專利名稱：真空/氣體保護電渣重熔連續定向凝固裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種電渣重熔技術，特別是涉及一種真空/氣體保護電渣重熔連續 定向凝固技術。
背景技術：
鑄錠開坯是變形合金加工的首道工序，其目的包括兩個方面，一是破碎鑄態組 織獲得均勻細小的等軸晶組織，提高材料塑性；二是改變鑄錠幾何形狀以便進行下一步 的加工。然而對于高合金化的金屬材料，例如工模具鋼，難變形高溫合金等，由于含有 大量的合金化元素，合金在凝固過程中形成嚴重的元素偏析，以致枝晶間形成粗大的析 出相，同時這類合金熔點低，動態再結晶溫度高，可塑性差，最佳塑性溫度范圍窄，導 致加工異常困難，這就給合金鑄錠的開坯過程帶來非常大的困難。降低合金鑄錠的元素偏析程度，控制枝晶間一次生成相的數量、尺寸和形態是 提高合金鑄錠熱塑性的有效方法。真空電弧重熔和電渣重熔是難變形合金常用的重熔精 煉手段，一方面重熔精煉可以有效地去除氣體、雜質和非金屬夾雜物得到較高純度的鋼 錠，另一方面重熔精煉過程熔化金屬快速軸向結晶，使錠子組織致密，偏析較小，有助 于提高鋼錠的熱加工塑性。采用傳統重熔精煉工藝冶煉的鑄錠組織主要由與鋼錠表面呈 一定夾角的柱狀晶組成，有時在鑄錠中心還存在一些粗大的等軸晶，不同取向柱狀晶在 中心的交匯處或柱狀晶與中心等軸晶的晶界處是鑄錠偏析最嚴重的區域，容易出現一次 析出相和非金屬夾雜物的聚集區。另外，傳統的重熔精煉工藝鑄錠凝固過程中樹枝晶的 生長方向是各不相同的，不同生長方向樹枝晶交匯處形成的糊狀區同樣是偏析和一次析 出相聚集的區域，這些區域在開坯過程中容易誘發裂紋導致鑄錠報廢或變形后形成條帶 組織降低材料性能。采用定向凝固工藝生產沒有橫向晶界，柱狀晶和樹枝晶生長方向保持一致的鑄 錠是降低高合金化合金偏析程度，避免大尺寸夾雜物和其他析出相聚集，提高熱塑性的 有效方法。然而傳統的定向凝固工藝所用的設備龐大，且成本高，效率低，不適合生產 大尺寸的鑄錠。
發明內容
本發明的目的是提供一種真空/氣體保護電渣重熔連續定向凝固裝置和方法， 其成本低廉，工藝參數可控性好，可以生產大尺寸、低偏析定向凝固鑄錠。為實現上述目的，本發明的第一方面是提供一種真空/氣體保護電渣重熔連續 定向凝固裝置，包括電源、自耗電極(1)、水冷結晶器(2)、氣體保護系統；所述水冷結 晶器⑵下部有水冷底盤(7)和底抽錠裝置(13)；所述自耗電極⑴采用雙回路的控制 方式，使得使抽錠速度與鑄錠的凝固速度相當。自耗電極⑴的雙回路控制系統為縱向電流回路變壓器一自耗電極⑴一漁 池(3)—鑄錠(6)—水冷底盤(7)—縱向電流整流器(12)—變壓器；側向電流回路變壓器一自耗電極(1)一漁池⑶一水冷結晶器⑵一側向電流整流器(11)一變壓器；且兩回 路的電流大小是獨立可調的。所述變壓器為磁調變壓器(10)。所述雙回路均接有整流裝置，使電流可調。水冷結晶器⑵下方裝有強制冷卻裝置(5)。該裝置還裝有氣體保護罩(9)，能夠抽取真空或通入保護氣體。水冷結晶器(2)具有導電模塊的開放式水冷銅結晶器，結晶器直徑D在 Φ IOOmm Φ 500mm之間，高度H為直徑D的1 1.5倍。所用自耗電極(1)的直徑為40% 80% D。渣池(3)在水冷結晶器⑵中的高度為20% 70% D。為了進一步實現本發明的目的，本發明提供了一種真空/氣體保護電渣重熔連 續定向凝固的方法，包括如下步驟a.首先將水冷底盤(7)置于水冷結晶器(2)的底部；b.將預先熔化好的熔渣倒入水冷結晶器(2)中，把自耗電極⑴插入渣池⑶中 起弧并使自耗電極(1)熔化；c.當形成的鑄錠(6)達到一定高度時開始抽錠；d.抽錠時控制系統的電壓和電流的大小，該電流分為縱向電流和側向電流雙回 路輸入電極，控制電流大小包括控制縱向電流和側向電流的分配，使抽錠速度與鑄錠的 凝固速度相當，渣池液面位置保持不變；e.當渣池液面位置保持不變后蓋上氣體保護罩(9)；f.當水冷底盤(7)抽出水冷結晶器(2)后開啟冷卻裝置(5)。水冷結晶器⑵中鑄錠(6)的高度達到IOmm 40mm時開始抽錠。抽錠速度為2mm/min 20mm/min ；并通過控制磁調變壓器(10)的輸出電壓 和自耗電極⑴插入渣池⑶的深度來控制系統的電壓和電流，然后調節縱向電流整流器 (12)和/或側向電流整流器(11)來控制縱向電流和側向電流的分配使自耗電極(1)的熔 化速度與鑄錠的凝固速度相當，控制渣池液面位置保持不變。