CN110499426A - 一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的装置及方法，属于冶金技术领域。技术方案是：将电磁能转换为钢水动能，通过在电磁结晶器中施加旋转磁场，强化金属与结晶器的对流冷却；电磁结晶器内部设有感应线圈和液位监控装置。本发明有效地改善凝固前沿金属熔池对流运动，使熔池和固态枝晶间的富集溶质液体互相冲刷混合降低浓度梯度，减轻了元素偏析；同时钢液流动产生的对流传热，强化金属钢液与结晶器的对流冷却传热条件，极大增加了钢水向结晶器水冷却铜管的传热效率，有助于减少偏析、消除网状碳化物析出、抑制钢液凝固过程中粗大柱状晶的形成的作用，实现电渣炉生产高端轴承钢。

Description

一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的装置及方法，属于冶金技术领域。

背景技术

轴承钢用来制造滚珠、滚柱和轴承套圈，轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，所以要求轴承钢具有高而均匀的硬度、耐磨性及弹性极限。对轴承钢化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格，是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一。碳化物是轴承钢组织中的重要组成部分，由于轴承钢中碳和铬等合金含量比较高，在钢液凝固过程中如果冷却不足会形成大尺寸碳化物，会明显降低钢的各项性能，如何细化或消除轴承钢中碳化物是生产和研发的重点。网状碳化物是轴承钢中过剩的碳化物在钢液凝固冷却过程中偏析造成的，沿着奥氏体晶粒边界析出、形成网状碳化物，严重影响铸锭各项性能。

电渣重熔属于炼钢精炼技术领域，利用大电流经过液态电渣产生的电阻热，将重熔电极熔化、精炼，并在水冷结晶器中重新凝固的精炼技术，在高品质钢种的生产过程中占有巨大的优势地位。金属熔池高度、电极熔化速度以及局部凝固时间是影响电渣凝固质量的主要因素，其中局部凝固时间是控制碳化物形成及分布的主要因素。在大型电渣生产过程中，由于结晶器冷却条件不同，铸锭边部与中心液芯部分传热冷却不同，容易形成元素偏析导致碳化物形成。电渣炉发展趋于大型化，随着铸锭横截面越来越大，铸锭冷却传热能力不足，铸锭边部与中心部分凝固过程条件差异，导致中心部位出现碳化物析出及铸锭组织不均的问题，制约着电渣炉大型化的发展，不能满足核电、航空航天等高新技术对大型铸锭质量的要求。对电渣炉而言，降低熔速、提高结晶器中心钢水的冷却速度是改善铸锭质量的关键因素。在电渣重熔过程中，降低熔速会影响生产效率，降低铸锭表面质量。因此，如果能有效地提高电渣过程钢液的凝固冷却速度进而控制铸锭偏析消除网状碳化物形成是制约电渣炉冶炼高端轴承钢的关键问题。

发明内容

本发明目的是提供一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的装置及方法，通过在电渣结晶器中施加旋转磁场，强化金属钢液与结晶器的对流冷却，极大增加了钢水向结晶器的传热效率，明显增加了钢锭凝固速度，有助于减少偏析、消除网状碳化物析出，改善轴承钢铸锭凝固组织，解决已有技术存在的上述技术问题。

本发明技术方案是：

一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的装置，包含结晶器升降装置、电磁精炼***及PLC自动控制***组成；所述结晶器升降装置，包含减速机、电机、立柱、丝杆和夹持装置；立柱上端固定安装电机，电机前端连接减速机，减速机下方安装丝杆，丝杆与夹持装置相连，夹持装置与电磁结晶器相连，电磁结晶器上设有电磁搅拌装置，电磁结晶器位于金属熔池外，电磁结晶器随夹持装置上下移动，实现电磁搅拌装置位置与金属熔池位置相匹配；丝杠由减速机和电机控制驱动，通过丝杠转动控制电磁结晶器上下移动；

所述电磁精炼***，包括导电料杆、假电极、自耗电极（自耗电极为150*150*1800mmGCr15连铸坯）、电磁结晶器、金属熔池、导电料杆、假电极和自耗电极依次固定连接，自耗电极置于电磁结晶器中；电磁搅拌装置随着电磁结晶器向上移动，始终与金属熔池匹配，对金属熔池进行旋转搅拌；所述电磁搅拌装置上设有液位监控装置，液位监控装置由放射源Co-60构成的探测器和液位检测表组成，通过辐射射线穿过钢液时其辐射活度会减弱的原理检测电磁结晶器内部金属熔池液位高度，进而控制结晶器升降装置提升电磁结晶器；

