导电结晶器电渣重熔法制备大型钢锭的装置及方法
阅读说明：本技术 导电结晶器电渣重熔法制备大型钢锭的装置及方法 (Device and method for preparing large steel ingot by conductive crystallizer electroslag remelting method ) 是由 董艳伍 侯志文 姜周华 胡志豪 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：一种导电结晶器电渣重熔法制备大型钢锭的装置及方法,包括电源、上部结晶器、下部结晶器、引锭板；上部结晶器有绝缘段、上导电段和下导电段；上导电段、下导电段、自耗电极和引锭板分别与电源连接；方法为：(1)装配自耗电极；引锭板与下部结晶器下沿填充密封；(2)熔渣倒入上部结晶器；(3)停止倒入熔渣,开关合闸分别构成不同供电回路,焦耳热将自耗电极加热熔化；(4)金属熔池时启动抽锭系统；(5)控制金属熔池并通过液位检测仪监测液面高度；(6)凝固坯体达到目标长度时,停止抽锭,断开供电回路。本发明的方法通过改变导电段的位置以及数量进而改变电流路径,对温度场进行了合理的优化,为铸锭减轻元素偏析,改善铸锭的表面质量提供了保障。(A device and method for preparing large-scale steel ingot by conductive crystallizer electroslag remelting method comprises a power supply, an upper crystallizer, a lower crystallizer and a dummy plate; the upper crystallizer is provided with an insulating section, an upper conductive section and a lower conductive section; the upper conductive section, the lower conductive section, the consumable electrode and the dummy bar are respectively connected with a power supply; the method comprises the following steps: (1) assembling a consumable electrode; the dummy bar plate and the lower edge of the lower crystallizer are filled and sealed; (2) pouring the slag into an upper crystallizer; (3) stopping pouring the molten slag, closing a switch to form different power supply loops respectively, and heating and melting the consumable electrode by joule heat; (4) starting a stripping system when the metal molten pool is molten; (5) controlling a molten metal bath and monitoring the liquid level height through a liquid level detector; (6) and when the solidified blank reaches the target length, stopping ingot pulling and disconnecting the power supply loop. The method changes the current path by changing the position and the number of the conductive segments, reasonably optimizes the temperature field, and provides guarantee for reducing element segregation and improving the surface quality of the ingot.)
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种导电结晶器电渣重熔法制备大型钢锭的装置及方法。
背景技术
