專利名稱:半有襯優(yōu)質(zhì)節(jié)能電渣重熔的制作方法
本發(fā)明為一種電渣重熔技術(shù)，它提供一種降低電渣能耗、準(zhǔn)確控制合金成分、改善合金和鋼質(zhì)量的電渣精煉方法。
現(xiàn)有電渣重熔冶金技術(shù)對改善鋼與合金質(zhì)量、提高成材率等方面起到了顯著的推動作用。但是該工藝本身存在著以下三方面不足1.電能消耗高，電能有效利用率只達(dá)24～44%;
2.合金鋼與合金重熔過程Al、Ti等活潑元素?zé)龘p，合金成分不易準(zhǔn)確控制;〔O〕、〔N〕、〔H〕等含量低之母材重熔過程它們之含量會被大氣污染而增高。
3.合金鋼(如38CrMoALA)或高溫合金(如GH37、GH49等)的大斷面電渣錠易出現(xiàn)點(diǎn)狀偏析等缺陷;提高結(jié)晶質(zhì)量與提高生產(chǎn)率存在一定的矛盾。
多年來，冶金界對以上課題分別做了許多研究工作?！?-13〕例如在降低電耗方面主要是靠合理布置短網(wǎng)、提高填充比、提高渣阻、提高重熔速率來提高電熱利用率，但始終沒有消除占總能耗30～45%渣池?zé)嵘⑹?。又如過去多在調(diào)整渣系成分、采用保護(hù)氣氛、以及G.BohLer之專利設(shè)計(jì)的疊加直流電化學(xué)控制電渣鋼成分、去氣、去夾雜。但仍未能同時(shí)解決以上1、3兩方面的課題?？傊两裆袥]有同時(shí)綜合解決這些問題的報(bào)導(dǎo)。
本發(fā)明設(shè)計(jì)了渣池有襯交流電渣、疊加直流電化學(xué)精煉和軸向結(jié)晶抽錠三晶合的新型電渣裝置，并提供了相應(yīng)的工藝，以達(dá)到大幅度降低電渣鋼能耗是本發(fā)明的第一個目的;準(zhǔn)確控制活潑元素成分、降低鋼中氣體、夾雜含量及其分布是本發(fā)明的第二個目的;減少重熔電渣錠的顯微偏析，改善大斷面電渣錠結(jié)晶質(zhì)量是本發(fā)明的第三個目的。
本發(fā)明之半有襯優(yōu)質(zhì)節(jié)能電渣重熔裝置示于圖1。金屬自耗電極4下端插入導(dǎo)電熔渣渣池5中，由電源變壓器10輸出交流電使之熔化，形成金屬熔滴經(jīng)過渣池精煉過渡到金屬熔池6，通過水冷底座8和水冷銅結(jié)晶器1逐漸凝固形成電渣錠7，其特征如下1.電渣重熔過程防大氣污染及電化學(xué)精煉裝置在通常電渣爐交流電源主回路中附加一整流裝置11，其正極通過非自耗環(huán)電極3始終保持渣池處于正電位，而自耗電極和金屬熔池每周波交替處于負(fù)電位，使金屬處于陰極保護(hù)狀態(tài)，從而抑止活潑元素的燒損;同時(shí)金屬液中之〔S〕、〔O〕、〔N〕、〔H〕等有害雜質(zhì)得以電介精煉而進(jìn)一步去除，這是本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)之一。
2.促使鋼或合金錠軸向結(jié)晶之抽錠節(jié)能裝置將通常之電渣爐結(jié)晶器縮短為主要對金屬液結(jié)晶及錠身冷卻，其高度為其內(nèi)徑的1～2倍;而渣池四周之主要部分用非自耗環(huán)電極外加絕熱材料保溫，使渣池徑向溫度分布均勻，相應(yīng)金屬溶池徑向溫差亦減小，熔池呈淺扁平狀，從而促使合金液沿錠縱向結(jié)晶，進(jìn)一步改善合金錠的熱加工塑性，克服大斷面電渣錠之偏析缺陷。這是本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)之二。由于渣池取消水冷，可顯著減少渣池之散熱損失，在保證原重熔速率條件下，在原有節(jié)能措施(如大填充比、合理短網(wǎng)等)基礎(chǔ)上還可進(jìn)一步減少輸入功率20～35%是本發(fā)明的第三個優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的非自耗環(huán)狀電極可以是石墨質(zhì)材料或石墨復(fù)合材料，為延長使用壽命，其表面可涂以MoSi2等抗高溫涂層;其上部聯(lián)結(jié)導(dǎo)電夾頭處應(yīng)水冷，其下部與結(jié)晶器上口應(yīng)為子母口凸緣聯(lián)結(jié)配合，并以高溫絕緣涂層9相互絕緣，這樣結(jié)構(gòu)以利于順利抽錠。
