一种利用氮气输送粉末添加剂的电渣锭制备装置及方法与流程

本发明涉及电渣重熔技术领域，具体是一种电渣锭制备装置及方法。

背景技术：

加压电渣重熔技术广泛用于制备在力学性能和耐腐蚀性能优越的高氮钢。加压电渣重熔过程中，整个熔炼和凝固过程始终处于高压氮气的气氛保护下。较高的氮分压可以提高氮在合金体系的溶解度，并有效抑制凝固过程中氮的偏析和析出。另外，依靠在制备过程中持续添加氮化物(如氮化硅)则显著提高钢锭中的含氮量。

但加压电渣重熔技术具有以下缺点：加压电渣重熔炉制造成本高，操作难度大；具有持续添加的氮化物形成氮气后使渣池沸腾而严重扰乱精炼过程、影响氮的均匀分布的现象；若添加氮化硅，则会使额外的硅元素进入钢锭，对于某些钢种来说是不可接受的。

另一方面，目前在保护气体电渣重熔技术中，重熔气氛通常采用氩气，可以减少钢中活泼金属元素的氧化，降低钢中的总氧量，减少钢中的氧化物夹杂；同时采用合理的脱氧制度可以进一步提高脱氧率。但气体保护电渣重熔炉制造成本高，氩气的价格昂贵。

上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种利用氮气输送粉末添加剂的电渣锭制备装置及方法。通过将氮气和粉末添加剂直接输送到自耗电极端部参与精炼反应，提高了精炼效率，具有更好的增氮、脱氧及脱硫效果。

(二)技术方案

第一方面，为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种利用氮气输送粉末添加剂的电渣锭制备装置，包括结晶器和适于安装自耗电极的假电极；所述自耗电极包括圆筒状本体和沿圆筒状本体中心轴线贯通的第一孔道；所述假电极内设置有第二孔道，所述第二孔道的出口位于所述假电极的底部端面且适于与所述自耗电极内的第一孔道密闭地连通，所述第二孔道的入口位于所述假电极的顶部端面或侧壁；所述装置还包括：氮气气源，所述氮气气源包括气源出口，所述气源出口适于与所述第二孔道的入口气体连通；粉末加料设备，所述粉末加料设备适于容纳并分配粉末添加剂，所述粉末加料设备包括粉料出口，所述粉料出口适于与所述第二孔道的入口电绝缘地相连通。

作为本发明的一个实施例，所述第二孔道包括相连通的倾斜孔道和竖直孔道；所述竖直孔道的中心轴线与所述假电极的中心轴线重合，所述竖直孔道的出口位于所述假电极的底部端面；所述倾斜孔道的入口位于所述假电极的侧壁，所述倾斜孔道的中心轴线与所述竖直孔道的中心轴线之间的夹角为90度～180度；所述倾斜孔道的横截面为圆形，所述竖直孔道的横截面为圆形；所述倾斜孔道的内径与所述竖直孔道的内径大小相等；所述第一孔道的横截面为圆形，所述竖直孔道的内径小于或者等于所述第一孔道的内径。

优选地，所述倾斜孔道的中心轴线与所述竖直孔道的中心轴线之间的夹角为45度。

作为本发明的又一实施例，所述第二孔道沿所述假电极的中心轴线贯穿所述假电极，所述第二孔道的横截面为圆形；所述第一孔道的横截面为圆形，所述第二孔道的内径小于或者等于所述第一孔道的内径。

具体实施时，所述第一孔道的内径小于或者等于所述圆筒状本体的外径的10％。

具体实施时，所述装置还包括：底水箱，所述底水箱设置在所述结晶器的底部下方；电极支承和移动装置，用于支承所述假电极并使所述假电极和自耗电极相对于所述结晶器移动。

具体实施时，所述粉末添加剂为脱氧剂和/或脱硫剂。

第二方面，为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种使用第一方面中说明的利用氮气输送粉末添加剂的电渣锭制备装置制备电渣锭的方法，包括以下步骤：

