管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置及方法
【专利摘要】一种管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置及方法，该装置包括电渣重熔系统的结晶器本体、导电横臂、升降横臂、自耗搅拌器电控装置、电极控制装置、底水箱和管式电极和自耗搅拌器；管式电极为自耗式电极采用大口径厚壁管材，管式电极顶端焊接有与该管式电极同样结构的管式假电极，自耗搅拌器位于管式电极内，该搅拌器的材质与最终制备出的电渣重熔钢锭成品的材质相同。采用管式结构可使电流均匀分布在自耗电极端头上，进而使电流导入具有大电阻值的熔渣时产生热量，渣池中热源分布更加均匀，而管式电极产生的液滴小且均匀分布有利于精炼过程。搅拌器自身消耗相当于增加其熔化速度，通过搅动液态金属熔池，加速钢锭冷却，抑制钢锭偏析。
【专利说明】管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及冶金工业大型电渣重熔钢锭凝固工艺【技术领域】，具体涉及一种管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置及方法。
【背景技术】
[0002]近年来随着电力工业、核工业和石油化学工业的迅猛发展，对高附加值大型均质钢锭的需要日益增加。在电渣重熔工艺中，钢锭的凝固过程是典型的定向凝固过程，即具有一侧加热和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。但是大型电渣重熔钢锭的凝固过程很长，根据钢锭吨位不同，从几十小时到上百小时不等，出现碳、磷等低熔点、低密度元素在凝固前沿富集，钢锭不同区域化学成分不均匀等现象，造成宏观偏析和微观偏析；并且在整个冷却凝固的过程中，由于热胀冷缩的原因，钢锭和结晶器壁间会形成气隙，降低钢锭与结晶器壁间导热性能，使结晶器导出热流量减小，钢锭凝固速度下降，随着钢锭的大型化，这种现象更加严重。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。
[0003]在电渣重熔初期，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，而钢锭成分偏析和缩松等问题直接影响大型电渣重熔钢锭产品质量。虽然国内外冶金领域近来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，几乎没有有效的措施可以来抑制或消除大型钢锭内部宏观偏析与缩松等缺陷；传统大型电渣重熔所用的大直径电极为棒状结构，其电极端头突出，液滴大，导致在液滴经过渣池时，其所含杂质和有害物质去除不净，降低精炼效果，直接影响大型钢锭质量。同时这种棒状结构大直径电极由于产生的热量不均匀，导致局部温度过高形成较高过热度，从而影响电极的熔化效率。
【发明内容】
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[0004]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置及方法。
[0005]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，解决大型电渣重熔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，可降低过热度，并加速钢锭凝固。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和密实中心结构的目的；更重要的是基于电流的集肤效应，本发明提出采用管式(自耗)电极代替传统的多个自耗电极，从而适应集肤效应使电流均匀分布在管式电极端头平面上，从而自耗电极所产生的热量在渣池中分布更加均匀，因此管式自耗电极相对于传统电极其产生钢液滴的位置由电极中心转变到电极端头管壁上，液滴滴落位置分布更加均匀，液滴体积小有助于熔渣对钢液滴的精炼；同时利用管式自耗电极方便自耗搅拌器的插入或移出。
[0006]本发明的技术方案是:
