多个滑动水口包和特殊导流管间断性真空浇注大钢锭的设备

摘要

多个滑动水口包和特殊导流管间断性真空浇注大钢锭的设备，属于真空铸锭领域。能解决现有真空铸锭时大气造成的二次氧化和耐火材料污染钢水及塞杆塞头易断等缺陷。其特征：包壳底与真空盖上加高了的上下法兰内装有滑动水口及其机构和能分别使上导流管和小真空盖坐在下导流管上的换位器。坐首包抽真空后开水口钢流经上下导流管时，钢流大量放气被喷淋成雨滴状落入模内浇完关水口。换位器升起旋来小真空盖压紧在下导流管上对真空室内密封，对小真空室内破真空后吊走空包换坐新包，再对小真空室内抽真空后，升起旋来上导流管坐在下导流管上开水口第二包开始浇注，浇完后以此类推，吊走空包换坐下个钢包…末包浇完关水口破真空向冒口加入发热保温剂。

说明书

技术领域

本发明属于真空铸锭技术领域

技术背景

现有真空铸锭技术在我国已有近四十年的历史，是已坐好的大钢锭模和保温冒的真空室 扣上真空盖，抽真空后，吊来塞杆式中间包，将水口对准导流管中心后坐在真空盖上，再吊 来盛有LF精炼后钢水的滑动水口钢包，打开水口对中间包进行大气中倒包，中间包钢水升到 规定高度时提升塞杆，钢水流股冲化密封铝片，进入真空，大量放出气体，经过导流管呈一 定扩散角的滴状钢水喷淋落入大锭模内，最后浇注成大钢锭，也可多包钢水依次向中间包倒 包补充钢水，连续真空浇注成一支更大的大钢锭。(注1)

该法设备和工艺看似简单实用，但其最大缺点是：

1.大气中倒包时，钢水流股紧密接触大气吸收大气中氧、氮和水分中氢和氧，使钢水中 增加[H]含量并形成金属氧化物和氮化物，钢水流股由中间包中进行真空浇注时，钢水中增加 的[H]可以大量放出，而氧化物和氮化物十分稳定，不易分解，以较大颗粒有害夹杂物状态残 留在钢中，另外，中间包衬塞杆袖砖和塞头砖因钢水的机械冲刷和化学侵蚀也会给钢水带来 较大颗粒的有害的非金属夹杂物。

2.塞杆袖砖厚度有限，塞头冲刷太快，尤其多包钢水依次倒包时使浇注总时间倍增，很 容易造成塞杆熔断和塞头脱落的重大事故。

3.为了减少倒包时“二次氧化”和耐火材料污染钢水，以及塞杆、赛头造成的重大事故 的缺陷，特意限制了每包钢水倒包时间，现一般130吨左右的滑动水口钢包的允许浇注时间 在60分钟左右，而真空浇注时，向中间包大气倒包时，每包倒包时间限制在20-30分钟左右， 这样就在多包真空浇注一支大钢锭时造成很多困难，现在各大重机厂因年需大型铸锻件数量 有限，不能建多台百吨级高功率电弧炉，对需要每半小时内供应一包精炼钢水的组织调度工 作要求极高。

另外，现有技术使用大吨位铸锭天车长时间吊着钢包在固定位置上进行大气中倒包作业， 对整个浇注跨其它天车正常工作也有影响，即使现有双层天车也不能完全克服上述缺点。

注1：供实审用资料：真空工程技术 化学工业出版社2006年8月第一版

第467页 表16-38中TD-VC法

第484页 图16-147 图16-148 图16-149

第485页 图16-150

注2：连续铸锭装置 徐宝升 著 冶金工业出版社 1959年11月北京第一版 第一次印 刷 统一书号：15062.1003 第66页第二节

发明内容：

(一).目的：克服现有钢水真空铸锭技术上述缺点

1.避免钢水接触大气；

2.尽可能减少钢水和耐火材料接触时间；

3.简化设备和工艺流程，降低成本；

4.减少浇注过程中设备事故；

5.每包钢水在工艺合理条件下允许有较长的浇注时间，便于组织多包钢水依次间断性真 空浇注一支大钢锭，取消铸锭天车长时间吊包在固定位置上真空浇注作业，解放天车，使浇 注跨生产流畅，提高生产能力。