步骤1：启动冷却水循环回路，以对结晶器和底水箱提供冷却水；

步骤2：将烘烤好的固态渣料倒入结晶器内；

步骤3：操作电极支承和移动装置，以将自耗电极插入至固态渣料中，并接通交流电源；

步骤4：待固态渣料受热转变为液态渣池后，启动氮气气源，使得氮气经过气源出口依次通过假电极内的第一孔道和自耗电极内的第二孔道后被吹入液态渣池；在氮气气源稳定后，启动粉末加料设备，使得粉末添加剂被氮气输送至自耗电极底部端面；

步骤5：在自耗电极不断熔化生成金属熔滴时，操作电极支承和移动装置，以保证自耗电极在液态渣池中的浸入深度等于预定深度；

步骤6：待自耗电极全部融化后，关闭交流电源、氮气气源和粉末加料设备；

步骤7：待钢锭完全冷却后，关闭冷却水循环回路；

步骤8：从结晶器内取出制备得到的电渣锭。

具体实施时，上述方法中，所述粉末添加剂为脱氧剂和/或脱硫剂。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的利用氮气输送粉末添加剂的电渣锭制备装置，在假电极和自耗电极中设置相连通的孔道，将氮气和粉末添加剂通过孔道直接输送到自耗电极端部参与精炼反应，增加了钢液与氮气的接触面积，具有更好的增氮效果；增大了钢液与粉末添加剂的接触面积，省去了添加剂在熔渣中扩散这一中间环节，提高了精炼效率，具有更好的脱氧及脱硫效果。

本发明的制备电渣锭的方法，利用氮气输送粉末添加剂的电渣锭制备装置制备，在假电极和自耗电极中设置相连通的孔道，将氮气和粉末添加剂通过孔道直接输送到自耗电极端部参与精炼反应，增加了钢液与氮气的接触面积，具有更好的增氮效果；增大了钢液与粉末添加剂的接触面积，省去了添加剂在熔渣中扩散这一中间环节，提高了精炼效率，具有更好的脱氧及脱硫效果。

附图说明

图1为本发明一个实施例的利用氮气输送粉末添加剂电渣锭制备装置的组成示意图；

图2为本发明一个实施例的利用氮气输送粉末添加剂电渣锭制备装置的工作状态示意图。

【附图标记说明】

1：立柱；

2：导电横臂；

3：假电极；

4：自耗电极；

5：结晶器；

6：底水箱；

7：粉末加料设备；

8：三通连接件；

9：绝缘垫片；

10：氮气气源；

11：钢锭；

12：金属熔池；

13：渣池；

14：喷孔；

15：竖直孔道；

16：倾斜孔道；

17：交流电源；

m：氮气或含有粉末添加剂的氮气粉末混合物。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

第一方面，本发明实施例的利用氮气输送粉末添加剂的电渣锭制备装置，包括结晶器和适于安装自耗电极的假电极；所述自耗电极包括圆筒状本体和沿圆筒状本体中心轴线贯通的第一孔道；所述假电极内设置有第二孔道，所述第二孔道的出口位于所述假电极的底部端面且适于与所述自耗电极内的第一孔道密闭地连通，所述第二孔道的入口位于所述假电极的顶部端面或侧壁；所述装置还包括：氮气气源，所述氮气气源包括气源出口，所述气源出口适于与所述第二孔道的入口气体连通；粉末加料设备，所述粉末加料设备适于容纳并分配粉末添加剂，所述粉末加料设备包括粉料出口，所述粉料出口适于与所述第二孔道的入口电绝缘地相连通。

本实施例中的粉末加料设备与第二孔道的入口电绝缘地相连通后，可以实现在密闭条件下从粉料出口匀速地提供粉末添加剂，其中，粉末添加剂包括以下一种或两种：脱氧剂和脱硫剂。

在电渣重熔过程中，所述粉料出口与所述第二孔道的入口电绝缘地相连，也即第二孔道的入口分别与氮气气源和粉末加料设备相连接，使得与第二孔道相连通的第一孔道可以输送含有粉末添加剂的氮气粉末混合物，因此，第一孔道是一个多功能的流体喷孔。

现有技术中，交流电渣重熔过程中氧传递行为相当一部分发生在电极端部液膜处，而外加的脱氧剂先使渣的氧势降低，通过变价氧化物的扩散进而影响电极端部液膜处的传质过程，即脱氧剂不能直接作用在液膜界面，限制了脱氧效率。该缺陷同样存在于脱硫过程中。

