一种改善微合金钢连铸过程可浇性的装置的制作方法

本发明涉及微合金钢连铸生产领域，更具体地说，涉及一种改善微合金钢连铸过程可浇性的装置。

背景技术：

现有采用连铸工艺浇注的过程中，由于钢水中的高熔点夹杂物容易粘附在结晶器浸入式水口内壁上，使其发生堵塞，所以造成一个中间包次的连浇炉数较低，生产成本增加，生产组织受到极大影响。尤其是浇铸断面较小的连铸坯时，由于结晶器浸入式水口内径较小，堵塞现象更严重。

为了提高连铸浇注时钢水的可浇性，现有技术中已提出了一些解决方案，其中，针对如何提高低碳钢的可浇性，现有技术中公开了如下技术方案，例如专利公开号：cn102268513a，公开日：2011年12月07日，发明创造名称为：一种改善中低碳钢钢水可浇性的方法，该申请案提供了一种改善中低碳钢钢水可浇性的方法，其包括：将铁水中的硫含量控制为不大于0.015％；对铁水进行初炼以形成钢水，然后将钢水出钢到钢包中；在按重量百分比计出钢20％～30％的过程中，根据初炼终点时钢水中的氧含量加入适量的基本不含铝或不含铝的脱氧剂；在按重量百分比计出钢31％～50％的过程中，根据钢水中的氧含量加入3.0～5.0kg/吨钢的活性石灰和加入量为活性石灰的20％的萤石；第一次吹氩精炼；钢包炉精炼并进行第二次吹氩精炼；采用连铸工艺进行浇铸。该申请案不需要进行钙处理，就使得钢水可浇性得到有效改善，水口堵塞现象得以缓解，低铝含量中低碳铝连铸过程中的中间包连浇炉数不小于8炉，达到了经济生产的目的。

针对如何提高低碳钢的可浇性，现有技术中还公开了如下技术方案，例如专利公开号：cn103451349a，公开日：2013年12月18日，发明创造名称为：一种防止超低碳铝脱氧钢水浇铸过程水口堵塞的控制方法，该申请案采用铁水脱硫处理-转炉冶炼-转炉出钢-rh真空处理-双流板坯连铸浇铸的工艺路径冶炼超低碳钢，提高超低碳铝脱氧钢水的可浇性，合理控制转炉吹炼终点钢水氧含量、终点碳含量和温度，为rh真空脱碳提供有利条件；连铸保护浇铸，采用长水口、浸入式水口吹氩密封保护，防止钢水二次氧化；使用碱性覆盖剂，防止钢水二次氧化，更好的吸附钢水中的夹杂物；提高了超低碳铝脱氧钢水的可浇性，实现了整浇次多炉连浇过程中浸入式水口不堵塞，不用更换浸入式水口，从而避免因更换浸入式水口而影响铸坯质量。

微合金元素的碳氮化物有利于提高钢材强度和韧性，所形成的微合金化技术现在正被应用于广泛的领域，尤其是高品质钢，如重轨钢、工具钢等。随着微合金钢产量的大幅升高，以及对钢铁材料性能要求的提高，在实际生产中不断暴露出新的质量问题，在低合金高强钢中加入微量ti，可以细化铸坯凝固组织，提高钢的强度，改善钢的冷成形性能和焊接性能。ti相对于nb和v，具有明显的成本优势，现有技术中对于钛微合金钢的研究相对较多。但是，现有钛微合金钢连铸过程中发现，其浇注时水口往往容易发生堵塞，钢水的可浇性较差。

综上所述，如何改善现有钛微合金钢连铸过程的可浇性，是现有技术中亟需解决的技术难题。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有钛微合金钢连铸过程中浸入式水口极易发生堵塞的不足，提供了一种改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，保证生产顺利进行。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，包括浇注机构和电极夹持机构；所述浇注机构包括钢包和中间包，所述钢包置于中间包上方，钢包内部通过长水口与中间包内部连通；所述电极夹持机构包括：

圆柱状的脉冲电极，当微合金钢铸坯采用连铸工艺浇注时，所述脉冲电极置于中间包内的微合金钢水中并对微合金钢水施加脉冲电流，同时通过超声波发生装置向中间包内的微合金钢水发射超声波，其中超声波功率密度为18-35w/cm²，频率为20-30khz；夹持件，所述夹持件用于夹持所述脉冲电极；通电件，所述通电件的一端与所述夹持件连接，所述通电件与脉冲电源连接；加长杆，所述加长杆的一端通过绝缘块与所述通电件的另一端连接。

