CN102021348A - 真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电渣重熔技术，特别是一种真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固装置和方法。该装置包括电源、自耗电极(1)、水冷结晶器(2)、气体保护***，其中所述水冷结晶器(2)下部有水冷底盘(7)和抽锭装置(13)；所述自耗电极(1)采用双回路的控制方式，使得使抽锭速度与铸锭的凝固速度相当。本发明操作简单，控制方便，成本低廉，可生产大尺寸低偏析定向凝固铸锭，适用于大批量生产应用。

Description

真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固装置和方法

技术领域

本发明涉及一种电渣重熔技术，特别是涉及一种真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固技术。

背景技术

铸锭开坯是变形合金加工的首道工序，其目的包括两个方面，一是破碎铸态组织获得均匀细小的等轴晶组织，提高材料塑性；二是改变铸锭几何形状以便进行下一步的加工。然而对于高合金化的金属材料，例如工模具钢，难变形高温合金等，由于含有大量的合金化元素，合金在凝固过程中形成严重的元素偏析，以致枝晶间形成粗大的析出相，同时这类合金熔点低，动态再结晶温度高，可塑性差，最佳塑性温度范围窄，导致加工异常困难，这就给合金铸锭的开坯过程带来非常大的困难。

降低合金铸锭的元素偏析程度，控制枝晶间一次生成相的数量、尺寸和形态是提高合金铸锭热塑性的有效方法。真空电弧重熔和电渣重熔是难变形合金常用的重熔精炼手段，一方面重熔精炼可以有效地去除气体、杂质和非金属夹杂物得到较高纯度的钢锭，另一方面重熔精炼过程熔化金属快速轴向结晶，使锭子组织致密，偏析较小，有助于提高钢锭的热加工塑性。采用传统重熔精炼工艺冶炼的铸锭组织主要由与钢锭表面呈一定夹角的柱状晶组成，有时在铸锭中心还存在一些粗大的等轴晶，不同取向柱状晶在中心的交汇处或柱状晶与中心等轴晶的晶界处是铸锭偏析最严重的区域，容易出现一次析出相和非金属夹杂物的聚集区。另外，传统的重熔精炼工艺铸锭凝固过程中树枝晶的生长方向是各不相同的，不同生长方向树枝晶交汇处形成的糊状区同样是偏析和一次析出相聚集的区域，这些区域在开坯过程中容易诱发裂纹导致铸锭报废或变形后形成条带组织降低材料性能。

采用定向凝固工艺生产没有横向晶界，柱状晶和树枝晶生长方向保持一致的铸锭是降低高合金化合金偏析程度，避免大尺寸夹杂物和其他析出相聚集，提高热塑性的有效方法。然而传统的定向凝固工艺所用的设备庞大，且成本高，效率低，不适合生产大尺寸的铸锭。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固装置和方法，其成本低廉，工艺参数可控性好，可以生产大尺寸、低偏析定向凝固铸锭。

为实现上述目的，本发明的第一方面是提供一种真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固装置，包括电源、自耗电极(1)、水冷结晶器(2)、气体保护***；所述水冷结晶器(2)下部有水冷底盘(7)和底抽锭装置(13)；所述自耗电极(1)采用双回路的控制方式，使得使抽锭速度与铸锭的凝固速度相当。

自耗电极(1)的双回路控制***为：纵向电流回路：变压器—自耗电极(1)—渣池(3)—铸锭(6)—水冷底盘(7)—纵向电流整流器(12)—变压器；侧向电流回路：变压器—自耗电极(1)—渣池(3)—水冷结晶器(2)—侧向电流整流器(11)—变压器；且两回路的电流大小是独立可调的。

所述变压器为磁调变压器(10)。

所述双回路均接有整流装置，使电流可调。

水冷结晶器(2)下方装有强制冷却装置(5)。

该装置还装有气体保护罩(9)，能够抽取真空或通入保护气体。

水冷结晶器(2)具有导电模块的开放式水冷铜结晶器，结晶器直径D在Φ100mm～Φ500mm之间，高度H为直径D的1～1.5倍。

所用自耗电极(1)的直径为40％～80％D。

渣池(3)在水冷结晶器(2)中的高度为20％～70％D。

为了进一步实现本发明的目的，本发明提供了一种真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固的方法，包括如下步骤：

