一种内棒外管式双极串联电渣重熔装置及方法与流程

本发明属于金属冶炼技术领域，尤其涉及一种内棒外管式双极串联电渣重熔装置及方法。

背景技术

随着我国核电、重型装备制造等工业的迅猛发展，对大型钢锭的质量要求越来越高，电渣重熔是制备高品质大型钢锭的主要方法。

在电渣电渣重熔过程中，将电渣放入结晶器内，并在结晶器上方形成待熔融的渣池，采用电极棒夹头来夹持柱形电极棒，并让电极棒、渣池、金属熔池、钢锭和底水箱通过短网导线和变压器能够形成电流回路。

由于是采用单电极电渣加热，二次短网过长，穿过导磁钢结构件过多，这些导磁钢结构件在有强大的重熔电流通过时，受磁场的影响而产生了涡流，同时产生大量的热，温度高达200℃～300℃，恶化了工作环境，并因此造成了很大的无功功率消耗。同时，存在着短网感抗和阻抗过大，导致电渣重熔设备有效功率降低等问题。

目前，冶金工业已有双极串联电渣重熔技术，这一技术是通过两根并排放置的柱状自耗电极插入渣池中形成电流回路，进而通电冶炼的。但是按这一装置的自耗电极排布方式进行冶炼容易使温度集中在两根自耗电极端部，造成渣池温度分布不均匀，加热效率低。另外，由于趋肤效应，柱状自耗电极端头中心融化速度慢，金属液滴向中心聚集长大，造成金属液滴精炼效果变差，使得大型钢锭中夹杂物含量增加，出现偏析和结晶组织粗大等现象。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种内棒外管式双极串联电渣重熔装置及方法，该装置采用内棒外管式双极串联，减短短网长度，提高电效率和制备出的钢锭质量。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种内棒外管式双极串联电渣重熔装置，包括冷却水循环系统、供电系统、自耗电极升降装置、电极导杆和结晶器，其特征在于，还包括自耗电极连接法盘和内棒外管式自耗电极；

所述自耗电极连接法盘包括自耗电极连接法盘内柱和自耗电极连接法盘外环；

所述内棒外管式自耗电极包括两组电极，分别为内层棒状自耗电极和外层管状自耗电极；

所述内层棒状自耗电极焊接在所述自耗电极连接法盘内柱的底端，所述外层管状自耗电极焊接在所述自耗电极连接法盘外环的底端；

所述电极导杆的一端与自耗电极升降装置焊接，另一端与所述自耗电极连接法盘焊接，用于将与所述自耗电极连接法盘相连的内棒外管式自耗电极伸入所述结晶器中；

所述冷却水循环系统用于冷却所述结晶器；

所述供电系统的正极与所述电极导杆连接，负极与所述自耗电极连接法盘外环连接。

进一步地，所述内棒外管式自耗电极的两组电极长度相等且同轴安装，其中，所述内层棒状自耗电极为实心棒状电极。

进一步地，所述外层管状自耗电极中间为空心，外边缘形成管状。

进一步地，所述外层管状自耗电极包括均匀分布在所述自耗电极连接法盘外环的由多个小直径棒状自耗电极组成的电极群，所述电极群排成管状围绕所述内层棒状自耗电极。

进一步地，所述自耗电极连接法盘的自耗电极连接法盘内柱和自耗电极连接法盘外环之间设置有绝缘材料。

进一步地，所述内层棒状自耗电极和所述外层管状自耗电极的用料量相同。

进一步地，所述内层棒状自耗电极与所述外层管状自耗电极之间的间隔距离为所述内层棒状自耗电极的实心半径的10％～20％，所述外层管状自耗电极的外直径小于所述结晶器的内部空心的直径。

进一步地，所述内层棒状自耗电极的横截面积与所述结晶器的上端面横截面积之比为0.3～0.4：1。

进一步地，所述冷却水循环系统采用低进高出的方式进行冷却水循环，包括位于所述结晶器一侧下部设置的结晶器入水口和上部设置的结晶器出水口，从入水口连接有一端为由下往上盘旋在结晶器外围的管道，管道另一端连接出水口；