作为本发明更进一步的改进，所述脉冲电流的参数为：脉冲电压10～36v，脉冲电流100～2000a，脉冲频率1000～30000hz。

作为本发明更进一步的改进，所述微合金钢中包含ti元素。

作为本发明更进一步的改进，施加脉冲电流时，微合金钢水的过热度控制在20～40℃。

作为本发明更进一步的改进，所述微合金钢中c<0.25％wt或0.25％≤c≤0.60％wt或c>0.60％wt。

作为本发明更进一步的改进，微合金钢中ti元素的含量为0.10％wt-0.80％wt。

作为本发明更进一步的改进，所述夹持件包括两个带折边的半圆环，两个带折边的半圆环的圆弧部分围成夹持圈，该夹持圈包裹在脉冲电极的外侧面，两个带折边的半圆环的对应折边部分通过第一螺栓连接，形成夹持片。

作为本发明更进一步的改进，所述通电件包括通电杆以及连接于通电杆两端的连接片；所述通电杆一端的连接片通过第二螺栓连接于夹持件的一个夹持片上；所述通电杆上连接有导电片，该导电片上设有通孔，导电片与脉冲电源连接。

作为本发明更进一步的改进，所述电极夹持机构还包括绝缘螺栓；所述绝缘螺栓依次穿过通电杆另一端的连接片、绝缘块以及加长杆的一端，并将三者连接固定在一起；所述脉冲电极的两端分别设有直径大于脉冲电极直径的阻挡圆块；所述脉冲电极为铝碳质电极。

作为本发明更进一步的改进，所述中间包的底部连通有浸入式水口，该浸入式水口与塞棒配合使用，中间包内部浸入式水口与长水口之间设置有相互配合的挡墙和挡坝。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明中，施加脉冲电流后，钛微合金钢水内部的变化过程如下：钛微合金钢水中的析出物tin的形核率得到显著提高，从而抑制了单个tin粒子析出尺寸的长大，大量小尺寸的tin析出物从浸入式水口中流走，避免了原有大尺寸tin析出物粒子易堵塞浸入式水口的现象，改善了钛微合金钢连铸过程的可浇性。

(2)发明人研究发现，在微合金钢中添加ti元素的含量为0.10％wt-0.80％wt，配合脉冲电流的参数为：脉冲电压10～36v，脉冲电流100～2000a，脉冲频率1000～30000hz，能够最大程度地提高tin的形核率，避免水口堵塞，从而改善了微合金钢连铸过程的可浇性；其中需要注意的是，施加脉冲电流时，微合金钢水的过热度需要控制在20～40℃，从而能够有效发挥脉冲电流对tin析出过程的调控作用。

(3)本发明中，施加脉冲电流的操作，不改变现有生产过程的工艺参数，不需要对生产过程进行特别控制，不影响现场生产，其操作简单，成本低廉，能有效改善微合金钢连铸过程的可浇性；其中，使用的脉冲电流的电压<36v，属于安全电压，不影响人身安全，对生产设备无影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例1的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置的结构示意图；

图2为实施例1-7中电极夹持机构的结构示意图；

图3为图2中夹持片的结构示意图；

图4为图2中通电件沿a向的结构示意图；

图5为实施例7中电极夹持机构的结构示意图；

图6为实施例8中电极夹持机构的结构示意图；

图7为实施例1中铸坯取样的透射电镜图。

示意图中的标号说明：1、脉冲电极；2、夹持件；201、夹持圈；202、夹持片；3、通电件；301、通电杆；302、连接片；4、导电片；5、绝缘块；6、加长杆；7、第一螺栓；8、第二螺栓；9、脉冲电源；10、塞棒；11、钢包；12、长水口；13、中间包；14、浸入式水口；15、挡墙；16、挡坝。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1-4，本实施例的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，包括浇注机构和电极夹持机构。

浇注机构包括钢包11和中间包13，钢包11置于中间包13上方，钢包11内部通过长水口12与中间包13内部连通；中间包13的底部连通有浸入式水口14，该浸入式水口14与塞棒10配合使用，中间包13内部浸入式水口14与长水口12之间设置有相互配合的挡墙15和挡坝16。