所述PLC自动控制***通过液位监控装置获取电磁结晶器内部金属熔池位置信息，进而控制结晶器升降装置提升电磁结晶器，保持电磁搅拌装置随着电磁结晶器向上移动始终与金属熔池匹配，对金属熔池进行旋转搅拌，从而显著改善铸锭凝固冷却条件。

所述电磁结晶器由内向外结构依次为紫铜内套、冷却水套、电磁搅拌装置以及结晶器外壳；电磁搅拌装置置于冷却水套与结晶器外壳之间，设有内置式电磁线圈，由六组线圈对称分布。

所述电磁搅拌装置安装在距离电磁结晶器底部150-350mm高度范围内。所述电磁搅拌装置采用结晶器冷却循环水冷却，循环水进水压力≥0.3MPa且≤0.45MPa；所述电磁结晶器规格为φ300×750mm。

所述金属熔池位于底水箱上方，保护烟罩位于电磁结晶器上方。

所述紫铜内套厚度10-20mm；所述结晶器外壳采用非磁性不锈钢板制造。

一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的方法，采用了上述的电磁控制电渣精炼高端轴承钢的装置，包括以下步骤：

①采用固渣起弧，在底水箱铜板中心放置一块φ200～270mm×20mm引锭板，在引锭板上搁置50～80mm高铁屑；

②依次将电磁结晶器、保护烟罩安放在底水箱上面，然后将自耗电极放入电磁结晶器中，并用导电料杆将自耗电极夹紧固定，调整自耗电极底部与底水箱上铁屑之间的距离，范围20～50mm；

③合闸送电，自耗电极下降起弧，起弧后将固态渣加入电渣结晶器中，同时向电磁结晶器及保护烟罩通入氩气进行保护；化渣期时间25～30min，化渣期间二次电流2500～5000A，二次电压25～42V，保护烟罩氧含量≤100ppm；

④化渣结束后，进入重熔期，重熔期二次电流5000～7500A，二次电压42～46V，轴承钢自耗电极熔速在200～280kg/h，恒熔速控制；

⑤进入重熔期20min后，打开电磁搅拌装置，电渣重熔过程中施加1～6Hz、100～300A旋转磁场；

⑥进入重熔期30min后，开始提升电磁结晶器，提升速度由熔速控制，控制公式为：X=4*10⁶v/[πρ（d-3）²]，其中：v-熔速，单位：kg/min，d-电磁结晶器内径，单位：mm，ρ-钢液密度，单位：g/cm³，X-电磁结晶器移动速度，单位：mm/min；整个冶炼过程保证结电磁晶器内渣液位距电磁结晶器上端250～350mm，即钢液均处于电磁结晶器旋转磁场的中心位置；

⑦熔炼至剩余电极质量为30-50Kg时，进入充填期，充填期起始电流5000A，起始电压42V，终止电流2500A，终止电压24V，在充填时间8～24min均匀降低电流和电压，减少钢液凝固过程中因钢液收缩带来的铸锭顶部缩孔问题。

整个冶炼过程由PLC自动控制，设定好的工艺参数由上机位下载至PLC自动控制***，由PLC完成对整个电渣精炼***的操作和监控。

本发明所述步骤（3）固态渣成分组成为55%-60%CaF₂、15%-25%CaO、15%-18%Al₂O₃、2%-3%MgO。

本发明所述PLC自动控制***，包括磁场控制、液位监控及电磁结晶器升降装置控制，电磁结晶器内部设有电磁感应线圈，控制***通过液位监控获取电磁结晶器内部渣液位高度，来控制升降装置提升电磁结晶器，保持电磁结晶器内渣液位距电磁结晶器上端250～350mm，电磁装置随着电磁结晶器向上移动始终位于金属熔池部位，对金属熔池进行旋转搅拌，从而显著改善铸锭凝固冷却条件。

本发明所述结晶器升降装置主要包括提升机构、导向支撑机构和夹持机构；提升机构采用梯形丝杠传动，采用国标SWL蜗轮蜗杆升降机作为主要零部件；导向机构采用长方形立柱用于固定；夹持机构采用U型叉机构与电磁结晶器相连，使电磁结晶器随夹持装置稳定提升，从而实现电磁搅拌位置与液位相匹配。

