专利名称：一种大型电渣重熔钢锭强化冷却装置及方法
技术领域：
本发明属于电渣重熔工艺技术领域，特别涉及一种大型电渣重熔钢锭强化冷却装置及方法。
背景技术：
结晶器是电渣重熔装备中的心脏，结晶器内钢液的凝固、传热对钢锭质量有重要影响。在电渣重熔结晶器中，钢锭的凝固过程是典型的定向凝固过程，即具有一侧加热一侧冷却的传热特征，这种定向凝固结构可基本消除电渣重熔钢锭的偏析和缩松等缺陷。电渣重熔钢锭在整个冷凝的过程中，由于热胀冷缩的原因，钢锭和结晶器壁间会形成气隙，气隙的存在使钢锭与结晶器壁间热传导性能下降，钢锭向外传热的速度受到影响，使结晶器导出热流密度减小，钢锭凝固速度下降，随着钢锭的大型化，这种现象更加严重。而气隙的产 生在常用的结晶器中是不可避免的现象，所以，通过改变结晶器的结构来强化冷却传热过程对提高钢锭质量具有重要作用。采用传统型结晶器电渣重熔大型钢锭时，结晶器内钢锭凝固后，在钢锭与结晶器壁间有气隙产生，从而降低了钢锭的冷却效果，因而大型钢锭内部定向凝固结构的柱状晶不能延伸到钢锭中心部位，钢锭中心部位凝固过程与传统的模铸相似，容易产生模铸中所出现的一些质量缺陷，如偏析和缩松等。在电渣重熔过程中，液体金属在结晶器中凝固所释放出的热量绝大部分是由冷却水带走的。但目前在结晶器的设计过程中，涉及到水冷系统的问题时，只能看到关于冷却水流量、流速、进出口温差等参数，以及对于冷却水在结晶器中的具体流动过程，包括冷却水在结晶器中的流速分布、温度分布等技术研究。而且，以往结晶器对于冷却性能的调节大部分都是对冷却水的流速、冷却水套和结晶器壁结构的改造。目前，关于大型电渣重熔结晶器结构方面的设计只有分层结构，例如，中国第一重型机械集团120吨电渣炉结晶器是由上下两层结构构成，但只是针对拆装方面考虑，并不是从冷却角度进行设计。现有电渣重熔技术始终没有很好地解决空气隙、结晶器壁和水垢对热传导的影响，这就使得电渣重熔的生产效率及钢锭质量的提高受到了一定的限制，同时还造成了一定的资源浪费。
发明内容
为改善大型电渣重熔钢锭的结晶方向、细化晶粒，提高钢锭的机械性能，本发明提供一种大型电渣重熔钢锭强化冷却装置及方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种大型电渣重熔钢锭强化冷却装置，包括结晶器，所述结晶器壁为分层分瓣式结构，结晶器壁每个瓣体外部均设有吊挂装置和可弯转支撑装置，可弯转支撑装置采用机械式或液压式结构，可弯转支撑装置底部由台车固定支撑，台车上设置有底水箱，每个结晶器瓣体外侧均设置有独立的冷却水喷淋装置。所述结晶器壁中铜壁层与钢壁层之间的冷却水缝的上、下进出口分别连接瓣式结晶器壁上配置的冷却水管的进水口和出水口，同时每瓣结晶器壁均内置独立的冷却水循环系统。一种大型电渣重熔钢锭强化冷却方法，应用于上述大型电渣重熔钢锭强化冷却装置，在电渣重熔大型钢锭时，通过逐层打开结晶器壁对正在凝固的钢锭进行喷淋强化冷却，以增加钢锭内部的定向凝固温度梯度，促进大型钢锭定向凝固结构向钢锭中心延伸；具体步骤如下
⑴熔铸开始前，先将冷却水从冷却水进水口分别通入分层分瓣式结晶器的各个瓣体内，再向闭合状态的结晶器内放入电极渣料或直接采用预熔渣料；
⑵将自耗电极浸入结晶器的渣池中，再向自耗电极通电使其熔化；
⑶当钢锭凝固壳的高度超过最底层瓣体高时，控制可弯转支撑架打开最底层瓣体，使 钢锭暴露出来，打开冷却水喷淋装置对其进行强化冷却；
