本发明属于电渣重熔技术领域，更具体地说，涉及一种改善电渣重熔钢锭凝固质量的熔炼装置。
背景技术：
电渣重熔作为一种特种冶金方法，集精炼和凝固于一体，经过电渣重熔后的材料具有纯净度高、凝固组织致密等优点，因而这一方法在生产高品质材料方面占据重要地位。然而电渣重熔方法也存在一些问题：
(1)金属熔池(形状)深度不易控制。保持电渣重熔过程中金属熔池呈浅平状是获得良好结晶质量的保证。然而随着重熔过程的进行，如果不能很好的控制冶炼参数，金属熔池会逐渐加深，从而导致部分凝固缺陷产生；
(2)结晶组织的细化。尽管电渣锭中的柱状晶不能看作是电渣锭的缺陷，然而，如果能够细化柱状晶，甚至变柱状晶为等轴晶，那么对于提高电渣锭(特别是一些高合金钢，如高速工具钢等)的质量有很大帮助。
为了实现以上目标，冶金工作者进行了大量的基础研究和技术开发工作，并取得了一些成果。遗憾的是，这些成果均存在一些缺点。因此，在目前的电渣重熔领域，发明一种方法改善电渣钢锭的凝固组织，对于电渣技术的发展具有重要的意义。
经检索，已有相关的技术公开。例如：一种gh901合金的电渣重熔工艺(申请号：cn201410403472.1，申请日：2014-08-18)，电渣重熔使用前将渣料在箱式炉中加热至500～1000℃进行烘烤，烘烤完成后，按所使用渣料总重量的0.4～0.6％添加金属钛；电渣重熔，控制电极锭熔化速度为0.013dkg/min，熔速波动控制在±0.5kg/min以内，在电渣重熔引弧期结束后，在熔炼期按(0.078d～0.195d)g/15min的量加入金属纯钛颗粒；随着电渣重熔的进行每隔15min，金属纯钛颗粒的加入量递减10～20g；取样检测，控制该合金在电渣重熔过程中的烧损量，进一步减小该合金电渣锭引弧端和收弧端ti含量的差异，获得ti含量均匀的gh901合金电渣锭，但是该技术冶炼的电渣锭的凝固质量相对较差，有待进一步提高。
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技术中，电渣重熔钢锭凝固质量相对较差的问题，提供一种改善电渣重熔钢锭凝固质量的熔炼装置，底水箱设置于熔炼结晶器的底部，金属电极的插入熔炼结晶器内部，金属电极底部的自耗金属插入电渣层中，在高频脉冲作用下，金属熔池产生微弱的扰动，可促进熔池温度场的均匀，并且促进了等轴晶的生长，可以提高钢锭凝固质量。
2.技术方案
本发明的一种改善电渣重熔钢锭凝固质量的熔炼装置，脉冲电源、熔炼结晶器、金属电极和底水箱，所述底水箱设置于熔炼结晶器的底部，熔炼结晶器内用于容纳有金属熔池和电渣层；所述金属电极的插入熔炼结晶器内部，金属电极底部的自耗金属插入电渣层中，脉冲电源的正极与金属电极相连，脉冲电源的负极与底水箱相连。
优选地，所述底水箱的下部设置有旋转台，旋转台用于驱动底水箱旋转。
优选地，所述脉冲电源为直流电流，该直流电流的频率为10-30khz。
优选地，脉冲电源输出电流＝*d结a，其中d结为结晶器直径/cm。
优选地，脉冲电源输出电压＝0.5*d结+v，其中d结为结晶器直径/cm。
优选地，还包括支撑机构，该支撑机构包括竖直支架和水平支架，水平支架的一端滑动安装于竖直支架上，金属电极安装于水平支架远离竖直支架的一端。
优选地，电极夹持部件滑动安装于水平支架，金属电极通过安装于水平支架上。
本发明的一种采用双电极改善电渣重熔钢锭凝固质量的熔炼装置，脉冲电源、熔炼结晶器、金属电极和底水箱，所述底水箱设置于熔炼结晶器的底部，熔炼结晶器内用于容纳有金属熔池和电渣层；所述金属电极的插入熔炼结晶器内部，金属电极底部的自耗金属插入电渣层中，金属电极包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别与脉冲电源正负极相连。
优选地，第一电极与结晶器轴心线之间的距离为d1，第二电极与结晶器轴心线之间的距离为d2，且d1≠d2。
优选地，第一电极和第二电极平行设置，且第一电极、第二电极和轧辊轴心线平行。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种改善电渣重熔钢锭凝固质量的熔炼装置，底水箱设置于熔炼结晶器的底部，熔炼结晶器内用于容纳有金属熔池和电渣层；金属电极的插入熔炼结晶器内部，金属电极底部的自耗金属插入电渣层中，脉冲电源的正极与金属电极相连，脉冲电源的负极与底水箱相连，脉冲电源向金属熔池中施加脉冲电流作用下，并在金属熔池产生微弱的扰动，可促进金属熔池温度场的均匀，从而实现类似于定向凝固生长的特征，提高了钢锭凝固质量；
