本发明属于电渣重熔技术领域，具体涉及一种真空电渣重熔炉熔炼高洁净度钢锭的方法。
背景技术
传统电渣重熔是在大气环境下对自耗电极进行熔炼，依靠熔渣产生的电阻热熔化自耗电极，形成的金属熔滴在渣池中得到精炼并穿过渣池，最终在结晶器冷却作用下定向凝固。电渣重熔生产的钢锭具有组织致密、金属纯净、成分均匀、表面光洁等优点，且能够有效去除非金属夹杂物、降低钢锭总氧含量。钢锭总氧含量是评价钢锭洁净度的重要指标，是冶金工作者长期攻关的难题。
传统电渣重熔的主要工序包括：自耗电极的制备与焊接，渣料制备，电渣炉启动和稳定(起弧、化渣工序)，基本熔炼期(自耗电极重熔)，重熔铸锭冷却脱模。目前电渣重熔工艺大多在大气环境下进行，自耗电极和高温熔渣容易被空气氧化，进而导致钢锭氧含量上升，钢锭洁净度下降。现有采用的脱氧措施来降低钢锭氧含量，脱氧措施主要包括添加铝、硅脱氧剂和惰性气氛保护。传统脱氧剂难以将钢锭总氧含量降至10ppm以下，过量使用还会引入杂质元素影响钢锭成分；惰性气体保护虽然能够减少空气氧化现象，但向保护罩内吹入的惰性气体无法将空气驱净，电极表面和熔渣氧化无法避免，仍然会影响脱氧效果。这些制约着电渣重熔钢锭品质的提高。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
为解决现有电渣重熔技术对钢锭脱氧效果不理想的问题，本发明提供一种真空电渣重熔炉熔炼高洁净度钢锭的方法，采用该方法可有效降低钢锭总氧含量，提高电渣重熔钢锭的品质。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供一种真空电渣重熔炉熔炼高洁净度钢锭的方法，包括以下步骤：
s1、将需重熔的自耗电极与假电极焊接，将真空室置于结晶器上，使两者同轴且密封接触；启动真空泵，将结晶器和真空室内部空气抽净，将炉体内绝对压强降至最低；
s2、保持炉内与外界环境隔绝的同时关闭真空泵，打开氩气瓶的阀门，将高纯氩气充入炉体内；
s3、待炉体内压强与外界大气压强相同时，打开加渣装置，将渣料缓慢投放到炉体中；
s4、在常压高纯氩气气氛下，操作电渣炉起弧、化渣，开始重熔自耗电极；
s5、在完成加渣、化渣过程后，将电流提升至工艺要求范围，随后进入稳定熔炼阶段；
s6、在稳定熔炼阶段，形成初期金属熔池之后，再次启动真空泵，阶梯式地将炉体内绝对压强降至工艺要求范围，开始真空电渣重熔熔炼过程；
s7、待自耗电极完全熔化后，关闭电源，保持真空系统、冷却水循环系统继续运行；
s8、待钢锭完全冷却后，关闭真空泵，破除炉内真空状态至结晶器和真空室内恢复外界环境压力，关闭冷却水循环系统；
s9、重熔钢锭脱模，完成整个真空电渣重熔过程。
本发明的方法中，先抽真空再充氩气，能够保证炉内几乎不存在空气，彻底杜绝熔炼过程中电极、熔渣与空气的接触；
随后，在氩气气氛的常压状态下，进行投放渣料、起弧、化渣的操作，可以保证该阶段渣料的稳定性，保证起弧、化渣阶段的顺利进行。如果直接在真空条件下渣料容易弥散、熔化过程不稳定，所以采用充入氩气到差压进行。
在自耗电极稳定熔化后，再阶段性降低绝对压强。可以防止压强降低过快引起熔渣剧烈挥发和沸腾，保持熔炼过程的稳定性对于钢锭品质至关重要。
本发明方法中熔炼环境为真空环境，该环境有利于脱氧([c]+[o]＝co(g))反应的正常进行，该反应的生产物co在真空条件下，熔渣中溶解度低，更容易脱除并被真空吸走，进而降低钢液氧含量。
如上所述的真空电渣重熔炉熔炼高质量钢锭的方法，其特征在于，在步骤s1中，所述绝对压强降至最低时，小于100pa。