一种管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置，包括电渣重熔系统的结晶器本体、导电横臂、升降横臂、自耗搅拌器电控装置、电极控制装置和底水箱，底水箱固定于操作平台上，结晶器本体放置在底水箱上，位于操作平台一侧的主立杆上连接升降横臂，自耗搅拌器电控装置固定在升降横臂上，所述自耗搅拌器电控装置包括控制电机和减速机，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，电极控制装置包括液压设备、导电横臂和夹持器，导电横臂的一端与位于操作平台一侧的侧立杆连接，导电横臂的另一端安装有夹持器，导电横臂与侧立杆连接的一端为滑动端，该滑动端内壁有若干滚轮，导电横臂滑动端的滚轮带动该滑动端沿侧立杆上下移动，还包括管式电极和自耗搅拌器；
所述管式电极为管式自耗电极，位于结晶器本体的中心，采用大口径厚壁管材，管式电极顶端焊接有与该管式电极同样结构的管式假电极；电极控制装置的夹持器夹持管式假电极；
所述自耗搅拌器位于管式电极内，包括搅拌轴和搅拌叶片，且搅拌叶片固定连接在搅拌轴上，该搅拌器的材质与最终制备出的电渣重熔钢锭成品的材质相同；
所述自耗搅拌器位于结晶器中心，自耗搅拌器在结晶器内搅拌且不断熔化而消耗。
[0007]所述搅拌轴自上而下呈锥形，搅拌轴的旋转直径小于管式电极的内径。搅拌叶片为从叶片顶部向叶片根部逐渐加厚的片状结构，且搅拌叶片采用单层多片方式固定连接在搅拌轴上；搅拌轴通过联轴装置与减速机输出轴连接；升降横臂与主立杆连接的一端为滑动端，该滑动端内壁有若干滚轮，滚轮带动滑动端沿主立杆上下移动，控制自耗搅拌器进出结晶器。
[0008]所述联轴装置为 法兰盘，法兰盘上装带有绝缘垫片。
[0009]所述搅拌轴的长度需保证搅拌轴能进入结晶器本体内的金属熔池底部以上。
[0010]所述管式电极用于插入渣池中进行自耗熔炼。
[0011]采用所述的管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置制备电渣重熔钢锭的方法，包括以下步骤:
步骤1:电渣重熔开始前，先将底水箱及结晶器内通入冷却水，再向结晶器内放入电极渣料或预熔渣料；
步骤2:通过导电横臂将管式电极浸入结晶器的渣池中并通入强电流，电流均匀地通过管式电极端头而导入具有大电阻值的熔渣中产生热量，使管式电极由底端开始熔化，管式电极端头管壁上产生的钢液滴均匀地分布在管式电极端头平面上，并通过渣层下落至结晶器底部，在结晶器底部逐渐积累的钢液形成液态金属熔池，而后再被结晶器水冷壁冷却并逐渐凝固，形成钢锭；
步骤3:当结晶器内的钢锭高度与结晶器半径相当时，控制升降横臂将自耗搅拌器从管式电极内穿过渣池进入液态金属熔池中，并使自耗搅拌器的叶片完全处于液态金属熔池中；
步骤4:控制自耗搅拌器开始旋转搅拌，自耗式搅拌器旋转的叶片线速度与液态金属熔池的金属液对流速度相当；步骤5:自耗搅拌器伴随液态金属熔池的上升而上移，控制电机控制自耗搅拌器旋转并逐渐上移，自耗搅拌器上移的速度与钢锭由结晶器底部向上凝固的速度同步；
步骤6:渣池上移至结晶器顶部且管式电极熔化结束时，停止对管式电极通电，此时将管式假电极和自耗搅拌器剩余部分从结晶器中移出，冷却水循环系统继续运行。
[0012]步骤7:钢锭完全冷却时，关闭冷却水循环系统，即完成制备大型均质钢锭。
[0013]有益效果:
本发明的自耗电极采用管式结构可使电流均匀分布在自耗电极端头上，进而使电流导入具有大电阻值的熔渣时产生热量，渣池中热源分布更加均匀，而管式电极产生的液滴小且均匀分布有利于精炼过程。通过搅拌器自身消耗相当于增加其熔化速度，同时自耗搅拌器自身相当于冷源可降低管式电极内部熔渣的过热度，通过搅动液态金属熔池，加速钢锭冷却，拓平熔池形状，抑制钢锭偏析。
[0014]本发明管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置中，管式电极适应电流的集肤效应作用，使电流均匀分布在管式电极端头平面上，从而自耗电极所产生的热量在洛池中分布更加均勻，因此管式电极相对于传统电极其产生钢液滴的位置由传统自耗电极中心转变为管式电极端头管壁上，液滴滴落位置分布更加均匀，液滴体积小有助于熔渣对钢液滴的精炼；自耗搅拌器本身是冷源，能够加快钢锭冷却传热速度、缩短钢锭凝固时间，同时自耗式搅拌器熔化也相当于增加了熔速,并且管式电极内部熔渣温度过高,通过自耗搅拌器的搅拌降低熔渣的过热度；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。
【专利附图】
【附图说明】