(二).设备组成 []内是本发明申请文件中的简称

1-盛有精炼后钢水的滑动水口钢水包。[钢包]

2-钢包(1)壳下部加高了的水冷上法兰A和真空盖上部加高了的水冷下法兰A及密封圈。 [上、下法兰A]

3-在钢包(1)壳底上法兰A(2)内安装有真空条件下使用的带吹Ar透气塞的滑动水口及其 开闭机构和液压缸及水冷防热装置，其液压、供Ar、冷却水等管线伸出上法兰A(2)外后通过 快速接头接上源头。[水口]

在真空室盖上部下法兰A(2)内设有和真空室同中心布置的以下装置：

4-可升降和180°往返旋转的上部导流管。[上导流管]

其中包括有：上部水冷环A，其下表面需加工平整，外侧面设有吹Ar喷嘴，用于升起和 旋转时对下导流管上表面进行吹Ar清扫。

还包括有环形导流管砖及其与上水冷环A焊成一体的耐热钢筒状外壳。

5-固定导流管。[下导流管]

其中包括有：中部水冷环，其上、下表面需加工平整，与其耐热钢制筒状外壳焊成一体， 下导流管(5)内砌有多节环形导流管砖和绝热耐火层。

6-下部水冷环。[下水冷环]

其中包括有：其上表面需加工平整，装有密封圈用于下导流管(5)和真空室密封用，下水 冷环与真空盖中心安装圆孔焊接在一起，和下导流管(5)的耐热钢制筒状外壳间留有规定的间 隙，便于安装和更换。

7-真空室盖。[真空盖]

8-下导流管(5)的真空密封盖。[小真空盖]

其中包括有：该盖上部设有上水冷环B，其下表面需加工平整，并且镶嵌有密封圈，外 侧装有气动能升降和伸缩的弧形防热板，保护密封圈在升起和旋转时不被烤坏，还设有对下 导流管(5)上表面吹扫用的Ar气喷咀，小真空盖(8)的中部为下凹一定尺寸的放射状水冷盘和 上水冷环B焊成一体，上表面焊多道立筋，保证小真空盖(8)平整不扭曲。

9-由钢包(1)下部的上法兰A(2)和真空盖(7)上部的下法兰A(2)及密封圈所围成的可抽 成真空的空间。[小真空室]

10-上导流管(4)和小真空盖(8)之间设有水冷联接梁，在联接梁中心点上安装有带水冷壳 的液压换位器(10)，它可以升降和180°往返旋转，能分别使上导流管(4)和小真空盖(8)与下 导流管(5)中心线对正，带动上导流管对正后落下即可，带动小真空盖(8)落到下导流管(5) 上后，还要加压压紧密封圈才行。[换位器]

11-钢包(1)吊到真空盖(7)上方后，用来快速对正上、下法兰A(2)的三支定位器。[定 位器]

12-真空盖(7)和真空室间上、下法兰B及密封圈。[上、下法兰B]

13-真空浇注室体。[真空室]

14-下法兰A(2)外部侧面装有抽真空阀和连接小真空室(9)与真空盖(7)内部

的管线，打开时用于对小真空室(9)内抽真空，达到67Pa时自动关上。[小真空阀]

15-下法兰A(2)外部侧面装有N₂气阀和连接小真空室(9)与N₂气源的管线，打开时用于向 小真空室(9)内通入定量的N₂气后，自动关上。[N₂气阀]

16-下法兰A(2)外部侧面装有破真空阀和连接小真空室(9)的管线，打开时自动吸入大 气，达到一个大压时，自动关上，用于小真空室(9)单独破真空或和真空室(13)内一起破真 空。[破真空阀]

17-真空室(13)中心线上的大钢锭的保温冒。[保温冒]

18-真空室(13)中心线上的大钢锭模。[大锭模]