与现有技术相比，本发明实施例的电渣锭制备装置，在电渣重熔过程中，将脱氧剂、脱硫剂等粉末添加剂利用氮气输送至电极端部与熔化金属直接接触，增大了钢液与粉末添加剂的接触面积，直接起到脱氧、脱硫作用及防止活泼金属氧化的效果，省去了添加剂在熔渣中扩散这一中间环节，能够取得更好的精炼效果，提高钢锭的品质，同时降低了添加剂的耗费。

本发明实施例的电渣锭制备装置，在假电极和自耗电极中设置相连通的孔道，将氮气和粉末添加剂通过孔道直接输送到自耗电极端部参与精炼反应，增加了钢液与氮气的接触面积，具有更好的增氮效果；增大了钢液与粉末添加剂的接触面积，省去了添加剂在熔渣中扩散这一中间环节，提高了精炼效率。

本发明实施例的电渣锭制备装置中，氮气在自耗电极端部与熔化金属直接接触，省去了氮气溶于渣池的中间环节，氮气在金属-气界面的传质效率远高于渣-气界面，可以明显提高钢中含氮量。

采用本发明实施例的电渣锭制备装置，可以省去气氛保护罩或压力容器、增压装置等附加设备，操作方便，可以有效降低制造成本；不再添加氮化物颗粒，从而能够从根本上避免其引起的渣池沸腾及避免多余的合金元素(如硅)进入钢锭。

氮气是一种廉价的资源，具有取之不尽的优势，替代成本较高的氮化物有益于扩大工业生产规模、降低生产成本。

需要说明的是，自耗电极内孔道的内径不宜过大，最好控制在自耗电极的外径的10％以内。这个尺寸范围内的孔道，一方面，能够在保证氮气稳定通流量前提下，控制氮气的流速，避免发生紊流现象。另一方面，可以减少粉体添加剂的损耗，并避免粉末下落时在孔道内发生分布不均的现象。

另外，设置在自耗电极内的第一孔道可以包括多个轴对称地设置，并贯穿自耗电极的通孔。这样并列设置的多个通孔，可以进一步使得含有粉末添加剂的氮气粉末混合物更均匀地分布在反应面上，更充分地参与精炼过程。

作为本发明的一个实施例，所述第二孔道包括相连通的倾斜孔道和竖直孔道；所述竖直孔道的中心轴线与所述假电极的中心轴线重合，所述竖直孔道的出口位于所述假电极的底部端面；所述倾斜孔道的入口位于所述假电极的侧壁，所述倾斜孔道的中心轴线与所述竖直孔道的中心轴线之间的夹角为90度～180度；所述倾斜孔道的横截面为圆形，所述竖直孔道的横截面为圆形；所述倾斜孔道的内径与所述竖直孔道的内径大小相等；所述第一孔道的横截面为圆形，所述竖直孔道的内径小于或者等于所述第一孔道的内径。

本实施例中，将第二孔道分为倾斜孔道和竖直孔道两段来设置，可以缩短假电极中孔道在竖直方向上的绝对长度，减少气流压力在孔道内的沿程损失，并且能够降低炉体高度，使得重熔操作更便利。

本实施例中，限定竖直孔道的内径小于或者等于第一孔道的内径，可以避免粉末添加剂在突扩段发生堆积。

优选地，所述倾斜孔道的中心轴线与所述竖直孔道的中心轴线之间的夹角为45度。

作为本发明的又一实施例，所述第二孔道沿所述假电极的中心轴线贯穿所述假电极，所述第二孔道的横截面为圆形；所述第一孔道的横截面为圆形，所述第二孔道的内径小于或者等于所述第一孔道的内径。

本实施例中，限定第二孔道的内径小于或者等于所述第一孔道的内径，可以避免粉末添加剂在突扩段发生堆积。

具体实施时，所述装置还包括：底水箱，所述底水箱设置在所述结晶器的底部下方；电极支承和移动装置，用于支承所述假电极并使所述假电极和自耗电极相对于所述结晶器移动。

通常，结晶器设置有容纳冷却水的腔室；在结晶器的底部下方，还设置有底水箱。在电渣重熔启动前，启动冷却水循环回路，通过向结晶器和底水箱通入冷却水实现在电渣重熔过程中使金属熔池冷却凝固的目的。