本发明所述结晶器升降装置控制包括电气传动和PLC控制两部分，电气传动由变频器和传动电机组成，控制要求为（0～20mm/min），控制***主要由AI、DI、DO等模块实现对现场模拟/数字信号的读取。

本发明原理如下：

本发明在电磁结晶器中内置电磁线圈，利用电磁感应原理，将电磁能转换为钢水动能，通过设置六组对称分布感应线圈，线圈向结晶器中心位置施加旋转磁场，强化金属与结晶器的对流冷却，极大增加了钢水向电磁结晶器的传热效率，增加钢锭凝固速度，有助于消除网状碳化物析出，改善铸锭凝固组织。

本发明的有益效果：本发明电渣重熔过程中对金属熔池施加旋转磁场，有效地改善凝固前沿金属熔池对流运动，使熔池和固态枝晶间的富集溶质液体互相冲刷混合降低浓度梯度，减轻了元素偏析；同时钢液流动产生的对流传热，强化金属钢液与结晶器的对流冷却传热条件，极大增加了钢水向结晶器水冷却铜管的传热效率，有助于减少偏析、消除网状碳化物析出、抑制钢液凝固过程中粗大柱状晶的形成的作用，实现电渣炉生产高端轴承钢。

利用该技术冶炼的GCr15轴承钢，当电流强度为100A-300A，频率为1-6Hz时，元素宏观偏析指数达到0.98-1.02，远好于传统电渣的0.9-1.1，铸态无网碳、液析，Cr元素的晶界浓度为晶内浓度的1.5-2倍，远低于传统电渣的3-5倍，微观偏析比传统电渣显著降低，铸态珠光体团尺寸300-500um，比传统电渣的400-600um减少30%以上。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图；

其中：导电料杆1、假电极2、自耗电极3、减速机4、电机5、立柱6、丝杆7、夹持装置8、电磁结晶器9、渣池10、电磁线圈11、金属熔池12、铸锭13、底水箱14、移动小车15、保护烟罩20、液位检测装置21；

图2为本发明实施例中电磁结晶器的横截面示意图；

图3为本发明实施例中电磁结晶器的纵切面示意图；

其中：电磁线圈11、紫铜内套16、结晶器外壳18、冷却水套19。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。

一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的装置，包含结晶器升降装置、电磁精炼***及PLC自动控制***组成；所述结晶器升降装置，包含减速机4、电机5、立柱6、丝杆7和夹持装置8；立柱6上端固定安装电机5，电机5前端连接减速机4，减速机4下方安装丝杆7，丝杆7与夹持装置8相连，夹持装置8与电磁结晶器9相连，电磁结晶器9上设有电磁搅拌装置21，电磁结晶器9位于金属熔池12外，电磁结晶器9随夹持装置8上下移动，实现电磁搅拌装置21位置与金属熔池位置相匹配；丝杠7由减速机4和电机5控制驱动，通过丝杠7转动控制电磁结晶器9上下移动；

所述电磁精炼***，包括导电料杆1、假电极2、自耗电极3（自耗电极为150*150*1800mmGCr15连铸坯）、电磁结晶器9、金属熔池12、导电料杆1、假电极2和自耗电极3依次固定连接，自耗电极3置于电磁结晶器9中；电磁搅拌装置11随着电磁结晶器9向上移动，始终与金属熔池12匹配，对金属熔池12进行旋转搅拌；所述电磁搅拌装置11上设有液位监控装置21，液位监控装置21由放射源Co-60构成的探测器和液位检测表组成，通过辐射射线穿过钢液时其辐射活度会减弱的原理检测电磁结晶器9内部金属熔池液位高度，进而控制结晶器升降装置提升电磁结晶器9；

所述PLC自动控制***通过液位监控装置21获取电磁结晶器9内部金属熔池位置信息，进而控制结晶器升降装置提升电磁结晶器9，保持电磁搅拌装置11随着电磁结晶器向上移动始终与金属熔池12匹配，对金属熔池12进行旋转搅拌，从而显著改善铸锭凝固冷却条件。