近年来，重大装备锻件和特殊钢用钢锭的质量得到了广泛关注，大型钢锭比如轧辊，作为轧钢生产中的主要消耗设备，其使用工况变得更为苛刻；轧辊的性能好坏直接影响轧机的生产效率、轧材的表面质量和轧制成本。因此，如何制造尺寸适合、凝固组织以及力学强度都符合要求的钢锭，成为冶金行业共同关注的问题。
传统方法制造大型钢锭的方法一般都存在有凝固组织偏析严重、制造方法复杂、难以成形等缺点；应用导电结晶器电渣重熔制备大型钢锭，通过改变不同回路电流的比例，降低电极的熔化速度，进而降低铸锭偏析，但是不恶化钢锭的表面质量。
但是应用导电结晶器制备钢锭时，也存在明显的缺点，在结晶器的强冷却作用下，导电段下端附近的渣池由于没有电流流过形成的焦耳热效应，靠近结晶器内壁的部分基本处于凝固状态，所以电流主要从自耗电极流入导电段的中上部。因此，渣池的高温区主要会集中在渣池的上部，高温区位置过于靠上，导致液态渣池底部温度不足，金属熔池较浅，钢液凝固过快，热量不足以使铸锭表面的渣壳熔化，导致铸锭熔覆层表面渣壳过厚，表面质量不好。
综上所述，导电结晶器回路的电渣重熔法制备钢锭过程存在表面质量差的缺点，不利于制备出表面质量和内部质量兼顾的性能优异的大尺寸钢锭。
发明内容
本发明的目的是提供一种导电结晶器电渣重熔法制备大型钢锭的装置及方法，目的在于通过改变导电环位置和数量来改变电流路径，进而改变或调控渣池的高温区位置，使渣池高温区向下移动，提高金属熔池边部的温度及深度，进而保证铸锭良好的表面质量。
本发明的导电结晶器电渣重熔法制备大型钢锭的装置包括电源、上部结晶器、下部结晶器、引锭板；上部结晶器从上到下依次为绝缘段、上导电段和下导电段，其中绝缘段和上导电段之间设有第一耐高温绝缘垫片，上导电段和下导电段之间设有第二耐高温绝缘垫片，下导电段和下部结晶器之间设有第三耐高温绝缘垫片；上导电段和下导电段分别与第一短网和第二短网连接，第一短网和第二短网同时与第三短网连接；第三短网分别通过第三开关和第四开关与第四短网和第五短网连接，第四短网与第六短网的一端连接，第六短网的另一端用于与自耗电极连接；引锭板与第七短网的一端连接，第七短网的另一端分别通过第五开关和第六开关与第八短网和第九短网连接；第八短网和第四短网同时与电源的一极连接，第九短网和第五短网同时与电源的另一极连接；第一短网上设有第一开关，第二短网上设有第二开关，第六短网上设有第七开关。
上述装置中，下部结晶器侧壁上装配有液位检测仪的传感器探头；传感器探头由上部探头和下部探头组成，上部探头和下部探头的垂直高度差为15～20mm；上部探头与第三耐高温绝缘垫片的底面连接，或者与第三耐高温绝缘垫片的垂直间距为20～50mm。
上述装置中，上部探头和下部探头的前端面与下部结晶器的内壁平齐。
上述装置中，上导电段内部设有冷却水腔用于通入冷却水。
上述装置中，下导电段内部设有冷却水腔用于通入冷却水。
上述装置中，下部结晶器内设有冷却水腔用于通入冷却水。
上述装置中，第一耐高温绝缘垫片、第二耐高温绝缘垫片和第三耐高温绝缘垫片的厚度为3～20mm。
上述装置中，上述的第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关和第七开关为大电流控制开关。
本发明的导电结晶器电渣重熔法制备大型钢锭的方法是采用上述装置，按以下步骤进行：
1、将自耗电极装配在假电极上，将假电极悬挂在电渣炉的横梁支臂上，自耗电极的轴线与上部结晶器和下部结晶器的轴线重合；将引锭板与下部结晶器下沿用镁砂和石棉绳填充密封；
2、将温度达到预设温度的熔渣倒入上部结晶器内，形成液态渣池；所述的熔渣是渣系经化渣包化渣后，升温至预设温度的熔渣，该熔渣从化渣包内倒入；此时第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关和第七开关为断开状态；
3、当液态渣池的液面高于上导电段，且与上导电段顶面垂直间距超过10mm时，停止倒入熔渣，并将第一开关、第二开关、第四开关、第六开关和第七开关合闸，使电源、自耗电极、液态渣池、引锭板、上导电段和下导电段构成第一供电回路，其中引锭板、上导电段和下导电段并联；或者停止倒入熔渣时，将第一开关、第二开关、第三开关、第六开关和第七开关合闸，使电源、自耗电极、液态渣池、引锭板、上导电段和下导电段构成第二供电回路，其中上导电段和下导电段并联；或者停止导入熔渣时，将第一开关、第二开关、第四开关、第七开关合闸，使电源、自耗电极、液态渣池、上导电段和下导电段构成第三供电回路，其中上导电段和下导电段并联；或者停止导入熔渣时，将第一开关、第二开关、第四开关、第五开关、第七开关合闸，使电源、自耗电极、液态渣池、上导电段和下导电段构成第四供电回路，其中上导电段和下导电段并联；在电流作用下液态渣池产生的焦耳热对自耗电极加热使其开始熔化；
4、自耗电极熔化形成的金属液滴沉入液态渣池底部，逐渐累积形成金属熔池；此时启动抽锭系统将引锭板下降；金属熔池受下部结晶器的冷却作用凝固，形成凝固铸坯；
