專利名稱：一種用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置與方法
技術領域：
本發明涉及鑄造工業大型鋼錠凝固工藝技術領域，具體涉及一種用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置與方法。
背景技術：
近年來隨著電力工業、核工業和石油化學工業的迅猛發展，對大型鑄鍛件的需求量越來越大，同時也對大型鑄鍛件的品質要求越來越高。大型鋼錠是大型鑄鍛件的先期產品，其質量對提高大型鑄鍛件質量尤為重要。大型鋼錠的凝固過程非常漫長，根據鋼錠噸位不同，幾十小時到上百小時不等，溶質再分配充分，致使碳、磷等低熔點、低密度元素在凝固前沿富集，加上其它物理過程，如熱溶質對流等的影響，使鋼錠不同區域化學成分不均勻，造成宏觀偏析和微觀偏析。工廠用于真空澆注大型鋼錠的地坑及真空室資源有限，其生產 率低下問題日益凸顯。加快鋼錠冷卻，抑制鋼錠偏析，是提高生產效率，改善鋼錠質量的唯一途徑。鋼錠中合金元素澆注初期均勻分布于鋼液中，但是在常規凝固過程中由于合金元素在固液相中溶解度不同，加上溫度差導致的鋼液自然對流作用使得一些合金元素常常在凝固前沿析出并逐漸被排移到鋼液熱心區富集后形成宏觀偏析。大型鋼錠的偏析問題倍受科研工作者和企業界關注。雖然在偏析形成機理方面取得一定的進展，如偏析類型、偏析位置的確定等，但是在偏析控制措施方面進展緩慢，幾乎沒有一項有效的措施可以來抑制宏觀偏析。幾十年來在大型鋼錠的生產中，工廠采取讓其自然冷卻的方法，只在錠身完全凝固而冒口未完全凝固時采用先去掉保溫冒口的方法來提高生產率，這種方法，只能提前幾個小時，與大型鋼錠凝固時間幾十甚至上百小時相比效果有限。

發明內容
本發明的目的在于提供一種用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置與方法，通過攪拌器自身消耗，來攪拌鋼液，加速鋼錠冷卻，抑制鋼錠偏析。本發明的思想是改變鋼錠凝固過程中未凝鋼液的流動方式，解決大型鋼錠凝固過程中產生的合金成分宏觀、微觀偏析問題。基于弗萊明(M. C. Flemings，美國MIT教授)提出的攪動凝固抑制凝固偏析的原理，在大型鋼錠澆注完成后插入的自耗攪拌器既是冷源，又是驅動鋼液流動的動力源，通過控制自耗式攪拌器的位移和旋轉速度達到凝固過程中鋼錠合金成分均質化的目的。本發明的技術方案是
一種用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置，包括鋼錠模和底盤，還包括自耗式攪拌器、升降橫臂、電控裝置和保溫冒口 ；
位于操作平臺一側的立桿上連接升降橫臂，電控裝置固定在升降橫臂上，且電控裝置與自耗式攪拌器連接，鋼錠模上方還設置有保溫冒口 ；
所述自耗式攪拌器包括攪拌軸和攪拌葉片，攪拌器的材質與最終制備出的成品大型均質鋼錠相同，且成分符合要求，在鋼液攪拌過程中自耗式攪拌器自身也在不斷消耗；
所述攪拌葉片為從葉片頂部向葉片根部逐漸加厚的片狀結構，且攪拌葉片采用多層多片方式固定連接在攪拌軸上；
所述攪拌軸自上而下呈錐形；
所述升降橫臂的一端為滑動端，該滑動端內壁有若干滾輪，滾輪帶動滑動端沿立桿上下移動，控制自耗式攪拌軸進出鋼錠模；該立桿用作升降橫臂的滑動端的運動軌道；
所述底盤也固定于操作平臺上，且位于立桿的一側，鋼錠模放置在底盤上；
所述保溫冒口的尺寸與自耗式攪拌器的尺寸相匹配，保證自耗式攪拌器能夠通過保溫冒口進入或移出鋼錠模;保溫冒口外套有保溫絕緣板，保溫絕緣板外套有冒口套，且保溫絕 緣板和冒口套互相擠緊，起到保溫作用；
