一种提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备及方法

摘要

本发明的一种提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备及方法。设备包括气体供应系统、环状管道系统和熔炼系统，气体供应系统由储气瓶、减压阀、稳压表和导气管组成；环状管道系统由进气端电磁阀、进气端电磁阀控制器、环状管道、出气端电磁阀和出气端电磁阀控制器组成；熔炼系统包括结晶器，结晶器底部设置有底板；所述的导气管与环形管道连接；所述的环状管道系统贴合设置在结晶器与底板之间，或嵌在结晶器中，或嵌在底板中。方法为：在熔炼获得熔池形成铸锭导致的铸锭与结晶器之间的气隙时，采用环状管道系统从结晶器底部向气隙中充入氦气，利用氦气较强导热能力增加冷却水对铸锭冷却效果，从而获得成分均匀、凝固质量较好的高质量电渣锭。

说明书

技术领域：

本发明属于冶金及铸造技术领域，具体涉及一种提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备及方法。

背景技术：

近年来，我国装备制造业水平不断提高，极端制造成为装备制造业的一个突出技术发展趋势，其中一个是朝着超大方向发展，电力、石化、冶金等领域装备大型化、复杂化对大型铸锻件行业提出了更高要求。未来一段时间将是中国推进工业化的关键时期，电力、石化、冶金、船舶、航空等行业都将继续快速发展，这其中孕育着对大型铸锻件的空前需求。

目前国际上大型铸锻件明显的供不应求，JSW、斗山重工等大型铸锻件生产企业都是满负荷生产，这对我国近年来装备制造业的发展提出了新的挑战，依靠国外大型铸锻件，价格高昂，交货周期长，而且关键时候，国外对我国的技术封锁，且限制出口，因此大力发展我国自主技术的优质大型铸锻件，具有十分重要意义。

电渣重熔工艺由于其设备要求低，且同时具有以下优点：金属纯净、组织致密、成分均匀、表面光洁，在具有优良产品性能的同时，工艺的稳定性与质量的重现性高，且生产灵活，可生产各种锭型。电渣重熔工艺还有两个重要特点，即：电渣冶金的连续性与可叠加性，电渣重熔可通过更换自耗电极连续生产，以及可通过多台设备同时连续生产一个大型构件，这些特性决定了电渣重熔工艺在生产大型铸锻件上的重要作用。

为了提高大型铸锭的锻轧性能、机械加工性能等，大型铸锭普遍采用高合金或高碳含量的钢种，例如高碳钢、高温镍基合金等，这些钢种在电渣重熔生产过程中，由于钢水成分多样，特别是合金元素或碳元素含量较高，由于这些元素的溶解度在液态和固态钢中不同，导致钢锭凝固时发生了选择结晶，造成钢锭内部成分不均匀(偏析)，而且随着钢锭的增大以及凝固时间的延长，这种成分偏析就愈严重，控制不好甚至可能导致炼出的铸锭报废，这势必会影响钢厂的经济效益。因此，针对大型铸锭成分偏析控制开展了大量的研究。

在大型铸锭现有的生产工艺中，由于采用氩气作为保护气体或不采用保护气体，钢水在凝固后，由于体积收缩，会在结晶器与钢锭之间形成一层气隙，当空气或氩气进入气隙之后，由于其导热能力较差，会降低冷却水对铸锭的冷却效果，延长铸锭的冷却时间，从而使钢锭成分偏析加剧，影响电渣钢的凝固质量。因此，适当调整电渣重熔的设备，在气隙中填充导热能力更强的气体，对于更好的发挥电渣重熔在钢锭生产过程中的作用十分必要。

发明内容：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，为了提高电渣重熔生产铸锭的凝固质量、降低成分偏析，提供提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备及方法，采用环状管道系统从结晶器底部向铸锭与结晶器之间的气隙中平稳地充入氦气，利用氦气较强的导热能力增加冷却水对铸锭的冷却效果，从而获得成分更加均匀的高质量电渣锭。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备，包括气体供应系统、环状管道系统和熔炼系统，其中：

所述的气体供应系统由储气瓶、减压阀、稳压表和导气管组成，所述的储气瓶与导气管连接，所述的储气瓶瓶口处设置减压阀和稳压表；

所述的环状管道系统由进气端电磁阀、进气端电磁阀控制器、环状管道、出气端电磁阀和出气端电磁阀控制器组成，所述的环状管道沿水平中心线对称布置一个进气口和一个出气口；所述的环形管道进气口设置有进气端电磁阀，所述的进气端电磁阀连接有进气端电磁阀控制器，所述的环形管道出气口设置有出气端电磁阀，所述的出气端电磁阀连接有出气端电磁阀控制器；

