专利名称：连铸式电渣炉的制作方法
技术领域：
本发明属于金属电渣重熔设备技术领域，特别涉及一种连铸式电渣炉，应用在金属重熔冶炼过程中。
背景技术：
电渣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。经电渣炉冶炼的钢，具有纯度高、硫含量低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、结晶均匀致密、金相组织和化学成分均匀的优点。因此，电渣炉设备在国内外钢铁、机械等行业得到了广泛的应用。随着电渣设备的发展，在熔炼小直径钢锭时存在如下主要缺陷1、传统电渣炉冶炼过程中，钢锭重熔速度是依据熔化速度与重熔锭直径之比值在1以下或略大于1的原则来控制的。对于一些易偏析合金(如工具钢、高温合金等)，这一比值低至0.65～0.75，这样，重熔小直径钢锭时熔炼速度就很慢，生产效率很低，造成冶炼费用相当高。不仅如此，当需要重熔的钢锭尺寸小于100mm时，由于要保证操作时的安全间隙，即使电极直径非常小，实际上也无法正常生产。因此，尽管小直径重熔锭具有细小的枝晶结构并且可以直接轧制，但是目前应用推广直径小于300mm的重熔锭仍然很难。
2、电渣重熔钢锭的枝晶组织与钢锭直径有直接关系。一般来说，钢锭直径越大，局部凝固时间越长，枝晶间距越大。当钢锭尺寸大到一定值时，钢锭中心会产生偏析，甚至疏松和缩孔。例如，高速工具钢，当钢锭尺寸较大时，即使熔化速度很低，也会出现碳化物尺寸偏大，偏析超标的问题，因此严重影响了钢材质量。
3、传统电渣重熔采用一次重熔一个钢锭的间歇式生产方式，这样不仅生产效率低，而且钢锭在后步锻造或初轧开坯过程中钢锭头尾去除量较大，钢的成材率很低，因而生产成本也较高。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种连铸式电渣炉。它是结合了电渣重熔技术和连铸技术，即具有电渣炉的冶炼优点，同时又具有连续铸钢技术的高效节能、工序简单等优点。
本发明包括交流供电电源、电极升降机构、电极、结晶器及其支撑机构、钢水液面检测装置、拉坯机构、切割装置及控制系统，在结晶器的两侧分别固定有电极升降机构，电极升降机构包括两个横臂和立柱，横臂固定在立柱上，可绕立柱转动，每个横臂上均固定有两个电极，电极为双极串联，两侧的电极及其升降机构交替工作，工作过程中，两电极的一端分别固定在电极升降机构的横臂上，并分别通过电缆与供电电源连接，另一端置于结晶器的内部，电极在结晶器内部熔化的同时又在其下部凝固；在结晶器的周围固定有支撑机构，在结晶器的小截面处置有钢水液面检测装置，其位置距上、下截面交接处的距离h范围为0～200mm，钢水液面检测装置的放射源为同位素Cs137；拉坯机构和切割装置依次固定在结晶器小截面端口下方的支撑机构上，拉坯机构包括夹持辊和电机，夹持辊和电机连接，由电机来驱动夹持辊运转，为提高钢坯的质量，在拉坯机构与交流供电电源之间连接有电缆，切割装置采用火焰切割，两夹持辊之间的距离及切割装置的位置可以根据用户需要调节；控制系统分别与电极升降机构的横臂、钢水液面检测装置、拉坯机构和切割装置电连接。
为了能够使用大断面的电极直接熔炼小断面的钢坯，本发明中的结晶器为T形水冷结晶器，即结晶器的截面形状为T形，其上部和下部可分别为圆筒形或方筒形，上部截面面积大于下部截面面积，电极在结晶器上部腔内熔化，液态熔滴汇聚于结晶器下部腔内，并凝固成钢坯，同时钢坯通过拉坯机构被连续不断地拉出结晶器。
本发明由交流供电电源、电极与炉渣形成供电回路，采用双极串联方式，它降低了回路感抗、提高设备功率因数，又改变了结晶器内热分配，使钢——渣界面远离自耗电极端头，熔化金属液滴温度较接近液相线温度滴汇聚于金属熔池中，使金属熔池深度与输入功率无关。