电极夹持机构包括：圆柱状的脉冲电极1，当微合金钢铸坯采用连铸工艺浇注时，脉冲电极1置于中间包13内的微合金钢水中并对微合金钢水施加脉冲电流；夹持件2，夹持件2用于夹持脉冲电极1；通电件3，通电件3的一端与夹持件2连接，通电件3与脉冲电源9连接；加长杆6，加长杆6的一端通过绝缘块5与通电件3的另一端连接。其中，脉冲电流的参数为：脉冲电压10～36v，脉冲电流100～2000a，脉冲频率1000～30000hz；微合金钢中包含ti元素，微合金钢中ti元素的含量为0.10％wt-0.80％wt；施加脉冲电流时，微合金钢水的过热度控制在20～40℃；微合金钢中c<0.25％wt或0.25％≤c≤0.60％wt或c>0.60％wt。

具体本实施例中，合金钢的材料为aisi321钛微合金钢，其主要化学成分为(质量百分比)：0.031％c、0.74％si、0.99％mn、0.027％p、0.003％s、17.33％cr、9.34％ni、0.12％ti、0.019％al。当盛满微合金钢水的钢包11运送至钢包回转台后，中间包车载着烘烤后的中间包13到达浇注位，随后进行开浇操作，微合金钢水从钢包11底部顺着长水口12进入中间包13，此时微合金钢水过热度控制为25℃。当中间包13内钢液升至工作液面，打开塞棒10，微合金钢水顺着浸入式水口14进入结晶器及二冷区凝固成为连铸坯。待中间包13内液面稳定在工作液面后，将脉冲电极1的正负极分别插入到中间包13内钢液中，打开脉冲电源9，调整参数为：脉冲电压13.6v，脉冲电流：800a，脉冲频率25000hz，连续浇注10炉钢后，未出现水口堵塞的现象。

从以上连铸出的铸坯中切取一块样品，线切割为15mm×15mm的小样，将样品表面磨平并抛光，用4％的硝酸酒精溶液浸蚀试样至试样表面刚刚变暗，使用真空镀膜机对试样喷镀碳膜，喷碳后的试样表面出现钢在300℃左右所出现的回火蓝色，则说明厚度符合要求，再用刀片在碳膜面上划出对角线间距为2mm的小方格，随后将试样碳膜面放入4％的硝酸酒精溶液中浸蚀，待碳膜从试样表面脱落后，使用铜网将碳膜捞出洗净晾干，放入透射电镜中，即可以观察其中的tin形貌，其中发现tin尺寸集中在10～80nm之间，如图7所示。

本实施例中，施加脉冲电流后，微合金钢水内部的变化过程如下：对微合金钢水进行脉冲电流处理后，微合金钢水中的析出物tin的形核率得到显著提高，从而抑制了单个tin粒子析出尺寸的长大，大量小尺寸(10～100nm)的tin析出物从浸入式水口14中流走，避免了原有大尺寸tin析出物(1～100um)粒子易堵塞浸入式水口14的现象，改善了钛微合金钢连铸过程的可浇性。

通过对水口堵塞机理进行分析，可以得出造成水口堵塞的主要原因包括钢水质量、钢水温度、水口材质和结构、水口传热和二次氧化等诸多方面因素。钛在钢中的氮化物主要以tin形式存在，钛在钢中先形成tin，tin颗粒大小与其析出过程有关。首先，粗大的tin是钢液凝固过程中的析出相，当钢液中分布较多粗大tin时，不但浪费ti元素，而且有相反作用，其不能有效地阻止晶粒长大，不起强化作用，本实施例中，经过大量实验研究发现，在钛微合金钢连铸过程中，粗大的tin作为易形成水口蓄流的一种物质显著影响钛微合金钢连铸过程的可浇性，为了避免粗大的tin形成，现有技术中一般通过降低钢液中钛氮积来实现，这对水口蓄流有一定缓解，但是降低钛氮积必然会减少tin的析出总量，限制了轧制后钢材性能。现有技术中，史彩霞研究430铁素体不锈钢tin形核细化凝固组织(参考：史彩霞.430铁素体不锈钢tin形核细化凝固组织的研究[d].北京：北京科技大学，2007.)，以及赵国光研究洁净钢氮化钛凝固细化技术(参考：赵国光,朱晓霞,赵沛等.洁净钢氮化钛凝固细化技术的基础[j].北京科技大学学报,2002,vol,24(3):274.)，都表明利用细小的tin形核是一种细化凝固组织的有效手段。但在钢液中形成细小的tin，需要有严格的工艺控制，且极易形成粗大tin，从而显著影响连铸过程钢液可浇性。

因此，对于钛微合金钢的连铸过程而言，一方面希望形成细小的tin细化凝固组织，另一方面不希望形成粗大的tin影响钢液正常浇注。但是，基于现有的工艺技术，上述两个方面往往不可兼得，现有技术中一直未能克服上述问题，其根源在于无法有效精确控制钛微合金钢中tin的析出行为。