當渣池液面保持平衡后蓋上氣體保護罩(9)并充入氬氣或保持真空以保護渣池 ⑶。本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果1、消除常規凝固中不同取向晶粒及樹枝晶交匯處形成的成分偏析，夾雜物聚集 和凝固疏松；2、側向電流的應用有助于控制渣池的溫度，獲得可控的凝固前沿溫度梯度有利 于控制鑄錠的凝固組織；3、本發明采用開放式導電結晶器和自動抽錠系統，可以通過選擇不同的強制冷 卻措施控制鑄錠凝固過程的溫度梯度和凝固速度，獲得可控的凝固組織；4、本發明可使重熔過程中的熔池深度比傳統電渣重熔降低70%，有利于控制枝 晶間析出相的數量、尺寸、形態和分布并防止析出相的聚集；5、本發明中均勻的與鑄錠軸線平行的定向結晶組織使在變形過程中比較薄弱的 晶界區域避開了應力最大的方向，有利于提高變形塑性，防止變形開裂；
6、本發明可得到均勻的與鑄錠軸線平行的定向結晶組織可控制樹枝晶尺寸，細 化鑄造組織；利于熱加工過程樹枝晶的破碎和動態再結晶；7、本發明的冶煉過程具有穩定平直的渣液/金屬液界面和金屬液/固界面，有 利于獲得均勻的定向凝固組織；8、本發明具有廣泛的應用領域，既可以為變形合金提供優質的鑄錠，又可以得 到大尺寸直接利用的定向凝固鑄錠；9、真空/氣體保護電渣重熔連續定向凝固技術工藝參數可控，是可工程化的適 用型高科技技術。
圖1為本發明的真空/氣體保護電渣重熔連續定向凝固裝置結構示意圖；圖2為采用本發明獲得的定向凝固鑄錠的宏觀組織；圖3為采用本發明獲得的定向凝固鑄錠的微觀組織；圖4為采用現有技術電渣重熔工藝獲得鑄錠的宏觀組織；圖5為采用現有技術電渣重熔工藝獲得鑄錠的微觀組織。附圖標號1自耗電極8引錠桿2水冷結晶器9氣體保護罩3渣池10磁調變壓器4工作平臺11側向電流整流器5強制冷卻裝置 12縱向電流整流器6定向凝固鑄錠 13抽錠裝置7水冷底盤
具體實施例方式實施例1制備Φ 155的FGH96合金定向凝固鑄錠。水冷結晶器2的直徑D = Φ 160mm,高度為200mm，置于工作平臺4上。使用的設備具有雙回路設計，一條回路是變壓器一自耗電極一漁池一鑄錠一 水冷底盤一整流器一變壓器(稱為縱向電流)；另一條回路是變壓器一自耗電極一漁 池一結晶器的導電模塊一整流器一變壓器(稱為側向電流)，通過控制縱向電流和側向電 流的分配比例使渣池獲得均勻的溫度場，從而進一步控制金屬熔池的形狀。將水冷底盤7置于水冷結晶器2的低端，倒入預先熔化好的IOOmm深的熔渣， 將直徑為IOOmm的自耗電極1插入渣池3中起弧，并使自耗電極1熔化；當渣池液面上 升至30mm時開始抽錠，控制抽錠速度在2 20mm/min ；通過控制磁調變壓器10的輸 出電壓和自耗電極1插入渣池的深度來調節系統的電壓和電流，本實施例中，使電壓為 40V ；然后調節縱向電流整流器12和側向電流整流器11來控制縱向電流和側向電流的分 配，使縱向電流為1000 2500A，側向電流為100 2000A ；達到自耗電極1的熔化速 度與鑄錠的凝固速度相當，進而使渣池液面保持不變；渣池3液面位置平衡后蓋上氣體 保護罩9，本實施例中通入保護氣體氬氣；當水冷底盤7抽出水冷結晶器2后開啟強制冷卻裝置5，得到定向凝固鑄錠6。實施例2制備Φ 105的FGH96合金定向凝固鑄錠。水冷結晶器2的直徑D = Φ 110mm，高度為150mm，置于工作平臺4上。將水冷底盤7置于水冷結晶器2的低端，倒入預先熔化好的60mm深的熔渣，將 直徑為70mm的自耗電極1插入渣池3中起弧，并使自耗電極1熔化；當渣池3液面上升 至30mm時開始抽錠，抽錠速度控制在2 20mm/min，通過控制磁調變壓器10的輸出電 壓和自耗電極1插入渣池的深度來調節系統的電壓和電流，本實施例中，使電壓為40V; 然后調節縱向電流整流器12和側向電流整流器11來控制縱向電流和側向電流的分配，使 縱向電流為800 1500A，側向電流為100 2000A，達到自耗電極1的熔化速度與鑄錠 的凝固速度相當，進而使渣池液面保持不變；渣池3液面位置平衡后蓋上氣體保護罩9， 本實施例中抽取真空；當水冷底盤7抽出水冷結晶器2后開啟強制冷卻裝置5，得到定向 凝固鑄錠6。下表為本發明各個實施例的工藝參數。表 權利要求