本发明控制系统的控制过程，包括以下步骤(1)开始；(2)控制系统通电；(3)输入工艺参数包括设定电流下限I1，设定电流上限I2，支臂的设定行程L，允许液面波动的范围H0，设定的钢坯长度M；(4)交流供电电源通电；(5)熔炼开始；(6)选择熔炼横臂，检测过程参数、变压器事故报警量、出水温度压力和流量，检测钢水液面；(7)判断实际液面高度与设定液面高度差值的绝对值是否大于等于允许液面波动的范围，即|ΔH|≥H0是否成立，当|ΔH|≥H0不成立时，系统返回到第6步的钢水液面检测步骤；其中ΔH为设定液面高度与实际液面高度的差值；
(8)当|ΔH|≥H0时，系统进行拉坯速度PID调节；(9)系统检测实际钢坯长度L3；(10)判断L3≤M是否成立，当L3≤M时，系统返回到第6步的钢水液面检测步骤；(11)当L3≤M不成立时，系统进行切割操作；(12)切割操作结束后，系统询问是否继续工作；(13)如果是继续工作，则返回第5步的冶炼开始步骤；(14)如果不需继续工作，则系统结束工作。
所述第6步中熔炼横臂选择过程为系统进行横臂电极升降PID调节；检测横臂上电极的实际电流I与设定电流上限I1、下限I2的关系，即判断I1≤I≤I2是否成立，当I1≤I≤I2不成立时，系统返回到横臂上的电极升降PID调节步骤；当I1≤I≤I2成立时，系统判断横臂的实际行程L1或L2与横臂的设定行程L的关系，即判断L1≥L或L2≥L是否成立，当L1≥L不成立时，系统返回到横臂I上的电极升降PID调节步骤，当L1≥L成立时，系统返回到熔炼横臂选择的步骤；或者当L2≥L不成立时，系统返回到横臂II上的电极升降PID调节步骤，当L2≥L成立时，系统返回到熔炼横臂选择的步骤；其中L1为横臂I的实际行程，L2为横臂II的实际行程。
所述第6步中检测过程参数、变压器事故报警量、出水温度压力和流量的过程为首先系统对过程参数、变压器事故报警量、出水温度压力和流量进行检测；系统提示是否报警，如果系统出现故障，则系统通过声光报警；如果系统不报警，则系统提示是否停止冶炼；如果不停止冶炼，则返回到过程参数、变压器事故报警量、出水温度压力和流量检测步骤；如果停止冶炼，则切断交流供电电源，系统工作结束。
本发明的工作过程开始，控制系统通电，输入工艺参数设定电流下限I1，设定电流上限I2，支臂的设定行程L，允许液面波动的范围H0，设定的钢坯长度m；交流供电电源通电，电渣炉熔炼开始在结晶器中加入固态或液态炉渣，系统先选择其中一个横臂上的两个电极进行工作，另一个横臂上的两个电极处于准备状态，即旋转一个电极升降机构的横臂至结晶器上方，将电极的端部插入其中，当电极与炉渣和供电电源形成供电回路时，将有电流从供电电源输出并通过熔渣。由于熔渣具有一定的电阻，占据了大部分压降，从而在渣池中形成大量的热量，将插入其中的金属电极熔化。熔化的金属液滴从电极端部滴落，穿过炉渣汇聚于金属熔池内，在结晶器的强制冷却下逐渐凝固形成钢坯，同时钢坯被拉坯机构连续地拉出结晶器，钢坯拉到固定长度进行切割。在整个过程中，钢水液面检测装置将钢水液面高度的检测信号，传入控制系统，控制系统通过控制熔速、拉速将金属熔池的液面高度始终控制在结晶器上、下截面交接处的下方。待一个横臂上的两电极熔尽后，更换另一个横臂上的电极，以保证钢坯连续不断地拉出，生产过程中根据需要补充渣料，以实现连续生产。在生产过程中，控制系统对整个的生产过程进行控制，在工作过程的同时，对电极升降机构的横臂进行选择，以保证炉内的电极熔尽后，及时进行更换；对过程参数检测、变压器事故报警量、出水温度压力和流量同时进行检测，当出现故障时，系统自动报警。
使用本发明与传统的重熔小方坯生产技术相比，主要区别在于(1)省去了开坯、初轧等生产工序，缩短了生产周期，提高了生产效率、金属收得率，节约能耗，减少成本。
(2)采用双极串联构成供电回路，具有制作、操作都很简单，节约电能等优点，避免了结晶器导电技术中密封和绝缘等技术难点。