`[0015]图1是本发明【具体实施方式】的自耗搅拌器结构示意图，其中，(a)是搅拌叶片为2片式直板型结构的管式电极附加自耗搅拌器结构示意图，(b)是搅拌叶片为3片式直板型结构的管式电极附加自耗搅拌器结构示意图，(c)是搅拌叶片为4片式直板型结构的管式电极附加自耗搅拌器结构示意图；
图2是本发明【具体实施方式】的管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置结构示意图，其中，(a)是搅拌器的搅拌叶片为2片式直板型结构的管式自耗电极附加自耗式搅拌装置结构示意图，(b)是搅拌器的搅拌叶片为3片式直板型结构的管式自耗电极附加自耗式搅拌装置结构示意图，(c)是搅拌器的搅拌叶片为4片式直板型结构的管式自耗电极附加自耗式搅拌装置结构示意图；
图3是本发明【具体实施方式】的管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的工艺过程示意图，其中，(a)是电渣重熔初始阶段刚向熔渣中插入管式电极示意图，(b)是当钢锭高度与结晶器直径相等时，向液态金属熔池中插入自耗搅拌器示意图，(C)是渣池上升到结晶器顶端，即将取回管式电极和自耗搅拌器的示意图，(d)是电渣重熔末期待钢锭完全冷却的示意图；
图4是本发明【具体实施方式】的管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的方法流程图；
其中，1-结晶器本体，2-管式电极，3-管式假电极，4-结晶器出水口，5-结晶器入水口，6-底水箱，7-底水箱进出水口，8-减速机输出轴，9-法兰盘，10-搅拌轴，11-搅拌叶片，12-渣池，13-金属熔池，14-钢锭，15-结晶器冷却水缝，16-减速机，17-控制电机，18-升降横臂，19-主立杆，20-导电横臂，21-夹持器，22-液压设备，23-侧立杆，24-操作平台。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明的具体实施做详细说明。
[0017]本实施方式管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置如图2所示，包括电渣重熔系统的结晶器本体1、导电横臂20、升降横臂18、自耗搅拌器电控装置、电极控制装置和底水箱6。
[0018] 底水箱6固定于操作平台24上，结晶器本体I放置在底水箱6上，位于操作平台24 一侧的主立杆19上连接升降横臂18，自耗搅拌器电控装置固定在升降横臂18上。
[0019]自耗搅拌器电控装置包括控制电机17和减速机16，控制电机17固定在升降横臂18上，控制电机17的输出端连接减速机16的输入端，电极控制装置包括液压设备22、导电横臂20和夹持器21,导电横臂20的一端与位于操作平台24 —侧的侧立杆23连接,导电横臂20的另一端安装有夹持器21，导电横臂20与侧立杆23连接的一端为滑动端，该滑动端内壁有若干滚轮，导电横臂20滑动端的滚轮带动该滑动端沿侧立杆23上下移动。
[0020]本实施方式的管 式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置还包括管式电极和自耗搅拌器；
管式电极2为管式自耗电极，位于结晶器本体I的中心，采用大口径厚壁管材，壁厚超过40mm、内径超过100mm,该管式电极2所采用的管材的材质与最终制备出的大型均质电洛重熔钢锭成品的材质相同，例如12Cr、A316LN、SA508Cr3等。管式电极2用于插入渣池12中进行自耗熔炼，管式电极2顶端焊接有与该管式电极同样结构的管式假电极3 ；电极控制装置的夹持器21夹持管式假电极3 ；
自耗搅拌器位于管式电极2内，包括搅拌轴10和搅拌叶片11，且搅拌叶片11固定连接在搅拌轴10上，搅拌叶片11数量为2?4片，该搅拌器的材质与最终制备出的大型均质电渣重熔钢锭成品的材质相同。
[0021]搅拌叶片11为从叶片顶部向叶片根部逐渐加厚的片状结构，且搅拌叶片采用单层多片方式固定连接在搅拌轴上；搅拌轴10的长度需保证搅拌轴10能进入结晶器本体I内的金属熔池13底部以上。
[0022]为保证自耗搅拌器在工作过程中不被熔断，搅拌轴10自上而下呈锥形，搅拌叶片11为从叶片顶部向叶片根部逐渐加厚的片状结构，搅拌叶片11焊接在搅拌轴10上，搅拌轴10的锥角与搅拌叶片11厚度扩张角为9° -20° ;搅拌轴10的长度以使其能进入结晶器本体I金属熔池13底部以上且旋转直径应保证能够进出管式电极2内部，即管式电极2内径需使自耗搅拌器能够置入或移出结晶器本体I。
