CN114653926A - 结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的装置和方法，装置包括重熔电源、结晶器电源、引锭板、上结晶器和下结晶器组成；上结晶器上设有缺口，填充有绝缘块；上结晶器的外壁上部装配有两个导电接口，两个导电接口位于绝缘块的两侧，两个导电接口分别与结晶器电源的两极连接。方法为：(1)将芯轴至于电渣炉结晶器内；(2)设置包覆层；(3)将钢包熔池放入电渣炉结晶器形成液态渣池；(4)自耗电极下降到液态渣池；重熔开关合闸；(5)两个导电接口与结晶器电源两极连接；(6)启动抽锭***。本发明在复合***中增加了结晶器中的导电回路，通过在重熔复合区域附加轴向的额外磁场，对渣池尤其是渣‑金属界面附近的温度场进行了合理的优化。
Description
技术领域
本发明属于冶金设备技术领域，特别涉及一种结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的装置和方法。
背景技术
最常用的是复合铸造轧辊主要有以下几种办法：离心铸造法、连续浇铸复合铸造法(CPC)、电渣重熔法。卧式离心铸造法首先浇注高合金工作层，待工作层在离心机上浇注完毕后，将铸模垂直放置，再浇注芯部球墨铸铁；复合轧辊的工作层通常为合金含量较高的高铬钢或者高速钢，芯部为韧性较好的球墨铸铁；日本新日铁公司开发了连续浇注外层成形法制备高速钢复合轧辊，将锻钢材质芯轴同轴布置于水冷结晶器中，高速钢钢水浇注到结晶器与芯轴之间的空隙；钢水在结晶器的强冷却作用下逐渐凝固形成工作层，浇注钢水的同时向下牵引芯轴与工作层组成的复合轧辊，轧辊的高度不断增加。该方法的技术关键在于采用双感应加热线圈，上感应线圈先预热芯轴，在结晶器外侧的下感应线圈对钢液进行补热，促进芯轴与高速钢工作层之间冶金结合的形成；电渣重熔法广泛应用于制备双金属复合材料，电渣重熔法渣池电阻较大，电流通过会产生巨大的热量，渣阻热不仅能够熔化自耗电极而且能够熔化基体材料，实现工作层与基体之间良好的冶金结合。
离心铸造法在制造过程会在芯部浇入球墨铸铁，部分返熔的工作层与球墨铸铁混合后在结合界面处形成大量的碳化物；该界面结合强度较低，轧辊使用时界面的碳化物易成为剥落源；此外，混熔部分作为辊身也会降低轧辊的韧性和强度，增加断辊事故。为了防止工作层的合金元素向芯部球墨铸铁扩散，在二者之间增加了中间层以实现工作层与芯部的良好过渡；提高淬火温度可以改善材料的硬度和耐磨性，但界面出现烧损问题；芯材所用铸造材料强度已不适用新型轧机(如ME轧机)的要求。CPC法的优点在于结晶器强冷却作用，高速钢工作层偏析减弱，辊身组织细小；连续不断浇入钢水并且由感应线圈补充热量，消除了缩孔和疏松等缺陷。芯轴采用高强度锻钢可以有效提高轧辊芯轴和辊颈的强韧性；不过该方法的缺点在于设备复杂，操作难度大，成产成本较高。应用电渣重熔法制备复合轧辊，也存在明显的缺点；传统电渣重熔法的电流回路为电源-自耗电极-渣池-芯轴的回路，芯轴作为一极，导致芯轴表面过度熔化，造成熔覆层成分稀释，进而降低熔覆层的力学性能；工艺开始初期，芯棒未能熔化，冶金结合较差，整个工艺周期中轧辊的轴向均匀性较差，同时存在轧辊轴向均匀性差的问题，最终导致轧辊质量和使用寿命降低。
发明内容
为了改善传统电渣重熔法制备的复合轧辊的质量，本发明提供一种结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的装置和方法，在结晶器中通以环形电流，在电渣复合区域形成额外的轴向磁场，增强渣池和金属熔池周向的流动，改善芯轴熔覆层的周向凝固质量，进而提高整个复合轧辊的质量；通过采用钢包单点浇注钢液提高轧辊的轴向复合均匀性。