(2)本发明的一种改善电渣重熔钢锭凝固质量的熔炼装置，脉冲电源产生的脉冲电流作用下产生的熔池流动可使正在生产的柱状晶破碎，产生更多的形核核心，从而促进了柱状晶向等轴晶的转化，提高了凝固组织的等轴晶率。
附图说明
图1为本发明一种改善电渣重熔钢锭凝固质量的熔炼装置的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图；
图3为实施例3的结构示意图；
图4为实施例4的结构示意图；
图5为实施例4的基于空心轧辊作为外层金属的复合轧辊熔炼装置的外部设置振动部件；
图6为实施例5的结构示意图；
图7为采用熔炼装置进行冶炼时的流程图。
示意图中的标号说明：
110、变压器；111、脉冲电源；120、支撑机构；121、竖直支架；122、水平支架；130、金属电极；131、第一电极；132、第二电极；133、自耗金属；140、电极夹持部件；
210、熔炼结晶器；211、空心轧辊；
221、凝固钢锭；222、金属熔池；223、电渣层；230、结晶器轴心线；
310、底水箱；320、旋转台；330、冷却部件；331、冷却喷头；340、振动部件。
具体实施方式
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。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种改善电渣重熔钢锭凝固质量的熔炼装置，包括脉冲电源111、熔炼结晶器210、金属电极130和底水箱310，所述底水箱310设置于熔炼结晶器210的底部，底水箱310对熔炼结晶器210有支撑、冷却的作用，且底水箱310与熔炼结晶器210共同围成复合轧辊电渣冶炼的反应熔池，熔池的底部在底水箱310冷却作用下冷却、凝固形成凝固钢锭221，凝固钢锭221上部依次为金属熔池222和电渣层223。熔炼结晶器210内用于容纳有金属熔池222和电渣层223；所述金属电极130的插入熔炼结晶器210内部，金属电极130底部的自耗金属133插入电渣层223中，脉冲电源111的正极与金属电极130相连，脉冲电源111的负极与底水箱310相连。其中熔炼结晶器210进行喷水冷却。脉冲电源111与变压器110相连，脉冲电源111将变压器110输出的交变电流转化为脉冲直流电。
本实施例还包括支撑机构120，该支撑机构120包括竖直支架121和水平支架122，水平支架122的一端滑动安装于竖直支架121上，水平支架122可沿着竖直支架121的高度方向进行滑动，从而调节水平支架122的高度。金属电极130安装于水平支架122远离竖直支架121的一端，详细说明是：水平支架122上设置有电极夹持部件140，该电极夹持部件140滑动安装于水平支架122，金属电极130通过电极夹持部件140安装于水平支架122上，滑动电极夹持部件140可以调节金属电极130在熔炼结晶器210中的位置。
如图7所示，本实施例的方法采用熔炼装置进行冶炼时，金属电极130将脉冲电源111的脉冲电流引入到熔炼过程中，脉冲电源111通电形成电回路，金属电极130的自耗金属133重熔、再凝固后得到钢锭。详细说明为：
步骤一、采用熔炼装置进行冶炼时，金属电极130重熔前首先采用石墨电极进行化渣；
步骤一、化渣完成后将金属电极130的自耗金属133插入熔炼结晶器210的液态渣中，脉冲电源111的正极与金属电极130相连，脉冲电源111的负极与底水箱310相连，脉冲电源111通电形成电回路，金属电极130的自耗金属133重熔、再凝固后得到钢锭。其中脉冲电源111为高频直流电流，该直流电流的频率为10-30khz。脉冲电源111输出电流＝180～200*d结a，其中d结为结晶器直径/cm。脉冲电源111输出电压＝0.5*d结+27～37v，其中d结为结晶器直径/cm。
将脉冲电流引入冶金反应过程中，始终是一个重要的技术难题，这是由于在普通的炼钢过程中，均是采用导电的、耐高温的材料将脉冲电流导入钢液。但是钢液温度一般在1600℃以上，很难找到一种材料能够长时间的插入钢液中。而耐火材料在钢液侵蚀的势必对钢液产生二次污染。因此，这一问题就成了脉冲电流能否应用的关键核心问题。本发明创造性的提出了在电渣重熔过程中施加脉冲电流，使得电渣重熔过程是边熔化边凝固的，金属电极130就完全可以作为脉冲电流的施加装置，并将脉冲电流引入到正在凝固的钢液中。脉冲电源111向金属熔池222中施加脉冲电流作用下，并在金属熔池222产生微弱的扰动，可促进金属熔池222温度场的均匀，从而实现类似于定向凝固生长的特征；此外，脉冲电源111产生的脉冲电流作用下产生的熔池流动可使正在生产的柱状晶破碎，产生更多的形核核心，从而促进了柱状晶向等轴晶的转化，提高了凝固组织的等轴晶率，进而可以提高钢锭凝固质量。
