CN114438338A - 防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法，采用多进多出式水冷结晶器，电弧重熔初期，结晶器底部进水口和顶部出水口呈开启模式、其余水口呈关闭模式；随着电弧重熔的进行，其余进水口、随着金属熔池液面开闭，使得铸锭呈下部冷却速率慢、上部冷却速率快，降低铸锭的马氏体相变应力，防止铸锭开裂；使得金属熔池呈浅平状、减轻凝固偏析，同时金属熔池侧壁具有合理的冷却速率，同时改善了铸锭表面和内部质量。现有技术采用单进单出水冷结晶器，无论如何调节，都存在金属熔池深、凝固偏析严重、铸锭马氏体相变应力开裂和表面质量差等问题。本发明不仅防止了铸锭的马氏体相变应力开裂、同时改善了铸锭表面和内部质量。

Description

防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种防止铸锭应力开裂、改善铸锭内部质量的工艺方法和装置。

背景技术

惰性气氛电弧重熔作为生产高合金钢及其大尺寸铸锭的装备工艺，在生产马氏体钢时常常遇到因凝固偏析而引起的碳化物粗大，从而造成了铸锭轧材产品的力学性能下降，大尺寸的轧材产品中的碳化物粗大问题尤其突出。为了改善凝固偏析，通过增大水冷结晶器中水流量的方法提升了金属熔池的凝固速率；但同时带来了下部铸锭冷速过快，发生低温马氏体相变及组织应力的铸锭开裂现象，从而导致铸锭的报废。因此，防止马氏体相变应力开裂、改善铸锭内部质量、表面质量是生产马氏体钢的关键。

目前惰性气氛电弧重熔的生产工艺为，电弧重熔初期在金属电极与底板的电弧热下将金属电极熔化，在电弧热和水冷结晶器的作用下，金属电极不断熔化成液滴穿过电弧，在水冷结晶器的作用下凝固成铸锭，随着金属电极的不断熔化和铸锭的不断升高，完成了整支铸锭的制备。

现有的电弧重熔技术在生产大尺寸的马氏体钢时，常存在铸锭表面质量差、中心偏析严重。虽然通过提高结晶器的冷却水流量能够改善铸锭的中心偏析现象，但又导致铸锭下部冷速过大、发生马氏体相变、进而造成组织应力开裂现象，使得铸锭报废，制约了电弧重熔马氏体钢的发展。

综上所述，电弧重熔中防止铸锭马氏体相变应力开裂的前提下，改善铸锭内部质量和表面质量对于生产高品质马氏体钢具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是防止铸锭马氏体相变应力开裂、并提升铸锭内部质量和表面质量，为高性能马氏体钢产品提供优质的铸锭。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于多进多出式水冷结晶器的电弧重熔装置和工艺，具体的，本发明采用如下技术方案：

一种防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法，结晶器采用底水箱结合多进多出的冷却方式，包括以下步骤：电弧重熔时，底水箱一直开启水冷，最底部进水口与最上方的出水口一直开启；电弧重熔过程中，当金属熔池液面到达进水口上方25～30cm时，该进水口呈开启模式，除最底部进水口外其余进水口呈关闭模式；当结晶器中金属熔池液面到达出水口上方3～5cm时，该出水口呈开启模式，除最上方的出水口外，其余出水口呈关闭模式。优选的，所有进水口的水流量一样，所有出水口的水流量一样。

本发明公开了上述防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法用电弧重熔装置，包括水冷结晶器，所述水冷结晶器包括多个进水口、多个出水口；多个进水口沿结晶器高度上下排列、多个出水口沿结晶器高度上下排列。结晶器内形成惰性气氛电弧重熔炉，为常识，本发明的创造性在于水冷结晶器采用多进多出式冷却，包括多个进水口、多个出水口；多个进水口、多个出水口沿结晶器高度上下排列。