[0023]自耗搅拌器位于结晶器本体中心，自耗搅拌器在结晶器本体I内搅拌且不断熔化而消耗。搅拌叶片11的材料和用量根据所制备的大型均质电渣重熔钢锭14的钢液的总热量来确定，即在搅拌结束后使搅拌叶片11尽可能全部消耗。[0024]本实施方式的自耗搅拌器结构如图2所示，其中，(a)是搅拌叶片为2片式直板型结构的管式电极附加自耗搅拌器结构示意图，(b)是搅拌叶片为3片式直板型结构的管式电极附加自耗搅拌器结构示意图，(c)是搅拌叶片为4片式直板型结构的管式电极附加自耗搅拌器结构示意图。
[0025]自耗电极控制装置包括液压设备22、导电横臂20和夹持器21，如图2 (a)?(c)所示，导电横臂20的一端与位于操作平台24 —侧的侧立杆23连接，导电横臂20的另一端安装有夹持器21，导电横臂20的与侧立杆23连接的一端为滑动端，该滑动端内壁有若干滚轮，夹持器21夹持自耗假电极3 ;导电横臂20滑动端的滚轮带动该滑动端沿侧立杆23上下移动。
[0026]侧立杆23可使导电横臂20升降或旋转从而来实现管式电极2进出结晶器本体I和并控制管式电极2在渣池12中的位置；导电横臂20的一端为滑动端，滑动端内壁有4个滚轮，滑动端套于侧立杆23的上端并有运动轨道；导电横臂20另一端为夹持器21，起到固定管式电极2的作用，交流电通过导电横臂20传给管式电极2。
[0027]自耗搅拌器电控装置包括控制电机17和减速机16 ;减速机16用于控制搅拌轴10的运动速度，搅拌轴10通过联轴装置与减速机输出轴8连接，本实施例中，减速机16可以固定在升降横臂18上，联轴装置为法兰盘9，用于连接减速机输出轴8和搅拌轴10，法兰盘9上装带有绝缘垫片；由控制电机17带动减速机16的旋转，将控制电机17也安置在升降横臂18上，控制电机17的输出端连接减速机16的输入端，而升降横臂18的升降运动由操控室控制。
[0028]升降横臂18的一端为滑动端，滑动端内壁有4个滚轮，滑动端套于主立杆19的上端，该主立杆19用作升降横臂18的滑动端的运动轨道；主立杆19固定于操作平台24上，底水箱6也固定于操作平台24上，且位于主立杆19的一侧，结晶器本体I放置在底水箱6上；结晶器水冷系统包括结晶器壁冷却水缝15、结晶器进水口 5、结晶器出水口 4、底水箱进出水口 7和底水箱6。
[0029]采用所述的管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置制备电渣重熔钢锭的方法，如图4所示，包括如下步骤:
步骤1:电渣重熔开始前，先将底水箱及结晶器内通入冷却水，再向结晶器内放入电极渣料或预熔渣料；
步骤2:通过导电横臂将管式电极浸入结晶器的渣池中并通入强电流，电流均匀地通过管式电极端头而导入具有大电阻值的熔渣中产生热量，使管式电极由底端开始熔化，管式电极端头管壁上产生的钢液滴均匀地分布在管式电极端头平面上，并通过渣层下落至结晶器底部，在结晶器底部逐渐积累的钢液形成液态金属熔池，而后再被结晶器水冷壁冷却并逐渐凝固，形成钢锭；
步骤3:当结晶器内的钢锭高度与结晶器半径相当时，控制升降横臂将自耗搅拌器从管式电极内穿过渣池进入液态金属熔池中，并使自耗搅拌器的叶片完全处于液态金属熔池中；
步骤4:控制自耗搅拌器开始旋转搅拌，自耗式搅拌器旋转的叶片线速度与液态金属熔池的金属液对流速度相当；
步骤5:自耗搅拌器伴随液态金属熔池的上升而上移，控制电机控制自耗搅拌器旋转并逐渐上移，自耗搅拌器上移的速度与钢锭由结晶器底部向上凝固的速度同步；
步骤6:渣池上移至结晶器顶部且管式电极熔化结束时，停止对管式电极通电，此时将管式假电极和自耗搅拌器剩余部分从结晶器中移出，冷却水循环系统继续运行。
[0030]步骤7:钢锭完全冷却时，关闭冷却水循环系统，即完成制备大型均质钢锭。
[0031]上述制备电渣重熔钢锭的过程如图3 (a)?(d)所示，其中，(a)表示电渣重熔初始阶段刚向电极渣料或预熔渣料中插入管式电极，(b)表示钢锭高度与结晶器直径相等时，向液态金属熔池中插入自耗搅拌器，(c)表示渣池上升到结晶器顶端，即将取回管式电极和自耗搅拌器，(d)表示电渣重熔末 期待钢锭完全冷却。
【权利要求】