本实施例重熔钢种为9cr2mo，结晶器直径为400mm。重熔开始前先将自耗金属133安装于金属电极130的底部，再将将高频脉冲电源111的正极与金属电极130相连，将高频脉冲电源111的负极与底水箱310相连。高频脉冲电源111频率设定为10khz，准备完毕后采用石墨电极化渣，当重熔渣熔炼完成后，将金属电极130的自耗金属133下降至金属熔池222中调整电流为8000a，有效电压为55v。
实施例2
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于，如图2所示，本实施例的一种采用双电极改善电渣重熔钢锭凝固质量的熔炼装置，包括脉冲电源111、熔炼结晶器210、金属电极130和底水箱310，底水箱310设置于熔炼结晶器210的底部，熔炼结晶器210内用于容纳有金属熔池222和电渣层223，金属电极130的插入熔炼结晶器210内部，金属电极130底部的自耗金属133插入电渣层223中，金属电极130包括第一电极131和第二电极132，第一电极131和第二电极132分别与脉冲电源111正负极相连。第一电极131和第二电极132平行设置，且第一电极131、第二电极132和结晶器轴心线230平行。
本实施例的重熔钢种为h13，结晶器直径为500mm。重熔开始前先将自耗金属133安装于金属电极130的底部，再将将高频脉冲电源111的正极与金属电极130相连，将高频脉冲电源111的负极与底水箱310相连。高频脉冲电源111频率设定为20khz，准备完毕后采用石墨电极化渣，当重熔渣熔炼完成后，将金属电极130的自耗金属133下降至金属熔池222中调整电流为9000a，有效电压为55v。
实施例3
本实施例的基本内容同实施例2，不同之处在于，如图3所示，第一电极131与结晶器轴心线230之间的距离为d1，第二电极132与结晶器轴心线230之间的距离为d2，且d1≠d2。且是第一电极131和第二电极132相同且为r，则d2>d1+r，从而使得底水箱310在旋转的过程中，第一电极131和第二电极132与液态的电渣层223进行相对运动，且第一电极131和第二电极132的运动轨迹不相同、也不相重合，从而促进了熔化的内层金属均匀的分布于电渣层223中，不仅提高了内层金属分布的均匀化，而且使得熔化的液体金属与电渣层223发生充分的反应。熔炼结晶器210的外部设置有振动部件340，该振动部件340与熔炼结晶器210内的金属熔池222对应设置，振动部件340对熔炼结晶器210进行振动，使得金属熔池222在冷却凝固的过程中，晶粒得到细化，从而使得内层金属组织更加致密，同时与脉冲电流共同作用，得钢锭金属成份更加均匀，进而提高了钢锭的质量。振动部件340可沿着熔炼结晶器210的竖直方向进行移动，从而使得振动部件340始终与熔炼结晶器210内的金属熔池222对应设置，使得金属熔池222在冷却凝固的过程中，晶粒得到细化，从而使得钢锭的内部组织更加致密。
本实施例的重熔钢种为410马氏体不锈钢，结晶器直径为600mm。重熔开始前先将自耗金属133安装于金属电极130的底部，再将将高频脉冲电源111的正极与金属电极130相连，将高频脉冲电源111的负极与底水箱310相连。高频脉冲电源111频率设定为30khz，准备完毕后采用石墨电极化渣，当重熔渣熔炼完成后，将金属电极130的自耗金属133下降至金属熔池222中调整电流为11500a，有效电压为60v。
实施例4
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于，采用该装置生产复合轧辊，如图4所示，熔炼结晶器210为用于生产复合轧辊的外层金属的空心轧辊211，以空心轧辊211替代结晶器生产双金属的复合轧辊。基于空心轧辊作为外层金属的复合轧辊熔炼装置，包括脉冲电源111、空心轧辊211、金属电极130和底水箱310，所述底水箱310设置于熔空心轧辊211的底部，空心轧辊211内用于容纳有金属熔池222和电渣层223；金属电极130的插入空心轧辊211内部，金属电极130底部的自耗金属133插入电渣层223中，脉冲电源111的正极与金属电极130相连，脉冲电源111的负极与底水箱310相连。采用复合轧辊外层材料的空心轧辊211作为熔炼结晶器210，内层材料的金属电极130在其中进行重熔，实现了内外层金属的有效复合。