作为常识，本发明多进多出式水冷结晶器的电弧重熔装置具有常规电弧重熔装置的基础部件，比如电源、水冷电缆、金属电极、底水箱、电弧、水冷结晶器以及金属熔池。水冷结晶器设有进水口、出水口，与水冷结晶器夹层连通，循环流动实现结晶器的冷却。本发明中，多个进水口和多个出水口沿着水冷结晶器的高度方向上下排列，作为常识，有一个进水口位于结晶器底部、有一个出水口位于结晶器顶部，此为现有水冷结晶器。优选的，多个进水口和多个出水口沿着水冷结晶器的高度方向上下竖直排列。进一步优选的，每个进水口和出水口设有流量调节阀，结晶器最顶部的出水口装有液体流量计，所有进水口全部接入供水总回路，所有出水口最终全部接入回水总回路，回水总回路带有液体流量计。结晶器各个出水口的冷却水流量各自调节，从而使得金属熔池呈浅平状、金属熔池凝固速率变快，细化铸锭组织晶粒，同时改善铸锭表面质量；结晶器的各个进水口的冷却水流量各自调节，在保证上部铸锭冷速的前提下，使得下部铸锭冷速变慢，防止下部铸锭马氏体相变应力的开裂。

本发明中，多个进水口为2～4个，进水口呈垂直排列在结晶器的不同高度上；多个出水口为2～10个，出水口呈垂直排列在结晶器的不同高度上；至少一个进水口位于所有出水口下方，作为常识，进水口、出水口不在结晶器同侧，此处的下方指上下位关系并非正下方。出水口中，最下方的出水口与结晶器底面的距离大于20厘米，最下方的出水口、最上方出水口之间的出水口均匀分布；进水口中，最上方进水口与结晶器顶部的距离大于70厘米，最下方的进水口、最上方进水口之间的进水口均匀分布。。具体的，多个进水口中，最下方进水口位于结晶器底部、最上方进水口与结晶器顶部的距离大于70厘米，优选大于70厘米小于120厘米；多个进水口中，最下方的进水口、最上方进水口之间的进水口均匀分布。多个出水口中，最下方的出水口与结晶器底面的距离大于20厘米，优选大于20厘米小于40厘米；多个出水口中，最下方的出水口、与最上方出水口之间的出水口均匀分布，即其余出水口按高度平均分布在最下方出水口和最顶部出水口之间，保持间距一致。

本发明使用上述多进多出式水冷结晶器的电弧重熔装置进行电弧重熔的方法，为一种防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法，包括以下步骤：电弧重熔装置的底水箱开启水冷，开启结晶器最底部进水口与最上方的出水口，开始电弧重熔，且底水箱、结晶器最上方的出水口持续开启直至电弧重熔结束；当金属熔池液面到达当前进水口上方25～30cm时，当前进水口呈开启模式；当结晶器中金属熔池液面到达出水口上方3～5cm时，该出水口和顶部出水口开启，其余出水口关闭，直至电弧重熔完成；所有进水口的水流量一样，所有出水口的水流量一样，各进水口的水流量根据进水口开启数量以及出水口开启数量调整。

具体的示例如下：

（1）采用上述由一个最顶部出水口、多个沿结晶器高度方向上竖直排列的出水口以及一个最底部进水口、多个沿结晶器高度方向上竖直排列的进水口组成的多进水多出水水冷结晶器，电弧重熔时，各个进水口和出水口的开闭根据结晶器内的金属熔池液面高度进行调节且最下方的进水口以及最顶部的出水口一直开；

（2）电弧重熔过程中，底水箱的循环冷却水始终呈开启模式、水冷结晶器最顶部的出水口始终呈开启冷却模式，其余出水口根据金属熔池液面高度依次开启和关闭；

（3）电弧重熔开始，底水箱的循环冷却水呈开启模式、水冷结晶器采用下进水口进水、最顶部出水口出水、其余出水口关闭的单进单出的冷却模式；

（4）随着铸锭的不断升高，当金属熔池液面到达结晶器最下方的出水口上方3～5cm时，该出水口（结晶器下端第一个出水口）和最顶部出水口呈开启模式，其余出水口呈关闭模式；当金属熔池液面到达从结晶器下方数第二个出水口上方3～5cm时，该结晶器第二个出水口和最顶部出水口呈开启模式，其余出水口呈关闭模式；当金属熔池液面到达从结晶器下方数第三个出水口上方3～5cm时，该结晶器第三个出水口和最顶部出水口呈开启模式，其余出水口呈关闭模式；当金属熔池液面到达从结晶器下方数第四、五等出水口上方3～5cm时，以此类推、依次循环开启第四、五出水口和闭合其余出水口，保持结晶器的当前出水口和顶部出水口呈开启模式，其余出水口呈关闭模式；