⑷随着电渣重熔钢锭凝固壳的高度持续升高，逐步打开上层瓣式结晶器壁进行强化冷却，但最上面一层结晶器瓣体直到脱锭时再打开；
(5)上述过程持续到自耗电极熔化结束，停止对自耗电极通电，提出剩余自耗电极，冷却水循环系统继续运行直至钢锭完全冷却时关闭。本发明的有益效果是
(1)本发明提供的结晶器可随钢锭凝固坯壳的增高，而逐步打开下端一、二层的瓣式结晶器壁，冷却水直接喷淋钢锭表面，避免了空气隙和结晶器壁对钢锭定向凝固过程的影响；
⑵结晶器壁中设有独立的水冷系统，较现有结晶器中冷却水有效行程大大缩短，可使冷却水一直保持较低温度，根据实际熔铸情况分别调节各瓣结晶器壁的冷却水流量，从而达到良好的强化冷却效果；
⑶可弯转支撑装置的设计，可在熔铸过程中随时方便地打开、操作瓣式结晶器壁，为后续的强化冷却提供了条件；
⑷逐层打开瓣式结晶器壁，采用冷却水喷淋方式对钢锭表面进行强化冷却，冷却水的流量大大降低，从而降低生产成本，同时强制冷却方式使钢锭能够迅速均匀凝固，并达到定向凝固和中心部分轴向结晶的效果，保证钢锭无表面、内部裂纹、无中心偏析现象。
图1是本发明实施例的强化冷却装置3层3瓣电渣重熔结晶器打开状态结构示意图2是本发明实施例的强化冷却装置3层3瓣电渣重熔结晶器闭合状态结构示意图；图3是本发明实施例的强化冷却装置3层3瓣电渣重熔结晶器闭合状态剖面示意图；图中1假电极，2自耗电极，3导电横臂，4结晶器壁，5可弯转支撑装置，6出水口，7进水口，8台车，9渣池，10金属熔池，11钢锭，12钢锭凝固壳，13冷却水缝，14喷嘴，15空气隙，16吊挂装置，17铜壁层，18钢壁层，19渣皮。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提供的大型电渣重熔钢锭强化冷却装置，包括结晶器，结晶器壁4采用3层3瓣式结构，结晶器壁4每个瓣体外部均设有吊挂装置16和开合结晶器壁瓣体的可弯转支撑装置5，可弯转支撑装置5采用液压式结构，可弯转支撑装置5底部由台车8固定支撑，台车8上设置有底水箱，每个结晶器瓣体外侧均设置有独立的冷却水喷淋装置，每个冷却水喷淋装置设有单独的喷嘴14，喷嘴14连接冷却水管和供水循环系统。所述结晶器壁4中铜壁层17与钢壁层18之间的冷却水缝13的上、下进出口分别连接瓣式结晶器壁上配置的冷却水管的进水口 7和出水口 6，同时每瓣结晶器壁4均内置独立的冷却水循环系统。应用上述装置，本发明提供的大型电渣重熔钢锭强化冷却方法，在电渣重熔大型钢锭时，当钢锭凝固高度超过钢锭直径后，打开多层多瓣结构的电渣重熔结晶器的下层壁，直接向正在凝固钢锭的下面部分喷淋冷却，以增加钢锭内部的定向凝固温度梯度，促进大型钢锭定向凝固结构向钢锭中心延伸；具体冷却工艺过程如下
⑴在熔铸开始前，先将冷却水从冷却水进水口 7通入结晶器内，此时瓣式结晶器处于闭合状态，在结晶器的渣池9内放入厚度为120 250毫米的电极渣料，将自耗电极2浸入渣池9中20 50毫米深度，再将自耗电极2通电，电流通过自耗电极2导入渣料中，渣料因自身电阻较大而被加热，开始电渣重熔过程；
⑵随着渣料温度的持续升高，自耗电极2也开始慢慢熔化，形成钢液滴掉落渣池9中，由于钢液密度大于渣料，钢液滴会穿过渣池9流入金属熔池10中，在结晶器壁内冷却水的冷却作用下贴近结晶器壁的钢液迅速凝固，随着自耗电极2进一步熔化和金属熔池10外围钢液进一步凝固，渣池9最上层与金属熔池10界面处形成弯月面，而金属熔池10下层内部是即将凝固的固液混合钢锭11，钢锭11外围则已凝固形成钢锭凝固壳12,这时初步形成的钢锭与结晶器壁之间开始形成渣皮19和空气隙15，导热热阻开始增大，热传导的效果开始下降；
⑶当钢锭凝固壳12的高度超过最底层瓣式结晶器壁时，通过对可弯转支撑装置5的控制，将最底层瓣式结晶器壁打开，使钢锭11露出来，此时打开冷却水喷淋装置的喷嘴14对其进行强化冷却；钢锭11内部快速凝固，达到定向凝固和中心部分轴向结晶的效果，钢锭11上面部分仍采用瓣式结晶器壁内独立的冷却系统进行冷却，各瓣式结晶器壁中设有独立的冷却水循环系统，各系统互不连通，根据已露出钢锭11的表面冷却情况，对其上面未打开的各个瓣式结晶器壁的冷却水流量进行分别调节，以达到钢锭11的均匀冷却；
⑷随着电渣重熔过程的进行，钢锭凝固壳12的高度持续升高，逐步打开上层瓣式结晶器壁进行强化冷却；
(5)上述过程持续到自耗电极2熔化结束，停止对自耗电极2通电，提出剩余出自耗电极2，而冷却系统继续运行，待钢锭11完全凝固，直至钢锭11完全冷却时关闭冷却水循环系统，取出钢锭11。
权利要求
1.一种大型电渣重熔钢锭强化冷却装置，包括结晶器，其特征在于所述结晶器壁为分层分瓣式结构，结晶器壁每个瓣体外部均设有吊挂装置和可弯转支撑装置，可弯转支撑装置底部由台车固定支撑，台车上设置有底水箱，每个结晶器瓣体外侧均设置有独立的冷却水喷淋装置。
2.根据权利要求1所述的大型电渣重熔钢锭强化冷却装置，其特征在于所述结晶器壁中铜壁层与钢壁层之间的冷却水缝的上、下进出口分别连接瓣式结晶器壁上配置的冷却水管的进水口和出水口，同时每瓣结晶器壁均内置独立的冷却水循环系统。
3.一种大型电渣重熔钢锭强化冷却方法，应用权利要求1所述的大型电渣重熔钢锭强化冷却装置，其特征在于在电渣重熔大型钢锭时，通过逐层打开结晶器壁向正在凝固的钢锭进行喷淋强化冷却，以增加钢锭内部的定向凝固温度梯度，促进大型钢锭定向凝固结构向钢锭中心延伸，具体步骤如下 (1)熔铸开始前，先将冷却水分别通入分层分瓣式结晶器的各个瓣体内，再向闭合状态的结晶器内放入电极渣料或直接采用预熔渣料； ⑵将自耗电极浸入结晶器的渣池中，再向自耗电极通电使其熔化； ⑶当钢锭凝固壳的高度超过最底层瓣体高时，控制可弯转支撑架打开最底层瓣体，使钢锭暴露出来，打开冷却水喷淋装置对其进行强化冷却； ⑷随着电渣重熔钢锭凝固壳的高度持续升高，逐步打开上层瓣式结晶器壁进行强化冷却，最上面一层结晶器瓣体直到脱锭时再打开； (5)上述过程持续到自耗电极熔化结束，停止对自耗电极通电，提出剩余自耗电极，冷却水循环系统继续运行直至钢锭完全冷却时关闭。
全文摘要
本发明公开一种大型电渣重熔钢锭强化冷却装置及方法，该装置包括分层分瓣式结构的结晶器，每瓣结晶器壁外部均设有吊挂装置和可弯转支撑装置，可弯转支撑装置底部由台车固定支撑，台车上设置有底水箱，每个结晶器瓣体外侧均设置有独立的冷却喷淋装置；利用该装置的强化冷却方法是在电渣重熔过程中伴随钢锭凝固壳高度的不断升高而分层独立打开下端固态钢锭部位的瓣式结晶器壁，并利用喷嘴将冷却水直接喷洒在凝固壳表面以达到强化冷却的效果，从而使钢锭达到定向凝固和轴向结晶的效果，同时该分层分瓣式结晶器结构简单便于组合拆卸，可有效提高现场操作效率。
文档编号C22B9/18GK103014366SQ20111028006
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年9月20日
发明者李宝宽, 刘鹏, 王芳, 齐凤升 申请人:东北大学