空心轧辊211的外部设置有冷却部件330，冷却部件330沿着空心轧辊211的长度方向设置。冷却部件330上设置有冷却喷头331，冷却喷头331用于向空心轧辊211表面喷冷却水。本实施例的底水箱310的下部设置有旋转台320，旋转台320用于驱动底水箱310旋转，底水箱310通过电刷与脉冲电源111的负极相连。不仅促进了内层成份组织的均匀化，而且促进了内层金属组织柱状晶的生产。得外层材料与金属熔池222发生旋转，且外层材料与金属熔池222之间也发生相对旋转，不仅促进了内层成份组织的均匀化，而且促进了内层金属组织柱状晶的生产；此外，空心轧辊211的旋转保证了冷却水均匀的喷涂到外层材料的表面，使得重熔完成后外层材料的厚度均匀，进而提高复合轧辊的生产质量。在熔炼的过程中通过冷却部件330向空心轧辊211的外表面进行喷水冷却。
本实施例基于空心轧辊作为外层金属的复合轧辊熔炼方法，熔炼装置以空心轧辊211作为复合轧辊的外层金属，在将液态渣倒入空心轧辊211中形成电渣层223，金属电极130底部的自耗金属133插入电渣层223层中，再通电形成电回路进行熔炼，熔炼的过程中自耗金属133熔化、精炼后进入金属熔池222，金属熔池222冷却凝固形成复合轧辊的内层金属。具体描述如下：
步骤一、重熔开始前先将中空的空心轧辊211安装于底水箱310上，而后打开冷却部件330的冷却水，冷却喷头331对空心轧辊210的外表面进行喷水冷却，冷却水的流量为30m3/t，同时在炉外开始化渣。
步骤二、炉渣熔化完成后，将液态渣倒入空心轧辊211中形成电渣层223，再将金属电极130底部的自耗金属133插入电渣层223层中，脉冲电源111的正极与金属电极130相连，脉冲电源111的负极与底水箱310相连，脉冲电源111通电形成电回路，金属电极130的自耗金属133重熔、再凝固后得到复合轧辊。其中脉冲电源111为高频直流电流，该直流电流的频率为10-30khz。脉冲电源111输出电流＝180～200*d结a，其中d结为结晶器直径/cm。脉冲电源111输出电压＝0.5*d结+27～37v，其中d结为结晶器直径/cm。待重熔稳定后，启动旋转台320，旋转台320驱动空心轧辊210连同底水箱310一起旋转，本实施例转速为5r/min。
空心轧辊211的外部设置有振动部件340，该振动部件340与空心轧辊211内的金属熔池222对应设置，振动部件340对空心轧辊211进行振动，使得金属熔池222在冷却凝固的过程中，晶粒得到细化，从而使得内层金属组织更加致密，同时与脉冲电流共同作用，得内层金属成份更加均匀，实现了内外层金属的有效复合，进而提高了复合轧辊的质量。振动部件340可沿着空心轧辊211的竖直方向进行移动，从而使得振动部件340始终与空心轧辊211内的金属熔池222对应设置，使得金属熔池222在冷却凝固的过程中，晶粒得到细化，从而使得内层金属组织更加致密。
实施例5
本实施例的基本内容同实施例4，不同之处在于，采用该装置生产复合轧辊，如图6所示，本实施例的一种采用双电极的复合轧辊熔炼装置，包括脉冲电源111、空心轧辊211、金属电极130和底水箱310，底水箱310设置于空心轧辊211的底部，空心轧辊211内用于容纳有金属熔池222和电渣层223，金属电极130的插入空心轧辊211内部，金属电极130底部的自耗金属133插入电渣层223中，金属电极130包括第一电极131和第二电极132，第一电极131和第二电极132分别与脉冲电源111正负极相连。第一电极131和第二电极132平行设置，且第一电极131、第二电极132和结晶器轴心线230平行。
第一电极131与结晶器轴心线230之间的距离为d1，第二电极132与结晶器轴心线230之间的距离为d2，且d1≠d2。且是第一电极131和第二电极132相同且为r，则d2>d1+r，从而使得底水箱310在旋转的过程中，第一电极131和第二电极132与液态的电渣层223进行相对运动，且第一电极131和第二电极132的运动轨迹不相同、也不相重合，从而促进了熔化的内层金属均匀的分布于电渣层223中，不仅提高了内层金属分布的均匀化，而且使得熔化的液体金属与电渣层223发生充分的反应。
在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。