（5）当金属熔池液面到达从结晶器下方数第二个进水口上方25～30cm时，该结晶器第二个进水口呈开启模式，最底部进水口（结晶器下方数第一个进水口）呈开启模式，其余进水口呈关闭模式；当金属熔池液面到达从结晶器下方数第三个进水口上方25～30cm时，该结晶器第三个进水口呈开启模式、最底部进水口呈开启模式，其余进水口呈关闭模式；当金属熔池液面到达从结晶器下方数第四个进水口上方25～30cm时，该结晶器第四个进水口呈开启模式、最底部进水口呈开启模式，其余进水口呈关闭模式；

以上以四个进水口、六个出水口为例，本领域技术人员知晓其它数量下，也参照此进行。

本发明中，水冷结晶器侧壁设有夹层，用于循环水冷，底部设有底水箱，用于底部水冷。采用本发明由多个沿结晶器高度方向上竖直排列的进水口和出水口组成的水冷结晶器，每个进水口和出水口的开闭能够动态调节；进水流量、出水流量一样。

结晶器顶部的出水口一直开启使得金属熔池侧壁始终处于合理的冷却模式、铸锭表面光滑度提高；作为优选示例，当金属熔池液面到达当前出水口上方4 cm时打开当前出水口，使得低于当前出水口高度的结晶器中水流量增加，低于对应高度的铸锭冷却强度显著增加，有利于金属熔池呈浅平状，降低铸锭中心偏析、细化组织晶粒，实现同时改善铸锭表面和内部质量的目标。当金属熔池液面到达当前进水口上方27cm时打开当前进水口、将结晶器最底部进水口的水流量降低至一半，使得低于当前进水口高度的结晶器中水流量降低，低于对应高度的铸锭冷却强度显著降低，从而防止了铸锭低温马氏体相变应力的开裂现象。

为了控制结晶器不同高度上的各个进水口和出水口的开合，本发明还公开了一种判定金属电极熔化重量和金属熔池液面上升高度的计算方法，用于根据金属电极熔化重量控制结晶器各个进水口和出水口的开合，其中结晶器的上圆口直径小于下圆口的直径，具有一定的锥度，其为常识。计算如下：

（1）

其中结晶器上圆口半径为r，结晶器下圆口半径为R，结晶器高度为L，金属熔池液面处的高度为H，长度单位均为cm；金属电极的熔炼总重量为M，单位为kg；金属电极的密度为p，单位kg/cm³。

现有技术不需要金属熔池液面处的高度参数，也不涉及根据该高度调节冷却的方法，本发明根据测试的金属电极的重量，首次公开了金属熔池液面处的高度，结合本发明多进多出式水冷结晶器，实现防止铸锭马氏体组织应力开裂、并提高铸锭内部质量和表面质量的目标；有效解决了现有技术无法防止铸锭的马氏体相变应力开裂、改善铸锭内部质量和表面质量的电弧重熔产品的问题。

本发明相较于现有技术的优点和技术效果如下：

其一、采用多进多出式水冷结晶器及其使用方法，下部铸锭冷却强度显著降低，防止了铸锭的低温马氏体相变应力开裂。

其二、采用多进多出式水冷结晶器及其使用方法，上部铸锭的冷却强度显著增加，金属熔池呈浅平状且凝固速率加快，改善铸锭偏析、细化组织晶粒等。

其三、采用多进多出式水冷结晶器及其使用方法，在保证金属熔池浅平状及上部铸锭冷却强度显著增加的情况下，金属熔池侧壁处于合理的水冷强度，有利于铸锭表面光滑度提高。

其四、本发明首次公开了金属电极熔化重量和金属熔池液面高度的计算方法，根据电弧重熔炉操控台上的电极重量示数就能够自动控制结晶器各个进水口和出水口的开启和关闭。

与现有技术相比，本发明的创造性在于：1）本发明首次公开了多进多出式水冷结晶器及其使用方法，其各个进水口的水流量可以动态调节，使得结晶器轴向上的水流量呈当前开启进水口的下部结晶器水流量慢，防止了铸锭的低温马氏体相变应力开裂；其各个出水口的水流量可以动态调节，使得结晶器轴向上的水流量呈当前开启出水口的下部结晶器水流量快、当前开启出水口的上部结晶器的水流量慢，实现同时提高铸锭内部质量和表面质量的目标。