本发明的结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的装置包括重熔电源1、结晶器电源21、引锭板11、上结晶器5和下结晶器7组成，下结晶器7为T型，上结晶器5和下结晶器7构成电渣炉结晶器；上结晶器5和下结晶器7之间通过圆环型绝缘垫片6隔断；上结晶器5内壁上覆盖有绝缘环19；上结晶器5上设有缺口，该缺口贯串上结晶器5的顶面和底面，并将上结晶器5内外连通，该缺口内填充有绝缘块9；重熔电源1的一极与引锭板11连接，另一极与自耗电极2连接；上结晶器5的外壁上部装配有两个导电接口14，两个导电接口14位于绝缘块9的两侧，两个导电接口14分别与结晶器电源21的两极连接。
上述装置中，下结晶器7侧壁上设有两个液位检测探头8，两个液位检测探头8共同装配在同一液位检测仪上；两个液位检测探头8的高度差为15～20mm；两个液位检测探头8的轴线在水平面上的投影形成夹角θ或重合；夹角θ为90゜、180゜或270゜。
上述装置还包括钢包15，钢包15底部设有溜槽16，溜槽16的出口与上结晶器5相对。
本发明的结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的方法是采用上述装置，按以下步骤进行：
(1)将芯轴3置于电渣炉结晶器内，芯轴3的底面与引锭板11连接；此时引锭板10与下结晶器下部9的底面连接；
(2)在下结晶器7内设置包覆层10，包覆层10填充在芯轴3和下结晶器7之间的空间；
(3)将渣料置于钢包15内熔化，形成钢包熔池17；开启钢包15底部的溜槽16，将钢包熔池17放入电渣炉结晶器内，形成液态渣池4；将重熔电源1的一极通过短网与引锭板11连接，另一极与自耗电极2连接；
(4)通过升降装置将自耗电极2下降到液态渣池4内；将短网上的重熔开关18合闸，将自耗电极2、液态渣池4、芯轴3和引锭板11的电路导通；在电流作用下，液态渣池4温度逐渐升高，自耗电极2受热熔化，同时芯轴3表面被加热形成熔化层；自耗电极2熔化形成的金属液滴沉积在液态渣池4底部，形成金属熔池12；
(5)将两个导电接口14与结晶器电源21两极连接的电路上的结晶器开关20合闸，对上结晶器5通电，在上结晶器5形成环形电流；在环形电流作用下，上结晶器5内部激发垂直于水平面的磁场；液态渣池4和金属熔池12在导电过程中，受垂直于水平面的磁场作用产生电磁力，并沿水平面旋转，使热量均匀传导，使温度分布均匀；
(6)在下结晶器7冷却作用下，金属熔池12逐渐冷却，并形成熔覆层13包裹着芯轴3外壁上；此时启动抽锭***，降下引锭板11，在引锭板11下降过程中，包裹有熔覆层13的芯轴3被拉出，形成复合钢锭。
上述的步骤(3)中，自耗电极2为圆筒型，或者为圆柱型；当自耗电极2为圆柱型时，由多个圆柱自耗电极组成，多个圆柱自耗电极均匀分布在芯轴3***，各圆柱自耗电极与芯轴3的间距相等。
本发明的原理是：结晶器电源接通后，上部结晶器产生环形电流，环形电流在结晶器内部区域激发垂直水平面向外的磁场，液态渣池和金属熔池通过电流时会产生旋转电磁力，产生旋转流动起来；渣池中的电流优先选择最短的路径回到电源必然会导致渣池在复合过程中发热不均，渣池旋转流动会均匀热量传递，使温度场分布更加均匀，既避免了芯轴部分区域热量积聚过多，造成过熔，也避免电流密度小的部分渣池产热过少，芯轴表面无法熔化，导致复合界面冶金结合失败，最终导致复合轧辊质量显著降低；传统的电渣重熔工艺，在结晶器的快速冷却的作用下，靠近结晶器的金属熔池由于温度降低流动性变差，复合过程中复合界面的冶金结合质量必然差；金属溶体的旋转流动能够均匀整个金属熔池的温度场分布，金属熔池流动性增强，显著改善了复合轧辊周向复合不均匀，凝固质量不佳的问题，大大提高了复合轧辊的产品质量。
本发明改善了芯轴的轴向均匀性。在复合***中增加了结晶器中的导电回路，通过在重熔复合区域附加轴向的额外磁场，对渣池尤其是渣-金属界面附近的温度场进行了合理的优化，提高渣-金属界面处的温度的周向均匀性，以便制备出界面结合质量并且表面质量更好的复合轧辊。而双金属熔炼复合过程渣金界面的稳定是保证整个复合轧辊制备过程稳定进行的前提，更是制备出结合界面均匀、表面质量良好的复合轧辊的有力保障。
附图说明
图1为本发明的结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的装置剖面结构示意图；
图2为图1的上结晶器部分俯视剖面结构示意图；
图中，1、重熔电源，2、自耗电极，3、芯轴，4、液态渣池，5、上结晶器，6、圆环型绝缘垫片，7、下结晶器，8、液位检测探头，9、绝缘块，10、包覆层，11、引锭板，12、金属熔池，13、熔覆层，14、导电接口，15、钢包，16、溜槽，17、钢包熔池，18、开关，19、绝缘环，20、结晶器线路开关，21、结晶器电源。
具体实施方式
本发明实施例中，液位检测仪连接两个液位检测探头8，两个液位检测探头8穿过下结晶器内壁，其前端面与下结晶器的内壁平齐；两个传感器探头的高度差为15～20mm。
本发明实施例中，绝缘环19的材质为耐高温陶瓷。
本发明实施例中，绝缘块9的材质为耐高温陶瓷。
本发明实施例中，绝缘块9是镶嵌在上结晶器上密封连接。
本发明实施例中，将熔融的钢包熔池浇入电渣炉结晶器后，液态渣池4的液面超过下结晶器7上沿20mm。
本发明实施例中，下结晶器7内部的冷却水腔流通冷却水，对熔覆层13进行强制冷却。
本发明实施例中，通过抽锭***控制引锭板11的下降速度，使包裹有熔覆层13的芯轴3被拉出的速度与自耗电极2的熔化速度相匹配，使液态渣池4与金属熔池12的液面保持稳定；通过液位检测探头11监测金属熔池12的液面位置。
本发明实施例中，包裹有熔覆层13的芯轴3达到所需长度后，关闭抽锭***，抬升自耗电极2脱离液态渣池4，有熔覆层13的芯轴3冷却凝固后，形成复合钢锭。
本发明实施例中，芯轴3上焊接有环形的封液板，封液板的外径与下结晶器下部9内径相配合；当芯轴3与引锭板11连接时，在封液板与引锭板11之间填充有三氧化二铝粉，三氧化二铝粉用石棉布包裹固定，构成包覆层10；当抽锭***启动后，三氧化二铝粉在石棉布的包裹下部分流出，剩余部分对芯轴3起保护作用。
本发明实施例中，控制液态渣池4与金属熔池12的界面位于两个液位检测仪探头之间；通过液位检测仪检测金属熔池12液面位置变化，根据该变化调节自耗电极的熔速及抽锭速度。
本发明实施例中，在下结晶器下部9和引锭板11之间采用镁砂和石棉绳填充密封。
本发明实施例中，自耗电极2材质为Cr5钢，由多个圆柱自耗电极组成，多个圆柱自耗电极均匀分布在芯轴3***，各圆柱自耗电极与芯轴3的间距相等。
本发明实施例中芯轴4的材质为42CrMo钢。
本发明实施例中自耗电极2的材质为Cr5钢。
本发明实施例中自耗电极2的直径30mm。
本发明实施例中芯轴4的直径为240～1000mm。
本发明实施例中熔覆层13的厚度为55mm。
本发明实施例中复合钢锭的长度为750mm。
本发明实施例中，结晶器电源、结晶器线路开关和上结晶器构成结晶器回路。
本发明实施例中，结晶器回路的电流为5000～8500A。
实施例1
结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的装置结构如图1所示，俯视图如图2所示，包括重熔电源1、结晶器电源21、引锭板11、上结晶器5和下结晶器7组成；下结晶器7为T型，上结晶器5和下结晶器7构成电渣炉结晶器；上结晶器5和下结晶器7之间通过圆环型绝缘垫片6隔断；
上结晶器5内壁上覆盖有绝缘环19；上结晶器5上设有缺口，该缺口贯串上结晶器5的顶面和底面，并将上结晶器5内外连通，该缺口内填充有绝缘块9；
重熔电源1的一极与引锭板11连接，另一极与自耗电极2连接；上结晶器5的外壁上部装配有两个导电接口14，两个导电接口14位于绝缘块9的两侧，两个导电接口14分别与结晶器电源21的两极连接；
下结晶器7侧壁上设有两个液位检测探头8，两个液位检测探头8共同装配在同一液位检测仪上；两个液位检测探头8的高度差为15～20mm；两个液位检测探头8的轴线在水平面上的投影重合；
装置还包括钢包15，钢包15底部设有溜槽16，溜槽16的出口与上结晶器5相对；
方法为：
将芯轴3置于电渣炉结晶器内，芯轴3的底面与引锭板11连接；此时引锭板10与下结晶器下部9的底面连接；
在下结晶器7内设置包覆层10，包覆层10填充在芯轴3和下结晶器7之间的空间；
将渣料置于钢包15内熔化，形成钢包熔池17；开启钢包15底部的溜槽16，将钢包熔池17放入电渣炉结晶器内，形成液态渣池4；将重熔电源1的一极通过短网与引锭板11连接，另一极与自耗电极2连接；自耗电极2为圆柱型，由多个圆柱自耗电极组成，多个圆柱自耗电极均匀分布在芯轴3***，各圆柱自耗电极与芯轴3的间距相等；
通过升降装置将自耗电极2下降到液态渣池4内；将短网上的重熔开关18合闸，将自耗电极2、液态渣池4、芯轴3和引锭板11的电路导通；在电流作用下，液态渣池4温度逐渐升高，自耗电极2受热熔化，同时芯轴3表面被加热形成熔化层；自耗电极2熔化形成的金属液滴沉积在液态渣池4底部，形成金属熔池12；
将两个导电接口14与结晶器电源21两极连接的电路上的结晶器开关20合闸，对上结晶器5通电，在上结晶器5形成环形电流；在环形电流作用下，上结晶器5内部激发垂直于水平面的磁场；液态渣池4和金属熔池12在导电过程中，受垂直于水平面的磁场作用产生电磁力，并沿水平面旋转，使热量均匀传导，使温度分布均匀；
在下结晶器7冷却作用下，金属熔池12逐渐冷却，并形成熔覆层13包裹着芯轴3外壁上；此时启动抽锭***，降下引锭板11，在引锭板11下降过程中，包裹有熔覆层13的芯轴3被拉出，形成复合钢锭；
下结晶器内径为350mm，芯轴直径Φ240mm，长度750mm；上结晶器内径为Φ420mm，所制备的复合轧辊直径为Φ350mm；复合的工作层厚度55mm；自耗电极由7根直径为30mm的圆柱自耗电极组成，圆柱自耗电极与芯轴之间的间距同为10mm；熔渣的成分为50CaF2-Al2O3-CaO-MgO-SiO2；抽锭速度为10mm/s，钢包浇钢速度为4kg/s；
在未开启结晶器电源的情况下，预热过程中渣池温度沿周向分布不均匀，芯轴表面熔化程度不均；靠近石墨电极的部分熔化速度快，浇钢部位和离电极较远的芯轴部分熔化情况较差；熔敷复合过程中，由于芯轴表面熔化不均匀，靠近靠近石墨电极的部分复合情况较好，浇钢部位和离电极较远的芯轴部分复合界面冶金结合较弱，轧辊整体周向复合不均匀，产品质量差。
实施例2
装置结构同实施例1，不同点在于：
两个液位检测探头8的轴线在水平面上的投影形成夹角θ；夹角θ为90゜；
方法同实施例1，不同点在于：
在开启结晶器电源的情况下，结晶器回路中电流1000A；热过程中渣池温度沿周向分布依然不均匀。熔敷复合过程中，芯轴表面熔化不均匀，靠近石墨电极处的温度高，芯轴表面熔化速度较快，深度较深；远离电极和浇钢点处温度低，芯轴表面熔化速度较慢，深度较浅，轧辊周向整体复合效果仍然较差。
实施例3
装置结构同实施例1，不同点在于：
两个液位检测探头8的轴线在水平面上的投影形成夹角θ；夹角θ为180゜；
方法同实施例1，不同点在于：
在开启结晶器电源的情况下，结晶器回路中电流5000A；预热过程和熔敷复合过程，渣池进行逆时针方向旋转流动，极大改善了温度场的分布。熔敷复合过程中，周向流动促进了周向流动换热，促进了芯轴表面熔化均匀和复合界面的冶金结合过程。工艺顺利完成，界面结合质量良好。
实施例4
装置结构同实施例1，不同点在于：
两个液位检测探头8的轴线在水平面上的投影形成夹角θ；夹角θ为270゜；
方法同实施例1，不同点在于：
在开启结晶器电源的情况下，结晶器回路中电流7000A；预热过程和熔敷复合过程，渣池进行逆时针方向旋转流动，极大改善了温度场的分布。熔敷复合过程中，周向流动促进了周向流动换热，促进了芯轴表面熔化均匀和复合界面的冶金结合过程。工艺顺利完成，界面结合质量良好。
实施例5
装置结构同实施例；
方法同实施例1，不同点在于：
在开启结晶器电源的情况下，结晶器回路中电流7000A；预热过程和熔敷复合过程，渣池进行逆时针方向旋转流动，极大改善了温度场的分布。熔敷复合过程中，周向流动促进了周向流动换热，促进了芯轴表面熔化均匀和复合界面的冶金结合过程。工艺顺利完成，界面结合质量良好。
实施例6
装置结构同实施例1，不同点在于：
两个液位检测探头8的轴线在水平面上的投影形成夹角θ；夹角θ为90゜；
方法同实施例1，不同点在于：
在开启结晶器电源的情况下，结晶器回路中电流7500A；预热过程和熔敷复合过程，渣池进行逆时针方向旋转流动，极大改善了温度场的分布。熔敷复合过程中，周向流动促进了周向流动换热，促进了芯轴表面熔化均匀和复合界面的冶金结合过程。工艺顺利完成，界面结合质量良好。
实施例7
装置结构同实施例1，不同点在于：
两个液位检测探头8的轴线在水平面上的投影形成夹角θ；夹角θ为180゜；
方法同实施例1，不同点在于：
在开启结晶器电源的情况下，结晶器回路中电流8000A；预热过程和熔敷复合过程，渣池进行逆时针方向旋转流动，极大改善了温度场的分布。熔敷复合过程中，周向流动促进了周向流动换热，促进了芯轴表面熔化均匀和复合界面的冶金结合过程。工艺顺利完成，界面结合质量良好。
实施例8
装置结构同实施例1，不同点在于：
两个液位检测探头8的轴线在水平面上的投影形成夹角θ；夹角θ为270゜；
方法同实施例1，不同点在于：
在开启结晶器电源的情况下，结晶器回路中电流8500A；预热过程和熔敷复合过程，渣池进行逆时针方向旋转流动，极大改善了温度场的分布。熔敷复合过程中，周向流动促进了周向流动换热，促进了芯轴表面熔化均匀和复合界面的冶金结合过程。工艺顺利完成，界面结合质量良好。
Claims (8)
1.一种结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的装置，包括重熔电源、结晶器电源、引锭板、上结晶器和下结晶器组成，下结晶器为T型，上结晶器和下结晶器构成电渣炉结晶器；上结晶器和下结晶器之间通过圆环型绝缘垫片隔断；上结晶器内壁上覆盖有绝缘环；上结晶器上设有缺口，该缺口贯串上结晶器的顶面和底面，并将上结晶器内外连通，该缺口内填充有绝缘块；重熔电源的一极与引锭板连接，另一极与自耗电极连接；上结晶器的外壁上部装配有两个导电接口，两个导电接口位于绝缘块的两侧，两个导电接口分别与结晶器电源的两极连接。