进一步地，在步骤s2中，所述高纯氩气的浓度大于等于99.99％。
进一步地，在步骤s3中，渣料在投放过程中加渣装置与外部环境密闭隔离，同时避免渣料与空气接触。
进一步地，在步骤s6中，所述绝对压强的工艺要求范围为1000pa–100000pa。
进一步地，在步骤s6中，所述阶梯式地操作为至少三个档位进行，每次降低压强的降幅保证在90％以内，最低绝对压强不得低于1000pa。
熔炼过程的低真空环境(绝对压强大于1000pa)有利于减缓熔渣挥发、保持渣系成分稳定性、保持熔炼过程的稳定性。
进一步地，在步骤s5中，所述阶梯式地操作可按101325pa–30000pa–5000pa–2000pa进行。
(三)有益效果
本发明提供了一种真空电渣重熔炉熔炼高质量钢锭的装置及方法，通过步骤s1-s6的工艺顺序能够保证真空室和结晶器内氧气浓度几乎为0，杜绝氧气氧化电极表面和熔渣变价氧化物，进而有益于降低钢锭总氧含量。在氩气气氛的常压状态下，进行投放渣料、起弧、化渣的操作，可以保证该阶段渣料和熔炼过程的稳定性。化渣完成后阶梯式地降低绝对压强，可以保证重熔过程的稳定性，防止压强降低过快导致的熔渣剧烈挥发和沸腾。在低真空度环境下熔炼既可以满足真空环境要求，又可以减少挥发导致的渣系成分变化。通过降低绝对压强可以减小一氧化碳在钢液中的溶解度，进而促进钢锭中碳氧反应([c]+[o]＝co(g))的正向进行，进一步降低钢锭总氧含量，使电渣重熔过程具有更好的脱氧效果。由于碳氧反应更容易进行，钢锭总氧含量降低，使得钢锭中活泼元素烧损减少，金属收得率提高。
本发明的方法杜绝空气与电极和熔渣接触，有益于防止钢锭增氧；缓解渣料弥散、过度挥发和沸腾，保证重熔过程的稳定性；并能进一步降低钢锭总氧含量，使电渣重熔过程具有更好的脱氧效果；另外，降低绝对压强也使得水蒸气易于排除，有利于干燥熔渣，降低钢锭中氢含量。这些都有助于于提高电渣重熔钢锭的洁净度。
附图说明
图1是本发明装置的剖面结构示意图。
【附图标记说明】
1、立柱；2、导电横臂；3、真空室；4、加渣装置；5、假电极；6、自耗电极；7、结晶器；8、底水箱；9、渣池；10、金属熔池；11、操作平台；12、氩气管道；13、真空系统管道；14、真空泵；15、氩气瓶。
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。
如图1所示的一种真空电渣重熔炉熔炼高质量钢锭的装置，包括立柱1、导电横臂2、真空室3、底水箱8、结晶器7和操作平台11，
立柱1垂直安装在操作平台11上，底水箱8布置在操作平台11上，底水箱8与结晶器7内部安装的冷却水循环系，用于保持结晶器7和底水箱8的低温状态，结晶器7和底水箱8对金属熔池10进行冷却，使金属溶液凝固成钢锭。底水箱8、结晶器7和真空室3自下而上布置，真空室3和结晶器7为中空腔室，且真空室3和结晶器7内部相通构成炉体，真空室3和结晶器7的结合部保持密封。结晶器7底部布置有导电板。真空室3与假电极5之间有套管，通过密封橡胶圈进行密封。
在该装置的使用过程中，炉体内部自下而上依次为金属熔池10、渣池9、自耗电极6和假电极5，假电极5的第一端贯穿真空室3顶部，假电极5和真空室3被贯穿部分保持密封，假电极5穿过真空室3顶部部分被导电横臂2的第一端夹持，导电横臂2的第二端套接在立柱1上，假电极5的第二端采用焊接方式与自耗电极6的第一端连接。自耗电极6的第二端伸入渣池9中。
真空室3侧壁连接有加渣装置4，用于向炉体内的渣池9中加熔渣渣料，加渣器有放料口，放料口在整个实验进行中通过胶圈等密封装置保持关闭；真空室3通过氩气管道12与氩气瓶15连接；真空室3通过真空系统管道与真空泵连接，用于抽气使真空室形成真空。
