專利名稱：真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù)定向凝固裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電渣重熔技術(shù)，特別是涉及一種真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù) 定向凝固技術(shù)。
背景技術(shù)：
鑄錠開坯是變形合金加工的首道工序，其目的包括兩個方面，一是破碎鑄態(tài)組 織獲得均勻細(xì)小的等軸晶組織，提高材料塑性；二是改變鑄錠幾何形狀以便進(jìn)行下一步 的加工。然而對于高合金化的金屬材料，例如工模具鋼，難變形高溫合金等，由于含有 大量的合金化元素，合金在凝固過程中形成嚴(yán)重的元素偏析，以致枝晶間形成粗大的析 出相，同時這類合金熔點低，動態(tài)再結(jié)晶溫度高，可塑性差，最佳塑性溫度范圍窄，導(dǎo) 致加工異常困難，這就給合金鑄錠的開坯過程帶來非常大的困難。降低合金鑄錠的元素偏析程度，控制枝晶間一次生成相的數(shù)量、尺寸和形態(tài)是 提高合金鑄錠熱塑性的有效方法。真空電弧重熔和電渣重熔是難變形合金常用的重熔精 煉手段，一方面重熔精煉可以有效地去除氣體、雜質(zhì)和非金屬夾雜物得到較高純度的鋼 錠，另一方面重熔精煉過程熔化金屬快速軸向結(jié)晶，使錠子組織致密，偏析較小，有助 于提高鋼錠的熱加工塑性。采用傳統(tǒng)重熔精煉工藝冶煉的鑄錠組織主要由與鋼錠表面呈 一定夾角的柱狀晶組成，有時在鑄錠中心還存在一些粗大的等軸晶，不同取向柱狀晶在 中心的交匯處或柱狀晶與中心等軸晶的晶界處是鑄錠偏析最嚴(yán)重的區(qū)域，容易出現(xiàn)一次 析出相和非金屬夾雜物的聚集區(qū)。另外，傳統(tǒng)的重熔精煉工藝鑄錠凝固過程中樹枝晶的 生長方向是各不相同的，不同生長方向樹枝晶交匯處形成的糊狀區(qū)同樣是偏析和一次析 出相聚集的區(qū)域，這些區(qū)域在開坯過程中容易誘發(fā)裂紋導(dǎo)致鑄錠報廢或變形后形成條帶 組織降低材料性能。采用定向凝固工藝生產(chǎn)沒有橫向晶界，柱狀晶和樹枝晶生長方向保持一致的鑄 錠是降低高合金化合金偏析程度，避免大尺寸夾雜物和其他析出相聚集，提高熱塑性的 有效方法。然而傳統(tǒng)的定向凝固工藝所用的設(shè)備龐大，且成本高，效率低，不適合生產(chǎn) 大尺寸的鑄錠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù)定向凝固裝置和方法， 其成本低廉，工藝參數(shù)可控性好，可以生產(chǎn)大尺寸、低偏析定向凝固鑄錠。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方面是提供一種真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù) 定向凝固裝置，包括電源、自耗電極(1)、水冷結(jié)晶器(2)、氣體保護(hù)系統(tǒng)；所述水冷結(jié) 晶器⑵下部有水冷底盤(7)和底抽錠裝置(13)；所述自耗電極⑴采用雙回路的控制 方式，使得使抽錠速度與鑄錠的凝固速度相當(dāng)。自耗電極⑴的雙回路控制系統(tǒng)為縱向電流回路變壓器一自耗電極⑴一漁 池(3)—鑄錠(6)—水冷底盤(7)—縱向電流整流器(12)—變壓器；側(cè)向電流回路變壓器一自耗電極(1)一漁池⑶一水冷結(jié)晶器⑵一側(cè)向電流整流器(11)一變壓器；且兩回 路的電流大小是獨立可調(diào)的。所述變壓器為磁調(diào)變壓器(10)。所述雙回路均接有整流裝置，使電流可調(diào)。水冷結(jié)晶器⑵下方裝有強(qiáng)制冷卻裝置(5)。該裝置還裝有氣體保護(hù)罩(9)，能夠抽取真空或通入保護(hù)氣體。水冷結(jié)晶器(2)具有導(dǎo)電模塊的開放式水冷銅結(jié)晶器，結(jié)晶器直徑D在 Φ IOOmm Φ 500mm之間，高度H為直徑D的1 1.5倍。所用自耗電極(1)的直徑為40% 80% D。