19-真空抽气管道。[抽气管道]

(三).本技术方案的浇注程序

1.准备工作：真空盖车和真空盖(7)在待用工位。

1.1待用时上导流管(5)对正后坐在下导流管(5)上，主载阀、小真空阀(14)、N₂阀(15)、破 真空阀(16)均为关闭状态。

1.2开浇前规定时间，真空室(13)内壁下部锭盘上及事故用钢水通道内均要求彻底清理， 再用天车分别将模底板、大钢锭模(18)、保温冒(17)对准真空室(13)中心后放下，并对大锭 模内异物取出后，用薄钢板盖上，坐真空盖(7)前取走。

1.3准备好的真空盖(7)用真空盖车开来，对正上、下法兰B(12)的密封圈后落下。

精炼钢包(1)出钢吊包前规定时间启动蒸汽喷射泵对主载阀前的真空系统进行予抽真空。

1.4钢包吊来时先在渣罐处打开水口(3)，放出固体充填料和放少许钢水后关上水口，并 将下滑板上吹Ar透气塞对准上滑板流钢孔中心后，送Ar气吹Ar搅拌。

如果水口(3)放不出钢水，立即用氧气管吹O₂烧开后，放出少许钢水后，关上水口(3)并 吹Ar搅拌。

2.首个钢包的浇注程序

2.1坐包、抽真空、开浇：

吊首个钢包(1)通过定位器(11)对正上、下法兰A(2)中心后，坐在真空盖(7)上，靠自重 压紧，需时间60-90秒，开走天车，开主载阀通过真空管道(20)对真空室(13)内和小真空室(9) 内抽真空，约5-6分钟，真空度达到67Pa，打开水口(3)开始真空浇注，钢水流股进入真空 室，开始大量放出气体使流股喷淋成雨滴状经过上、下导流管后以较大的扩散角淋入大钢锭 模(18)内，每包钢水设计的浇注时间为35-45分(以钢包盛有130吨左右钢水取40分为例)。

2.2停浇、换坐小真空盖(8)并压紧、破真空：

首包钢水浇完关水口(3)，用换位器(10)升起旋走上导流管(4)旋来小真空盖(8)对准下导 流管(5)中心后落下，用时10-20秒，压紧在下导流管(5)上，约用时20秒，总用时30-40 秒，目的为下步工序小真空室(9)内破真空时，能保持真空室(13)内密封，并继续保持不停的 抽真空。开N₂气阀(16)向小真空室(9)内通入规定量的氮气后，自动关上，约用时5秒。

再开破真空阀(15)使小真空室(9)吸入大气破真空，当小真空室内达到一个大压时，自 动关上，约用时10-25秒。立即用天车吊走空包，约用时25秒。因为关水口(3)后，天车主 钩即可对准空包两耳轴中心线，待破真空指令下达25秒内起吊和开大车，可以吊起空包0.25 米并用大车开行到18米以外。

3.第二个钢包的浇注程序

3.1坐包、对小真空室(9)抽真空、换坐上导流管、开浇：

在吊走第一个空包的同时，用另一个天车吊来第二个引流后的钢包(1)，通过定位器(11) 坐到真空盖(7)中心上，靠自重压紧，约用时60-90秒。开小真空阀(14)对小真空室(9)内抽 真空，约用时20-30秒，真空度达到67Pa时自动关上。用换位器(10)升起旋走小真空盖(8) 和旋来上导流管(4)落到下导流管(5)的中心上，约用时1020秒，打开水口(3)开始真空浇注。

3.2停浇、换坐小真空盖并压紧、破真空，吊走空包：

第二个钢包(1)浇完，关水口(3)，用换位器(10)升起旋走上导流管(4)旋来小真空盖 (8)对准下导流管(5)中心后落下并压紧，约用时30-40秒。开N₂气阀(16)，通入定量的N₂气，约用时5秒自动关上。开破真空阀(15)，吸入大气破真空，约用时10-25秒达到一个大 压时，自动关上。立即用天车吊走空包，约用时25秒。

