[发明专利]一种制备复合钢锭的设备及方法

说明书

本发明涉及一种制备复合钢锭的设备，包括：导电结晶器为上开口和下开口具有第一直径的筒状结构，包括多个自耗电极的自耗电极组件，多个自耗电极自导电结晶器的上开口伸入筒状结构，并与筒状结构内圆周面间隔第一距离；以及与导电结晶器和自耗电极组件电连接的第一电源；其中第一距离小于第一直径的一半。本发明还提供了制备复合钢锭的方法，将自耗电极插入熔渣中，导通导电结晶器供电回路实现芯棒和外层钢液的复合；通过液位检测器来实现自耗电极熔化速度与抽锭速度的良好匹配以保证钢锭复合过程的稳定。本发明的装置和方法可以实现大型钢锭的制备，保证多层复合过程的稳定、有序运行，改善大尺寸钢锭偏析、疏松与缩孔的问题，同时提高生产效率、保证复合质量。

技术领域

本发明涉及冶金及铸造技术领域，具体涉及一种制备复合钢锭的设备及方法。

背景技术

当前，装备制造业的一个突出技术发展趋势是极端制造，一方面是朝超微超精发展，另一方面是朝超大发展。电力、石化、冶金等领域装备大型化、复杂化的发展，对大型铸锻件行业提出更高的要求，对大型钢锭的需求越来越多。

在百万千瓦级核电机组中，无论是二代加，还是三代AP1000、CAP1400，都含有大量的高技术要求、大规格、形状复杂的铸锻件，其中压力容器整体顶盖、下封头、锥形筒体等形状复杂的锻件都需要整体锻造。百万千瓦级核电机组常规岛低压整体转子是目前世界上所需钢锭最大、锻件毛坯重量最大、截面尺寸最大、技术要求最高的实心锻件，是代表热加工最高综合技术水平的产品。转子净重超过170吨，需600吨级钢锭，大型混流式水轮机铸锻件。三峡工程采用的70万千瓦机组是目前世界上最大功率等级的水轮机组，其不锈钢水轮机转轮直径达到了9.8米，重量达500吨。随着造船和国防工业的发展，对宽厚板的要求越来越高，制约宽厚板生产的主要因素是支承辊，重达230吨，需要600吨级的钢锭。目前，国外只有JSW(日本制钢所)具备制造能力。

由此可见，大型铸锻件用大型钢锭的制备是非常必要而且重要的，钢锭的质量水平在一定程度上将决定铸锻件的最终质量，而且今后重大技术装备的发展还会催生出规格更大、工艺更复杂、技术含量更高的大型铸锻件。但是，这些铸锻件属于高合金易偏析材料，由于元素偏析问题，常规方法生产的钢锭合格率很低，几乎很难生产出高质量的钢锭。我国目前已经拥有多台接近2万吨的大型压机，在重大装备国产化工作中，大型关键铸锻件仍然依靠从日本、韩国、法国等国家进口，且受到国外供货能力和一些外交问题上的制约，究其原因是国产件能力有限、质量难以满足需求，大型铸锻件用优质大型钢锭的制备已成为重大装备制造业发展的瓶颈。另一方面从材料本身发展的角度来看，随着石油、化工等行业装备大型化的发展，材料的服役条件将越来越苛刻，而材料中的合金化程度越高，其耐高温、耐高压、耐腐蚀的能力越强。近年来，众多研究者都在研究在材料中增加元素含量对其性能的影响，如关长斌等发表的《铌对镍基合金组织与性能的影响》(金属热处理,2004,29(3):32-34.)；富晓阳等发表的《铌对新型Ni-Cr-Fe镍基合金力学性能的影响》(特殊钢,2011,32(2):54-56.)；未来提高合金性能的元素将会不断增加，例如杨瑞成等.在《高性能镍基耐蚀合金的特性与研究方向》(材料导报,2001,15(11):21-23.)公开了Cr、Mo、W等元素在材料中能够显著提高其耐蚀性能，因此，高合金材料必将是未来发展的趋势。然而，到目前为止，高合金钢锭的制备，尤其是大型钢锭的制备一直以来都没有很好的解决。因此，开展大型钢锭的制备工艺及质量控制技术的相关研究工作是非常必要的。

目前大型钢锭的生产方法有铸造法、多炉连续浇注法、双结晶器法、芯部电渣重熔法以及电渣重熔法。由于钢锭的尺寸过大，冷却强度不足，多炉连续浇注法和电渣重熔法以及相应的生产设备难以避免的产生偏析、疏松和缩孔等问题。近些年来，铸造法制备金属层状复合材料工艺及设备(CN 101125362A)、双结晶器法(US8418748132)、芯部电渣重熔法(US4544019)对钢锭内部质量有较大改善，但是工业复杂，成本较高、生产效率低又难以控制。

发明内容

(一)要解决的技术问题