1.一种管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置，包括电渣重熔系统的结晶器本体、导电横臂、升降横臂、自耗搅拌器电控装置、电极控制装置和底水箱，底水箱固定于操作平台上，结晶器本体放置在底水箱上，位于操作平台一侧的主立杆上连接升降横臂，自耗搅拌器电控装置固定在升降横臂上，所述自耗搅拌器电控装置包括控制电机和减速机，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，电极控制装置包括液压设备、导电横臂和夹持器，导电横臂的一端与位于操作平台一侧的侧立杆连接，导电横臂的另一端安装有夹持器，导电横臂与侧立杆连接的一端为滑动端，该滑动端内壁有若干滚轮，导电横臂滑动端的滚轮带动该滑动端沿侧立杆上下移动，其特征在于:还包括管式电极和自耗搅拌器； 所述管式电极为管式自耗电极，位于结晶器本体的中心，采用大口径厚壁管材，管式电极顶端焊接有与该管式电极同样结构的管式假电极；电极控制装置的夹持器夹持管式假电极； 所述自耗搅拌器位于管式电极内，包括搅拌轴和搅拌叶片，且搅拌叶片固定连接在搅拌轴上，该搅拌器的材质与最终制备出的电渣重熔钢锭成品的材质相同； 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，且搅拌叶片采用单层多片方式固定连接在搅拌轴上；搅拌轴通过联轴装置与减速机输出轴连接；升降横臂与主立杆连接的一端为滑动端，该滑动端内壁有若干滚轮，滚轮带动滑动端沿主立杆上下移动，控制自耗搅拌器进出结晶器本体。
2.根据权利要求1所述的管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置，其特征在于:所述搅拌轴自上而下呈锥形。
3.根据权利 要求1所述的管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置，其特征在于:所述联轴装置为法兰盘，法兰盘上装带有绝缘垫片。
4.根据权利要求1所述的管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置，其特征在于:所述搅拌轴的旋转直径小于管式电极的内径。
5.根据权利要求1所述的管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置，其特征在于:所述自耗搅拌器位于结晶器本体中心，自耗搅拌器在结晶器本体内搅拌且不断熔化而消耗。
6.根据权利要求1所述的管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置，其特征在于:所述搅拌轴的长度需保证搅拌轴能进入结晶器本体内的金属熔池底部以上。
7.根据权利要求1所述的管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置，其特征在于:所述管式电极用于插入渣池中进行自耗熔炼。
8.采用权利要求1所述的管式电极附加自耗搅拌器制备电渣重熔钢锭的装置制备电渣重熔钢锭的方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤1:电渣重熔开始前，先将底水箱及结晶器内通入冷却水，再向结晶器内放入电极渣料或预熔渣料； 步骤2:通过导电横臂将管式电极浸入结晶器的渣池中并通入强电流，电流均匀地通过管式电极端头而导入具有大电阻值的熔渣中产生热量，使管式电极由底端开始熔化，管式电极端头管壁上产生的钢液滴均匀地分布在管式电极端头平面上，并通过渣层下落至结晶器底部，在结晶器底部逐渐积累的钢液形成液态金属熔池，而后再被结晶器水冷壁冷却并逐渐凝固，形成钢锭； 步骤3:当结晶器内的钢锭高度与结晶器半径相当时，控制升降横臂将自耗搅拌器从管式电极内穿过渣池进入液态金属熔池中，并使自耗搅拌器的叶片完全处于液态金属熔池中； 步骤4:控制自耗搅拌器开始旋转搅拌，自耗式搅拌器旋转的叶片线速度与液态金属熔池的金属液对流速度相当； 步骤5:自耗搅拌器伴随液态金属熔池的上升而上移，控制电机控制自耗搅拌器旋转并逐渐上移，自耗搅拌器上移的速度与钢锭由结晶器底部向上凝固的速度同步； 步骤6:渣池上移至结晶器顶部且管式电极熔化结束时，停止对管式电极通电，此时将管式假电极和自耗搅拌器剩余部分从结晶器中移出，冷却水循环系统继续运行； 步骤7:钢锭完全冷.却时，关闭冷却水循环系统，即完成制备大型均质钢锭。
【文档编号】C22B9/187GK103436709SQ201310379654
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】李宝宽, 刘鹏, 王强, 王芳, 刘中秋, 齐凤升 申请人:东北大学