附图说明

图1是带有夹层的多进多出式水冷结晶器结构示意图；

图2为多进多出式水冷结晶器的电弧重熔装置结构示意图；

图3为现有单进单出式水冷结晶器的电弧重熔装置结构示意图；

图4为应用实施例一多进多出式水冷结晶器的电弧重熔装置结构示意图，带有尺寸参数标记；

其中：1-1#出水口，2-2#出水口，3-3#出水口，4-4#出水口，5-5#出水口，7-1#出水口的电动调节阀，8-2#出水口的电动调节阀，9-3#出水口的电动调节阀，10-4#出水口的电动调节阀，11-5#出水口的电动调节阀，13-1#出水口的液体流量计，15-1#进水口，16-2#进水口，17-1#进水口的电动调节阀，18-2#进水口的电动调节阀，19-水冷结晶器铜制内层，20-水冷结晶器钢制外层，21-金属电极，22-铸锭，24-金属熔池，25-电弧，26-底水箱,27-惰性气体保护罩。

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说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。本发明涉及的具体部件以及部件的具体连接方法为现有常规方法，比如出水口阀门的安装与控制等。本发明具体实验以及测试方法为现有技术，二次枝晶间距为平均值。

实施例一

如图1所示，一种多进多出式水冷结晶器的惰性气氛电弧重熔装置，包括水冷结晶器及其他常规部件，其中水冷结晶器根据循环水的方式为多进多出式水冷结晶器，具有1#出水口1、2#出水口2、3#出水口3、4#出水口4、5#出水口5、1#出水口的电动调节阀7、2#出水口的电动调节阀8、3#出水口的电动调节阀9、4#出水口的电动调节阀10、5#出水口的电动调节阀11、1#结晶器进水口15、2#结晶器进水口16，都与结晶器自带的夹层连通，该水冷结晶器铜制内层19、钢制外层20。冷却水从进水口15或者进水口15和16进入夹层，两个进水口竖直上下排列，五个出水口竖直上下排列。

另外，惰性气氛电弧重熔装置还有常规的电弧25、金属电极21、底水箱26以及电源，多进多出式水冷结晶器放置于底水箱上，如图2所示，1#出水口外接液体流量计。

惰性气氛电弧重熔时，金属电极在电弧热下进行熔化，并在水冷结晶器的冷却下重新凝固为铸锭，水冷结晶器的每个进水口和出水口能够通过调节阀动态调节。

电弧重熔时，在惰性气氛保护下，通电后采用电弧热熔化金属电极，在电弧热下熔化呈熔滴、穿过电弧并在水冷结晶器的冷却下形成铸锭。电弧重熔过程中，底水箱的循环冷却水始终为开启模式、水冷结晶器最顶部的出水口始终呈开启模式，其余出水口根据金属熔池液面处的高度依次开启和关闭。电弧重熔初期，底水箱的循环冷却水始终为开启模式、水冷结晶器采用下进水口进水、顶部出水口出水、其余出水口关闭的单进单出的冷却模式；随着铸锭的不断升高，当金属熔池液面到达第二个进水口上方27cm时，第二个进水口呈开启模式、第一个最底部进水口呈开模式；随着铸锭的不断升高，当金属熔池液面到达第一个出水口上方4cm时，第一个出水口和最顶部出水口呈开启模式，其余出水口呈关闭模式；当金属熔池液面到达第二个出水口上方4cm时，第二个出水口和最顶部出水口呈开启模式，其余出水口呈关闭模式；以此类推、当金属熔池液面到达第三、四出水口上方4cm时，依次循环开启第三、四出水口和闭合其余出水口。本发明中，金属熔池液面到达第二个进水口上方27cm时打开第二个进水口、将结晶器最底部进水口的水流量降低至一半，除了保持进水出水一致外，还使得低于第二个进水口高度的结晶器中水流量降低，低于对应高度的铸锭冷却强度显著降低，从而防止了下部铸锭低温马氏体相变应力的开裂现象；高于第二个进水口的结晶器中水流量增加，使得上部铸锭的冷却强度显著增加，有利于金属熔池呈浅平状。结晶器顶部的出水口使得金属熔池侧壁始终处于合理的冷却模式、铸锭表面光滑度提高。当金属熔池液面到达当前出水口上方4cm时打开当前出水口，使得低于对应高度的铸锭冷却强度显著增加，有利于金属熔池呈浅平状、细化铸锭内部组织晶粒，实现同时改善铸锭表面和内部质量的目标。

