专利名称：一种用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置与方法
技术领域：
本发明涉及铸造工业大型钢锭凝固工艺技术领域，具体涉及一种用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置与方法。
背景技术：
近年来随着电力工业、核工业和石油化学工业的迅猛发展，对大型铸锻件的需求量越来越大，同时也对大型铸锻件的品质要求越来越高。大型钢锭是大型铸锻件的先期产品，其质量对提高大型铸锻件质量尤为重要。大型钢锭的凝固过程非常漫长，根据钢锭吨位不同，几十小时到上百小时不等，溶质再分配充分，致使碳、磷等低熔点、低密度元素在凝固前沿富集，加上其它物理过程，如热溶质对流等的影响，使钢锭不同区域化学成分不均匀，造成宏观偏析和微观偏析。工厂用于真空浇注大型钢锭的地坑及真空室资源有限，其生产 率低下问题日益凸显。加快钢锭冷却，抑制钢锭偏析，是提高生产效率，改善钢锭质量的唯一途径。钢锭中合金元素浇注初期均匀分布于钢液中，但是在常规凝固过程中由于合金元素在固液相中溶解度不同，加上温度差导致的钢液自然对流作用使得一些合金元素常常在凝固前沿析出并逐渐被排移到钢液热心区富集后形成宏观偏析。大型钢锭的偏析问题倍受科研工作者和企业界关注。虽然在偏析形成机理方面取得一定的进展，如偏析类型、偏析位置的确定等，但是在偏析控制措施方面进展缓慢，几乎没有一项有效的措施可以来抑制宏观偏析。几十年来在大型钢锭的生产中，工厂采取让其自然冷却的方法，只在锭身完全凝固而冒口未完全凝固时采用先去掉保温冒口的方法来提高生产率，这种方法，只能提前几个小时，与大型钢锭凝固时间几十甚至上百小时相比效果有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置与方法，通过搅拌器自身消耗，来搅拌钢液，加速钢锭冷却，抑制钢锭偏析。本发明的思想是改变钢锭凝固过程中未凝钢液的流动方式，解决大型钢锭凝固过程中产生的合金成分宏观、微观偏析问题。基于弗莱明(M. C. Flemings，美国MIT教授)提出的搅动凝固抑制凝固偏析的原理，在大型钢锭浇注完成后插入的自耗搅拌器既是冷源，又是驱动钢液流动的动力源，通过控制自耗式搅拌器的位移和旋转速度达到凝固过程中钢锭合金成分均质化的目的。本发明的技术方案是
一种用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置，包括钢锭模和底盘，还包括自耗式搅拌器、升降横臂、电控装置和保温冒口 ；
位于操作平台一侧的立杆上连接升降横臂，电控装置固定在升降横臂上，且电控装置与自耗式搅拌器连接，钢锭模上方还设置有保温冒口 ；
所述自耗式搅拌器包括搅拌轴和搅拌叶片，搅拌器的材质与最终制备出的成品大型均质钢锭相同，且成分符合要求，在钢液搅拌过程中自耗式搅拌器自身也在不断消耗；
所述搅拌叶片为从叶片顶部向叶片根部逐渐加厚的片状结构，且搅拌叶片采用多层多片方式固定连接在搅拌轴上；
所述搅拌轴自上而下呈锥形；
所述升降横臂的一端为滑动端，该滑动端内壁有若干滚轮，滚轮带动滑动端沿立杆上下移动，控制自耗式搅拌轴进出钢锭模；该立杆用作升降横臂的滑动端的运动轨道；
所述底盘也固定于操作平台上，且位于立杆的一侧，钢锭模放置在底盘上；
所述保温冒口的尺寸与自耗式搅拌器的尺寸相匹配，保证自耗式搅拌器能够通过保温冒口进入或移出钢锭模;保温冒口外套有保温绝缘板，保温绝缘板外套有冒口套，且保温绝 缘板和冒口套互相挤紧，起到保温作用；