(3)采用放射源为同位素Cs137的钢水液面检测装置对钢水液面进行检测，与国外采用的放射源为Co60的钢水液面检测装置相比较，具有辐射能量低、半衰期长等优点，比传统的热电耦法、涡流法更准确、迅速。
(4)采用了交换电极、连续拉坯、在线切割等技术实现连续工作。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的控制系统程序控制流程图；图中1.交流供电电源，2.横臂I，3.立柱，4.电极，5.结晶器，6.炉渣，7.钢水液面检测装置，8.金属熔池，9.拉坯机构，10.切割装置，11.钢坯，12.支撑机构，13.控制系统，14.横臂II，I为实际电流，I1为设定电流下限，I2为设定电流上限，L为横臂的设定行程，L1为横臂I的实际行程，L2为横臂II的实际行程，H0为允许液面波动的范围，ΔH为设定液面高度与实际液面高度差值，M为设定的钢坯长度，L3为实际钢坯长度。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步描述实施例1如图1所示，本发明包括交流供电电源1、电极升降机构、电极4、结晶器5及其支撑机构12、钢水液面检测装置7、拉坯机构9、切割装置10及控制系统13，电极升降机构包括横臂、立柱3，电极4为双极串联，两电极一端分别固定在电极升降机构的横臂上，并分别通过电缆与供电电源1连接，另一端置于结晶器5的内部，电极4在结晶器5上部熔化的同时又在其下部凝固；结晶器5为T形水冷结晶器，其上部为圆筒形，下部为方筒形，在结晶器5的周围固定有支撑机构12，在结晶器5上、下截面交接处置有钢水液面检测装置7，钢水液面检测装置7的放射源为同位素Cs137，采用射线法对钢水液面进行检测；拉坯机构9和切割装置10依次固定在结晶器5小截面端口下方的支撑机构12上，拉坯机构9包括夹持辊和电机，夹持辊和电机连接，由电机来驱动夹持辊运转，切割装置10采用火焰切割；控制系统13分别与电极升降机构、钢水液面检测装置7、拉坯机构9的横臂和切割装置10电连接，控制系统13通过钢水液面检测装置7检测的信号，对电渣炉的运行进行控制。
其操作过程，按以下步骤(1)开始；(2)控制系统通电；(3)输入工艺参数包括设定电流下限I1为4000A，设定电流上限I2为4200A，支臂的设定行程L为3m，允许液面波动的范围H0为5mm，设定的钢坯长度M为4m；(4)交流供电电源通电；(5)熔炼开始；(6)选择熔炼横臂，检测过程参数、变压器事故报警量、出水温度压力和流量，检测钢水液面；(7)判断实际液面高度与设定液面高度差值的绝对值是否大于等于允许液面波动的范围，即|ΔH|≥H0是否成立，当|ΔH|≥H0不成立时，系统返回到第6步的钢水液面检测步骤；其中ΔH为设定液面高度与实际液面高度的差值；(8)当|ΔH|≥H0时，系统进行拉坯速度PID调节；(9)系统检测实际钢坯长度L3；(10)判断L3≤M是否成立，当L3≤M时，系统返回到第6步的钢水液面检测步骤；(11)当L3≤M不成立时，系统进行切割操作；(12)切割操作结束后，系统询问是否继续工作；(13)如果是继续工作，则返回第5步的冶炼开始步骤；(14)如果不需继续工作，则系统结束工作。
所述第6步中熔炼横臂选择过程为系统进行横臂电极升降PID调节；检测横臂上电极的实际电流I与设定电流上限I1、下限I2的关系，即判断I1≤I≤I2是否成立，当I1≤I≤I2不成立时，系统返回到横臂上的电极升降PID调节步骤；当I1≤I≤I2成立时，系统判断横臂的实际行程L1或L2与横臂的设定行程L的关系，即判断L1≥L或L2≥L是否成立，当L1≥L不成立时，系统返回到横臂I上的电极升降PID调节步骤，当L1≥L成立时，系统返回到熔炼横臂选择的步骤；或者当L2≥L不成立时，系统返回到横臂II上的电极升降PID调节步骤，当L2≥L成立时，系统返回到熔炼横臂选择的步骤；其中L1为横臂I的实际行程，L2为横臂II的实际行程。