渣池(3)在水冷結(jié)晶器⑵中的高度為20% 70% D。為了進(jìn)一步實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種真空/氣體保護(hù)電渣重熔連 續(xù)定向凝固的方法，包括如下步驟a.首先將水冷底盤(7)置于水冷結(jié)晶器(2)的底部；b.將預(yù)先熔化好的熔渣倒入水冷結(jié)晶器(2)中，把自耗電極⑴插入渣池⑶中 起弧并使自耗電極(1)熔化；c.當(dāng)形成的鑄錠(6)達(dá)到一定高度時開始抽錠；d.抽錠時控制系統(tǒng)的電壓和電流的大小，該電流分為縱向電流和側(cè)向電流雙回 路輸入電極，控制電流大小包括控制縱向電流和側(cè)向電流的分配，使抽錠速度與鑄錠的 凝固速度相當(dāng)，渣池液面位置保持不變；e.當(dāng)渣池液面位置保持不變后蓋上氣體保護(hù)罩(9)；f.當(dāng)水冷底盤(7)抽出水冷結(jié)晶器(2)后開啟冷卻裝置(5)。水冷結(jié)晶器⑵中鑄錠(6)的高度達(dá)到IOmm 40mm時開始抽錠。抽錠速度為2mm/min 20mm/min ；并通過控制磁調(diào)變壓器(10)的輸出電壓 和自耗電極⑴插入渣池⑶的深度來控制系統(tǒng)的電壓和電流，然后調(diào)節(jié)縱向電流整流器 (12)和/或側(cè)向電流整流器(11)來控制縱向電流和側(cè)向電流的分配使自耗電極(1)的熔 化速度與鑄錠的凝固速度相當(dāng)，控制渣池液面位置保持不變。當(dāng)渣池液面保持平衡后蓋上氣體保護(hù)罩(9)并充入氬氣或保持真空以保護(hù)渣池 ⑶。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果1、消除常規(guī)凝固中不同取向晶粒及樹枝晶交匯處形成的成分偏析，夾雜物聚集 和凝固疏松；2、側(cè)向電流的應(yīng)用有助于控制渣池的溫度，獲得可控的凝固前沿溫度梯度有利 于控制鑄錠的凝固組織；3、本發(fā)明采用開放式導(dǎo)電結(jié)晶器和自動抽錠系統(tǒng)，可以通過選擇不同的強(qiáng)制冷 卻措施控制鑄錠凝固過程的溫度梯度和凝固速度，獲得可控的凝固組織；4、本發(fā)明可使重熔過程中的熔池深度比傳統(tǒng)電渣重熔降低70%，有利于控制枝 晶間析出相的數(shù)量、尺寸、形態(tài)和分布并防止析出相的聚集；5、本發(fā)明中均勻的與鑄錠軸線平行的定向結(jié)晶組織使在變形過程中比較薄弱的 晶界區(qū)域避開了應(yīng)力最大的方向，有利于提高變形塑性，防止變形開裂；
6、本發(fā)明可得到均勻的與鑄錠軸線平行的定向結(jié)晶組織可控制樹枝晶尺寸，細(xì) 化鑄造組織；利于熱加工過程樹枝晶的破碎和動態(tài)再結(jié)晶；7、本發(fā)明的冶煉過程具有穩(wěn)定平直的渣液/金屬液界面和金屬液/固界面，有 利于獲得均勻的定向凝固組織；8、本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，既可以為變形合金提供優(yōu)質(zhì)的鑄錠，又可以得 到大尺寸直接利用的定向凝固鑄錠；9、真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù)定向凝固技術(shù)工藝參數(shù)可控，是可工程化的適 用型高科技技術(shù)。


圖1為本發(fā)明的真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù)定向凝固裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為采用本發(fā)明獲得的定向凝固鑄錠的宏觀組織；圖3為采用本發(fā)明獲得的定向凝固鑄錠的微觀組織；圖4為采用現(xiàn)有技術(shù)電渣重熔工藝獲得鑄錠的宏觀組織；圖5為采用現(xiàn)有技術(shù)電渣重熔工藝獲得鑄錠的微觀組織。附圖標(biāo)號1自耗電極8引錠桿2水冷結(jié)晶器9氣體保護(hù)罩3渣池10磁調(diào)變壓器4工作平臺11側(cè)向電流整流器5強(qiáng)制冷卻裝置 12縱向電流整流器6定向凝固鑄錠 13抽錠裝置7水冷底盤