1.一種真空/氣體保護電渣重熔連續定向凝固裝置，包括電源、自耗電極(1)、水冷 結晶器(2)、氣體保護系統，其特征在于所述水冷結晶器(2)下部有水冷底盤(7)和抽 錠裝置(13)；所述自耗電極(1)采用雙回路的控制方式，使得使抽錠速度與鑄錠的凝固 速度相當。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于自耗電極⑴的雙回路控制系統為縱 向電流回路變壓器一自耗電極(1)一漁池(3)—鑄錠(6)—水冷底盤(7)—縱向電流整流 器(12)—變壓器；側向電流回路變壓器一自耗電極(1)一漁池(3)—水冷結晶器⑵一 側向電流整流器(11)一變壓器；且兩回路的電流大小是獨立可調的。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于所述變壓器為磁調變壓器(10)。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于水冷結晶器(2)下方裝有強制冷卻裝置(5)。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于該裝置還裝有氣體保護罩(9)，能夠抽 取真空或通入保護氣體。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于水冷結晶器(2)為具有導電模塊的開放式 水冷銅結晶器，結晶器直徑D在Φ IOOmm Φ500·之間，高度H為直徑D的1 1.5倍。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于所用自耗電極(1)的直徑為40% 80% D。
8.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于渣池(3)在水冷結晶器(2)中的高度為 20% 70% D。
9.一種如權利要求1所述的裝置完成真空/氣體保護電渣重熔連續定向凝固方法，其 特征在于它包括如下步驟a.首先將水冷底盤(7)置于水冷結晶器(2)的底部；b.將預先熔化好的熔渣倒入水冷結晶器(2)中，把自耗電極⑴插入渣池(3)中起弧 并使自耗電極⑴熔化；C.當形成的鑄錠(6)達到一定高度時開始抽錠；d.抽錠時控制系統的電壓和電流的大小，該電流分為縱向電流和側向電流雙回路輸 入電極，控制電流大小包括控制縱向電流和側向電流的分配，使抽錠速度與鑄錠的凝固 速度相當，渣池液面位置保持不變；e.當渣池液面位置保持不變后蓋上氣體保護罩(9)；f.當水冷底盤(7)抽出水冷結晶器(2)后開啟冷卻裝置(5)。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于水冷結晶器(2)中鑄錠(6)的高度達 到IOmm 40mm時開始抽錠。
11.根據權利要求9所述的方法，其特征在于抽錠速度為2mm/min 20mm/min； 并通過控制磁調變壓器(10)的輸出電壓和自耗電極(1)插入渣池(3)的深度來控制系統 的電壓和電流，然后調節縱向電流整流器(12)和/或側向電流整流器(11)來控制縱向電 流和側向電流的分配使自耗電極(1)的熔化速度與鑄錠的凝固速度相當，控制渣池液面 位置保持不變。
12.根據權利要求9所述的方法，其特征在于當渣池液面保持平衡后蓋上氣體保護 罩(9)并充入氬氣或保持真空以保護渣池(3)。
全文摘要
本發明涉及一種電渣重熔技術，特別是一種真空/氣體保護電渣重熔連續定向凝固裝置和方法。該裝置包括電源、自耗電極(1)、水冷結晶器(2)、氣體保護系統，其中所述水冷結晶器(2)下部有水冷底盤(7)和抽錠裝置(13)；所述自耗電極(1)采用雙回路的控制方式，使得使抽錠速度與鑄錠的凝固速度相當。本發明操作簡單，控制方便，成本低廉，可生產大尺寸低偏析定向凝固鑄錠，適用于大批量生產應用。
文檔編號C22B9/04GK102021348SQ20101061403
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者付銳, 任昊, 馮滌, 陳希春 申請人:鋼鐵研究總院