所述第6步中检测过程参数、变压器事故报警量、出水温度压力和流量的过程为首先系统对过程参数、变压器事故报警量、出水温度压力和流量进行检测；系统提示是否报警，如果系统出现故障，则系统通过声光报警；如果系统不报警，则系统提示是否停止冶炼；如果不停止冶炼，则返回到过程参数、变压器事故报警量、出水温度压力和流量检测步骤；如果停止冶炼，则切断交流供电电源，系统工作结束。
实施例2如图1所示，本发明包括交流供电电源1、电极升降机构、电极4、结晶器5及其支撑机构12、钢水液面检测装置7、拉坯机构9、切割装置10及控制系统13，电极升降机构包括横臂、立柱3，电极4为双极串联，两电极一端分别固定在电极升降机构的横臂上，并分别通过电缆与供电电源1连接，另一端置于结晶器5的内部，电极4在结晶器5上部熔化的同时又在其下部凝固；结晶器5为T形水冷铜制结晶器，其上部和下部均为方筒形，在结晶器5的周围固定有支撑机构12，在结晶器5的小截面处置有钢水液面检测装置7，其位置距上、下截面交接处的距离h为200mm，钢水液面检测装置7的放射源为同位素Cs137，采用射线法对钢水液面进行检测；拉坯机构9和切割装置10依次固定在结晶器5小截面端口下方的支撑机构12上，拉坯机构9包括夹持辊和电机，夹持辊和电机连接，由电机来驱动夹持辊运转，切割装置10采用火焰切割；控制系统13分别与电极升降机构的横臂、钢水液面检测装置7、拉坯机构9和切割装置10电连接，控制系统13通过钢水液面检测装置7检测的信号，对电渣炉的运行进行控制。其操作过程同实施例1，输入工艺参数包括设定电流下限I1为3800A，设定电流上限I2为4000A，支臂的设定行程L为3m，允许液面波动的范围H0为5mm，设定的钢坯长度M为6m。
实施例3如图1所示，本发明包括交流供电电源1、电极升降机构、电极4、结晶器5及其支撑机构12、钢水液面检测装置7、拉坯机构9、切割装置10及控制系统13，电极升降机构包括横臂、立柱3，电极4为双极串联，两电极一端分别固定在电极升降机构的横臂上，并分别通过电缆与供电电源1连接，另一端置于结晶器5的内部，电极4在结晶器5上部熔化的同时又在其下部凝固；结晶器5为T形水冷铜制结晶器，其上部和下部均为圆筒形，在结晶器5的周围固定有支撑机构12，在结晶器5的小截面处置有钢水液面检测装置7，其位置距上、下截面交接处的距离h为100mm，钢水液面检测装置7的放射源为同位素Cs137，采用射线法对钢水液面进行检测；拉坯机构9和切割装置10依次固定在结晶器5小截面端口下方的支撑机构12上，拉坯机构9包括夹持辊和电机，夹持辊和电机连接，由电机来驱动夹持辊运转，在拉坯机构的夹持辊与交流供电电源之间连接有电缆，切割装置10采用火焰切割；控制系统13分别与电极升降机构的横臂、钢水液面检测装置7、拉坯机构9和切割装置10电连接，控制系统13通过钢水液面检测装置7检测的信号，对电渣炉的运行进行控制。其操作过程同实施例1，输入工艺参数包括设定电流下限I1为5000A，设定电流上限I2为5200A，支臂的设定行程L为3m，允许液面波动的范围H0为5mm，设定的钢坯长度M为5m。
权利要求
1.一种连铸式电渣炉，包括交流供电电源、电极升降机构、电极、结晶器及其支撑机构、钢水液面检测装置、拉坯机构、切割装置及控制系统，其特征在于在结晶器的两侧分别固定有电极升降机构，电极为双极串联，两电极的一端分别固定在电极升降机构的横臂上，并分别通过电缆与供电电源连接，另一端置于结晶器的内部，结晶器为T型水冷结晶器，即结晶器的截面形状为T型，在结晶器的小截面处置有钢水液面检测装置，拉坯机构和切割装置依次固定在结晶器小截面端口下方的支撑机构上，控制系统分别与电极升降机构的横臂、钢水液面检测装置、拉坯机构和切割装置电连接。
2.根据照权利要求1所述的连铸式电渣炉，其特征在于所述的T型水冷结晶器的上部和下部为圆筒形或方筒形，上部截面面积大于下部截面面积。