本發(fā)明的非自耗環(huán)狀電極也可用BN材料做襯里，其外邊放置Al2O3或ZrO2等絕熱材料而獲得大幅度節(jié)能效果。
本發(fā)明的水冷底座上端面在電渣重熔開始時(shí)應(yīng)能伸入至結(jié)晶器中距后者上端面30～50mm，其四周涂以高溫絕緣漆9與結(jié)晶器絕緣。此結(jié)構(gòu)可使電渣重熔全過程，包括錠子底部金屬全受到電化學(xué)保護(hù)和精煉處理。本發(fā)明之水冷底座上下升降之抽錠裝置采用短周期間歇移動機(jī)構(gòu)，它可以是電驅(qū)動或與電極熔化速率相匹配的機(jī)械傳動;間歇移動總周期為10～15S，每周期停歇與移動時(shí)間比為1∶2～3，以利于錠身、渣皮冷卻，改善抽錠質(zhì)量。
用以上裝置重熔以下成份的高溫合金≤0.1%C，9～25%Cr，≤16%Co，≤7%W，≤7%Mo，≤4.8%Al，≤2.9%Ti，≤0.8%V，≤0.02%B，≤5%Nb+Ta，≤18%Fe，Ni余量;采用相應(yīng)的渣系成分20～28%Al2O3，4～14%MgO，≤10%CaO，≤0.6%TiO2，CaF2余量;疊加于自耗金屬電極及金屬熔池之直流電流密度分別為0.3～1.8安/厘米2和0.2～1.8安/厘米2，輸入電渣爐總電功率為現(xiàn)有的70%，能保持現(xiàn)有電渣的重熔速率可獲得合金成分控制準(zhǔn)確、雜質(zhì)含量低、縱向結(jié)晶組織致密良好的電渣錠。本發(fā)明對重熔合金鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼同樣也獲得良好結(jié)果。
為了對本發(fā)明提供的設(shè)計(jì)裝置和工藝技術(shù)有較好的理解，并對本發(fā)明的優(yōu)越性有一個正確評價(jià)，特給出以下例證。
自耗電極母材為GH49、GH37高溫合金和GCr15軸承鋼棒，結(jié)晶器直徑為85/88mm。渣料CaF2為用Fe-Al電渣提純工業(yè)螢石，Al2O3、CaO為工業(yè)純，MgO為80網(wǎng)目工業(yè)電熔鎂砂粉、TiO2為工業(yè)純;使用前在電阻爐中850℃焙燒3h以上，每爐渣量為850q，引熔劑為重10g的CaF2和Ni(或Fe)粉按2∶3混勻的壓結(jié)塊，引錠底墊與自耗電極同成分。渣料是用非自耗電極熔化，渣池溫度達(dá)1700℃左右保持4min，然后交換自耗電極在大氣下重熔，同時(shí)疊加直流;重熔交流電壓為26伏，電壓為700安培。GH49、GH37合金采用渣系分別為68.5%CaF2-5%MgO-26%Al2O3-0.5%TiO2和51.5%CaF2-14%MgO-26%Al2O3-8%CaO-0.5%TiO2。由調(diào)壓器分別調(diào)整自耗電極、金屬熔池的直接電流密度Ie、Ip。當(dāng)熔池液面距非自耗環(huán)電極端部5至8mm處，結(jié)晶器開始隨自耗電極下降而相應(yīng)提升。在鋼錠上部取樣分析Al、Ti、Mg、S、O、C、N等。為考查重熔錠之鑄態(tài)組織，縱剖鋼錠做高低倍觀測。電渣過程總電耗由電度表實(shí)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下1.電渣重熔電能消耗實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的本發(fā)明新型電渣與普通電渣電耗對比，如表1所示，其中重熔GCr15鋼所用渣系與GH37合金相同。錠重均為8Kg，表中所示電耗均包含熔化渣料電耗。在相同錠型及填充比條件下，重熔速率基本相同時(shí)，新型電渣比通常電渣的比電耗降低近1/3。表中所示為填充比0.174和0.142之比電耗値。若增大填充比，增大錠型，則新型電渣之比電耗値還會進(jìn)一步降低。
