理，实用性强，制造成本低，对提高冶炼钢种质量有明显的改善效果，便于推广使用。

附图说明

图1为本实用新型的一种在电渣重熔中导入超声波的装置的结构示意图；

图2为开启不同功率的超声波电源后钢锭中夹杂物的尺寸。

示意图中的标号说明：

1、变压器；2、导线；3、电极夹持器；4、自耗电极；5、熔渣；6、钢液熔池；7、结晶器；8、钢锭；9、超声波电源；10、超声波换能器；11、变幅杆；12、侧壁导波探头；13、底部导波探头。

具体实施方式

为了进一步了解本实用新型的内容，结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，熔炼GCr15轴承钢钢锭，变压器1容量为100KVA，高压端380V，低压端电压为34V。电渣炉为单立柱单相电渣炉，重熔渣系为30％Al₂O₃+70％CaF₂，渣量为0.8kg。重熔采用固渣启动，引弧渣为50％CaF₂+50％TiO₂，起弧电压为31V，电流为1000A。冷却水压力为0.2～0.3MPa。

本实施例的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，包括变压器1、导线2、电极夹持器3、自耗电极4和结晶器7，其中：结晶器7包括结晶器腔体和结晶器冷却壁，结晶器冷却壁包括结晶器冷却壁侧壁和结晶器冷却壁底部。变压器1采用单相交流变压器，变压器1有两个输出端，变压器1的一个输出端与自耗电极4相连，变压器1的另一个输出端与结晶器7底部相连。在通电过程中，熔渣5中产生焦耳热，使侵入熔渣5中的自耗电极4下端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成金属液滴，金属液滴穿过熔渣5落入结晶器7形成钢液熔池6，钢液熔池6受冷却水水冷作用，迅速凝固形成钢锭8。在自耗电极4下端头金属液滴形成阶段，以及金属液滴穿过熔渣5滴落阶段，钢-渣充分接触，钢中非金属夹杂物被熔渣5所吸收。钢中有害元素(硫、铅、锑、铋、锡)通过钢-渣反应和高温气化得到有效去除。

本实施例中电极夹持器3在水平方向和竖直方向上设置有移动导轨，可在水平方向和竖直方向上移动，将自耗电极4卡在电极夹持器3上，通过电极夹持器3的移动调节自耗电极4在结晶器7内的位置，使自耗电极4刚好悬挂在结晶器冷却壁底部中心的正上方，避免自耗电极4与结晶器7内壁接触从而造成短路，同时，自耗电极4的下端头置于熔渣5中。

本实施例的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，还包括超声波发生机构、侧壁导波探头12和底部导波探头13。超声波发生机构包括超声波电源9、超声波换能器10和变幅杆11，超声波电源9的输出端与超声波换能器10的输入端相连，超声波换能器10的输出端与变幅杆11的输入端相连，变幅杆11的输出端即为该超声波发生机构的输出端。超声波电源9产生的电信号通过超声波换能器10转化机械波(即超声波)，再通过变幅杆11传递出去。本实施例中超声波电源9的功率为400W，超声波频率范围可根据需要任意调整，本实施例中超声波频率调整为21KHz，超声波运行模式为脉冲模式。

本实施例的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，结晶器冷却壁侧壁在高度方向上等间距地焊接固定一排侧壁导波探头12，结晶器腔体内冷却水的冷却作用能有效地保护侧壁导波探头12。上述一排侧壁导波探头12中存在一个侧壁导波探头12，该侧壁导波探头12与钢液熔池6在同一水平线上，且该侧壁导波探头12与一个超声波发生机构的输出端相连。(即在电渣重熔过程中，根据钢液熔池6的高度，找到一个与钢液熔池6在相同高度的侧壁导波探头12，将该侧壁导波探头12与一个超声波发生机构的输出端相连，通过该侧壁导波探头12将超声波从结晶器7侧部导入到熔渣5中。)

本实施例的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，在结晶器冷却壁底部上焊接固定三个底部导波探头13，结晶器腔体内冷却水的冷却作用能有效地保护底部导波探头13。上述三个底部导波探头13在结晶器冷却壁底部安装点的连线呈等边三角形，上述等边三角形的中心与结晶器冷却壁底部中心在同一点，上述三个底部导波探头13分别与三个超声波发生机构的输出端相连，在电渣重熔过程中，通过上述三个超声波发生机构将超声波从结晶器7底部导入到熔渣5中。需要说明的是，图1中只画出了一个底部导波探头13与一个超声波发生机构的输出端相连，另外两个底部导波探头13与超声波发生机构的连接关系，省略未画出。