所述电控装置包括控制电机和减速机；减速机用于控制搅拌轴的运动速度，搅拌轴通过联轴装置与减速机输出轴连接；控制电机用于控制减速机旋转，控制电机固定在升降横臂上，控制电机的输出端连接减速机的输入端。采用上述自耗式搅拌装置制备大型均质钢锭的方法，包括如下步骤
步骤I :对钢锭模进行抽真空处理以防止钢液二次氧化；
步骤2 :向钢锭模内浇注钢液，然后将发热剂和保温覆盖剂注入钢锭模内，覆盖在钢液表面进行保温，以防止二次氧化剂钢锭缩孔和疏松；
步骤3 :钢锭浇注完成后，并且钢锭形成凝固坯壳后，控制升降横臂将自耗式搅拌器从保温冒口放入盛满钢液的钢锭模；
步骤4:当自耗式搅拌器下端与钢锭模底部的距离为整个钢锭模高度的三分之一时，控制电机控制自耗式搅拌器旋转并逐渐上移；
自耗式搅拌器旋转的速度与钢液自然对流速度相同，自耗式搅拌器上移的速度与钢锭由其底部向上凝固的速度相同；
自耗式搅拌器的旋转可使凝固前沿的初生枝晶断裂，进入熔体中形成新的晶核，强化组织致密性，抑制金属元素成分偏析现象。步骤5 自耗式搅拌器上端上移至保温冒口上方且搅拌器下端到达保温冒口的中间高度时，钢锭模内的钢锭全部凝固，此时将自耗式搅拌器剩余部分从钢锭模中移出；
步骤6 :等待钢徒完全冷却，即完成制备大型均质钢徒。有益效果
本发明的用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置中，自耗式搅拌器本身是冷源，能够加快钢锭冷却传热速度、缩短钢锭凝固时间；该搅拌器的材质与最终成品钢锭相同，且成分符合要求，因此自耗式搅拌器搅拌过程中自我消耗熔化后，相当于采用合格的钢质密实大型钢锭中心处结构，消除了疏松等缺陷；自耗式搅拌器的旋转带动钢锭凝固前沿钢液的旋转流动，可使凝固前沿的初生枝晶断裂，进入熔体中形成新的晶核，强化组织致密性，抑制金属元素成分偏析现象。
图I是本发明具体实施方式
自耗式搅拌器结构示意图，
其中，Ca)是搅拌叶片为3层2片式直板型结构的自耗式搅拌器结构示意图，(b)是搅拌叶片为3层2片式斜板型结构的自耗式搅拌器结构示意图，
(c)是搅拌叶片为3层2片式弯曲型结构的自耗式搅拌器结构示意图，
Cd)是搅拌叶片为3层3片式直板型结构的自耗式搅拌器结构示意图，
Ce)是搅拌叶片为3层3片式斜板型结构的自耗式搅拌器结构示意图，
Cf)是搅拌叶片为3层3片式弯曲型结构的自耗式搅拌器结构示意 图2是本发明具体实施方式
用于制备大型均质钢锭的自耗式搅拌装置结构示意图， 其中，Ca)是搅拌器的搅拌叶片为3层2片式直板型结构的自耗式搅拌装置结构示意 图，
(b)是搅拌器的搅拌叶片为3层2片式斜板型结构的自耗式搅拌装置结构示意图，
(c)是搅拌器的搅拌叶片为3层2片式弯曲型结构的自耗式搅拌装置结构示意图，
Cd)是搅拌器的搅拌叶片为3层3片式直板型结构的自耗式搅拌装置结构示意图，
Ce)是搅拌器的搅拌叶片为3层3片式斜板型结构的自耗式搅拌装置结构示意图，
Cf)是搅拌器的搅拌叶片为3层3片式弯曲型结构的自耗式搅拌装置结构示意图； 其中，I-钢锭模，2-冒口套，3-保温冒口，4-保温绝缘板，5-底盘，6-减速机输出轴，