优选地，所述电极支承和移动装置包括立柱和一端套设在所述立柱上的横臂，假电极安装在所述横臂的另一端。在电渣重熔过程中，横臂沿立柱移动时，即可移动所述假电极，从而使得所述假电极和自耗电极相对于所述结晶器移动。其中，横臂可以为导体，也可以为绝缘体，本发明对此不做限定。

具体实施时，为了使得整体结构更紧凑，操作更便利，可以将粉末加料设备绝缘地设置在横臂上，并设置一个三通连接件，使得连接件的第一端与粉料出口相连，连接件的第二端与气源出口相连，连接件的第三端与第二孔道的入口电绝缘地相连。

需要说明的是，本发明实施例的电渣锭制备装置为立式安装布局，因此下文中的描述均基于该立式安装布局展开，并不再重复说明。

如图1和图2所示，本发明实施例的利用氮气输送粉末添加剂电渣锭的电渣锭制备装置的一个示例装置中，底水箱6放置在操作平台上，结晶器5放置在底水箱6上，导电横臂2套设在立柱1上，带有孔道的假电极3固定在导电横臂2上；粉末加料设备7安装在导电横臂2的一端，并利用绝缘垫片使得粉末加料设备7与导电横臂2间实现电绝缘。氮气气源10利用氮气泵对氮气增压，并将增压后的氮气从气源出口输出。

图2中箭头方向指向氮气或含有粉末添加剂的氮气粉末混合物的流向。

开设有沿着中心轴向方向贯通整个自耗电极的喷孔14的自耗电极4与假电极3同轴地焊接连接，从而将自耗电极4固定在假电极3上，并使得自耗电极4内的喷孔14与假电极3内的孔道密闭地连通；假电极3的孔道入口与三通连接件8的一个端口连通，设置在两者之间的绝缘密封垫片9，使得假电极4与三通连接件8间实现电绝缘。三通连接件8的其余2个端口分别与粉末加料设备7和氮气气源10的气源出口相连。

自耗电极4的喷孔14与自耗电极4同轴，在整个长度方向上内径保持不变；假电极3的竖直孔道15与假电极3同轴，假电极3的竖直孔道15的内径恒定，假电极3的倾斜孔道16向上与水平面成45°夹角。

通常假电极3的外壁为圆柱形，优选地，在倾斜孔道16内设置薄壁圆管，并使该薄壁圆管凸出假电极3的外壁，以便于通过法兰连接的方式与三通连接件8的端口相连接。

具体地，本示例装置中结晶器5的内径为180mm，自耗电极4采用201不锈钢，其直径为120mm；喷孔14的内径为12mm。假电极3的外径为90mm，倾斜孔道16和竖直孔道15的内径均为12mm；对应地，三通连接件8的内径为12mm，氮气气源10的氮气泵的输出流量为0.2～4.0nl/min。

粉末加料设备7从现有技术中选择可以实现在密闭条件下匀速加料的加料装置。

第二方面，本发明实施例的使用第一方面中说明的利用氮气输送粉末添加剂的电渣锭制备装置制备电渣锭的方法，包括以下步骤：

步骤1：启动冷却水循环回路，以对结晶器和底水箱提供冷却水；

步骤2：将烘烤好的固态渣料倒入结晶器内；

步骤3：操作电极支承和移动装置，以将自耗电极插入至固态渣料中，并接通交流电源；

步骤4：待固态渣料受热转变为液态渣池后，启动氮气气源，使得氮气经过气源出口依次通过假电极内的第一孔道和自耗电极内的第二孔道后被吹入液态渣池；在氮气气源稳定后，启动粉末加料设备，使得粉末添加剂被氮气输送至自耗电极底部端面；

步骤5：在自耗电极不断熔化生成金属熔滴时，操作电极支承和移动装置，以保证自耗电极在液态渣池中的浸入深度等于预定深度；

步骤6：待自耗电极全部融化后，关闭交流电源、氮气气源和粉末加料设备；

步骤7：待钢锭完全冷却后，关闭冷却水循环回路；

步骤8：从结晶器内取出制备得到的电渣锭。

具体实施时，上述方法中，所述粉末添加剂为脱氧剂和/或脱硫剂。

本发明实施例的电渣锭制备方法中，氮气在自耗电极端部与熔化金属直接接触，省去了氮气溶于渣池的中间环节，氮气在金属-气界面的传质效率远高于渣-气界面，可以明显提高钢中含氮量。