还包括位于所述结晶器侧壁的结晶器壁冷却水缝，用于冷却所述结晶器。

一种采用内棒外管式双极串联电渣重熔装置的电渣重熔方法，包括如下步骤：

s1、根据结晶器上端面尺寸、内层棒状自耗电极的横截面积与结晶器上端面的横截面积之比，确定内层棒状自耗电极的半径和重熔电流的大小；

s2、根据内层棒状自耗电极的半径、内层棒状自耗电极的半径与外层管状自耗电极的内半径之差，依据内层棒状自耗电极与外层管状自耗电极的横截面积相等的原则，确定外层管状自耗电极的内外半径；

s3、向结晶器内投放渣料；

s4、调节自耗电极升降装置，使内棒外管式自耗电极的端头侵入渣料内进行起弧、化渣操作；

s5、启动变压器进行通电冶炼；

s6、调节电流大小，进行稳定熔炼；

s7、自耗电极熔化完毕后，停止通电，保持冷却水循环至钢锭彻底冷却，并将自耗电极剩余部分从结晶器中取出；

s8、电渣重熔过程完成，进行钢锭的起吊和脱模工作。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的内棒外管式双极串联电渣重熔装置，双自耗电极串联，熔化速度快，电流无需通过钢锭和底水箱，而是从内层棒状自耗电极流入，穿过渣池，从外层管状自耗电极流出，减少了底垫和底板的打弧，可以延长底板使用寿命，同时渣温分布更均匀，加热效果好。

2、本发明提供的内棒外管式双极串联电渣重熔装置设备简单，易于操作，缩短了短网长度，从而减少了短网压降，短网经过的导磁钢结构件减少，提高电效率和使用寿命。

3、本发明提供的内棒外管式双极串联电渣重熔装置，由于形成往复式短网，磁场相互抵消，短网感抗减少，可使功率因数提高0.9左右，并且与单相单电极相比，同样功率时因电流减少一半，使电网有功功率减少，从而降低了电耗。

4、本发明提供的内棒外管式双极串联电渣重熔装置，采用了内棒外管式自耗电极，能克服趋肤效应的不利影响，电极端头各处熔化速度一致，金属液滴可细化20％～30％，提高了精炼效果，降低了大型钢锭中夹杂物含量，细化了大型钢锭的结晶组织。

5、本发明提供的内棒外管式双极串联电渣重熔装置，外层管状自耗电极可由一系列环形均匀分布的棒状自耗电极组成的电极群替代，由于单根空心管状自耗电极尺寸较小，因此制备工艺简单，成本低，容易制得成分均匀、组织致密的棒状自耗电极，减少了电极缺陷进入钢锭的几率，从源头上减轻了大型钢锭偏析等质量问题。

附图说明

图1为本发明实施例1中内棒外管式双极串联电渣重熔装置示意图；

图2为本发明实施例1中自耗电极连接法盘的剖视图；

图3为本发明实施例1中自耗电极连接法盘的俯视图；

图4为本发明实施例1中内棒外管式自耗电极的示意图；

图5为本发明实施例2中内棒外管式双极串联电渣重熔装置示意图；

图6为本发明实施例2中自耗电极连接法盘的剖视图；

图7为本发明实施例2中自耗电极连接法盘的俯视图；

图8为本发明实施例2中内棒外管式自耗电极的示意图。

【附图标记说明】

1：电极导杆；2：自耗电极连接法盘内柱；3：自耗电极连接法盘外环；4：绝缘层；5：预留焊接头；6：内层棒状自耗电极；7：外层管状自耗电极；8：升降横臂；9：立柱；10：操作平台；11：结晶器出水口；12：结晶器入水口；13：结晶器；14：结晶器壁冷却水缝；15：电缆；16：变压器。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示的内棒外管式双极串联电渣重熔装置包括自耗电极连接法盘、内棒外管式自耗电极、冷却水循环系统、供电系统、自耗电极升降装置、电极导杆1和结晶器13，结晶器13位于操作平台10上。

所述自耗电极升降装置包括升降横臂8和立柱9。立柱9竖直设置于操作平台10上，立柱9的上方通过滑块与升降横臂8的一端连接，所述滑块内壁设置有若干滚轮，所述滚轮带动所述滑块沿立柱9上下移动，进而带动升降横臂8的上下移动。升降横臂8的另一端与电极导杆1的一端固定连接，电极导杆1正对结晶器的中心位置，用于控制内棒外管式自耗电极进出结晶器13。