所述的熔炼系统由自耗电极、高温熔池和结晶器组成，所述的结晶器底部设置有底板；

所述的气体供应系统与环状管道系统连接，具体的，所述的导气管与环形管道连接；

所述的环状管道系统贴合设置在结晶器与底板之间，或嵌在结晶器中，或嵌在底板中。

安装完毕后，所述的结晶器、环状管道系统、底板和自耗电极的中心保持在同一条竖直线上。其中，所述的气体供应系统、环状管道系统与熔炼系统连接处采用不锈钢紧箍或法兰连接。

所述的环状管道形状与结晶器形状相同，具体为圆形或矩形，所述的环状管道表面设有均匀分布的排气孔。

所述的环状管道设置排气孔以保证能够与结晶器与形成的铸锭之间的气隙接触。

所述的排气孔形状为圆形，矩形或环状狭缝。

所述的环状管道设置在结晶器与底板之间时，并与结晶器和底板贴合，无缝连接，所述的环状管道外表面尺寸与结晶器外表面尺寸一致，内表面尺寸与结晶器内表面尺寸一致，下表面与结晶器下表面平齐，所述的排气孔设置在环状管道内表面，所述的环状管道与结晶器与底板紧密贴合，无缝对接；

所述的环状管道嵌在结晶器中时，所述的环状管道外表面尺寸比结晶器外表面尺寸小，内表面尺寸与结晶器内表面尺寸一致，下表面与结晶器下表面平齐，所述的排气孔设置在环状管道内表面，所述的环状管道与结晶器紧密贴合，无缝对接，放在底板上；

所述的环状管道嵌在底板中时，所述的环状管道外表面尺寸比结晶器内表面尺寸一致，内表面尺寸比结晶器内表面尺寸小，上表面与底板上表面平齐，所述的排气孔设置在环状管道上表面，所述的环状管道与底板紧密贴合，无缝对接；

采用所述的提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备，提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的方法，包括如下步骤：

(1)熔炼开始，自耗电极缓慢熔化开始形成高温熔池，高温熔池在冷却水的作用下开始缓慢凝固，随着凝固的进行，形成铸锭高度不断增加，同时在铸锭与结晶器之间形成一圈气隙；

(2)当气隙形成后，采用气体供应系统向气隙中供入氦气，使氦气通过环状管道表面排气孔均匀通入气隙中，并设置进气端电磁阀控制器与出气端电磁阀控制器的参数，以保证进气端电磁阀与出气端电磁阀能够使气隙中氦气压保持在0.1～1MPa；

(3)参数调节好后，打开减压阀，调节稳压表示数，保证氦气稳定供应；

(4)熔炼结束后，断电降温，停止供气。

本发明的有益效果：

本发明的一种提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备及方法采用环状管道系统向结晶器与重熔铸锭之间的气隙中充入氦气，由于氦气具有较高的导热能力，有效的提高了冷却水对铸锭的冷却效果，特别是在大型铸锭及高合金钢种的重熔过程中有利于提高电渣钢凝固质量降低元素偏析，更好的发挥电渣重熔生产高质量铸锭的优越性。

附图说明：

图1为本发明的提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备的主视图，其环状管道系统安装在结晶器与底板之间；

图2为本发明的提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备的主视图，其环状管道系统嵌在结晶器中；

图3为本发明的提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备的主视图，其环状管道系统嵌在底板中；

图4为本发明的上表面均匀分布圆形排气孔的圆形环状管道系统主视图；

图5为本发明的内表面均匀分布矩形排气孔的圆形环状管道系统主视图；

图6为本发明的内表面有环状排气缝的圆形环状管道系统主视图；

图7为本发明的内表面均匀分布矩形排气孔的矩形环状管道系统主视图；

其中：

1-环状管道；2-出气端电磁阀控制器；3-出气端电磁阀；4-进气端电磁阀；5-进气端电磁阀控制器；6-铸锭；7-结晶器；8-自耗电极；9-高温熔池；10-底板；11-导气管；12-稳压表；13-减压阀；14-储气瓶。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

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。

实施例1

一种提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备，其主视图如图2所示，包括气体供应系统、环状管道系统和熔炼系统，其中：