参照附图1，本发明采用固渣起弧方式将固态渣熔化，同时在保护烟罩20充入氩气对熔炼进行保护，控制渣池10上方氧含量≤100ppm。进入熔炼期打开电磁搅拌装置，对结晶器9内金属熔池12施加旋转磁场，有效改善凝固前沿金属熔池对流运动，强化金属熔池12与结晶器9的对流冷却传热条件；PLC控制***通过液位监控获取结晶器内部渣池10高度，提升结晶器保持液相距结晶器上端250～350mm高度，以保证金属熔池12始终处于旋转磁场区域，采用滚动丝杠7控制结晶器上下移动，滚动丝杠7控制由减速机4和电机5驱动。

参照附图2和附图3，所述电磁结晶器9采用内置式电磁线圈11，在距离结晶器底部150～350mm高度范围内安装有6组对称分布电磁线圈11，采用E形铁芯集中短距绕组、扁铜线水直冷，电控为380V三相电源，结晶器内采用厚度10-20mm紫铜内套16，外壳18采用非磁性不锈钢板制造。

实施例一

电渣精炼自耗电极为φ200×2000mm规格轴承钢,以60%CaF₂、20%CaO、18%Al₂O₃、2%MgO渣料作为电渣成分，采用恒熔速控制精炼熔速240kg/h，电磁结晶器提升速度X=7.26mm/min，结晶器为φ300×750mm电磁结晶器，分别在无电磁、2Hz-100A、4Hz-150A、6Hz-300A条件下进行电渣。具体工艺为，化渣完成后，打开电磁控制***，由PLC自动控制恒熔速电渣，采用结晶器提升式方式，以确保金属熔池始终位于结晶器电磁搅拌中心位置，在氩气保护环境下进行冶炼，渣池上部氧含量小于80ppm。具体见表1。

表1 实施例一参数及铸锭质量

本实施例所得轴承钢铸锭内部质量：经检测，2#、3#和4#铸锭内部组织致密，无低倍缺陷；在EDS分析中对电镜图片分析得知，2#、3#和4#铸锭较1#铸锭珠光体片层间距减小，电磁搅拌条件下传热传质改善，铸锭凝固冷却加快；应用C/S仪分析铸锭边部与中心的C元素偏析情况，2#铸锭C偏析指数在0.97-1.04之间，3#铸锭C偏析指数在0.98-1.03之间，4#铸锭C偏析指数在0.98-1.02之间，明显优于1#无磁场条件下铸锭C偏析指数0.94-1.07。

实施例二

电渣精炼自耗电极为φ220×1800mm规格轴承钢,以55%CaF₂、25%CaO、17%Al₂O₃、3%MgO渣料作为电渣成分，采用恒熔速控制精炼熔速210kg/h，电磁结晶器提升速度X=6.35mm/min，结晶器为φ300×750mm电磁结晶器，分别在无磁场、1Hz-50A、3Hz-150A、6Hz-200A条件下进行电渣。具体工艺为，化渣完成后，打开电磁控制***，由PLC自动控制恒熔速电渣，采用结晶器提升式方式，以确保金属熔池始终位于结晶器电磁搅拌中心位置，在氩气保护环境下进行冶炼，渣池上部氧含量小于100ppm。具体见表2。

表2 实施例二参数及铸锭质量

本实施例所得轴承钢铸锭内部质量：在金相分析中得知，2#、3#和4#铸锭原奥氏体晶粒较1#铸锭500-600um明显减小，其中3#和4#铸锭原奥氏体晶粒300-400μm,说明电磁搅拌条件下改善传热传质条件，有利于降低原奥氏体向珠光体转变的过冷度，铸锭凝固冷却加快。金属熔池和固态枝晶间的富集溶质液体互相冲刷混合降低浓度梯度，减轻了元素偏析，有助于消除网状碳化物析出，改善轴承钢铸锭凝固组织。

Claims (6)

1.一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的装置，其特征在于，包含结晶器升降装置、电磁精炼***及PLC自动控制***组成；所述结晶器升降装置，包含减速机（4）、电机（5）、立柱（6）、丝杆（7）和夹持装置（8）；立柱（6）上端固定安装电机（5），电机（5）前端连接减速机（4），减速机（4）下方安装丝杆（7），丝杆（7）与夹持装置（8）相连，夹持装置（8）与电磁结晶器（9）相连，电磁结晶器（9）上设有电磁搅拌装置（21），电磁结晶器（9）位于金属熔池（12）外，电磁结晶器（9）随夹持装置（8）上下移动，实现电磁搅拌装置（21）位置与金属熔池位置相匹配；丝杠（7）由减速机（4）和电机（5）控制驱动，通过丝杠（7）转动控制电磁结晶器（9）上下移动；