采用本发明实施例的电渣锭制备方法，可以省去气氛保护罩或压力容器、增压装置等附加设备，操作方便，可以有效降低制造成本；不再添加氮化物颗粒，从而能够从根本上避免其引起的渣池沸腾及避免多余的合金元素(如硅)进入钢锭。

氮气是一种廉价的资源，具有取之不尽的优势，替代成本较高的氮化物有益于扩大工业生产规模、降低生产成本。

与现有技术相比，本发明实施例的电渣锭制备方法中，脱氧剂、脱硫剂等添加剂利用氮气输送在电极端部与熔化金属直接接触，增大了钢液与粉末添加剂的接触面积，直接起到脱氧、脱硫作用及防止活泼金属氧化的效果，省去了添加剂在熔渣中扩散这一中间环节，能够取得更好的精炼效果，同时降低了添加剂的耗费。

以下结合应用前述电渣锭示例装置制备电渣锭的操作实例来具体说明本发明实施例的制备电渣锭的方法。结合图2，本操作实例包括如下步骤：

st1：向粉末定量加料设备中加入脱氧剂和脱硫剂粉末，向底水箱和结晶器通入冷却水，其中，脱氧剂为铝粉，脱硫剂为氧化钙粉末，底水箱和结晶器入口的冷却水的水温为15℃；

st2：将烘烤好的固态渣料投入结晶器内，通过导电横臂将自耗电极插入渣料中，其中，固态渣料采用二元渣系，具体为：70％重量份的caf2，30％重量份的al2o3，固态渣料的总渣量为4.5kg；

st3：接通交流电源17开始电渣重熔，待固态渣料受热转变为液态渣池后，启动氮气气源，氮气依次经过三通连接件、假电极内的孔道、自耗电极内的孔道后吹入渣池13，并在浮力作用下逸出到空气中；其中，交流电源大小为2400a，交流频率为50hz，重熔电压为45v；氮气输送流量为0.4～0.8nl/min；

st4：当氮气气源稳定后，启动粉末加料设备，由其匀速提供铝粉和氧化钙粉末；粉末在氮气输送作用和重力作用下抵达自耗电极底面端部参与精炼反应；其中，铝粉和氧化钙粉末质量配比为1：2，粉末供给速率为2.5g/min；

st5：强电流在高电阻值的渣池中产生大量焦耳热，使得自耗电极端部逐渐熔化，熔化钢液以液滴形式滴落到结晶器底部形成金属熔池12，在结晶器和底水箱的冷却作用下，金属熔池逐渐凝固形成钢锭11；

st6：待自耗电极全部熔化后，关闭交流电源17，停止氮气和粉末输送，将假电极移出结晶器，保持底水箱和结晶器冷却水继续循环至钢锭完全冷却，即完成电渣重熔钢锭制备。

上述操作实例中，通过控制输送流量使氮气的潜入深度始终小于渣池的深度，以避免使渣池沸腾而严重扰乱精炼过程、影响氮在钢锭内的均匀分布。

应当理解为，本操作实例中说明的脱氧剂和脱硫剂的品种仅作为示例，本发明在具体实施时，可以根据电渣锭的品质需要选择对应的脱氧剂和脱硫剂的品种；本操作实例中说明的固态渣料的组分仅作为示例，本发明在具体实施时，可以根据电渣锭的品质需要选择对应的固态渣料组分。

本操作实例的重熔过程持续约40分钟；重熔获得一个外径180mm、高300mm的钢锭。将所得钢锭沿中心轴线纵向剖开，按50mm的轴向间隔切取宽度为20mm的4个试样分别进行成分检测，得到4个试样主要化学成分的平均值；并与重熔前钢锭的主要化学成分的数值进行对比，结果如下表1所列：

表1化学成分(质量分数)对照表

如表1所示，重熔后钢锭中的氮含量得到较大提高，而氧含量和硫含量得到了较大的降低，因此，电渣重熔后钢锭具有更好的品质。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。