4.第三个钢包至到末支前钢包的浇注程序

同第二个钢包的浇注程序相同。

5.末支钢包的浇注程序

5.1坐包、对小真空室(9)抽真空，换坐上导流管(5)、开浇；

在吊走末支前钢包的同时，用另一天车吊来引流后的末支钢包(1)，通过定位器(11) 坐到真空盖(7)上，靠自重压紧，用时60～90秒。开小真空阀(14)对小真空室(9)内抽真 空，约用时20～30秒，真空度达到67Pa时自动关上。用换位器(10)升起旋走小真空盖(8) 和旋来上导流管(4)落到下导流管(5)的中心上，用时约10～20秒，。打开水口(3)，开 始真空浇注。

5.2停浇、破真空，吊走空包，加入冒口发热剂、保温剂；

当钢水浇到大钢锭的保温冒处时，关小水口(3)，按冒口(17)规定注速浇注和补缩，补缩 完毕后关水口(3)。停止蒸汽喷射泵工作，关闭主载阀，开氮气阀(16)，通入真空室(13)破 真空所需规定的N₂气后，自动关上，约用时60秒。再开破真空阀(15)，吸入大气最后破真 空，真空室(19)内达到一个大压后，自动关上。吊走最后一支空包。

破真空后50秒内，通过真空盖(7)上加料斗向冒口(17)加入首批发热剂，打开真空盖(7) 后3分钟内向冒口(17)内加入末批发热剂，待发热剂火焰熄灭后，再向冒口(17)加入定 量的碳化稻壳保温剂。并将真空盖车开到指定待用工位处停放。

大钢锭按原规定制度冷却、脱冒、脱锭，按有关规定热送锻造加热炉或热处理炉。

(四).需要说明的几个问题

1.多个滑动水口包和特殊导流管间断性真空浇注大钢锭的质量有无问题？

申请人认为间断性真空浇注时对大钢锭的质量没有影响，以第二个钢包真空浇注为例， 具体分析如下：

①.第二个包吊到真空盖(7)上方，借用定位器(11)快速使上、下法兰A(2)对中坐下所 需时间约60-90秒；

②.开小真空阀(14)对小真空室(9)内抽成真空到67Pa，所需时间约20-30秒；

③.用换位器(10)升起旋走小真空盖(8)和旋来上导流管(4)并落到下导流管(5)上，所需 时间约10-20秒，打开水口(3)开始真空浇注；此过程小真空盖(9)经过下导流管(5)上方 高温区时间不超过5秒～10秒。(高温区指下导流管(5)内环形导流管砖内径区域)

④.真空浇注时间设定为：130吨LF精炼后滑动水口钢包40分钟；

⑤.浇完后用换位器(10)升起旋走上导流管(5)和旋来小真空盖(8)，约用时10～20秒， 压紧在下导流管(5)上约时间约20秒；总时间为30～40秒；此过程小真空室盖(9)经过下 导流管(5)上方高温区时间不超过5～10秒。

⑥.开N₂气阀向小真空室(9)内通入定量的N₂气，所需时间约5秒，自动关上；

⑦.再开破真空阀(16)使小真空室(9)内吸入大气到一个大气压时，所需时间约10-25秒， 自动关上；

⑧.用天车吊走空包，所需时间约25秒；(因为在通入N₂气时，铸锭天车主钩即可对准 钢包耳轴中心)；

合计每个钢包从坐包到吊走空包，总时间约为：

60-90秒+20-30秒+10-20秒+40分+10-20秒+20秒+5秒+10-25秒+25秒＝42分55秒～43分55秒

其中间断浇注时间约175秒～235秒＝2.92分～3.92分

在2.92-3.92分钟内真空室(13)内大钢锭模内钢水在模壁开始形成新的凝固层，其厚度 根据现有经验公式(注2)式中6-生成凝固层厚度(公分)；T-自结晶开始到测定 的时间.(分)；k-凝固系数；根据铸坯的断面形状及冷却强度的不同，k值在2.6-2.9范围内。 因为多包浇注的最大钢锭可达700吨，断面最大尺寸约3米，冷却强度远小于连铸坯和轧制 用的十几吨小钢锭，因此k值只能按2.6计算(也可能更低)，T按2.92分和3.92分计算：