自耗电极6是由被熔金属本身制成，重熔时将自耗电极6与假电极5焊接在一起。熔炼电流经过假电极5、自耗电极6，再经渣池9中的熔渣和结晶器7底部的导电板返回。熔炼电流在通过高电阻熔渣时产生高温，使自耗电极6熔化成金属熔滴，金属熔滴穿过渣池9中的熔渣滴入金属熔池，被结晶器7下方的底水箱8冷却，凝结成钢锭。在此过程中金属熔滴与熔渣充分接触，产生强烈的冶金化学反应，使金属得到精炼。电渣重熔金属具有良好的纯净度，铸态组织细致均匀，无白点及年轮状偏析，硫含量极低，夹杂物细小弥散等优良性能。
渣池9的作用是产生电阻热，同时精炼金属熔滴。
结晶器7和底水箱8的作用为对其内部的金属熔池10进行冷却，使金属熔池10内部的金属熔滴冷却形成固态钢锭。
采用上述真空电渣重熔炉熔炼高质量钢锭的装置进行电渣重熔的方法，按以下步骤进行：
s1、首先将需重熔的金属制备成自耗电极，与假电极焊接；然后启动真空系统，真空系统主体为真空泵14及真空系统管道13，把真空室3及结晶器7的内部空气抽净，将绝对压强降至10pa；
s2、保持炉内与外界环境隔绝的同时关闭真空泵14，然后打开氩气瓶15阀门将浓度为99.999％的高纯氩气充入真空室3及结晶器7中；
s3、待真空室3及结晶器7内氩气压力与外界环境压力相同时，打开加渣装置4，将渣料一次性的缓慢投放到结晶器7中，渣料为三元预熔渣，其成分百分比为caf250％、al2o325％、cao25％，渣量为8kg。
s4、在常压高纯氩气气氛下，操作电渣炉起弧、化渣，开始重熔自耗电极，自耗电极为进过打磨处理的h13模具钢，直径130mm，长度1500mm。
s5、在完成加渣、化渣过程后，将熔炼电流逐渐提升至3400a，进入稳定熔炼阶段，强电流在高电阻值的渣池9中产生大量焦耳热，使得自耗电极6的下端部逐渐熔化，熔化钢液以液滴形式滴落到结晶器7底部形成金属熔池10，在结晶器7和底水箱8的冷却作用下，金属熔池10内的金属液逐渐凝固形成钢锭11；
进一步的，本实施例中采用恒电流控制熔炼工艺，电源为频率50hz的交流电，重熔电压38v。
s6、在稳定熔炼阶段，形成初期金属熔池之后启动真空系统，阶梯式地将真空室3及结晶器7内绝对压强降至2000pa，开始真空电渣重熔过程；阶梯式降低绝对压强的顺序为101325pa–30000pa–5000pa–2000pa进行逐步降压，该过程持续约15分钟，随后，真空电渣重熔过程的稳定熔炼阶段持续约70分钟。
s7、待自耗电极完全熔化后，关闭电源，将假电极移出结晶器，保持真空系统、冷却水循环系统继续运行；
进一步的，本实施例中的冷却水循环系统在熔炼开始前启动。
s8、待钢锭完全冷却后，破真空至真空室及结晶器内恢复外界环境压力，关闭真空系统和冷却水循环系统；
s9、重熔钢锭脱模，完成整个真空电渣重熔过程。
进一步的，本实施例的重熔过程持续约100分钟，获得直径200mm、高630mm的钢锭。将所得钢锭沿中心轴线纵向剖开，取样检测主要成分的平均值，并与重熔前钢锭成分进行对比，结果如表1所示：
表1化学成分(质量分数)对照表(％)
对比例
将现有的氩气气氛保护电渣炉作为对比例，在其他条件都相同情况下，仅仅缺少s1抽真空及s5，即在常压氩气保护条件下熔炼，所得钢锭的化学成分即见表1中重熔后(氩气)。
从表1中可开出，本发明方法即重熔后(真空)的钢锭，与现有技术相比，其氧含量大幅降低，硅烧损较小，所得到电渣重熔钢锭具有更高的洁净度。
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。