具體實施例方式實施例1制備Φ 155的FGH96合金定向凝固鑄錠。水冷結(jié)晶器2的直徑D = Φ 160mm,高度為200mm，置于工作平臺4上。使用的設(shè)備具有雙回路設(shè)計，一條回路是變壓器一自耗電極一漁池一鑄錠一 水冷底盤一整流器一變壓器(稱為縱向電流)；另一條回路是變壓器一自耗電極一漁 池一結(jié)晶器的導(dǎo)電模塊一整流器一變壓器(稱為側(cè)向電流)，通過控制縱向電流和側(cè)向電 流的分配比例使渣池獲得均勻的溫度場，從而進(jìn)一步控制金屬熔池的形狀。將水冷底盤7置于水冷結(jié)晶器2的低端，倒入預(yù)先熔化好的IOOmm深的熔渣， 將直徑為IOOmm的自耗電極1插入渣池3中起弧，并使自耗電極1熔化；當(dāng)渣池液面上 升至30mm時開始抽錠，控制抽錠速度在2 20mm/min ；通過控制磁調(diào)變壓器10的輸 出電壓和自耗電極1插入渣池的深度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓和電流，本實施例中，使電壓為 40V ；然后調(diào)節(jié)縱向電流整流器12和側(cè)向電流整流器11來控制縱向電流和側(cè)向電流的分 配，使縱向電流為1000 2500A，側(cè)向電流為100 2000A ；達(dá)到自耗電極1的熔化速 度與鑄錠的凝固速度相當(dāng)，進(jìn)而使渣池液面保持不變；渣池3液面位置平衡后蓋上氣體 保護(hù)罩9，本實施例中通入保護(hù)氣體氬氣；當(dāng)水冷底盤7抽出水冷結(jié)晶器2后開啟強(qiáng)制冷卻裝置5，得到定向凝固鑄錠6。實施例2制備Φ 105的FGH96合金定向凝固鑄錠。水冷結(jié)晶器2的直徑D = Φ 110mm，高度為150mm，置于工作平臺4上。將水冷底盤7置于水冷結(jié)晶器2的低端，倒入預(yù)先熔化好的60mm深的熔渣，將 直徑為70mm的自耗電極1插入渣池3中起弧，并使自耗電極1熔化；當(dāng)渣池3液面上升 至30mm時開始抽錠，抽錠速度控制在2 20mm/min，通過控制磁調(diào)變壓器10的輸出電 壓和自耗電極1插入渣池的深度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓和電流，本實施例中，使電壓為40V; 然后調(diào)節(jié)縱向電流整流器12和側(cè)向電流整流器11來控制縱向電流和側(cè)向電流的分配，使 縱向電流為800 1500A，側(cè)向電流為100 2000A，達(dá)到自耗電極1的熔化速度與鑄錠 的凝固速度相當(dāng)，進(jìn)而使渣池液面保持不變；渣池3液面位置平衡后蓋上氣體保護(hù)罩9， 本實施例中抽取真空；當(dāng)水冷底盤7抽出水冷結(jié)晶器2后開啟強(qiáng)制冷卻裝置5，得到定向 凝固鑄錠6。下表為本發(fā)明各個實施例的工藝參數(shù)。表 權(quán)利要求
1.一種真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù)定向凝固裝置，包括電源、自耗電極(1)、水冷 結(jié)晶器(2)、氣體保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于所述水冷結(jié)晶器(2)下部有水冷底盤(7)和抽 錠裝置(13)；所述自耗電極(1)采用雙回路的控制方式，使得使抽錠速度與鑄錠的凝固 速度相當(dāng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于自耗電極⑴的雙回路控制系統(tǒng)為縱 向電流回路變壓器一自耗電極(1)一漁池(3)—鑄錠(6)—水冷底盤(7)—縱向電流整流 器(12)—變壓器；側(cè)向電流回路變壓器一自耗電極(1)一漁池(3)—水冷結(jié)晶器⑵一 