本发明采用的电弧重熔炉为现有市售产品，只需要将现有的水冷结晶器的水冷结构替换为本发明的多进多出式水冷结晶器水冷结构、并配备进水口和出水口的各个电动调节阀控制***即可；具体操作方法以及测试方法都为本领域常规方法，进水为常温水。本发明的方位关系为实际生产时的位置关系。

实施例二

在实施例一的基础上，将两个进水口调整为竖直上下排列的三个出水口；五个出水口调整为竖直上下排列的八个出水口，其余不变。得到铸锭后，铸锭低温马氏体相变应力的开裂发生率低；检测两相邻出水口之间对应高度的铸锭的铸态组织，其铸锭内部的组织晶粒细小。

对比例一

如图3所示，在实施例一的基础上，将两个进水口调整为一个进水口，位于最下方；将五个出水口调整为一个出水口，位于最上方，其余不变，得到的铸锭组织晶粒粗大，且发生了低温马氏体相变应力的开裂现象。

应用实施例一

参见图4，采用两进五出式水冷结晶器，各个出水口距离结晶器底部的高度见表1，结晶器下口内径为54cm、上口内径为48cm、高为185cm。金属电极采用直径为38cm的M50轴承钢圆柱形铸坯，密度为7.9 g/cm³。

加入到电弧重熔炉的两进五出式水冷结晶器内进行金属电极的重熔，电弧重熔过程中的电流、电压分别为9000A、58V，电极熔化速率为350kg/h，惰性氩气通入炉内的流量为25 NL/min，底水箱的循环冷却水的流量为20 m³/h，结晶器内的循环冷却水流量见表1。

惰性气氛电弧重熔过程中，随着金属电极的熔化、铸锭的高度逐渐增加。根据公式（1）计算得到电极熔化重量与金属熔池液面高度的对应关系，如表1所示。结晶器各个出水口位置到结晶器底部的距离如表1所示。当金属熔池液面高度到达对应出水口上方4cm时，对应的出水口呈开启模式；当金属熔池液面高度达到对应进水口上方27cm时，对应的进水口呈开启模式；具体的结晶器各个进水口和出水口的开合模式与电极熔炼重量（金属熔池液面高度）的对应关系如表1所示。

惰性气氛电弧重熔结束后脱模，得到3000kg的表面光滑的M50航空轴承钢，铸锭表面光滑、无缺陷、质量良好。对铸锭顶部中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为188μm；对铸锭130cm高的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为190μm；表明该铸锭具有良好的凝固组织。

表1 各个出水口随金属电极熔化重量（金属熔池液面高度）的开启、关闭操作

对比应用例一

在应用实施例一的基础上，将两进五出式水冷结晶器换为图3的单进单出水冷结晶器，进水口、出水口的水流量为45 m³/h,底水箱的循环冷却水的流量为20 m³/h，其余不变。同样的进行惰性气氛电弧重熔M50航空轴承钢，得到铸锭表面平整、质量较好。对铸锭顶部中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为250μm；对铸锭130cm高的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为255μm；表明该铸锭的凝固组织差。

对比应用例二

在应用实施例一的基础上，将两进五出式水冷结晶器换为图3的单进单出水冷结晶器，进水口、出水口的水流量为90 m³/h,底水箱的循环冷却水的流量为20 m³/h，其余不变。进行同样的惰性气氛电弧重熔M50航空轴承钢，得到铸锭表面质量极差、并且铸锭表面发生了严重的开裂现象、铸锭报废。对铸锭顶部中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为206μm；对铸锭130cm高的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为208μm。