发明人经过大量实验无意发现，采用脉冲电流能够较好地控制钛微合金钢中tin的析出行为，具体为：发明人研究发现，脉冲电流处理能够促进tin的析出，降低tin的形核势垒we，从而提高形核率ie，能够提高细小的tin颗粒的析出量及减少粗大的tin的析出量，其关键就在于控制形核率提高，因为ti元素的总量有限，tin形核率越高，析出的tin颗粒尺寸就越小。

同时，发明人研究发现，微合金钢中添加ti元素的含量为0.10％wt-0.80％wt，配合脉冲电流的参数为：脉冲电压10～36v，脉冲电流100～2000a，脉冲频率1000～30000hz，能够最大程度地提高tin的形核率，避免水口堵塞，从而改善了钛微合金钢连铸过程的可浇性。其中需要注意的是，施加脉冲电流时，微合金钢水的过热度需要控制在20～40℃，从而能够有效发挥脉冲电流对tin析出过程的调控作用。

进一步的，当微合金钢铸坯采用连铸工艺浇注时，脉冲电极1置于中间包13内的微合金钢水中并对微合金钢水施加脉冲电流，同时通过超声波发生装置向中间包13内的微合金钢水发射超声波，其中超声波功率密度为18-35w/cm²，频率为20-30khz，在施加脉冲电流提高tin形核率时，大量小尺寸的tin析出，同时配合以上特定功率和频率超声波的使用，可对中间包13内的微合金钢水形成持续振动搅拌，从而使得大量小尺寸的tin均匀分布于钢液中，有效避免小尺寸的tin因局部聚集而形成大尺寸的tin，从而进一步改善钛微合金钢连铸过程的可浇性。其中，向微合金钢水发射特定功率和频率的超声波，在一定程度上也可以提高tin的形核率。

结合图2-4，本实施例中，在加长杆6和通电件3之间设置绝缘块5，使得加长杆6和通电件3之间不导电，方便操作人员手持加长杆6进行操作，保证现场生产的安全；加长杆6与通电件3连接，将加长杆6置于操作架上，操作人员远离了高温环境，方便操作，提高了工作效率。

本实施例中，施加脉冲电流使用的脉冲电极1为铝碳质脉冲电极，具有良好的导电和耐高温性能。

本实施例中，施加脉冲电流的操作，不改变现有生产过程的工艺参数，不需要对生产过程进行特别控制，不影响现场生产，其操作简单，成本低廉，能有效改善微合金钢连铸过程的可浇性；其中，使用的脉冲电流的电压<36v，属于安全电压，不影响人身安全，对生产设备无影响。

实施例2

结合图2-4，本实施例的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，其结构与实施例1基本相同，更进一步的：夹持件2包括两个带折边的半圆环，两个带折边的半圆环的圆弧部分围成夹持圈201，该夹持圈201包裹在脉冲电极1的外侧面，两个带折边的半圆环的对应折边部分通过第一螺栓7连接，形成夹持片202。

本实施例中，夹持件2包括两个带折边的半圆环，两个带折边的半圆环的圆弧部分围成夹持圈201，该夹持圈201包裹在脉冲电极1的外侧面，两个带折边的半圆环的对应折边部分通过第一螺栓7连接，形成夹持片202，夹持圈201紧密贴合在脉冲电极1的外侧面，可将脉冲电极1牢牢的夹持住，其中，通过夹持圈201可夹持特定尺寸的脉冲电极1，保证生产顺利进行；且其中要求：夹持圈201有一定强度、耐高温且不与脉冲电极1发生反应；通电件3能导电且电阻小、有一定强度以及耐高温；绝缘块5有一定强度、耐高温，以及一定长度与厚度保证通电件3与加长杆6不接触；加长杆6为有一定强度、长度且相对耐高温的金属杆。

实施例3

结合图2-4，本实施例的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，其结构与实施例2基本相同，更进一步的：通电件3包括通电杆301以及连接于通电杆301两端的连接片302；通电杆301一端的连接片302通过第二螺栓8连接于夹持件2的一个夹持片202上。

本实施例中，通电件3包括通电杆301以及连接于通电杆301两端的连接片302，通电杆301一端的连接片302通过第二螺栓8连接于夹持件2的一个夹持片202上，使得通电杆301与夹持件2之间的安装方便，便于现场使用。

实施例4

结合图2-4，本实施例的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，其结构与实施例3基本相同，更进一步的：通电杆301上连接有导电片4，该导电片4上设有通孔，导电片4与脉冲电源9连接。