$\delta 1=k\sqrt{T_1}=2.6\sqrt{2.92}=4.44$公分，$\delta 2=k\sqrt{T_2}=2.6\sqrt{3.92}=5.15$公分，大钢锭K值如低 于2.6时，凝固层厚度会更小些。

间断的2.92-3.92分钟内，模内壁钢水最上层生成了4.44-5.15公分凝固层，相对大钢 锭断面尺寸，算是薄壳了，重新开浇后40分钟浇入百多吨钢水会部分熔化这个很薄的凝固层， 即使不全熔化，也不会影响质量，因为真空状态下钢水和部分凝固层不会被氧化，不会像大 气中浇注时即使少许间断时间也会氧化造成钢锭表面形成冷隔或双浇缺陷。

2.关于小真空盖(9)上的压紧力问题

现有技术中导流管的具体结构是：导流管钢壳肩部下表面和真空盖中心的安装孔上部之 间装有密封圈，导流管的钢壳内装有绝热层和管状导流用耐火砖，钢壳肩部上平面装有密封 圈，再盖上一平整的圆形薄铝板，最后压上一外侧呈直桶形的漏斗砖。(注1：第485页图 16-150)

真空室内坐好大锭模和保温冒后，真空盖坐到真空室上后，开始对真空室抽真空，初期 室内真空度不高时，漏斗砖和铝板总重不足250kg，不能将周长约2米的密封圈完全压扁， 可能少许漏气，但因蒸汽喷射泵抽气能力很大，对抽气影响不大，后期真空度接近67Pa时， 圆铝板直径约75公分，密封圈上大气形成的总压力达到：1kg/cm²×(75cm)²×π/4＝4.415吨， 密封圈能被完全压扁。

本发明方案中小真空盖(8)是外径约82～92cm，高约20～25cm的水冷盖，总重300kg 以内，使用时每个钢水包浇完，关水口(3)时，小真空室(9)内和真空室(13)内均为真空状态， 此时用换位器(10)旋来小真空盖(8)落到下导流管(5)上，靠自重300kg不足将镶嵌在小真空 盖(8)下表面内密封圈完全压扁，如此时通入N₂气和破真空，N₂气和大气可能少许进入真空 室(13)内，对大锭模内钢水不利，为防止这个不足，本设计要求液压换位器(10)在小真空 盖(9)落坐到下导流管(5)上后，继续下压，要求20秒内压力达到0.8～1kg/cm²，小真空盖(8) 上总压力达到4.2～6.64吨后，再进行通入N₂气和破真空作业。

3.关于各装置的可靠性问题

本设备各装置多在高温的密封空间内使用，现对其工作可靠性讨论如下：

a.小真空室(8)内上部滑动水口机构及其液压缸装有水冷防热罩，可以保证每包钢水浇注 42.92-43.92分正常工作。

b.小真空室(9)内下部设有换位器(10)，其连接梁可通水冷却，其液压缸和升降旋转装 置也可带水冷外壳，工作时间最长的接触钢流高温冲涮的上、下导流管耐火材料工作内衬外 侧均有水冷环保护，比现有真空铸锭技术中的导流管的工作条件还要好。小真空盖(8)在每包 钢水浇注时间42.92-43.92分时段内只工作2.92-3.92分，其中每次换位时，小真空盖经过 下导流管上方高温区时间不超过5秒～10秒。密封圈有水冷，并且换位时有气动能升降和伸 缩的弧形防热板来保护。在真空盖(7)上的小真空盖(8)的停放工位处也有专设的环形水冷凹 槽来冷却保护密封圈，因此带密封圈的小真空盖(8)工作也是可靠的。