在电渣重熔过程中，通过侧壁导波探头12和底部导波探头13导入超声波，超声波作为一种外场施加到整个电渣重熔过程中。当超声波在熔渣5中传播时，存在一个正负压强的交变周期，在正压相位时，超声波对金属液滴分子挤压，改变金属液滴原来的密度，使其增大；在负压相位时，使金属液滴分子稀疏，进一步离散，金属液滴的密度减小，当用足够大振幅的超声波作用于金属液滴时，金属液滴分子间的平均距离会超过使金属液滴保持不变的临界分子距离，金属液滴就会发生断裂，形成微泡。这些微泡迅速胀大和闭合，当压力达到一定程度时，微泡会崩溃，微泡破裂后产生的冲击会使金属液滴微粒之间发生猛烈的撞击，从而产生几千到上万个大气压的压强。在空化气泡的反复收缩膨胀过程中，微粒间持续进行这种剧烈的相互作用，达到了很好的搅拌目的，增加了金属液滴与熔渣5的接触时间和接触面积，金属液滴与熔渣5发生了更彻底的物理化学反应，因此有利于金属液滴中夹杂物的去除。而且，在重熔过程中利用超声波的空化作用，也能除去金属液滴中溶解的气体。

申请人经过大量实验发现，在结晶器7侧部和结晶器7底部组合式地导入超声波，能达到净化组织、细化晶粒和均匀化组织的功能。本实施例中，侧壁导波探头12导入超声波，利用超声波的空化效应、声波效应以及机械效应，能够对熔渣5进行搅拌，促使熔渣5成分均匀和温度均匀，形成浅平状钢液熔池6，进而使得钢锭8组织均匀，形成均匀的柱状晶；与此同时，三个底部导波探头13导入超声波，利用超声波的机械效应，打碎刚刚形成的柱状晶，形成晶核，进而形成等轴晶，促使钢锭8的组织致密均匀。需要强调的是，在结晶器冷却壁底部上焊接固定三个底部导波探头13是为了能够将所有刚形成的柱状晶打碎，如果仅仅在结晶器冷却壁底部上焊接固定一个或两个底部导波探头13，则不足以打碎所有刚形成的柱状晶，达不到使钢锭8的组织致密均匀的效果。同时，本实施例中三个底部导波探头13在结晶器冷却壁底部安装点的连线呈等边三角形，更有利于发挥超声波的机械效应，打碎刚刚形成的柱状晶，形成晶核，进而形成等轴晶，促使钢锭8的组织致密均匀。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，超声波电源9的功率为700W。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，超声波电源9的功率为1000W。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，超声波电源9的功率为0W。

实施例1-3中超声波电源9的功率分别为400W、700W、1000W，实施例4中超声波电源9处于关闭状态，即实施例4未在电渣重熔过程中导入超声波。如图2所示，在电渣重熔过程中导入超声波后，夹杂物的尺寸明显减小，说明电渣重熔过程中导入超声波后，较大尺寸的夹杂物得到有效去除，钢锭8的纯净度得到提高，因此，本实用新型的一种在电渣重熔中导入超声波的装置有利于提高冶炼钢种的质量。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种在电渣重熔中导入超声波的装置，包括变压器(1)、导线(2)、电极夹持器(3)、自耗电极(4)和结晶器(7)，所述的结晶器(7)包括结晶器腔体和结晶器冷却壁，所述的结晶器冷却壁包括结晶器冷却壁侧壁和结晶器冷却壁底部，其特征在于，还包括超声波发生机构、侧壁导波探头(12)和底部导波探头(13)，其中：

所述的结晶器冷却壁侧壁在高度方向上等间距地安装一排侧壁导波探头(12)，上述一排侧壁导波探头(12)中的一个与一个超声波发生机构的输出端相连；

所述的结晶器冷却壁底部上安装三个底部导波探头(13)，上述三个底部导波探头(13)在结晶器冷却壁底部安装点的连线呈等边三角形，上述等边三角形的中心与结晶器冷却壁底部的中心在同一点，上述三个底部导波探头(13)分别与三个超声波发生机构的输出端相连；

所述的超声波发生机构包括超声波电源(9)、超声波换能器(10)和变幅杆(11)，所述的超声波电源(9)的输出端与超声波换能器(10)的输入端相连，超声波换能器(10)的输出端与变幅杆(11)的输入端相连，变幅杆(11)的输出端即为该超声波发生机构的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，其特征在于，所述的侧壁导波探头(12)通过焊接的方式固定在结晶器冷却壁侧壁上，所述的底部导波探头(13)通过焊接的方式固定在结晶器冷却壁底部。

3.根据权利要求1所述的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，其特征在于，所述的电极夹持器(3)在水平方向和竖直方向上设置有移动导轨。

4.根据权利要求1或2所述的一种在电渣重熔中导入超声波的装置，其特征在于，所述的变压器(1)采用单相交流变压器，变压器(1)有两个输出端，变压器(1)的一个输出端与自耗电极(4)相连，变压器(1)的另一个输出端与结晶器(7)底部相连。