如图2、3所示，分别为自耗电极连接法盘的剖视图和俯视图，自耗电极连接法盘包括自耗电极连接法盘内柱2和自耗电极连接法盘外环3，自耗电极连接法盘内柱2的一端与电极导杆1焊接，另一端用于与内棒外管式自耗电极连接。自耗电极连接法盘外环3的环形底部凸出设置有预留焊接头5，预留焊接头5可设为凸起的圆环，用于与内棒外管式自耗电极连接。

如图4所示，内棒外管式自耗电极包括两组电极，分别为内层棒状自耗电极6和外层管状自耗电极7，内层棒状自耗电极6套设于外层管状自耗电极7内部。内层棒状自耗电极6为实心棒状，一端焊接在自耗电极连接法盘内柱2上，另一端用于浸入结晶器13熔化形成钢锭；外层管状自耗电极7中间为空心，外边缘形成管状，一端通过预留焊接头5与自耗电极连接法盘外环3焊接在一起，另一端用于浸入结晶器13熔化形成钢锭。

自耗电极连接法盘内柱2和自耗电极连接法盘外环3之间填充设置有绝缘层4，其中，绝缘层4可以选用陶瓷等材料。绝缘层4使自耗电极连接法盘内柱2和自耗电极连接法盘外环3之间绝缘，否则会导致自耗电极连接法盘内柱2和自耗电极连接法盘外环3之间不绝缘，进而通电，无法实现电流从内棒流入，外管流出的这一双级串联电流回路。

两组电极长度相等，材质相同且同轴对齐。内层棒状自耗电极6和外层管状自耗电极7的用料量相同，即内层棒状自耗电极6的横截面积与外层管状自耗电极7的横截面积相等，且内层棒状自耗电极6与外层管状自耗电极7之间的间隔距离为内层棒状自耗电极6的半径的15％，外层管状自耗电极7的外直径小于结晶器13的内部空心的直径，内层棒状自耗电极6的横截面积与结晶器13的上端面横截面积之比为1：3。上述设置可以使自耗电极的液滴滴落的位置更加科学，有利于结晶器13内渣池的温度均匀分布，从而使钢锭的冶炼凝固效果更好。

由于采用了内棒外管式自耗电极，电极能克服趋肤效应的不利影响，电极端头各处熔化速度快且一致，金属液滴可细化20％～30％，提高了精炼效果，降低了大型钢锭中夹杂物含量，细化了大型钢锭的结晶组织。

所述供电系统包括变压器16和两根电缆15，变压器16固定在操作平台10上，电流从变压器16流出，通过其中一根电缆15依次流入电极导杆1、自耗电极连接法盘内柱2以及内层棒状自耗电极6中，流经结晶器13中的渣池后，从外层管状自耗电极7流出，最后依次通过自耗电极连接法盘外环3和另一根电缆15流回变压器16，使得渣温分布更均匀，加热效果好。

由于内棒外管式自耗电极和渣池通过电缆和变压器形成复式短网，磁场相互抵消，短网感抗减少，可使功率因数提高0.9左右，并且与单相单电极相比，同样功率时因电流减少一半，使电网有功功率减少，从而降低了电耗。

所述冷却水循环系统包括位于结晶器13一侧上下设置的结晶器入水口12和结晶器出水口11，结晶器冷却水一般采用低进高出的方式进行冷却水循环，冷水从下部结晶器入水口12进入，然后向上蔓延，吸热后从上部结晶器出水口11流出；还包括位于结晶器13侧壁的结晶器壁冷却水缝14，结晶器壁冷却水缝14环绕整个结晶器13的杯壁，这样的话冷却水相当于进入之后就会包围结晶器13的整个圆柱形侧壁，用于冷却结晶器13。冷却水和结晶器内部的渣池、钢锭之间隔着一层结晶器壁。

优选地，还可以在结晶器13的下方，操作平台10上设置一底水箱，用于对结晶器13的底部进行降温。

本发明的工作原理如下：在电渣重熔过程中，将渣料放入结晶器内，此时渣料会落入结晶器底部。将内棒外管式自耗电极插入渣料中，进行起弧、化渣操作。当渣料变成熔融状态的渣池时，将内棒外管式自耗电极插入渣池内部10mm～50mm处，启动变压器进行通电冶炼。在通电过程中，渣池产生焦耳热将自耗电极端部融化(整个渣池都有电流通过，除与自耗电极接触处产生焦耳热，整个渣池都会产生焦耳热，但是接触处的焦耳热最大，因为那里的电流密度最大。其中自耗电极电阻比较小，产生的焦耳热可以忽略)，由固态变成液滴，穿过渣池，落入结晶器中形成金属熔池，且同时受冷却循环系统的作用，迅速凝固形成钢锭。同时，金属熔池将渣池顶起来，渣池浮到结晶器上部。

与一根普通电极融化滴落相比，内棒外管式自耗电极的滴落范围更大，滴落的液滴也更多。冶炼过程中，内层棒状自耗电极与外层管状自耗电极的冶炼是一样的，只是通电方式不同，电流从内层棒状自耗电极流入，穿过渣池，从外层管状自耗电极流出。此过程中，内棒外管式自耗电极和渣池通过电缆和变压器形成复式短网和电流回路，缩短短网长度，减少短网感抗，提高电效率。

该内棒外管式双极串联电渣重熔装置，采用双自耗电极串联，熔化速度快，电流从内层棒状自耗电极流入，穿过渣池，从外层管状自耗电极流出，渣温分布更均匀，加热效果好。同时设备简单，易于操作，缩短了短网长度，从而减少了短网压降，短网经过的导磁钢结构件减少，提高电效率和使用寿命。

采用内棒外管式双极串联电渣重熔装置的电渣重熔方法，包括如下步骤：

s1、根据结晶器上端面尺寸、内层棒状自耗电极的横截面积与结晶器上端面的横截面积之比，确定内层棒状自耗电极的半径和重熔电流的大小(首先，测量得到结晶器上端面尺寸，其次，根据内层棒状自耗电极的横截面积与结晶器上端面的横截面积之比1:3确定内层棒状自耗电极的横截面积和半径，最后，根据内层棒状自耗电极的半径确定重熔电流的大小)；

s2、根据内层棒状自耗电极的半径、内层棒状自耗电极的半径与外层管状自耗电极的内半径之差，依据内层棒状自耗电极与外层管状自耗电极的横截面积相等的原则，确定外层管状自耗电极的内外半径；

s3、向结晶器内投放渣料；

s4、调节自耗电极升降装置，使内棒外管式自耗电极的端头侵入渣料内进行起弧、化渣操作；

s5、启动变压器进行通电冶炼；

s6、调节电流大小，进行稳定熔炼；

s7、自耗电极熔化完毕后，停止通电，保持冷却水循环至钢锭彻底冷却，并将自耗电极剩余部分从结晶器中取出；

s8、电渣重熔过程完成，进行钢锭的起吊和脱模工作。

实施例2

实施例2提出另一种内棒外管式双极串联电渣重熔装置，与实施例1基本相同，不同的地方在于：如图5、8所示，将外层管状自耗电极7设为在自耗电极连接法盘外环3底部环形均匀分布的由多个小直径棒状自耗电极组成的电极群，电极群排成管状围绕内层棒状自耗电极6。其中，电极群的横截面积等于内层棒状自耗电极6的横截面积。电极群的根数一般根据冶炼的钢锭质量的大小而确定，若钢锭质量大，则可以设置8根，若钢锭质量小，则可以设置6根。再根据电极群的根数，确定电极群中每个小直径棒状自耗电极的直径大小。

这种情况下，单根棒状自耗电极尺寸较小，制备工艺简单，成本低，容易制得成分均匀、组织致密的棒状自耗电极，减少了电极缺陷进入钢锭的几率，从源头上减轻了大型钢锭偏析等质量问题。

相应地，如图6、7所示，预留焊接头5也将设置为在自耗电极连接法盘外环3底部均匀分布、凸起的小圆柱焊接头。

可以想见地，在制备大型铸锭时，内层棒状自耗电极6也可以采用多个小直径实心棒状自耗电极组成的电极群代替。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。