一种高速、低夹杂物的电渣重熔装置及其重熔方法

摘要

本发明公开了一种高速、低夹杂物的电渣重熔装置及其重熔方法，属于电渣重熔领域。本发明的电渣重熔装置包括自耗电极、结晶器、超声波发生装置和电极驱动机构，电极驱动机构中的假电极一端与自耗电极固连，假电极另一端与固定装置上的轴承相连，并通过调速电机控制假电极转动，变压器一端通过电刷与假电极电连接，因此在重熔过程中，自耗电极在不断转动，同时受到来自底部的超声波影响。基于本发明的重熔装置所采取的重熔方法加快了自耗电极熔炼，减少能耗，而且所制备的电渣锭组织均匀、夹杂物少，具有较好的品质。

说明书

技术领域

本发明涉及电渣重熔技术领域，更具体地说，涉及一种高速、低夹杂物的电渣重熔装置及其重熔方法。

背景技术

随着机械行业的发展，人们对钢品质的要求越来越高。提高钢的品质主要从以下两个方面：(1)、降低溶解在钢中气体和夹杂物的含量，从而获得洁净度较高的钢；(2)、降低在钢液的凝固过程中所产生的成分偏析、组织不均匀、缩孔和疏松等缺陷，从而获得致密均匀的结晶组织。

电渣重熔法是目前常用的应用于优质钢生产的一种重熔工艺。由于在重熔过程中金属液滴是一滴一滴通过一定厚度的熔渣层，金属液滴的比表面积大，因此增大了钢-渣界面积，熔渣吸附金属液滴中的非金属杂质和其他夹杂的能力大大增加，起到了渣洗的作用，用一般的方法冶炼的钢，经过重熔处理后可以去除80％～90％的非金属夹杂物；同时由于结晶器与水冷却板的强冷却作用，电渣重熔过程的冷却速度很大，使固相和液相中的充分扩散受到抑制，减少了成分偏析，改善了钢锭的结晶组织。而且，电渣重熔法对产品的化学成分、夹杂物的形态、结晶方向、枝晶间距、显微偏析等均可以在不同程度上予以控制，电渣重熔技术在现代工业生产中有着不可替代的作用。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。

然而电渣重熔方法还存在一些问题：一方面生产效率低、电耗高，目前电渣重熔锭的重熔速度按以下公式计算：

V_熔＝(0.7～0.8)D_结

式中V_熔－熔化率(公斤/小时)；

D_结－结晶器直径(毫米)。

目前很多电渣炉特别是小型电渣炉电耗高达1700～1900KW·h/t，熔化速率过低，不仅影响了生产效率，耗能增加，极大的影响了企业的经济效益；

另一方面，尽管电渣重熔过程有利于夹杂物的去除，但是在工艺参数控制不当的情况下仍然可能产生较大颗粒的夹杂物。最新研究表明，利用超声波所固有的特性，将超声波作为外场对金属液的脱气、凝固组织的细化以及防止偏析等有很好的促进作用。但现有技术中，对于如何有效的在电渣重熔过程中施加超声波，从而提高冶炼钢种质量一直是困扰冶金行业多年的一个难题。因此，如何高效率、高质量的进行钢冶炼，是冶金领域的一大难题。

经过检索发现，现有技术中已存在相关的利用超声波与电渣重熔相结合的技术方案，如中国专利号：201520137985.2，授权公告日：2015年7月8日，发明创造名称为：一种在电渣重熔中导入超声波的装置，该专利方案包括变压器、导线、电极夹持器、自耗电极和结晶器，还包括超声波发生机构、侧壁导波探头和底部导波探头，结晶器冷却壁侧壁在高度方向上等间距地安装一排侧壁导波探头，上述一排侧壁导波探头中的一个与一个超声波发生机构的输出端相连；结晶器冷却壁底部上安装三个底部导波探头，上述三个底部导波探头分别与三个超声波发生机构的输出端相连；超声波发生机构包括超声波电源、超声波换能器和变幅杆。该专利方案虽然能把电渣重熔与超声波技术相结合，但在提高效率及质量方面仍存在较大缺陷。

发明内容

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重熔效率低、电耗高、存在夹杂物的不足，提供了一种高速、低夹杂物的电渣重熔装置及其重熔方法，采用本发明的技术方案，能够加快自耗电极熔炼，减少能耗，而且所制备的电渣锭组织均匀、夹杂物少，具有较好的品质。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种高速、低夹杂物的电渣重熔装置，包括变压器、自耗电极、结晶器和设置在结晶器底部的超声波发生装置，还包括电极驱动机构，所述的电极驱动机构主要由固定装置、调速电机和假电极组成，所述假电极一端与自耗电极固连，假电极另一端与固定装置上的轴承相连，所述调速电机安装在固定装置上，通过调速电机控制假电极转动；所述变压器一端与结晶器电连接，变压器另一端通过电刷与假电极电连接。

作为本发明更进一步的改进，所述的超声波发生装置包括超声波导波杆、变幅杆、换能器和超声波电源，所述超声波电源、换能器、变幅杆和超声波导波杆依次电连接，并使变幅杆和超声波导波杆相固定。