5、通过控制引锭板的下降速度，以及自耗电极的熔化速度，控制金属熔池的液面位于下部结晶器侧壁上装配的上部探头和下部探头之间，通过液位检测仪监测液面高度；
6、随着抽锭的进行，引锭板逐渐下降，当引锭板上凝固铸坯的长度达到目标长度时，停止抽锭，通过升降装置抬升自耗电极脱离液态渣池，断开第一供电回路、第二供电回路或第三供电回路，凝固铸坯冷却至常温获得钢锭。
上述方法中，上导电段内部的冷却水腔内冷却水流通，下导电段内部的冷却水腔内冷却水流通，下部结晶器内的冷却水腔内冷却水流通。
上述方法中，通过改变自耗电极插入液态渣池的深度，配合第二耐高温绝缘垫片的厚度，调节上导电段和下导电段的电流比例；当第二耐高温绝缘垫片的厚度在3～20mm之间时，控制下导电段与上导电段的电流比例为5～0.5倍。
本发明的钢锭的直径≥300mm，长度≥1500mm。
本发明的方法采用液渣启动增加了其操作的便捷性，在重熔系统中改变了供电回路，通过改变导电段的位置以及数量进而改变电流路径，对渣池尤其是渣-金属界面附近的温度场进行了合理的优化，提高渣-金属界面处的温度，尤其是提高金属熔池边部的温度及深度，降低铸锭表面渣壳厚度，制备出表面质量更好的钢锭；液位检测仪可动态实时监测渣金界面的位置，为合理调整抽锭速度以确保渣-金界面的稳定提供了保障。
附图说明
图1为本发明实施例中导电结晶器电渣重熔法制备大型钢锭的装置结构示意图；
图中，1、电源，2、自耗电极，3、液态渣池，4、金属熔池，5、绝缘段，6、第一耐高温绝缘垫片，7、上导电段，8、第二耐高温绝缘垫片，9、第三耐高温绝缘垫片，10、传感器探头，11、下部结晶器，12、凝固铸坯，13、引锭板，14、下导电段，15、第一开关，16、第二开关，17、第三开关，18、第四开关，,19、第五开关，20、第六开关，21、第七开关。
具体实施方式
本发明实施例中采用的自耗电极的材质为Cr5钢。
本发明实施例中耐高温绝缘垫片的材质为石棉。
本发明实施例中液位检测仪型号为ML0C-2M。
本发明实施例中上部结晶器的上导电段的内径为420mm，其中上导电段的高度为30mm，下导电段的高度为10mm。
本发明实施例中下部结晶器的内径为350mm。
本发明实施例中自耗电极的直径为350mm。
本发明实施例中，在上导电段和下导电段的高度一定的条件下，在液态熔渣的总量一定的条件下，通过自耗电极的插入深度，调节液态熔渣的液面位置；当第二耐高温绝缘垫片的厚度改变时，上导电段和下导电段各自接触的液态熔渣面积随之改变，两个接触面积的比例，决定电流经过上导电段和下导电段的比例；由此能够在形成供电回路时，在上导电段和下导电段并联时，通过改变第二耐高温绝缘垫片的厚度，控制下导电段与上导电段的电流比例，进而控制液态渣池内部的温度分布。
本发明实施例中，第一耐高温绝缘垫片、第二耐高温绝缘垫片和第三耐高温绝缘垫片的厚度为3～20mm。
本发明实施例中，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关和第七开关为大电流控制开关。
本发明实施例中钢锭长度2200mm。
本发明实施例中的渣料成分按质量百分比含CaF2 40～55％，CaO 15～25％，Al2O320～30％，MgO 0～5％，SiO2 0～10％，总成分之和等于100％。
本发明实施例中，自耗电极的熔化速度为220～400kg/h。
实施例1
导电结晶器电渣重熔法制备大型钢锭的装置结构如图1所示，包括电源1、上部结晶器、下部结晶器11、引锭板13；
上部结晶器从上到下依次为绝缘段5、上导电段7和下导电段14，其中绝缘段5和上导电段7之间设有第一耐高温绝缘垫片6，上导电段7和下导电段14之间设有第二耐高温绝缘垫片8，下导电段14和下部结晶器11之间设有第三耐高温绝缘垫片9；
上导电段7和下导电段14分别与第一短网和第二短网连接，第一短网和第二短网同时与第三短网连接；第三短网分别通过第三开关17和第四开关18与第四短网和第五短网连接，第四短网与第六短网的一端连接，第六短网的另一端用于与自耗电极2连接；引锭板13与第七短网的一端连接，第七短网的另一端分别通过第五开关19和第六开关20与第八短网和第九短网连接；第八短网和第四短网同时与电源1的一极连接，第九短网和第五短网同时与电源1的另一极连接；第一短网上设有第一开关15，第二短网上设有第二开关16，第六短网上设有第七开关21；
下部结晶器11侧壁上装配有液位检测仪的传感器探头10；传感器探头10由上部探头和下部探头组成，上部探头和下部探头的垂直高度差为15mm；上部探头与第三耐高温绝缘垫片9的垂直间距为30mm；
上部探头和下部探头的前端面与下部结晶器11的内壁平齐；
上导电段7内部设有冷却水腔用于通入冷却水；下导电段14内部设有冷却水腔用于通入冷却水；下部结晶器11内设有冷却水腔用于通入冷却水；
导电结晶器电渣重熔法制备大型钢锭的方法为：