对比应用例三

在应用实施例一的基础上，将两进五出式水冷结晶器换为图3的单进单出水冷结晶器，进水口、出水口的水流量为70 m³/h,底水箱的循环冷却水的流量为20 m³/h，其余不变。进行同样的惰性气氛电弧重熔M50航空轴承钢，得到铸锭表面质量较为粗糙；且铸锭表面发生了开裂现象、铸锭报废。对铸锭顶部中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为220μm；对铸锭130cm高的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为225μm；表明其凝固组织不如对比应用例二，更不如应用实施例。

对比例证明了本发明提出的多进多出式水冷结晶防止铸锭低温马氏体相变应力的开裂、细化铸锭组织晶粒尺寸的优越性。

本发明采用多进多出式水冷结晶，能同时获得表面光滑和内部质量优异的铸锭。进一步的，本发明采用多进多出式水冷结晶，在防止铸锭低温马氏体相变应力的开裂的前提下，使得金属熔池侧壁处于合理冷却模式，铸锭处于强水冷模式，同时细化铸锭组织晶粒和改善表面质量。这对于生产大型锻件具有重要的实践生产意义。

现有的惰性气氛电弧重熔装置，当水冷结晶器冷却强度过小时，金属熔池凝固速率变慢，产生了大量的偏析夹杂物、组织晶粒粗大、严重影响了铸锭内部质量；当水冷结晶器的冷却强度过大时，造成了铸锭表面质量很差和铸锭低温马氏体相变应力的开裂等问题。惰性气氛电弧重熔的动态过程复杂，涉及传热、铸锭凝固、组织相变应力的动态变化，因此现有技术无法满足铸锭大型化和产品高性能化的要求。

应用实施例二

在应用实施例一的基础上，选择金属熔池液面高度到达对应出水口上方2cm时，对应的出水口呈开模式，其余一样，得到M50航空轴承钢的铸锭。对铸锭顶部中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为187μm；对铸锭130cm高的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为192μm；其凝固组织与应用实施例一相差不大。但是得到的铸锭表面光滑度下降、其表面质量明显较应用实施例一差，但是优于对比应用。

应用实施例三

在应用实施例一的基础上，选择金属熔池液面高度到达对应出水口上方6cm时，对应的出水口呈开模式，其余一样，得到表面光滑的M50航空轴承钢，铸锭表面光滑、无缺陷、质量良好；对铸锭顶部中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为195μm；对铸锭130cm高的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为205μm；凝固组织较应用实施例一差，但是明显优于对比应用。

应用实施例四

在应用实施例一的基础上，选择金属熔池液面高度到达第二进水口上方20cm时，对应的进水口呈开模式，其余一样，得到表面光滑的M50航空轴承钢，铸锭表面光滑、无缺陷、质量良好；对铸锭顶部中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为196μm；对铸锭130cm高的中心部位取样，利用金相显微镜观察并测定其二次枝晶间距为204μm；130cm高的铸锭凝固组织较应用实施例一差，但是明显优于对比应用。

应用实施例五

在应用实施例一的基础上，选择金属熔池液面高度到达对应进水口上方35cm时，对应的进水口呈开模式，其余一样，得到的铸锭表面发生了开裂现象，铸锭报废。

根据以上描述，本发明开发了一种新型的多进多出式水冷结晶器的惰性气氛电弧重熔技术。惰性气氛电弧重熔中，随着铸锭的不断升高，当金属熔池液面到达第一个出水口上方3～5cm时，开启结晶器第一个出水口和最顶部出水口，其余出水口均为关闭模式。这种出水模式使得高于第一个出水口的上部分结晶器中冷却水的流量呈合理模式，低于第一个出水口的下部分结晶器中冷却水的流量显著增加：即高于第一个出水口的金属熔池侧壁呈合理的冷却模式，低于第一个出水口的部位冷却强度显著增加，使得金属熔池呈浅平状，从而细化铸锭组织晶粒。金属熔池侧壁为铸锭表面的形成区，合理冷却模式使得铸锭表面获得良好的表面质量