作为本发明更进一步的改进，所述超声波导波杆竖直安装在结晶器底部的水箱中心，且超声波导波杆与自耗电极位置相对应。

作为本发明更进一步的改进，所述固定装置主要由横臂和立柱组成，所述立柱竖直安装，横臂一端连接在立柱上，横臂另一端安装轴承和调速电机。

作为本发明更进一步的改进，所述横臂靠近立柱的一端设有竖直方向的螺纹孔，在螺纹孔内安装有传动丝杆，传动丝杆的底端与升降电机的输出轴相连，通过升降电机控制横臂在传动丝杆上上下运动。

本发明的一种高速、低夹杂物的电渣重熔方法，按以下步骤进行重熔：

步骤一、石墨电极化渣；在电渣重熔装置的结晶器内由石墨电极化渣，当重熔渣熔化完毕后，移走石墨电极，将自耗电极送入结晶器中通电开始熔炼；

步骤二、自耗电极旋转；当重熔渣熔化完毕后移走石墨电极时，即启动调速电机，至自耗电极插入渣池熔炼之前调整至设定转速；

步骤三、待步骤二中重熔稳定后，打开超声波电源，设定好超声波功率，发射超声波，进入熔炼状态；同时向渣池中加入Al-Mn-Si合金脱氧，加入量为2-5Kg/t钢；

步骤四、步骤三完成后，关闭电源、调速电机和超声波发生装置，重熔完成。

作为本发明更进一步的改进，步骤一中石墨电极移走至自耗电极送入结晶器熔炼时间不超过1.5min。

作为本发明更进一步的改进，步骤二中的设定转速范围为10-30r/min。

作为本发明更进一步的改进，步骤三中发射的超声波功率密度为5～15W/cm²，频率为21KHz。

作为本发明更进一步的改进，当增加调速电机的转速时，调低超声波功率密度；当调低调速电机的转速时，增加超声波功率密度。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种高速、低夹杂物的电渣重熔装置，把自耗电极与假电极连接，假电极通过轴承连接在横臂上，并通过调速电机驱动自耗电极转动，在自耗电极的旋转作用下，液态金属受到渣池的摩擦力和重力的作用快速向自耗电极锥形头部汇聚成小液滴，从而提高了生产效率，降低了能耗；

(2)本发明的一种高速、低夹杂物的电渣重熔方法，把电渣重熔技术与超声波技术相结合，旋转作用能够加快自耗电极液滴的汇聚，然后在超声波的振动作用下再滴落穿过渣池进入金属熔池，因而金属液滴滴落时其体积比传统工艺中液滴的体积小，夹杂物的尺寸大于液态金属膜厚度时将会裸露出来与熔渣接触，从而使夹杂物被熔渣吸附，提高了所生产电渣锭的纯度；

(3)本发明的一种高速、低夹杂物的电渣重熔方法，在横臂上设有螺纹孔，在螺纹孔内安装传动丝杆，通过丝杆控制整个横臂上下运动，进而实现自耗电极的升降运动，既能满足自耗电极的升降需求，又不会影响电极的转动运动，实现了两者的有效结合。

附图说明

图1为本发明的一种高速、低夹杂物的电渣重熔装置的结构示意图；

图2为本发明中固定装置的结构示意图。

示意图中的标号说明：1、横臂；2、立柱；201、升降电机；202、传动丝杆；3、调速电机；4、假电极；5、轴承；6、电刷；7、自耗电极；8、结晶器；9、渣池；10、水箱；11、超声波导波杆；12、变幅杆；13、换能器；14、超声波电源；15、变压器。

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。

实施例1

结合图1，本实施例的一种高速、低夹杂物的电渣重熔装置，包括变压器15、自耗电极7、结晶器8、电极驱动机构以及设置在结晶器8底部的超声波发生装置。其中，电极驱动机构主要由固定装置、调速电机3和假电极4组成，假电极4为圆柱形金属材质，假电极4一端与金属自耗电极7固连，且假电极4轴心与自耗电极7轴心重合；假电极4另一端与固定装置上的轴承5相连，使假电极4可在轴承5中转动。假电极4的上段突出于轴承5上侧，并通过减速装置与安装在固定装置上的调速电机3相连，通过调速电机3控制假电极4转动。

本实施例中的变压器15一端与底部的水箱10连接，变压器15另一端通过电刷6与假电极4电连接。普通的自耗电极上连接的假电极可以为方形或者是圆形，其主要作用是导电，而本实施例中要使自耗电极7转动，并在转动状态下能够正常的进行重熔，因此需要有独特的结构设计，在转动的同时满足重熔需求。由于假电极4在工作时处于转动状态，必须设置电刷6以保证在假电极4转动时仍能保持通电状态，确保熔炼的正常进行。