表1 新型電渣與普通電渣重熔合金電耗對比
2.電渣重熔合金中活潑元素及雜質(zhì)含量的變化隨著疊加直流電流密度之增加，合金中〔Al〕、〔Mg〕、〔Ti〕含量相應(yīng)增加，而〔S〕、〔O〕、〔N〕含量相應(yīng)降低;GH49合金采用疊加直流分量Ie、Ip分別為1.17和1.8A/Cm2，電渣重熔過程〔Al〕〔Ti〕不燒損，〔Mg〕可控制在60ppm;〔O〕由50降至27ppm，比通常電渣(即Ie＝Ip＝O)脫氧率增加14%;〔S〕可由22ppm降至10ppm，比通常電渣脫S率增加50%;〔N〕可由15降至5ppm，比通常電渣脫N率增加60%;采用相應(yīng)渣系重熔GH37合金，當(dāng)疊加直流電流密度Ie、Ip分別為1.17和0.40A/Cm2，〔Al〕、〔Ti〕不燒損，〔Mg〕可達(dá)到86ppm;重熔過程〔O〕可由50降至13ppm，比通常電渣提高去氧率54%;〔S〕可由20ppm降至10ppm以下，提高脫硫率50%;〔N〕可由82降至40ppm，提高脫氮率41%。如調(diào)整渣系成分，相應(yīng)合金中諸成分可獲不同的結(jié)果?？傊撛T反應(yīng)不僅受化學(xué)熱力學(xué)控制，而且還受Nerst方程式制約，通過調(diào)整渣系成分和疊加直流分量可較自由地控制合金成分和進(jìn)一步降低雜質(zhì)含量是本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
3.電渣錠結(jié)晶組織與夾雜分布圖2、圖3分別為本發(fā)明之半有襯優(yōu)質(zhì)節(jié)能電渣與通常電渣重熔之GH37合金錠縱剖低倍組織照片。圖2顯示近似平行錠軸的柱狀晶鑄態(tài)組織。
由于軸向結(jié)晶，結(jié)晶過程析出的氮化物夾雜和氧化物夾雜被柱狀晶前沿推移至金屬熔池中，而大多不致被夾持在枝晶間，因此錠身氮化物夾雜含量得以降低。在錠頂端及其以下10mm中心部位是錠子最后凝固處，此部位GH37錠中〔N〕、〔O〕含量分別高達(dá)80.35ppm，錠身其它部位〔N〕、〔O〕含量較低。分別為40、13ppm。GH49合金錠頂端部〔N〕、〔O〕含量分別高達(dá)35、37ppm，錠身其它部位分別為5、27ppm。
由于渣池徑向溫度分布比較均勻，又因交流電渣疊加直流因電磁作用可加強(qiáng)渣池、金屬熔池的攪拌作用，使金屬熔池形狀呈扁平狀，金屬熔池固-液相界面間距減小，溫度梯度加大，有利于合金錠鑄態(tài)組織一次軸沿錠軸向發(fā)展和二次軸間距縮短。如圖4、圖5分別顯示通常電渣和本發(fā)明之新型電渣重熔GH49合金錠枝晶組織;前者二次晶軸間距為70.7μm后者二次枝晶間距減小至49.9μm，大大地減弱了合金的顯微偏析。
引用參改文獻(xiàn)[1] M.Elienne and A.Mitchell，Oxidation Losses of Low Levels of Ti-tanium Electroslag Remelting，Second International Symposium on Electroslag Remelting Technology Proceeding Part Ⅱ，Pittsburgh，Mellon Institute，1969，ed by G.K.Bhat.