側(cè)向電流整流器(11)一變壓器；且兩回路的電流大小是獨立可調(diào)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述變壓器為磁調(diào)變壓器(10)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于水冷結(jié)晶器(2)下方裝有強(qiáng)制冷卻裝置(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該裝置還裝有氣體保護(hù)罩(9)，能夠抽 取真空或通入保護(hù)氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于水冷結(jié)晶器(2)為具有導(dǎo)電模塊的開放式 水冷銅結(jié)晶器，結(jié)晶器直徑D在Φ IOOmm Φ500·之間，高度H為直徑D的1 1.5倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所用自耗電極(1)的直徑為40% 80% D。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于渣池(3)在水冷結(jié)晶器(2)中的高度為 20% 70% D。
9.一種如權(quán)利要求1所述的裝置完成真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù)定向凝固方法，其 特征在于它包括如下步驟a.首先將水冷底盤(7)置于水冷結(jié)晶器(2)的底部；b.將預(yù)先熔化好的熔渣倒入水冷結(jié)晶器(2)中，把自耗電極⑴插入渣池(3)中起弧 并使自耗電極⑴熔化；C.當(dāng)形成的鑄錠(6)達(dá)到一定高度時開始抽錠；d.抽錠時控制系統(tǒng)的電壓和電流的大小，該電流分為縱向電流和側(cè)向電流雙回路輸 入電極，控制電流大小包括控制縱向電流和側(cè)向電流的分配，使抽錠速度與鑄錠的凝固 速度相當(dāng)，渣池液面位置保持不變；e.當(dāng)渣池液面位置保持不變后蓋上氣體保護(hù)罩(9)；f.當(dāng)水冷底盤(7)抽出水冷結(jié)晶器(2)后開啟冷卻裝置(5)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于水冷結(jié)晶器(2)中鑄錠(6)的高度達(dá) 到IOmm 40mm時開始抽錠。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于抽錠速度為2mm/min 20mm/min； 并通過控制磁調(diào)變壓器(10)的輸出電壓和自耗電極(1)插入渣池(3)的深度來控制系統(tǒng) 的電壓和電流，然后調(diào)節(jié)縱向電流整流器(12)和/或側(cè)向電流整流器(11)來控制縱向電 流和側(cè)向電流的分配使自耗電極(1)的熔化速度與鑄錠的凝固速度相當(dāng)，控制渣池液面 位置保持不變。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于當(dāng)渣池液面保持平衡后蓋上氣體保護(hù) 罩(9)并充入氬氣或保持真空以保護(hù)渣池(3)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電渣重熔技術(shù)，特別是一種真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù)定向凝固裝置和方法。該裝置包括電源、自耗電極(1)、水冷結(jié)晶器(2)、氣體保護(hù)系統(tǒng)，其中所述水冷結(jié)晶器(2)下部有水冷底盤(7)和抽錠裝置(13)；所述自耗電極(1)采用雙回路的控制方式，使得使抽錠速度與鑄錠的凝固速度相當(dāng)。本發(fā)明操作簡單，控制方便，成本低廉，可生產(chǎn)大尺寸低偏析定向凝固鑄錠，適用于大批量生產(chǎn)應(yīng)用。
文檔編號C22B9/04GK102021348SQ20101061403
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者付銳, 任昊, 馮滌, 陳希春 申請人:鋼鐵研究總院