一种导电结晶器电渣重熔控制铸锭凝固组织方向的方法与流程

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种导电结晶器电渣重熔控制铸锭凝固组织方向的方法。

背景技术：

液态金属在铸模或铸型中凝固，前者形成铸锭，后者形成铸件。由于铸锭或铸件冷却条件极其复杂，其铸态组织具有很多特点。铸态组织包括晶粒的大小、形状和取向，合金元素的分布以及铸锭中的缺陷等。铸锭的宏观组织通常由三个晶区组成，即外表层的激冷层，中间的柱状晶区以及心部的等轴晶区。当高温的金属液体进入铸型后，由于铸型表面温度较低形成较大的过冷度，加上型壁可以作为异质形核的基底，所以在靠近型壁处形成薄层等轴晶区；等轴晶区形成的同时，型壁温度迅速升高，加上金属凝固后收缩使铸锭和型壁脱离，使液态金属继续散热困难。由于上述原因，液态金属冷却减慢，温度梯度变得平缓，这时在垂直于型壁的方向上生成柱状晶。实践证明，轴向结晶比径向结晶的冶金质量要好。

为了获得更好的凝固质量，通常需要将初炼的产品作为自耗电极进行电渣重熔，进一步提纯钢或合金，改变凝固组织的结晶方向，从而获得更趋于轴向的结晶组织。传统电渣重熔过程，电流全部从底水箱流出，凝固组织的结晶方向一般为45°。铸锭凝固组织的方向比较固定，难以灵活控制。

本发明使用的导电结晶器电渣重熔技术，电流可以分别从结晶器和底水箱流出，通过控制结晶器和底水箱电流的分配比例，进而改变金属熔池的形状和深度，从而控制铸锭凝固组织的方向。导电结晶器电渣重熔过程，通过结晶器和底水箱的电流有多种分配方式。闭合K3和K1开关，断开K2开关，电流全部从底水箱流出。闭合K3和K2开关，断开K1开关，电流全部从结晶器流出。K3、K2、K1全部闭合时，结晶器和底水箱上均有电流流出，不同的电极插入深度和填充比会带来不同的分配比例，其分配比可从电流表中直接读出。当结晶器上有电流通过时，会在渣/结晶器界面上产生焦耳热，使金属熔池中形成一定高度的圆柱段，在控制铸锭凝固组织方向的同时还能保证铸锭的表面质量。

结晶器和底水箱电流的分配比例是导电结晶器电渣重熔控制铸锭凝固组织结晶方向的关键因素，关系着产品凝固质量的好坏。因此，选择合适的分配比例有利于控制铸锭的凝固组织方向，保证铸锭的表面质量。

技术实现要素：

为了控制铸锭凝固组织的结晶方向，本发明提供了一种采用导电结晶器电渣重熔控制凝固组织方向的方法。该方法能控制通过结晶器和底水箱电流的分配比例，从而改变金属熔池的深度和形状，进而控制凝固组织的方向，同时还能保证铸锭具有良好的表面质量。

本发明的导电结晶器电渣重熔控制凝固组织方向的方法，采用导电结晶器电渣重熔技术控制铸锭的凝固组织方向；采用导电结晶器技术，让电流分别从结晶器和底水箱回到电源，选择不同的开关闭合方式和工艺参数控制通过结晶器和底水箱电流的分配比例，进而控制金属熔池的深度和形状，从而控制铸锭凝固组织的方向；具体包括如下步骤：

步骤1，渣料的配制及烘烤：

(1)配制高电导率的渣料；

(2)将渣料在600～800℃下烘烤4～6h后，渣料随炉降温，备用；

步骤2，预备工作：

(1)确定填充比和电极的插入深度；

(2)将底垫放置在电渣炉的底水箱中央，在底垫上放置引弧剂，在引弧剂周围平铺部分渣料；

(3)将导电结晶器坐落在底水箱上并进行对中；

步骤3，导电结晶器电渣重熔：

(1)通过开关闭合与断开，使电流路径为电源→自耗电极→渣料→底水箱→电源，起弧后，将剩余渣料分批次加入导电结晶器内，进行化渣；

(2)渣料全部熔清后，设定重熔电流和重熔电压，进行电渣重熔，在电渣重熔过程中，通过开关闭合与断开设定电流路径，控制通过结晶器和底水箱电流的分配比例，改变金属熔池的形状和深度，从而控制铸锭凝固组织的方向；

其中：所述的电流路径为以下(a)(b)或(c)种方式中的一种：(a)，电流路径为电源→自耗电极→渣料→底水箱→电源；(b)，电源→自耗电极→渣料→导电结晶器→电源；(c)，电流路径为2条：电源→自耗电极→渣料→底水箱→电源、电源→自耗电极→渣料→导电结晶器→电源；

(3)在电渣重熔过程后期，进行电渣重熔补缩操作后断电，自然冷却，制得重熔铸锭。

其中：

所述的步骤1中，高电导率的渣料在1900K时的导电率为300～500Ω^-1m^-1。

所述的步骤1中，将渣料混合均匀后放入电阻炉进行烘烤，去除渣料中的水分。

所述的步骤2中，填充比和电极插入深度的选择，对导电结晶器电渣重熔控制铸锭凝固组织方向产生如下影响：

其他条件不变的情况下，随着填充比的增大，电流从导电结晶器流出的比例增大，电流从底水箱流出的比例减小，铸锭的凝固组织与竖直方向的夹角随之减小；

其他条件不变的情况下，随着电极插入深度增大，电流从导电结晶器流出的比例减小，电流从底水箱流出的比例增大，铸锭的凝固组织与竖直方向的夹角随之增大。

导电结晶器接通电源产生总电流、流经导电结晶器的支路电流和流经底水箱的支路电流，流经导电结晶器的支路电流与总电流的比例，称为电流从导电结晶器流出的比例，流经底水箱的支路电流与总电流的比例，称为电流从底水箱流出的比例。

所述的步骤2中，底垫的材质与所需冶炼钢种材质相同，且厚度为20～30mm。

所述的步骤2中，引弧剂为CaF₂和TiO₂经预熔后得到的混合物，按质量比，CaF₂∶TiO₂＝(40～60)∶(40～60)。

所述的步骤2中，部分渣料的质量，为所要处理的渣料总质量的1～2％。

所述的步骤3(3)中，电渣重熔补缩操作是在保证炉口电压/重熔电流的比值不变的条件下，同时按比例降低炉口电压和重熔电流，达到递减功率的目的，进一步保证铸锭上部的凝固质量。

所述的步骤3中，电流路径为(a)时，电流全部流经底水箱；电流路径为(b)时，电流全部流经导电结晶器；电流路径为(c)时，导电结晶器和底水箱上均有电流流过。

所述的步骤3中，通过设定电流路径，控制通过结晶器和底水箱电流的分配比例的方法为：选择电流路径(a)时，电流全部流经底水箱，铸锭的凝固组织与竖直方向的夹角最大；选择电流路径(b)时，电流全部流经导电结晶器，铸锭的凝固组织与竖直方向的夹角最小；选择电流路径(c)时，导电结晶器和底水箱上均有电流流过，铸锭的凝固组织与竖直方向的夹角介于电流路径(a)的夹角与电流路径(b)的夹角之间。

所述电渣重熔过程，熔速由经验公式v＝(0.5～0.7)·D确定，其中：v-熔速，kg/h；D-结晶器直径，mm。

所述步骤3中，起弧方法为固态起弧法。

本发明的导电结晶器电渣重熔控制铸锭凝固组织方向的方法，与现有技术相比，有益效果为：

(1)本发明方法可在较低熔速下保证铸锭具有良好的表面质量。一般情况下，传统电渣重熔过程的熔速由经验公式v＝(0.7～1.0)·D确定，其中：v-熔速，kg/h；D-结晶器直径，mm。采用导电结晶器电渣重熔技术可以采用更低的熔速，熔速由经验公式v＝(0.5～0.7)·D确定。由于导电结晶器技术的采用，结晶器壁电流密度较大，有大量的焦耳热产生，可使金属熔池具有一定高度的圆柱段高度，所以铸锭的表面质量得到了保证。

(2)本发明方法，在化渣期通过开关闭合，让电流全部从底水箱流出，使渣池温度迅速升高，提高化渣效率；正常熔炼期选用不同的开关闭合方式，填充比和电极插入深度，可以控制通过结晶器和底水箱电流的分配比例。通过对结晶器和底水箱电流分配比例的控制，可以控制铸锭凝固组织的方向。

(3)本发明方法，采用高电导率配比的渣系，这样有利于降低电极的熔化速度，增加铸锭凝固组织轴向结晶的趋势。

(4)本发明方法，在熔炼末期采用功率递减的补缩操作。在熔炼末期，保持炉口电压/重熔电流的比值恒定，同时按比例降低电流和电压，达到补缩的效果，以获得更好的凝固质量。

(5)本发明方法，采用高电导率配比的渣料和导电结晶器技术，选用不同开关闭合方式，填充比和电极插入深度，改变结晶器和底水箱电流的分配比例，进而控制金属熔池的形状和深度，从而控制铸锭凝固组织的结晶方向，同时还能保证铸锭具有良好的表面质量。

附图说明

图1本发明实施例的导电结晶器电渣重熔控制铸锭凝固组织方向的方法的电渣重熔示意图；其中：1-自耗电极；2-冷却水出口；3-渣池；4-金属熔池；5-导电结晶器；6-重熔锭；7-绝缘体；8-底水箱；9-K1开关；10-A1电流表；11-C1电缆；12-冷却水入口；13-K2开关；14-A2电流表；15-C2电缆；16-C3电缆；17-K3开关；18-A3电流表；19-电源。

图2本发明实施例1采用导电结晶器电渣重熔控制铸锭凝固组织方向的方法制备的H13电渣锭的低倍组织图。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的具体实施方式不局限于下述的实施例。

实施例1

一种导电结晶器电渣重熔控制铸锭凝固组织方向的方法，其电渣重熔示意图如图1所示，选用的钢种为H13钢，具体包括如下步骤：

步骤1，渣料的配制及烘烤：

(1)配制高电导率的渣料30Kg；其中，渣料含有成分及其质量百分数比：CaF₂：50～60％，CaO：18～24％，Al₂O₃：20～25％，MgO：2～5％，各成分质量百分数之和为100％，该渣系在1900K时的电导率为380Ω^-1m^-1；

(2)将渣料混合均匀后放入电阻炉进行烘烤，在600℃下烘烤5h后，关闭电源让渣料随炉降温，去除渣料中的水分，备用；

步骤2，预备工作：

(1)确定填充比和电极的插入深度：导电结晶器的直径为350mm，电极直径为220mm，电极的插入深度为10mm，填充比为0.54；

(2)将20mm厚材质同为H13钢的底垫放置在电渣炉的底水箱中央，在底垫上放置引弧剂，在引弧剂周围平铺部分渣料；其中，部分渣料的质量为所要处理的渣料总质量的1％；引弧剂为CaF₂和TiO₂经预熔后得到的混合物，按质量比，CaF₂∶TiO₂＝50∶50。

(3)将导电结晶器坐落在底水箱上并进行对中；

步骤3，导电结晶器电渣重熔：

(1)闭合K3和K1开关，断开K2开关，使电流路径为电源→自耗电极→渣料→底水箱→电源，采用固态起弧法起弧后，将剩余渣料分批次加入导电结晶器内，进行化渣；

(2)渣料全部熔清后，设定重熔电流和重熔电压，进行电渣重熔，K2、K3全部闭合，K1断开，电流路径为(b)，电源→自耗电极→渣料→导电结晶器→电源；通过导电结晶器和底水箱电流的分配比例为100％：0％，分配比例可由电流表直接读出；其中，熔速为175kg/h，重熔电压为36V，重熔电流为5000A；

(3)在电渣重熔过程后期，为了保证铸锭上部的凝固质量，需要进行递减功率的补缩操作，在保证炉口电压/重熔电流的比值不变的条件下，同时按比例降低炉口电压和重熔电流，电流每5min降低500A；重熔补缩操作后断电，自然冷却，制得H13重熔电渣锭。

本实施例制得的H13电渣锭，沿直径纵向剖开，将剖开的钢锭沿纵剖面切下15mm厚的纵向切片，并用磨床打磨抛光；将抛光后的样品用逆王水侵蚀，并用无水乙醇清洗干净；然后对柱状晶与轴向的夹角进行测量，测量结果为26°，纵向切片的低倍组织如图2所示。