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NiLs-Ake Hovgard 英國專利 1475730，1977.6.權(quán)利要求
1.半有襯優(yōu)質(zhì)節(jié)能電渣重熔為一種電渣重熔技術(shù)，金屬自耗電極下端插入導(dǎo)電熔渣中通入交流電熔化、形成金屬熔滴、經(jīng)過渣池精煉、過渡到金屬熔池，通過水冷底座和水冷銅結(jié)晶器逐漸凝固形成電渣錠。本發(fā)明的特征為在渣池四周采用外部具有絕熱層的耐渣侵蝕襯，而水冷銅結(jié)晶器主要用于金屬熔池、錠身冷卻，以及短周期間歇式抽錠三者組合的交流電渣精煉裝置。
2.權(quán)利要求
1所述渣池耐渣侵蝕的內(nèi)襯，是石墨環(huán)狀非自耗電極，其內(nèi)表面可涂MoSi2等高溫涂層，其下端與結(jié)晶器上口為子口凸緣聯(lián)結(jié)配合，并間以高溫絕緣涂層絕緣。
3.權(quán)利要求
1所述渣池耐渣侵蝕襯材料可以是BN，或BN涂層。
4.權(quán)利要求
2所述石墨環(huán)狀非自耗電極，和金屬自耗電極、金屬熔池之間分別附加與主回路交流電源同相位的半波整流偏壓，使石墨環(huán)電極(即內(nèi)襯)相對于重熔金屬恒處于正電位，使重熔的金屬自耗電極和金屬熔池處于陰極保護(hù)狀態(tài)。
5.權(quán)利要求
1所述抽錠機(jī)構(gòu)可以是結(jié)晶器短周期間歇提升機(jī)構(gòu)。
6.按權(quán)利要求
1至5的裝置，可重熔高溫合金、合金鋼及碳素鋼。
7.按權(quán)利要求
1，2和4，重熔合金成份(wt%)為C≤0.08，Cr9～12，Co 14～16，W 5.0～6.5，Mo 4.5～7.0，AL 3.7～4.8，Ti 1.4～2.9，V 0.2～0.8，B≤0.02，Si≤0.15，Mn≤0.20，Ni余;采用53.4～74.6%CaF2，4～6%MgO，20～28%AL2O3，≤8%CaO，0.4～0.6%TiO2渣系;疊加于自耗電極及金屬熔池之直流電流密度分別為0.3～1.8A/cm2。
8.按權(quán)利要求
1，2，4，重熔合金成份(wt%)為Ti 0.8～2.3 C≤0.10，Cr 13～20，W≤7，Mo 2～4，Al 0.8～2.3，V≤0.5，B≤0.02，Nb+Ta≤5，F(xiàn)e≤18，Ni余，采用74～47.5%CaF2，6～14%MgO，20～28%Al2O3，≤10CaO，≤0.5%TiO2渣系，疊加于自耗電極及金屬熔池之直流電流密度分別為0.3～1.8A/cm2和0.2～0.6A/cm2。
專利摘要
本發(fā)明為一種新型電渣重熔方法。其技術(shù)特征為半有襯交流電渣重熔、疊加直流電化學(xué)精煉和縱向結(jié)晶抽錠三結(jié)合的新型電渣精煉裝置及其工藝，它可大幅度地降低電耗，同時(shí)可使電渣重熔過程鋼與合金中活潑元素成分不燒損、有效地降低合金中氣體、雜質(zhì)含量，減小合金顯微偏析，顯著提高重熔錠質(zhì)量。
文檔編號C22B9/16GK85100861SQ85100861
公開日1986年8月20日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者陳崇禧, 高榮富 申請人:北京鋼鐵學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan