[发明专利]附加自耗搅拌器制备大型均质电渣重熔钢锭的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及冶金工业大型电渣重熔钢锭凝固工艺技术领域，具体涉及一种附加自耗搅拌器制备大型均质电渣重熔钢锭的装置及方法。

背景技术

近年来随着电力工业、核工业和石油化学工业的迅猛发展，对大型铸锻件的需求量越来越大，同时也对大型铸锻件的品质要求越来越高。大型钢锭是大型铸锻件的先期产品，其质量对提高大型铸锻件质量尤为重要。在电渣重熔结晶器中，钢锭的凝固过程是典型的定向凝固过程，即具有一侧加热和一侧冷却的传热特征，这种定向凝固结构可基本消除电渣重熔钢锭的偏析和缩松等缺陷。但是大型电渣重熔钢锭的凝固过程很长，根据钢锭吨位不同，从几十小时到上百小时不等，溶质再分配充分，致使碳、磷等低熔点、低密度元素在凝固前沿富集，加上其它物理过程，如热溶质对流等的影响，使钢锭不同区域化学成分不均匀，造成宏观偏析和微观偏析；并且在整个冷却凝固的过程中，由于热胀冷缩的原因，钢锭和结晶器壁间会形成气隙，气隙的存在使钢锭与结晶器壁间导热性能下降，钢锭向外传热的速度受到影响，使结晶器导出热流量减小，钢锭凝固速度下降，随着钢锭的大型化，这种现象更加严重。加快钢锭冷却，抑制钢锭偏析，是提高生产效率，改善钢锭质量的唯一途径。

钢锭中合金元素电渣重熔初期均匀分布于钢液中，但是在常规凝固过程中由于合金元素在固液相中溶解度不同，加上温度差导致的钢液自然对流作用使得一些合金元素常常在凝固前沿析出并逐渐被排移到钢液热心区富集后形成宏观偏析。大型电渣重熔钢锭的偏析和缩松等问题是制约汽轮机转子等高端设备质量的瓶颈。虽然国内外冶金领域近来在偏析形成机理方面取得一定的进展，如偏析类型、偏析位置的确定等，但是在偏析控制措施方面进展缓慢，几乎没有有效的措施可以来抑制或消除大型钢锭内部宏观偏析与缩松等缺陷。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种附加自耗搅拌器制备大型均质电渣重熔钢锭的装置及方法。

本发明的思想是改变钢锭凝固过程中未凝钢液的流动方式，解决大型电渣重熔钢锭凝固过程中产生的合金成分宏观、微观偏析问题。基于弗莱明（M.C.Flemings，美国MIT教授）提出的搅动凝固抑制凝固偏析的原理，在大型钢锭浇注完成后插入的自耗搅拌器既是冷源，又是驱动钢液流动的动力源，可降低过热度，并加速钢锭凝固。通过控制自耗搅拌器的位移和旋转速度达到凝固过程中钢锭合金成分均质化和密实中心结构的目的。

本发明的技术方案是；

一种附加自耗搅拌器制备大型均质电渣重熔钢锭的装置，包括结晶器、自耗电极、冷却水循环系统、升降横臂和电控装置和自耗电极控制装置，底水箱固定于操作平台上，结晶器放置在冷却水循环系统的底水箱上，位于操作平台一侧的主立杆上连接升降横臂，电控装置固定在升降横臂上，所述电控装置包括控制电机和减速机，控制电机固定在升降横臂上，控制电机的输出端连接减速机的输入端，该装置还包括自耗搅拌器；

所述自耗搅拌器包括搅拌轴和搅拌叶片，且搅拌叶片固定连接在搅拌轴上，该搅拌器的材质与最终制备出的大型均质电渣重熔钢锭成品的材质相同；

所述搅拌轴通过联轴装置与减速机输出轴连接；

所述搅拌叶片为从叶片顶部向叶片根部逐渐加厚的片状结构，且搅拌叶片采用单层多片方式固定连接在搅拌轴上；

所述升降横臂与主立杆连接的一端为滑动端，该滑动端内壁有若干滚轮，滚轮带动滑动端沿主立杆上下移动，控制自耗搅拌器进出结晶器。

所述自耗电极不少于两个，搅拌轴的旋转直径小于各自耗电极的极心圆直径。

所述自耗搅拌器位于结晶器中心，自耗搅拌器在结晶器内搅拌且不断熔化而消耗。

所述搅拌轴自上而下呈锥形。

所述搅拌轴的长度超过自耗电极的长度的三分之一，且搅拌轴伸入结晶器的液态金属熔池底部，搅拌叶片自根部到顶部的高度小于各自耗电极的极心圆半径。

采用所述的附加自耗搅拌器制备大型均质电渣重熔钢锭的装置制备大型均质电渣重熔钢锭的方法，包括如下步骤：

步骤1：将冷却水从底水箱进水口通入结晶器内，再向结晶器内放入电极渣料或预熔渣料；

步骤2：通过导电横臂将自耗电极浸入结晶器的渣池中并通入强电流使自耗电极熔化，自耗电极溶化后的钢液滴通过渣层下落至结晶器底部，在结晶器底部逐渐积累的钢液形成金属熔池，而后再被结晶器水冷壁冷却并逐渐凝固，形成钢锭；

步骤3：当结晶器内钢锭高度与结晶器的半径相当时，控制升降横臂将自耗式搅拌器从结晶器上部经自耗电极间的空隙穿过渣池放入液态金属熔池中，并置于结晶器的中心位置；