实施例2

一种导电结晶器电渣重熔控制铸锭凝固组织方向的方法，其电渣重熔示意图如图1所示，选用的钢种为冷作模具钢D2，具体包括如下步骤：

步骤1，渣料的配制及烘烤：

(1)配制高电导率的渣料140Kg；其中，渣料含有成分及其质量百分数比：CaF₂：50～70％，CaO：10～20％，Al₂O₃：20～30％，SiO₂：≤10％，各成分质量百分数之和为100％，该渣系在1900K时的电导率为460Ω^-1m^-1；

(2)将渣料混合均匀后放入电阻炉进行烘烤，在600℃下烘烤5h后，关闭电源让渣料随炉降温，去除渣料中的水分，备用；

步骤2，预备工作：

(1)确定填充比和电极的插入深度：导电结晶器的直径为600mm，电极直径为500mm，电极的插入深度为10mm，填充比为0.69；

(2)将30mm厚材质同为冷作模具钢D2的底垫放置在电渣炉的底水箱中央，在底垫上放置引弧剂，在引弧剂周围平铺部分渣料；其中，部分渣料的质量为所要处理的渣料总质量的2％；引弧剂为CaF₂和TiO₂经预熔后得到的混合物，按质量比，CaF₂∶TiO₂＝50∶50。

(3)将导电结晶器坐落在底水箱上并进行对中；

步骤3，导电结晶器电渣重熔：

(1)闭合K3和K1开关，断开K2开关，使电流路径为电源→自耗电极→渣料→底水箱→电源，采用固态起弧法起弧后，将剩余渣料分批次加入导电结晶器内，进行化渣；

(2)渣料全部熔清后，设定重熔电流和重熔电压，进行电渣重熔，K1、K2、K3全部闭合，电流路径为(c)，电流路径为2条：电源→自耗电极→渣料→底水箱→电源、电源→自耗电极→渣料→导电结晶器→电源；通过导电结晶器和底水箱电流的分配比例为60％：40％，分配比例可由电流表直接读出；其中，熔速为360kg/h，熔炼电压为60V，熔炼电流为11800A；

(3)在电渣重熔过程后期，为了保证铸锭上部的凝固质量，需要进行递减功率的补缩操作，在保证炉口电压/重熔电流的比值不变的条件下，同时按比例降低炉口电压和重熔电流，电流每2min降低500A；重熔补缩操作后断电，自然冷却，制得重熔冷作模具钢D2钢铸锭。

将本实施例制备的重熔冷作模具钢D2钢铸锭沿直径纵向剖开，将剖开的铸锭沿纵剖面切下15mm厚的纵向切片，并用磨床打磨抛光。将抛光后的样品用10∶1∶10的盐酸硝酸水溶液侵蚀，并用无水乙醇清洗干净。然后对柱状晶与轴向的夹角进行测量，测量结果为32°。

实施例3

一种导电结晶器电渣重熔控制铸锭凝固组织方向的方法，其电渣重熔示意图如图1所示，选用的钢种为D2钢，具体包括如下步骤：

步骤1，渣料的配制及烘烤：

(1)配制高电导率的渣料140Kg；其中，渣料含有成分及其质量百分数比：CaF₂：50～70％，CaO：10～20％，Al₂O₃：20～30％，SiO₂：≤10％；各成分质量百分数之和为100％，该渣系在1900K时的电导率为460Ω^-1m^-1；

(2)将渣料混合均匀后放入电阻炉进行烘烤，在600℃下烘烤5h后，关闭电源让渣料随炉降温，去除渣料中的水分，备用；

步骤2，预备工作：

(1)确定填充比和电极的插入深度：导电结晶器的直径为600mm，电极直径为450mm，电极的插入深度为20mm，填充比为0.56；

(2)将25mm厚材质同为D2钢的底垫放置在电渣炉的底水箱中央，在底垫上放置引弧剂，在引弧剂周围平铺部分渣料；其中，部分渣料的质量为所要处理的渣料总质量的2％；引弧剂为CaF₂和TiO₂经预熔后得到的混合物，按质量比，CaF₂∶TiO₂＝50∶50。