所述電控裝置包括控制電機和減速機；減速機用于控制攪拌軸的運動速度，攪拌軸通過聯軸裝置與減速機輸出軸連接；控制電機用于控制減速機旋轉，控制電機固定在升降橫臂上，控制電機的輸出端連接減速機的輸入端。采用上述自耗式攪拌裝置制備大型均質鋼錠的方法，包括如下步驟
步驟I :對鋼錠模進行抽真空處理以防止鋼液二次氧化；
步驟2 :向鋼錠模內澆注鋼液，然后將發熱劑和保溫覆蓋劑注入鋼錠模內，覆蓋在鋼液表面進行保溫，以防止二次氧化劑鋼錠縮孔和疏松；
步驟3 :鋼錠澆注完成后，并且鋼錠形成凝固坯殼后，控制升降橫臂將自耗式攪拌器從保溫冒口放入盛滿鋼液的鋼錠模；
步驟4:當自耗式攪拌器下端與鋼錠模底部的距離為整個鋼錠模高度的三分之一時，控制電機控制自耗式攪拌器旋轉并逐漸上移；
自耗式攪拌器旋轉的速度與鋼液自然對流速度相同，自耗式攪拌器上移的速度與鋼錠由其底部向上凝固的速度相同；
自耗式攪拌器的旋轉可使凝固前沿的初生枝晶斷裂，進入熔體中形成新的晶核，強化組織致密性，抑制金屬元素成分偏析現象。步驟5 自耗式攪拌器上端上移至保溫冒口上方且攪拌器下端到達保溫冒口的中間高度時，鋼錠模內的鋼錠全部凝固，此時將自耗式攪拌器剩余部分從鋼錠模中移出；
步驟6 :等待鋼徒完全冷卻，即完成制備大型均質鋼徒。有益效果
本發明的用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置中，自耗式攪拌器本身是冷源，能夠加快鋼錠冷卻傳熱速度、縮短鋼錠凝固時間；該攪拌器的材質與最終成品鋼錠相同，且成分符合要求，因此自耗式攪拌器攪拌過程中自我消耗熔化后，相當于采用合格的鋼質密實大型鋼錠中心處結構，消除了疏松等缺陷；自耗式攪拌器的旋轉帶動鋼錠凝固前沿鋼液的旋轉流動，可使凝固前沿的初生枝晶斷裂，進入熔體中形成新的晶核，強化組織致密性，抑制金屬元素成分偏析現象。


圖I是本發明具體實施方式
自耗式攪拌器結構示意圖，
其中，Ca)是攪拌葉片為3層2片式直板型結構的自耗式攪拌器結構示意圖，(b)是攪拌葉片為3層2片式斜板型結構的自耗式攪拌器結構示意圖，
(c)是攪拌葉片為3層2片式彎曲型結構的自耗式攪拌器結構示意圖，
Cd)是攪拌葉片為3層3片式直板型結構的自耗式攪拌器結構示意圖，
Ce)是攪拌葉片為3層3片式斜板型結構的自耗式攪拌器結構示意圖，
Cf)是攪拌葉片為3層3片式彎曲型結構的自耗式攪拌器結構示意 圖2是本發明具體實施方式
用于制備大型均質鋼錠的自耗式攪拌裝置結構示意圖， 其中，Ca)是攪拌器的攪拌葉片為3層2片式直板型結構的自耗式攪拌裝置結構示意 圖，
(b)是攪拌器的攪拌葉片為3層2片式斜板型結構的自耗式攪拌裝置結構示意圖，
(c)是攪拌器的攪拌葉片為3層2片式彎曲型結構的自耗式攪拌裝置結構示意圖，
Cd)是攪拌器的攪拌葉片為3層3片式直板型結構的自耗式攪拌裝置結構示意圖，
Ce)是攪拌器的攪拌葉片為3層3片式斜板型結構的自耗式攪拌裝置結構示意圖，
Cf)是攪拌器的攪拌葉片為3層3片式彎曲型結構的自耗式攪拌裝置結構示意圖； 其中，I-鋼錠模，2-冒口套，3-保溫冒口，4-保溫絕緣板，5-底盤，6-減速機輸出軸，
7-法蘭盤，8-攪拌軸，9-攪拌葉片，10-保溫覆蓋劑，11-發熱劑，12-凝固坯殼，13-鋼液，14、鋼錠，15-減速機，16-控制電機，17-升降橫臂，18操作平臺，19-立桿。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施方式做進一步說明。本實施方式的用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置如圖2所示，包括鋼錠模I、自耗式攪拌器、升降橫臂17、電控裝置、保溫冒口 3、冒口套2、保溫絕緣板4、底盤5。