综上所述，在保证铸锭表面质量的前提下，提升金属熔池的凝固速度不仅可以细化组织晶粒，提升产品的力学性能。尤其是，本发明首次公开了金属电极熔化重量随着金属熔池液面高度的变化关系，实际生产验证该方法具有显著的技术进步，为工业生产提供可行性保障。

本发明公开了惰性气氛电弧重熔炉中防止铸锭相变应力开裂、改善铸锭内部质量的工艺和方法。为实现本工艺，本发明还开发了多进多出式水冷结晶器，其由多个沿结晶器高度方向竖直排列的进水口和出水口组成。电弧重熔初期，结晶器底部进水口和顶部出水口呈开启模式、其余水口呈关闭模式；随着电弧重熔的进行，当金属熔池液面到达当前出水口上方3～5cm时，当前出水口和顶部出水口呈开启模式、其余出水口呈关闭模式；当金属熔池液面到达当前进水口上方25~30cm时，当前进水口呈开启模式、结晶器最底部进水口呈半开启模式、其余进水口呈关闭模式。本工艺和装置的多个结晶器进水口使得铸锭呈下部冷却速率慢、上部冷却速率快，降低铸锭的马氏体相变应力，防止铸锭开裂；本发明中的多个结晶器出水口使得金属熔池呈浅平状、减轻凝固偏析，同时金属熔池侧壁具有合理的冷却速率，同时改善了铸锭表面和内部质量。现有技术采用单进单出水冷结晶器，降低结晶器水流量时导致金属熔池深、凝固偏析严重，增加结晶器水流量时导致铸锭马氏体相变应力开裂和表面质量差等问题。本发明开发的多进多出式水冷结晶器，不仅防止了铸锭的马氏体相变应力开裂、同时改善了铸锭表面和内部质量。

Claims (10)

1.一种防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法，其特征在于，结晶器采用底水箱结合多进多出的冷却方式，包括以下步骤：电弧重熔时，底水箱一直开启水冷，最底部进水口与最上方的出水口一直开启；电弧重熔过程中，当金属熔池液面到达进水口上方25～30cm时，该进水口呈开启模式，除最底部进水口外其余进水口呈关闭模式；当结晶器中金属熔池液面到达出水口上方3～5cm时，该出水口呈开启模式，除最上方的出水口外，其余出水口呈关闭模式。

2.根据权利要求1所述防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法，其特征在于，多进多出的冷却方式中，进水口为2～4个，出水口为2～10个。

3.根据权利要求2所述防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法，其特征在于，进水口上下排列；出水口上下排列；至少一个进水口位于所有出水口下方。

4.根据权利要求2所述防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法，其特征在于，出水口中，最下方的出水口与结晶器底面的距离大于20厘米，最下方的出水口、最上方出水口之间的出水口均匀分布；进水口中，最上方进水口与结晶器顶部的距离大于70厘米，最下方的进水口、最上方进水口之间的进水口均匀分布。

5.根据权利要求1所述防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法，其特征在于，所有进水口的水流量一样，所有出水口的水流量一样。

6.根据权利要求1所述防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法，其特征在于，金属电极熔化重量与金属熔池液面高度的关系如下：

其中结晶器上圆口半径为r，结晶器下圆口半径为R，结晶器高度为L，金属熔池液面处的高度为H，长度单位均为cm；金属电极的总重量为M，单位为kg；金属电极的密度为p，单位kg/cm³。

7.权利要求1所述防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法制备的电弧重熔铸锭。

8.权利要求1所述防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法用电弧重熔装置，包括水冷结晶器，其特征在于，所述水冷结晶器包括多个进水口、多个出水口；多个进水口沿结晶器高度上下排列、多个出水口沿结晶器高度上下排列。

9.一种判定金属电极熔化重量和金属熔池液面上升高度的计算方法，其特征在于，金属电极熔化重量随着金属熔池液面高度的变化关系如下：

其中结晶器上圆口半径为r，结晶器下圆口半径为R，结晶器高度为L，金属熔池液面处的高度为H，长度单位均为cm；金属电极的熔炼总重量为M，单位为kg；金属电极的密度为p，单位kg/cm³。

10.权利要求8所述电弧重熔装置在权利要求1所述防止铸锭应力开裂及改善铸锭内部质量的电弧重熔的方法中的应用。

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