本实施例中，通电杆301上连接有导电片4，该导电片4上设有通孔，可通过以上通孔方便的连接脉冲电源9，提高了安装及操作效率。

实施例5

结合图2-4，本实施例的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，其结构与实施例4基本相同，更进一步的：电极夹持机构还包括绝缘螺栓，绝缘螺栓依次穿过通电杆301另一端的连接片302、绝缘块5以及加长杆6的一端，并将三者连接固定在一起。

本实施例中，绝缘螺栓依次穿过通电杆301另一端的连接片302、绝缘块5以及加长杆6的一端，并将三者连接固定在一起，既方便了通电杆301与加长杆6之间的安装，同时绝缘螺栓不导电，保证现场生产的安全。

实施例6

结合图2-4，本实施例的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，其结构与实施例5基本相同，更进一步的：脉冲电极1的两端分别设有直径大于脉冲电极1直径的阻挡圆块。

本实施例中，脉冲电极1的两端分别设有直径大于脉冲电极1直径的阻挡圆块，保护脉冲电极1不从夹持圈201内滑出，提高夹持件2的使用效果。

本实施例中的电极夹持机构，适用于利用脉冲电流对钢水凝固施加影响的过程，有一定结构强度，从而不易损坏，可保证脉冲电极1、脉冲电源9的安全，能够使得脉冲电流与地面以及操作人员之间的绝缘，保证电流不耗散，实现远距离绝缘操作，保证在高温钢水附近长期操作而不熔融，不变形，可长期多次使用，保证现场生产的安全性和连续性。

本实施例中的电极夹持机构，不改变钢种成分，不需要添加合金元素，不改变中间包生产设备和工艺，对铸坯及设备无污染，对人员无危害，是一种应用于脉冲电流对钢液凝固过程施加影响过程的新装置。

实施例7

结合图5，本实施例的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，其结构与实施例6基本相同，更进一步的：绝缘螺栓的数量为两个。

本实施例中，设置两个绝缘螺栓分别依次穿过通电杆301另一端的连接片302、绝缘块5以及加长杆6的一端，并将三者连接固定在一起，可以保证通电杆301和加长杆6紧密的固定在绝缘块5的两侧，防止通电杆301或加长杆6沿着绝缘块5发生转动，提高装置的可靠性。

实施例8

结合图6，本实施例的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，其结构与实施例7基本相同，更进一步的：第二螺栓8的数量等于两个。

本实施例中，设置两个第二螺栓8，通电杆301一端的连接片302通过两个第二螺栓8连接于夹持件2的一个夹持片202上，可以保证通电杆301和夹持件2紧密固定在一起，防止通电杆301或夹持件2发生转动，提高装置的可靠性。

实施例10

结合图6，本实施例的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，其结构与实施例7基本相同，更进一步的：通电杆301一端的连接片302通过一个第二螺栓8以及对应一个第一螺栓7连接于夹持件2的一个夹持片202上，可以保证通电杆301和夹持件2紧密固定在一起，防止通电杆301或夹持件2发生转动，提高装置的可靠性。

实施例11

本实施例的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，其结构与实施例1相同，其不同之处在于：合金钢成分不同，其主要化学成分为(质量百分比)：0.046％c、0.67％si、1.01％mn、0.023％p、0.002％s、17.16％cr、9.20％ni、0.75％ti、0.017％al，另外施加脉冲电流时，微合金钢水过热度控制为35℃，连续浇注10炉钢后，未出现水口堵塞的现象。

实施例12

本实施例的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，其结构与实施例1相同，其不同之处在于，施加脉冲电流时，脉冲电流的参数为：脉冲电压35.5v，脉冲电流：1800a，脉冲频率2000hz，连续浇注10炉钢后，未出现水口堵塞的现象。

实施例13

本实施例的改善微合金钢连铸过程可浇性的装置，其结构与实施例1相同，其不同之处在于，施加脉冲电流时，脉冲电流的参数为：脉冲电压16.3v，脉冲电流：1200a，脉冲频率20000hz，连续浇注10炉钢后，未出现水口堵塞的现象。

需要说明的是，微合金钢可为c<0.25％wt的低碳钢、0.25％≤c≤0.60％wt的中碳钢以及c>0.60％wt的高碳钢，这些低碳钢、中碳钢以及高碳钢中均包含ti元素，此处不一一列举。

以上示意性的对本发明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发明的实施方式之一，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，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，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，均应属于本发明的保护范围。