(3)将导电结晶器坐落在底水箱上并进行对中；

步骤3，导电结晶器电渣重熔：

(1)闭合K3和K1开关，断开K2开关，使电流路径为电源→自耗电极→渣料→底水箱→电源，采用固态起弧法起弧后，将剩余渣料分批次加入导电结晶器内，进行化渣；

(2)渣料全部熔清后，设定重熔电流和重熔电压，进行电渣重熔，将K1、K2、K3全部闭合，电流路径为(c)，电流路径为2条：电源→自耗电极→渣料→底水箱→电源、电源→自耗电极→渣料→导电结晶器→电源；通过导电结晶器和底水箱电流的分配比例为40％：60％，分配比例可由电流表直接读出；其中，熔速为400kg/h，熔炼电压为65V，熔炼电流为13200A；

(3)在电渣重熔过程后期，为了保证铸锭上部的凝固质量，需要进行递减功率的补缩操作，在保证炉口电压/重熔电流的比值不变的条件下，同时按比例降低炉口电压和重熔电流，电流每2min降低500A；重熔补缩操作后断电，自然冷却，制得重熔D2钢铸锭。

将本实施例制备的重熔D2钢铸锭沿直径纵向剖开，将剖开的铸锭沿纵剖面切下15mm厚的纵向切片，并用磨床打磨抛光。将抛光后的样品用10∶1∶10的盐酸硝酸水溶液侵蚀，并用无水乙醇清洗干净。然后对柱状晶与轴向的夹角进行测量，测量结果为38°

实施例4

一种导电结晶器电渣重熔控制铸锭凝固组织方向的方法，其电渣重熔示意图如图1所示，选用的钢种为Cr5钢，具体包括如下步骤：

步骤1，渣料的配制及烘烤：

(1)配制高电导率的渣料140Kg；其中，渣料含有成分及其质量百分数比：：CaF₂：50～60％，CaO：10～20％，Al₂O₃：10～20％，MgO：2～5％，SiO₂：2～5％；各成分质量百分数之和为100％，该渣系在1900K时的电导率为340Ω^-1m^-1；

(2)将渣料混合均匀后放入电阻炉进行烘烤，在600℃下烘烤5h后，关闭电源让渣料随炉降温，去除渣料中的水分，备用；

步骤2，预备工作：

(1)确定填充比和电极的插入深度：导电结晶器的直径为950mm，电极直径为760mm，电极的插入深度为10mm，填充比为0.64；

(2)将28mm厚材质同为Cr5钢的底垫放置在电渣炉的底水箱中央，在底垫上放置引弧剂，在引弧剂周围平铺部分渣料；其中，部分渣料的质量为为所要处理的渣料总质量的2％；引弧剂为CaF₂和TiO₂经预熔后得到的混合物，按质量比，CaF₂∶TiO₂＝50∶50。

(3)将导电结晶器坐落在底水箱上并进行对中；

步骤3，导电结晶器电渣重熔：

(1)闭合K3和K1开关，断开K2开关，使电流路径为电源→自耗电极→渣料→底水箱→电源，采用固态起弧法起弧后，将剩余渣料分批次加入导电结晶器内，进行化渣；

(2)渣料全部熔清后，设定重熔电流和重熔电压，进行电渣重熔，将K1、K3闭合，K2断开，电流路径为(a)，电流路径为电源→自耗电极→渣料→底水箱→电源；通过导电结晶器和底水箱电流的分配比例为0％：100％，分配比例可由电流表直接读出；其中，熔速为780kg/h，熔炼电压为75V，熔炼电流为20900A；

(3)在电渣重熔过程后期，为了保证铸锭上部的凝固质量，需要进行递减功率的补缩操作，在保证炉口电压/重熔电流的比值不变的条件下，同时按比例降低炉口电压和重熔电流，电流每5min降低500A；重熔补缩操作后断电，自然冷却，制得重熔Cr5钢铸锭。

将本实施例制备的重熔Cr5钢铸锭沿直径纵向剖开，将剖开的铸锭沿纵剖面切下15mm厚的纵向切片，并用磨床打磨抛光。将抛光后的样品用1∶3的盐酸水溶液冷酸浸蚀，并用无水乙醇清洗干净。然后对柱状晶与轴向的夹角进行测量，测量结果为45°。