a.首先将水冷底盘(7)置于水冷结晶器(2)的底部；

b.将预先熔化好的熔渣倒入水冷结晶器(2)中，把自耗电极(1)***渣池(3)中起弧并使自耗电极(1)熔化；

c.当形成的铸锭(6)达到一定高度时开始抽锭；

d.抽锭时控制***的电压和电流的大小，该电流分为纵向电流和侧向电流双回路输入电极，控制电流大小包括控制纵向电流和侧向电流的分配，使抽锭速度与铸锭的凝固速度相当，渣池液面位置保持不变；

e.当渣池液面位置保持不变后盖上气体保护罩(9)；

f.当水冷底盘(7)抽出水冷结晶器(2)后开启冷却装置(5)。

水冷结晶器(2)中铸锭(6)的高度达到10mm～40mm时开始抽锭。

抽锭速度为2mm/min～20mm/min；并通过控制磁调变压器(10)的输出电压和自耗电极(1)***渣池(3)的深度来控制***的电压和电流，然后调节纵向电流整流器(12)和/或侧向电流整流器(11)来控制纵向电流和侧向电流的分配使自耗电极(1)的熔化速度与铸锭的凝固速度相当，控制渣池液面位置保持不变。

当渣池液面保持平衡后盖上气体保护罩(9)并充入氩气或保持真空以保护渣池(3)。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、消除常规凝固中不同取向晶粒及树枝晶交汇处形成的成分偏析，夹杂物聚集和凝固疏松；

2、侧向电流的应用有助于控制渣池的温度，获得可控的凝固前沿温度梯度有利于控制铸锭的凝固组织；

3、本发明采用开放式导电结晶器和自动抽锭***，可以通过选择不同的强制冷却措施控制铸锭凝固过程的温度梯度和凝固速度，获得可控的凝固组织；

4、本发明可使重熔过程中的熔池深度比传统电渣重熔降低70％，有利于控制枝晶间析出相的数量、尺寸、形态和分布并防止析出相的聚集；

5、本发明中均匀的与铸锭轴线平行的定向结晶组织使在变形过程中比较薄弱的晶界区域避开了应力最大的方向，有利于提高变形塑性，防止变形开裂；

6、本发明可得到均匀的与铸锭轴线平行的定向结晶组织可控制树枝晶尺寸，细化铸造组织；利于热加工过程树枝晶的破碎和动态再结晶；

7、本发明的冶炼过程具有稳定平直的渣液/金属液界面和金属液/固界面，有利于获得均匀的定向凝固组织；

8、本发明具有广泛的应用领域，既可以为变形合金提供优质的铸锭，又可以得到大尺寸直接利用的定向凝固铸锭；

9、真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固技术工艺参数可控，是可工程化的适用型高科技技术。

附图说明

图1为本发明的真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固装置结构示意图；

图2为采用本发明获得的定向凝固铸锭的宏观组织；

图3为采用本发明获得的定向凝固铸锭的微观组织；

图4为采用现有技术电渣重熔工艺获得铸锭的宏观组织；

图5为采用现有技术电渣重熔工艺获得铸锭的微观组织。

附图标号

1    自耗电极                8    引锭杆

2    水冷结晶器              9    气体保护罩

3    渣池                    10   磁调变压器

4    工作平台                11   侧向电流整流器

5    强制冷却装置            12   纵向电流整流器

6    定向凝固铸锭            13   抽锭装置

7    水冷底盘

具体实施方式

实施例1  制备Φ155的FGH96合金定向凝固铸锭。

水冷结晶器2的直径D＝Φ160mm，高度为200mm，置于工作平台4上。

使用的设备具有双回路设计，一条回路是：变压器—自耗电极—渣池—铸锭—水冷底盘—整流器—变压器(称为纵向电流)；另一条回路是：变压器—自耗电极—渣池—结晶器的导电模块—整流器—变压器(称为侧向电流)，通过控制纵向电流和侧向电流的分配比例使渣池获得均匀的温度场，从而进一步控制金属熔池的形状。