将自耗电极2装配在假电极上，将假电极悬挂在电渣炉的横梁支臂上，自耗电极2的轴线与上部结晶器和下部结晶器11的轴线重合；将引锭板13与下部结晶器11下沿用镁砂和石棉绳填充密封；
上导电段7内部的冷却水腔内冷却水流通；下导电段14内部的冷却水腔内冷却水流通；下部结晶器11内的冷却水腔内冷却水流通；
将温度达到预设温度的熔渣倒入上部结晶器内，形成液态渣池3；所述的熔渣是渣系经化渣包化渣后，升温至预设温度的熔渣，该熔渣从化渣包内倒入；此时第一开关15、第二开关16、第三开关17、第四开关18、第五开关19、第六开关20和第七开关21为断开状态；
当液态渣池3的液面高于上导电段7，且与上导电段7顶面垂直间距超过10mm时，停止倒入熔渣，并将第一开关15、第二开关16、第四开关18、第六开关20和第七开关21合闸，使电源1、自耗电极2、液态渣池3、引锭板13、上导电段7和下导电段14构成第一供电回路，其中引锭板13、上导电段7和下导电段14并联；在电流作用下液态渣池3产生的焦耳热对自耗电极2加热使其开始熔化；
自耗电极2熔化形成的金属液滴沉入液态渣池3底部，逐渐累积形成金属熔池4；此时启动抽锭系统将引锭板13下降；金属熔池4受下部结晶器11的冷却作用凝固，形成凝固铸坯12；
通过控制引锭板13的下降速度，以及自耗电极2的熔化速度，控制金属熔池4的液面位于下部结晶器11侧壁上装配的上部探头和下部探头之间，通过液位检测仪监测液面高度；
随着抽锭的进行，引锭板13逐渐下降，当引锭板13上凝固铸坯12的长度达到目标长度时，停止抽锭，通过升降装置抬升自耗电极2脱离液态渣池3，断开第一供电回路，凝固铸坯12冷却至常温获得钢锭；
上述过程中，设置第二耐高温绝缘垫片8的厚度在3mm，下导电段14与上导电段7的电流比例为5倍；自耗电极2中流入的总电流为6000A，通过上导电段7的电流为500A，通过下导电段14的电流为2500A，通过引锭板13的电流为3000A；
自耗电极2熔化速度为300kg/h，制备出的钢锭内部凝固质量良好无疏松、缩孔等缺陷，元素偏析程度减弱，相对于传统方法大幅降低，铸锭表面无夹渣、褶皱，在后续加工过程中，切削量大大减少，极大的提高了成材率。
实施例2
装置结构同实施例1，不同点在于：
上部探头和下部探头的垂直高度差为20mm；上部探头与第三耐高温绝缘垫片的垂直间距为40mm；
方法同实施例，不同点在于：
设置第二耐高温绝缘垫片的厚度在20mm，下导电段与上导电段的电流比例为0.5倍；通过上导电段的电流为2000A，通过下导电段的电流为1000A；
自耗电极熔化速度为400kg/h，制备出的铸锭，内部凝固质量良好无疏松、缩孔等缺陷，元素偏析程度较实施例1略有增加，相对于传统方法大幅降低，铸锭表面无夹渣、褶皱，在后续加工过程中，切削量大大减少，极大的提高了成材率。
实施例3
装置结构同实施例1，不同点在于：
上部探头和下部探头的垂直高度差为20mm；上部探头与第三耐高温绝缘垫片的垂直间距为40mm；
方法同实施例，不同点在于：
(1)停止倒入熔渣时，将第一开关、第二开关、第三开关、第六开关和第七开关合闸，使电源、自耗电极、液态渣池、引锭板、上导电段和下导电段构成第二供电回路，其中上导电段和下导电段并联；
(2)停止抽锭时，断开第二供电回路；
(3)设置第二耐高温绝缘垫片的厚度在3mm，下导电段与上导电段的电流比例为2倍；自耗电极中流入的总电流为3000A，通过上导电段的电流为1000A，通过下导电段的电流为2000A，通过引锭板的电流为6000A；
自耗电极熔化速度为220kg/h，制备出的铸锭，内部凝固质量良好无疏松、缩孔等缺陷，元素偏析程度较实施例1极大减弱，并且铸锭表面无夹渣、褶皱，表面质量十分优异，在后续加工过程中，切削量大大减少，极大的提高了成材率。
实施例4
装置结构同实施例1，不同点在于：
上部探头和下部探头的垂直高度差为20mm；上部探头与第三耐高温绝缘垫片的垂直间距为40mm；
方法同实施例，不同点在于：
(1)停止导入熔渣时，将第一开关、第二开关、第四开关、第七开关合闸，使电源、自耗电极、液态渣池、上导电段和下导电段构成第三供电回路，其中上导电段和下导电段并联；
(2)停止抽锭时，断开第三供电回路；
(3)设置第二耐高温绝缘垫片的厚度在3mm，下导电段与上导电段的电流比例为5倍；自耗电极中流入的总电流为6000A，通过上导电段的电流为1000A，通过下导电段的电流为5000A，引锭板不通入电流；
自耗电极熔化速度为350kg/h，制备出的铸锭，内部凝固质量良好无疏松、缩孔等缺陷，尽管自耗电极熔化速度提高，但是元素偏析程度依然较实施例1极大减弱，并且铸锭表面无夹渣、褶皱，表面质量十分优异，在后续加工过程中，切削量大大减少，极大的提高了成材率。
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