7-法兰盘，8-搅拌轴，9-搅拌叶片，10-保温覆盖剂，11-发热剂，12-凝固坯壳，13-钢液，14、钢锭，15-减速机，16-控制电机，17-升降横臂，18操作平台，19-立杆。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施方式做进一步说明。本实施方式的用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置如图2所示，包括钢锭模I、自耗式搅拌器、升降横臂17、电控装置、保温冒口 3、冒口套2、保温绝缘板4、底盘5。如图I所示，自耗式搅拌器包括搅拌轴8和搅拌叶片9，自耗式搅拌器的材质与最终制备出的成品大型均质钢锭相同，且成分符合要求，在钢液搅拌过程中自耗式搅拌器自身也在不断消耗。为保证自耗式搅拌器在工作过程中不被熔断，搅拌轴8自上而下呈锥形，搅拌叶片9为从叶片顶部向叶片根部逐渐加厚的片状结构，搅拌叶片9倾斜角度为20° ^70°且搅拌叶片9采用多层多片方式焊接在搅拌轴8上，搅拌轴8的锥角与搅拌叶片9厚度扩张角为9° 20° ;搅拌轴8的长度以使其能进入钢锭模I中三分之二以上且旋转直径应保证能够进出保温冒口 3。如图I (a) (f)所示，自耗式搅拌器的搅拌叶片9为多层多片式，每层叶片为2 4片，搅拌叶片9可以采用图I (a) (f)所示的6种结构；搅拌叶片9的材料和用量根据所制备的大型均值钢锭钢液的总热量来确定，即在搅拌结束后使搅拌叶片9尽可能全部消耗。电控装置包括控制电机16和减速机15 ;减速机15用于控制搅拌轴8的运动速度，搅拌轴8通过联轴装置与减速机输出轴6连接，本实施例中，减速机15可以固定在升降横臂17上，联轴装置为法兰盘7，用于连接减速机输出轴6和搅拌轴8 ；由控制电机16带动减速机15的旋转，将控制电机16也安置在升降横臂17上，控制电机16的输出端连接减速机15的输入端，而升降横臂17的升降运动由操控室控制。升降横臂17的一端为滑动端，滑动端内壁有4个滚轮，滑动端套于立杆19的上端，该立杆19用作升降横臂17的滑动端的运动轨道；立杆19固定于操作平台18上，底盘5也固定于操作平台18上，且位于立杆19的一侧，钢锭模I放置在底盘5上，钢锭模I上方设置有保温冒口 3，保温冒口 3的尺寸与自耗式搅拌器的尺寸相匹配，保证自耗式搅拌器能够通过保温冒口 3进入或移出钢锭模I ;保温冒口 3外套有保温绝缘板4，保温绝缘板4外套有冒口套2，且保温绝缘板4和冒口套2互相挤紧，起到保温作用。采用上述装置制备大型均质钢锭的方法，包括如下步骤
步骤I :对钢锭模进行抽真空处理以防止钢液二次氧化；
步骤2 :向钢锭模内浇注钢液，然后将发热剂和保温覆盖剂注入钢锭模内，覆盖在钢液表面进行保温，以防止二次氧化剂钢锭缩孔和疏松；
步骤3 :钢锭浇注完成后，并且钢锭形成IOOmm的凝固坯壳后，控制升降横臂将自耗式搅拌器从保温冒口放入盛满钢液的钢锭模；
步骤4 :当自耗式搅拌器下端与钢锭模底部的距离为整个钢锭模高度的三分之一时，控制电机控制自耗式搅拌器旋转并逐渐上移；
自耗式搅拌器旋转的速度与钢液自然对流速度相同，自耗式搅拌器上移的速度与钢锭由其底部向上凝固的速度相同；
自耗式搅拌器的旋转可使凝固前沿的初生枝晶断裂，进入熔体中形成新的晶核，强化组织致密性，抑制金属元素成分偏析现象。步骤5 自耗式搅拌器上端上移至保温冒口上方且搅拌器下端到达保温冒口的中间高度时，钢锭模内的钢锭全部凝固，此时将自耗式搅拌器剩余部分从钢锭模中移出；
步骤6 :等待钢徒完全冷却，即完成制备大型均质钢徒。
权利要求
1.一种用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置，包括钢锭模和底盘，底盘固定于操作平台上，钢锭模放置在底盘上，其特征在于还包括自耗式搅拌器、升降横臂、电控装置、保温冒口 ；位于操作平台一侧的立杆上连接升降横臂，电控装置固定在升降横臂上，且电控装置与自耗式搅拌器连接，钢锭模上方设置有保温冒口 ； 所述自耗式搅拌器包括搅拌轴和搅拌叶片，且搅拌叶片固定连接在搅拌轴上，搅拌器的材质与最终制备出的成品大型均质钢锭相同，搅拌过程中自耗式搅拌器不断消耗； 所述升降横臂的一端为滑动端，该滑动端内壁有若干滚轮，滚轮带动滑动端沿立杆上下移动，控制自耗式搅拌轴进出钢锭模； 所述电控装置包括控制电机和减速机； 所述搅拌轴通过联轴装置与减速机输出轴连接；控制电机固定在升降横臂上，控制电机的输出端连接减速机的输入端。
2.根据权利要求I所述的用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置，其特征在于所述保温冒口外套有保温绝缘板，保温绝缘板外套有冒口套，且保温绝缘板和冒口套互相挤紧。
3.根据权利要求I所述的用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置，其特征在于所述搅拌轴自上而下呈锥形。
4.根据权利要求I所述的用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置，其特征在于所述搅拌叶片采用多层多片方式固定连接在搅拌轴上。
5.根据权利要求I所述的用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置，其特征在于所述搅拌叶片为从叶片顶部向叶片根部逐渐加厚的片状结构。
6.根据权利要求I所述的用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置，其特征在于所述保温冒口的尺寸与自耗式搅拌器的尺寸相匹配，使自耗式搅拌器能够通过保温冒口进入或移出钢锭模。
7.采用权利要求I所述的用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置的方法，其特征在于包括如下步骤 步骤I :对钢锭模进行抽真空处理以防止钢液二次氧化； 步骤2 :向钢锭模内浇注钢液，然后将发热剂和保温覆盖剂注入钢锭模内，覆盖在钢液表面进行保温，以防止二次氧化剂钢锭缩孔和疏松； 步骤3 :钢锭浇注完成后，并且钢锭形成凝固坯壳后，控制升降横臂将自耗式搅拌器从保温冒口放入盛满钢液的钢锭模； 步骤4 :当自耗式搅拌器下端与钢锭模底部的距离为整个钢锭模高度的三分之一时，控制电机控制自耗式搅拌器旋转并逐渐上移； 自耗式搅拌器旋转的速度与钢液自然对流速度相同，自耗式搅拌器上移的速度与钢锭由其底部向上凝固的速度相同； 步骤5 自耗式搅拌器上端上移至保温冒口上方且搅拌器下端到达保温冒口的中间高度时，钢锭模内的钢锭全部凝固，此时将自耗式搅拌器剩余部分从钢锭模中移出； 步骤6 :等待钢徒完全冷却，即完成制备大型均质钢徒。
全文摘要
一种用自耗式搅拌器搅动制备大型均质钢锭的装置与方法，该装置包括钢锭模、底盘、自耗式搅拌器、升降横臂、电控装置和保温冒口；位于操作平台一侧的立杆上连接升降横臂，电控装置固定在升降横臂上且与自耗式搅拌器连接，钢锭模上方设置保温冒口；自耗式搅拌器包括搅拌轴和搅拌叶片，搅拌过程中自耗式搅拌器不断消耗；升降横臂的一端为滑动端，且滑动端沿立杆上下移动；本发明的自耗式搅拌器本身是冷源，能加快钢锭冷却传热速度、缩短钢锭凝固时间；搅拌器搅拌过程中自我消耗熔化后，消除了疏松等缺陷；搅拌器的旋转可使凝固前沿的初生枝晶断裂，进入熔体中形成新的晶核，强化组织致密性，抑制金属元素成分偏析现象。
文档编号B22D7/12GK102806322SQ20121029504
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者李宝宽, 刘鹏 申请人:东北大学