将水冷底盘7置于水冷结晶器2的低端，倒入预先熔化好的100mm深的熔渣，将直径为100mm的自耗电极1***渣池3中起弧，并使自耗电极1熔化；当渣池液面上升至30mm时开始抽锭，控制抽锭速度在2～20mm/min；通过控制磁调变压器10的输出电压和自耗电极1***渣池的深度来调节***的电压和电流，本实施例中，使电压为40V；然后调节纵向电流整流器12和侧向电流整流器11来控制纵向电流和侧向电流的分配，使纵向电流为1000～2500A，侧向电流为100～2000A；达到自耗电极1的熔化速度与铸锭的凝固速度相当，进而使渣池液面保持不变；渣池3液面位置平衡后盖上气体保护罩9，本实施例中通入保护气体氩气；当水冷底盘7抽出水冷结晶器2后开启强制冷却装置5，得到定向凝固铸锭6。

实施例2  制备Φ105的FGH96合金定向凝固铸锭。

水冷结晶器2的直径D＝Φ110mm，高度为150mm，置于工作平台4上。

将水冷底盘7置于水冷结晶器2的低端，倒入预先熔化好的60mm深的熔渣，将直径为70mm的自耗电极1***渣池3中起弧，并使自耗电极1熔化；当渣池3液面上升至30mm时开始抽锭，抽锭速度控制在2～20mm/min，通过控制磁调变压器10的输出电压和自耗电极1***渣池的深度来调节***的电压和电流，本实施例中，使电压为40V；然后调节纵向电流整流器12和侧向电流整流器11来控制纵向电流和侧向电流的分配，使纵向电流为800～1500A，侧向电流为100～2000A，达到自耗电极1的熔化速度与铸锭的凝固速度相当，进而使渣池液面保持不变；渣池3液面位置平衡后盖上气体保护罩9，本实施例中抽取真空；当水冷底盘7抽出水冷结晶器2后开启强制冷却装置5，得到定向凝固铸锭6。

下表为本发明各个实施例的工艺参数。

表1

Claims (12)

1.一种真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固装置，包括电源、自耗电极(1)、水冷结晶器(2)、气体保护***，其特征在于：所述水冷结晶器(2)下部有水冷底盘(7)和抽锭装置(13)；所述自耗电极(1)采用双回路的控制方式，使得使抽锭速度与铸锭的凝固速度相当。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：自耗电极(1)的双回路控制***为：纵向电流回路：变压器—自耗电极(1)—渣池(3)—铸锭(6)—水冷底盘(7)—纵向电流整流器(12)—变压器；侧向电流回路：变压器—自耗电极(1)—渣池(3)—水冷结晶器(2)—侧向电流整流器(11)—变压器；且两回路的电流大小是独立可调的。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述变压器为磁调变压器(10)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：水冷结晶器(2)下方装有强制冷却装置(5)。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：该装置还装有气体保护罩(9)，能够抽取真空或通入保护气体。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：水冷结晶器(2)为具有导电模块的开放式水冷铜结晶器，结晶器直径D在Φ100mm～Φ500mm之间，高度H为直径D的1～1.5倍。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所用自耗电极(1)的直径为40％～80％D。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：渣池(3)在水冷结晶器(2)中的高度为20％～70％D。

9.一种如权利要求1所述的装置完成真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固方法，其特征在于：它包括如下步骤：

a.首先将水冷底盘(7)置于水冷结晶器(2)的底部；

b.将预先熔化好的熔渣倒入水冷结晶器(2)中，把自耗电极(1)***渣池(3)中起弧并使自耗电极(1)熔化；

c.当形成的铸锭(6)达到一定高度时开始抽锭；

d.抽锭时控制***的电压和电流的大小，该电流分为纵向电流和侧向电流双回路输入电极，控制电流大小包括控制纵向电流和侧向电流的分配，使抽锭速度与铸锭的凝固速度相当，渣池液面位置保持不变；

e.当渣池液面位置保持不变后盖上气体保护罩(9)；

f.当水冷底盘(7)抽出水冷结晶器(2)后开启冷却装置(5)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：水冷结晶器(2)中铸锭(6)的高度达到10mm～40mm时开始抽锭。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：抽锭速度为2mm/min～20mm/min；并通过控制磁调变压器(10)的输出电压和自耗电极(1)***渣池(3)的深度来控制***的电压和电流，然后调节纵向电流整流器(12)和/或侧向电流整流器(11)来控制纵向电流和侧向电流的分配使自耗电极(1)的熔化速度与铸锭的凝固速度相当，控制渣池液面位置保持不变。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：当渣池液面保持平衡后盖上气体保护罩(9)并充入氩气或保持真空以保护渣池(3)。

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