所述电磁精炼***，包括导电料杆（1）、假电极（2）、自耗电极（3）（自耗电极为150*150*1800mmGCr15连铸坯）、电磁结晶器（9）、金属熔池（12）、导电料杆（1）、假电极（2）和自耗电极（3）依次固定连接，自耗电极（3）置于电磁结晶器（9）中；电磁搅拌装置（11）随着电磁结晶器（9）向上移动，始终与金属熔池（12）匹配，对金属熔池（12）进行旋转搅拌；所述电磁搅拌装置（11）上设有液位监控装置（21），液位监控装置（21）由放射源Co-60构成的探测器和液位检测表组成，通过辐射射线穿过钢液时其辐射活度会减弱的原理检测电磁结晶器（9）内部金属熔池液位高度，进而控制结晶器升降装置提升电磁结晶器（9）；

所述PLC自动控制***通过液位监控装置（21）获取电磁结晶器（9）内部金属熔池位置信息，进而控制结晶器升降装置提升电磁结晶器（9），保持电磁搅拌装置（11）随着电磁结晶器向上移动始终与金属熔池（12）匹配，对金属熔池（12）进行旋转搅拌。

2.根据权利要求1所述的一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的装置，其特征在于：所述电磁结晶器（9）由内向外结构依次为紫铜内套（16）、冷却水套（19）、电磁搅拌装置（11）以及结晶器外壳（18）；电磁搅拌装置（11）置于冷却水套（19）与结晶器外壳（18）之间，设有内置式电磁线圈，由六组线圈对称分布。

3.根据权利要求1或2所述的一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的装置，其特征在于：所述电磁搅拌装置（11）安装在距离电磁结晶器（9）底部150-350mm高度范围内；

所述电磁搅拌装置（11）采用结晶器冷却循环水冷却，循环水进水压力≥0.3MPa且≤0.45MPa；所述电磁结晶器（9）规格为φ300×750mm。

4.根据权利要求1或2所述的电磁控制电渣精炼高端轴承钢的装置，其特征在于：所述金属熔池（12）位于底水箱（14）上方，保护烟罩（20）位于电磁结晶器（9）上方。

5.一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的方法，采用权利要求1-4任意一项所限定的装置，其特征在于包括以下步骤：

①采用固渣起弧，在底水箱（14）铜板中心放置一块φ200～270mm×20mm引锭板，在引锭板上搁置50～80mm高铁屑；

②依次将电磁结晶器（9）、保护烟罩（20）安放在底水箱（14）上面，然后将自耗电极（3）放入电磁结晶器（9）中，并用导电料杆（1）将自耗电极（3）夹紧固定，调整自耗电极（3）底部与底水箱（14）上铁屑之间的距离，范围20～50mm；

③合闸送电，自耗电极（3）下降起弧，起弧后将固态渣加入电渣结晶器中，同时向电磁结晶器及保护烟罩通入氩气进行保护；化渣期时间25～30min，化渣期间二次电流2500～5000A，二次电压25～42V，保护烟罩氧含量≤100ppm；

④化渣结束后，进入重熔期，重熔期二次电流5000～7500A，二次电压42～46V，轴承钢自耗电极熔速在200～280kg/h，恒熔速控制；

⑤进入重熔期20min后，打开电磁搅拌装置，电渣重熔过程中施加1～6Hz、100～300A旋转磁场；

⑥进入重熔期30min后，开始提升电磁结晶器，提升速度由熔速控制，控制公式为：X=4*10⁶v/[πρ（d-3）²]，其中：v-熔速，单位：kg/min，d-电磁结晶器内径，单位：mm，ρ-钢液密度，单位：g/cm³，X-电磁结晶器移动速度，单位：mm/min；整个冶炼过程保证结电磁晶器内渣液位距电磁结晶器上端250～350mm，即钢液均处于电磁结晶器旋转磁场的中心位置；

⑦熔炼至剩余电极质量为30-50Kg时，进入充填期，充填期起始电流5000A，起始电压42V，终止电流2500A，终止电压24V，在充填时间8～24min均匀降低电流和电压。

6.根据权利要求5所述的一种电磁控制电渣精炼高端轴承钢的方法，其特征在于：所述步骤（3）固态渣成分组成为55%-60%CaF₂、15%-25%CaO、15%-18%Al₂O₃、2%-3%MgO。