2.根据权利要求1所述的一种结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的装置，其特征在于所述的下结晶器侧壁上设有两个液位检测探头，两个液位检测探头共同装配在同一液位检测仪上；两个液位检测探头的高度差为15～20mm；两个液位检测探头的轴线在水平面上的投影形成夹角θ或重合；夹角θ为90゜、180゜或270゜。
3.根据权利要求1所述的一种结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的装置，其特征在于所述的装置还包括钢包，钢包底部设有溜槽，溜槽的出口与上结晶器相对。
4.一种结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的方法，其特征在于采用权利要求1所述的装置，按以下步骤进行：
(1)将芯轴置于电渣炉结晶器内，芯轴的底面与引锭板连接；此时引锭板与下结晶器下部的底面连接；
(2)在下结晶器内设置包覆层，包覆层填充在芯轴和下结晶器之间的空间；
(3)将渣料置于钢包内熔化，形成钢包熔池；开启钢包底部的溜槽，将钢包熔池放入电渣炉结晶器内，形成液态渣池；将重熔电源的一极通过短网与引锭板连接，另一极与自耗电极连接；
(4)通过升降装置将自耗电极下降到液态渣池内；将短网上的重熔开关合闸，将自耗电极、液态渣池、芯轴和引锭板的电路导通；在电流作用下，液态渣池温度逐渐升高，自耗电极受热熔化，同时芯轴表面被加热形成熔化层；自耗电极熔化形成的金属液滴沉积在液态渣池底部，形成金属熔池；
(5)将两个导电接口与结晶器电源两极连接的电路上的结晶器开关合闸，对上结晶器通电，在上结晶器形成环形电流；在环形电流作用下，上结晶器内部激发垂直于水平面的磁场；液态渣池和金属熔池在导电过程中，受垂直于水平面的磁场作用产生电磁力，并沿水平面旋转，使热量均匀传导，使温度分布均匀；
(6)在下结晶器冷却作用下，金属熔池逐渐冷却，并形成熔覆层包裹着芯轴外壁上；此时启动抽锭***，降下引锭板，在引锭板下降过程中，包裹有熔覆层的芯轴被拉出，形成复合钢锭。
5.根据权利要求4所述的一种结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的方法，其特征在于所述的自耗电极为圆筒型，或者为圆柱型；当自耗电极为圆柱型时，由多个圆柱自耗电极组成，多个圆柱自耗电极均匀分布在芯轴***，各圆柱自耗电极与芯轴的间距相等。
6.根据权利要求4所述的一种结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的方法，其特征在于步骤(3)中，将熔融的钢包熔池浇入电渣炉结晶器后，液态渣池的液面超过下结晶器上沿20mm。
7.根据权利要求4所述的一种结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的方法，其特征在于步骤(6)中，下结晶器内部的冷却水腔流通冷却水，对熔覆层进行强制冷却。
8.根据权利要求4所述的一种结晶器附加磁场的电渣重熔法制备复合轧辊的方法，其特征在于步骤(6)中，通过抽锭***控制引锭板的下降速度，使包裹有熔覆层的芯轴被拉出的速度与自耗电极的熔化速度相匹配，使液态渣池与金属熔池的液面保持稳定；通过液位检测探头监测金属熔池的液面位置。
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