3.根据照权利要求1所述的连铸式电渣炉，其特征在于所述的钢水液面检测装置的放射源为同位素Cs137，其位置距结晶器上、下截面交接处的距离h范围为0～200mm。
4.根据照权利要求1所述的连铸式电渣炉，其特征在于所述的拉坯机构包括夹持辊和电机，夹持辊和电机连接，切割装置为火焰切割，两夹持辊之间的距离及切割装置的位置根据用户需要调节。
5.根据照权利要求1所述的连铸式电渣炉，其特征在于在所述的拉坯机构与交流供电电源之间用电缆连接。
6.根据照权利要求1所述的连铸式电渣炉，其特征在于所述控制系统的控制过程，包括以下步骤(1)开始；(2)控制系统通电；(3)输入工艺参数包括设定电流下限I1，设定电流上限I2，支臂的设定行程L，允许液面波动的范围H0，设定的钢坯长度M；(4)交流供电电源通电；(5)熔炼开始；(6)选择熔炼横臂，检测过程参数、变压器事故报警量、出水温度压力和流量，检测钢水液面；(7)判断实际液面高度与设定液面高度差值的绝对值是否大于等于允许液面波动的范围，即|△H|≥H0是否成立，当|△H|≥H0不成立时，系统返回到第6步的钢水液面检测步骤；其中△H为设定液面高度与实际液面高度的差值；(8)当|△H|≥H0时，系统进行拉坯速度PID调节；(9)系统检测实际钢坯长度L3；(10)判断L3≤M是否成立，当L3≤M时，系统返回到第6步的钢水液面检测步骤；(11)当L3≤M不成立时，系统进行切割操作；(12)切割操作结束后，系统询问是否继续工作；(13)如果是继续工作，则返回第5步的冶炼开始步骤；(14)如果不需继续工作，则系统结束工作。
7.根据照权利要求6所述的连铸式电渣炉，其特征在于在所述的第6步中熔炼横臂选择过程为系统进行横臂电极升降PID调节；检测横臂上电极的实际电流I与设定电流上限I1、下限I2的关系，即判断I1≤I≤I2是否成立，当I1≤I≤I2不成立时，系统返回到横臂上的电极升降PID调节步骤；当I1≤I≤I2成立时，系统判断横臂的实际行程L1或L2与横臂的设定行程L的关系，即判断L1≥L或L2≥L是否成立，当L1≥L不成立时，系统返回到横臂I上的电极升降PID调节步骤，当L1≥L成立时，系统返回到熔炼横臂选择的步骤；或者当L2≥L不成立时，系统返回到横臂II上的电极升降PID调节步骤，当L2≥L成立时，系统返回到熔炼横臂选择的步骤；其中L1为横臂I的实际行程，L2为横臂II的实际行程。
8.根据照权利要求6所述的连铸式电渣炉，其特征在于在所述的第6步中过程参数检测、变压器事故报警量、出水温度压力和流量检测过程为首先系统对过程参数、变压器事故报警量、出水温度压力和流量进行检测；系统提示是否报警，如果系统出现故障，则系统通过声光报警；如果系统不报警，则系统提示是否停止冶炼；如果不停止冶炼，则返回到过程参数、变压器事故报警量、出水温度压力和流量检测步骤；如果停止冶炼，则切断交流供电电源，系统工作结束。
全文摘要
一种连铸式电渣炉，属于金属电渣重熔设备技术领域。包括交流供电电源、电极升降机构、电极、结晶器及其支撑机构、钢水液面检测装置、拉坯机构、切割装置及控制系统，在结晶器的两侧分别固定有电极升降机构，电极为双极串联，两电极的一端分别固定在电极升降机构的横臂上，并分别通过电缆与供电电源连接，另一端置于结晶器的内部，结晶器为T型水冷结晶器，即结晶器的截面形状为T型，在结晶器的小截面处置有钢水液面检测装置，拉坯机构和切割装置依次固定在结晶器小截面端口下方的支撑机构上，控制系统分别与电极升降机构的横臂、钢水液面检测装置、拉坯机构和切割装置电连接。本发明操作简便，节约电能，工作效率高，可实现连续工作。
文档编号C22B9/193GK1818102SQ20061004597
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月7日 优先权日2006年3月7日
发明者姜周华, 臧喜民, 张天彪, 孙国会, 余强 申请人:东北大学