所述的气体供应系统由储气瓶14、减压阀13、稳压表12和导气管11组成，所述的储气瓶14与导气管11连接，所述的储气瓶14瓶口处设置减压阀13和稳压表12；

所述的环状管道系统由进气端电磁阀4、进气端电磁阀控制器5、环状管道1、出气端电磁阀3和出气端电磁阀控制器2组成，所述的环状管道1沿水平中心线对称布置一个进气口和一个出气口；所述的环形管道进气口设置有进气端电磁阀4，所述的进气端电磁阀4连接有进气端电磁阀控制器5，所述的环形管道出气口设置有出气端电磁阀3，所述的出气端电磁阀3连接有出气端电磁阀控制器2；

所述的熔炼系统由自耗电极8、高温熔池9和结晶器7组成，所述的结晶器7底部设置有底板10；

所述的气体供应系统与环状管道系统连接，具体的，所述的导气管11与环形管道连接；

所述的环状管道系统贴合嵌在结晶器7中；

设备按照上述安装完毕后，所述的结晶器7、环状管道系统、底板10和自耗电极8的中心保持在同一条竖直线上，其中，气体供应系统、环状管道系统与熔炼系统连接处采用不锈钢紧箍或法兰连接；

所述的环状管道1形状与结晶器7形状相同，本实施例中为圆形，所述的环状管道1表面设有均匀分布的矩形排气孔，圆形环状管道系统主视图如图5所示；

所述的环状管道1嵌在结晶器7中，所述的环状管道1外表面尺寸比结晶器7外表面尺寸小，内表面尺寸与结晶器7内表面尺寸一致，下表面与结晶器7下表面平齐，所述的排气孔设置在环状管道1内表面，所述的环状管道1与结晶器7紧密贴合，无缝对接，放在底板10上。

本实施例中：

环状管道1表面设置的排气孔也可以为圆形或环状排气缝，当为圆形排气孔时，其圆形环状管道系统主视图如图4所示，当为环状排气缝时，圆形环状管道系统主视图如图6所示；

所述的环状管道1形状与结晶器7形状相同，也可为矩形，当为矩形时，且环状管道1内表面均匀分布矩形排气孔时的矩形环状管道系统主视图如图7所示；

所述的环状管道1也可设置在结晶器7与底板10之间，或嵌在底板10中，当设置在结晶器7与底板10之间时，该提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备主视图如图1所示，环状管道1与结晶器7和底板10贴合，无缝连接，所述的环状管道1外表面尺寸与结晶器7外表面尺寸一致，内表面尺寸与结晶器7内表面尺寸一致，下表面与结晶器7下表面平齐，所述的排气孔设置在环状管道1内表面，所述的环状管道1与结晶器7与底板10紧密贴合，无缝对接；

当所述的环状管道1嵌在底板10中，该提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备主视图如图3所示，所述的环状管道1外表面尺寸比结晶器7内表面尺寸一致，内表面尺寸比结晶器7内表面尺寸小，上表面与底板10上表面平齐，所述的排气孔设置在环状管道1上表面，所述的环状管道1与底板10紧密贴合，无缝对接。

采用所述的提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的设备，提高电渣钢凝固质量降低元素偏析的方法，包括如下步骤：

(1)合闸供电，熔炼开始，自耗电极8采用718高温镍基合金，熔炼前其成分如表1所示，自耗电极8缓慢熔化开始形成高温熔池9，高温熔池9在冷却水的作用下开始缓慢凝固，随着凝固的进行，形成铸锭6高度不断增加，同时在铸锭6与结晶器7之间形成一圈气隙；

(2)当气隙形成后，采用气体供应系统向气隙中供入氦气，使氦气通过环状管道1均匀通入气隙中，并设置进气端电磁阀控制器5与出气端电磁阀控制器2的参数，以保证进气端电磁阀4与出气端电磁阀3能够使气隙中氦气压保持在0.15MPa；

(3)参数调节好后，打开减压阀13，调节稳压表12示数，保证氦气稳定供应量为1L/min；

(4)熔炼结束后，断电降温，停止供气。

熔炼结束后沿着铸锭的直径方向，在圆心、1/2半径、边缘处取样进行化学成分分析，结果如表2所示，从表2的数据可以看出，采用所述的设备熔炼718高温镍基合金铸锭，化学成分均匀，基本上没有产生偏析。

表1 718高温镍基合金熔炼前的化学成分，wt％

表2 718高温镍基合金熔炼后不同位置的化学成分，wt％