附图说明

附图1为本发明总体结构是上导流管坐在下导流管上时的剖视图，比例1∶40；

附图2为本发明小真空盖和下导流管间密封时的剖视图，比例1∶20；

附图3为本发明的上导流管和下导流管配合时的剖视图，比例1∶20；

附图4为真空盖、小真空盖、上导流管的顶视图，比例1∶40；

(五).有益效果

在(二)设备组成和(三)本技术方案的浇注程序中所述内容说明了用本技术方案和“现 有技术”比较可以看出以下效果：

1、避免钢水接触大气；2、尽可能减少钢水和耐火材料接触时间；该两项可以最大限度 减少钢中气体及大颗粒有害夹杂物的数量，提高钢的质量。3、简化设备和工艺流程，降低成 本；4、减少浇注过程中设备事故；该两项取消了塞杆式中间包，大大简化了设备和不必要的 钢包(1)先在大气中向中间包中倒包的有害工艺流程，同时避免了“现有技术”中浇注过程 中易出现塞头脱落和塞杆熔断的重大事故，避免了重大经济损失。同时降低了成本。5、每包 钢水在工艺合理条件下和“现有技术”比较允许有较长的真空浇注时间，比如130吨钢包正 常允许浇注时间为60分钟左右，“现有技术”多包钢水浇注大钢锭时，要求每包钢水20～30 分钟向中间包倒包，而本方案多包真空浇注时，因滑动水口不易出现事故，可以40分～45 分浇完一包，因此组织多包浇注时比较容易。并且每包真空浇铸时，天车吊走空包，用另一 台铸锭天车由LF炉工位吊来LF包并坐在下法兰A(2)上后即可脱钩开走，总用时不超过10 分钟，比“现有技术”多包定点吊包进行倒包占用时间要少很多，减少大吨位天车作业时间， 浇注跨生产顺畅，可提高生产能力。

在(四)需要说明的几个问题

1、多个滑动水口钢水包和特殊导流管间断性真空浇注大钢锭的质量有无问题？

申请人通过整个真空浇注程序中每个程序所需时间估算，每包130吨钢水真空浇注时间 约为40分，间断时间约2.92～3.92分，该时间内大锭模中钢水面上会形成最后4.44公分～ 5.15公分的凝固层的薄壳，下包130吨钢水浇入时，会部分熔化，由于在真空中，凝固层不 会氧化，对大钢锭的质量不会降低。

2、关于小真空盖(8)上的压紧力问题

末支包前每个钢包(1)浇完关水口(3)，要求液压换位器用10～20秒升起旋走上导流 管(4)旋来小真空盖(8)对准下导流管(5)中心后，继续下压，要求20秒内，压力达到 0.8-1kg/cm²，再进行通入N₂气和破真空作业。申请人是为了严防N₂气和大气进入真空室(13) 的可能性。是合理的。

3、关于各装置的可靠性问题

申请人通过高温真空密封条件下工作的装置的防护措施及工作时间，认为它们工作是可 靠的。例如上、下导流管因有水冷环保护，比“现有技术”中导流管的工作更可靠。小真空 盖(8)的上水冷环B下表面所镶嵌的密封圈在每次换位时，小真空盖经过下导流管(5)上 方高温区时间不超过5～10秒。密封圈有水冷，并且换位时有气动能升降和伸缩的弧形防热 板来保护，因此带密封圈的小真空盖(8)工作也是很可靠的。

具体实施方式：

(一).改造工作：根据本发明设备组成中要求，参照附图附图1、2、3、4根据具体情况， 设计制造或改造如下项目：

1.对多个现用LF钢包壳下部增设加高了的上法兰A(2)，并安装带有透气塞的滑动水口 (3)及其开闭机构、液压缸及水冷防热装置，其液压、供Ar、冷却水等管线伸出上法兰(2) 外和通过快速接头及源头。

2.真空盖(7)上部增设加高了的下法兰A(2)，增设换位器(8)和连接梁，增设上、下导流 管(4)和(5)及小真空盖(8)与下水冷环(6)，真空盖(7)加固，增设小真空阀(14)、氮 气阀(15)、破真空阀(16)及它们相应管线，增设3支定位器(11)。

3.选择一个真空室(13)进行加固，真空盖车加固。

4.真空抽气系统不变。

5.设备装好后冷试。