为了安装假电极4，所设置的固定装置主要由横臂1和立柱2组成，所述立柱2上设有竖直安装，横臂1一端连接在立柱2上，横臂1另一端安装有上述的轴承5和调速电机3，分别用于安装假电极4和控制其转动。进一步地，随着自耗电极7的不断熔化，自耗电极7与渣液的接触状态逐步减弱，为了使自耗电极7始终和渣液保持一定的接触，自耗电极7在熔化的同时应该使自耗电极7适当下降。理论上要求自耗电极7下降速度与其熔化速度相匹配。下降过快会导致熔池深度过深，恶化凝固组织，同时也不利于夹杂物的去除；下降过慢会导致电极与渣液接触状态恶化，使冶炼炉不能正常工作。故而本实施例在横臂1靠近立柱2的一端设有竖直方向的螺纹孔，在螺纹孔内安装有传动丝杆202，如图2所示，传动丝杆202的底端与升降电机201的输出轴相连，通过升降电机201控制横臂1在传动丝杆202上上下运动。当传动丝杆202转动时，横臂1会上升或下降，进而带动假电极4升降，通过整体升降的方法不断向渣液中送入电极，使转动与升降互不影响，综合效果较好。上述升降电机201的转速可通过PLC系统控制调节，以达到自耗电极7的融化速度与其下降速度接近同步运动的目的。也可通过其他方式使横臂1整体升降。

本实施例中的超声波发生装置包括超声波导波杆11、变幅杆12、换能器13和超声波电源14，超声波电源14、换能器13、变幅杆12和超声波导波杆11依次电连接，并使变幅杆12和超声波导波杆11相固定。所述超声波导波杆11竖直安装在结晶器8底部，且超声波导波杆11与自耗电极7位置相对应。现有技术中存在设置三个超声波导波杆，导致所产生的空化及声流效应能会部分相互抵消，反而没有施加一个大功率的超声波导波杆11更有效果；同时如果在底部仅仅施加超声波，而没有其他的措施，金属液滴尺寸仍然较大，因此与传统的电渣重熔相比，起不到进一步精炼的效果。

此外，结晶器8的四周和底部均有冷却装置，结晶器8底部的水箱10内装有冷却水用于对钢液降温。使用超声波后，超声波的空化效应可使水流处于湍流状态，防止结垢，冷却效果更好，能够细化晶粒，改善电渣锭的内部组织结构。

使用时，把自耗电极7和假电极4焊接在一起，超声波导波杆11焊接在底部水箱10中心部。由于自耗电极7在渣池中转动，使得自耗电极7的电极端的锥头部分与渣池9产生摩擦力，而自耗电极7电极端的锥头部分熔融的液态金属薄膜在摩擦力及重力的作用下会提前聚集至锥头的顶部汇聚成小液滴，然后在超声波的振动作用下再滴落穿过渣池进入金属熔池，因此电极旋转-超声波共同的作用会加速金属自耗电极7的液滴向金属熔池的滴落，从而提高了生产效率、降低了电耗。另一方面，假电极4的旋转使自耗电极7锥头部分的液态金属薄膜提前向锥头顶部汇聚，这导致了液态金属薄膜厚度的降低，因此当夹杂物的尺寸大于液态金属薄膜厚度时，将会裸露出来与熔渣接触，从而将夹杂物吸附；同时汇聚至锥头顶部的小液滴在超声波的作用下提前脱落穿过渣池，而不是形成较大的尺寸克服表面张力脱落，因此在超声波振动作用下液滴尺寸变小，比表面积增加，导致其与熔渣的接触面积增加，改善了渣金反应的动力学条件，有利于夹杂物的去除。

基于上述的一种高速、低夹杂物的电渣重熔装置，本实施例还提供了一种高速、低夹杂物的电渣重熔方法，主要按照以下步骤进行重熔：

步骤一、石墨电极化渣；在电渣重熔装置的结晶器8内由石墨电极化渣，当重熔渣熔化完毕后，移走石墨电极，将自耗电极7送入结晶器8中通电开始熔炼；

步骤二、自耗电极旋转；当重熔渣熔化完毕后移走石墨电极时，在1.5min内即启动调速电机3，至自耗电极7插入渣池熔炼前调整至设定的10r/min转速；

步骤三、待步骤二中重熔稳定后，打开超声波电源14，设定好超声波功率，其功率密度为15W/cm²，频率为21KHz，发射超声波，进入熔炼状态；同时向渣池中加入Al-Mn-Si合金脱氧，加入量为3Kg/t钢；

步骤四、步骤三完成后，关闭电源、调速电机3和超声波发生装置，重熔完成。

转速的设定值与超声波功率设定值为反比关系，即转速大时，超声波功率较小，相反类似。转速较大时，熔滴尺寸较小，较小的超声波功率与转速相结合即可使液滴脱离，从而提高效率；而转速较小时，熔滴尺寸较大，需要较大的超声波功率与转速相结合才可使液滴脱离自耗电极。

实施例2

本实施例的一种高速、低夹杂物的电渣重熔方法，其基本步骤与实施例1相同，其不同之处在于：本实施例中自耗电极保持20r/min的转速，超声波功率调整为10W/cm²，向渣池中加入Al-Mn-Si合金脱氧，加入量为5Kg/t钢。

实施例3

本实施例的一种高速、低夹杂物的电渣重熔方法，其基本步骤与实施例1相同，其不同之处在于：本实施例中自耗电极保持30r/min的转速，超声波功率调整为5W/cm²。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。