如圖I所示，自耗式攪拌器包括攪拌軸8和攪拌葉片9，自耗式攪拌器的材質與最終制備出的成品大型均質鋼錠相同，且成分符合要求，在鋼液攪拌過程中自耗式攪拌器自身也在不斷消耗。為保證自耗式攪拌器在工作過程中不被熔斷，攪拌軸8自上而下呈錐形，攪拌葉片9為從葉片頂部向葉片根部逐漸加厚的片狀結構，攪拌葉片9傾斜角度為20° ^70°且攪拌葉片9采用多層多片方式焊接在攪拌軸8上，攪拌軸8的錐角與攪拌葉片9厚度擴張角為9° 20° ;攪拌軸8的長度以使其能進入鋼錠模I中三分之二以上且旋轉直徑應保證能夠進出保溫冒口 3。如圖I (a) (f)所示，自耗式攪拌器的攪拌葉片9為多層多片式，每層葉片為2 4片，攪拌葉片9可以采用圖I (a) (f)所示的6種結構；攪拌葉片9的材料和用量根據所制備的大型均值鋼錠鋼液的總熱量來確定，即在攪拌結束后使攪拌葉片9盡可能全部消耗。電控裝置包括控制電機16和減速機15 ;減速機15用于控制攪拌軸8的運動速度，攪拌軸8通過聯軸裝置與減速機輸出軸6連接，本實施例中，減速機15可以固定在升降橫臂17上，聯軸裝置為法蘭盤7，用于連接減速機輸出軸6和攪拌軸8 ；由控制電機16帶動減速機15的旋轉，將控制電機16也安置在升降橫臂17上，控制電機16的輸出端連接減速機15的輸入端，而升降橫臂17的升降運動由操控室控制。升降橫臂17的一端為滑動端，滑動端內壁有4個滾輪，滑動端套于立桿19的上端，該立桿19用作升降橫臂17的滑動端的運動軌道；立桿19固定于操作平臺18上，底盤5也固定于操作平臺18上，且位于立桿19的一側，鋼錠模I放置在底盤5上，鋼錠模I上方設置有保溫冒口 3，保溫冒口 3的尺寸與自耗式攪拌器的尺寸相匹配，保證自耗式攪拌器能夠通過保溫冒口 3進入或移出鋼錠模I ;保溫冒口 3外套有保溫絕緣板4，保溫絕緣板4外套有冒口套2，且保溫絕緣板4和冒口套2互相擠緊，起到保溫作用。采用上述裝置制備大型均質鋼錠的方法，包括如下步驟
步驟I :對鋼錠模進行抽真空處理以防止鋼液二次氧化；
步驟2 :向鋼錠模內澆注鋼液，然后將發熱劑和保溫覆蓋劑注入鋼錠模內，覆蓋在鋼液表面進行保溫，以防止二次氧化劑鋼錠縮孔和疏松；
步驟3 :鋼錠澆注完成后，并且鋼錠形成IOOmm的凝固坯殼后，控制升降橫臂將自耗式攪拌器從保溫冒口放入盛滿鋼液的鋼錠模；
步驟4 :當自耗式攪拌器下端與鋼錠模底部的距離為整個鋼錠模高度的三分之一時，控制電機控制自耗式攪拌器旋轉并逐漸上移；
自耗式攪拌器旋轉的速度與鋼液自然對流速度相同，自耗式攪拌器上移的速度與鋼錠由其底部向上凝固的速度相同；
自耗式攪拌器的旋轉可使凝固前沿的初生枝晶斷裂，進入熔體中形成新的晶核，強化組織致密性，抑制金屬元素成分偏析現象。步驟5 自耗式攪拌器上端上移至保溫冒口上方且攪拌器下端到達保溫冒口的中間高度時，鋼錠模內的鋼錠全部凝固，此時將自耗式攪拌器剩余部分從鋼錠模中移出；
步驟6 :等待鋼徒完全冷卻，即完成制備大型均質鋼徒。
權利要求
1.一種用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置，包括鋼錠模和底盤，底盤固定于操作平臺上，鋼錠模放置在底盤上，其特征在于還包括自耗式攪拌器、升降橫臂、電控裝置、保溫冒口 ；位于操作平臺一側的立桿上連接升降橫臂，電控裝置固定在升降橫臂上，且電控裝置與自耗式攪拌器連接，鋼錠模上方設置有保溫冒口 ； 所述自耗式攪拌器包括攪拌軸和攪拌葉片，且攪拌葉片固定連接在攪拌軸上，攪拌器的材質與最終制備出的成品大型均質鋼錠相同，攪拌過程中自耗式攪拌器不斷消耗； 所述升降橫臂的一端為滑動端，該滑動端內壁有若干滾輪，滾輪帶動滑動端沿立桿上下移動，控制自耗式攪拌軸進出鋼錠模； 所述電控裝置包括控制電機和減速機； 所述攪拌軸通過聯軸裝置與減速機輸出軸連接；控制電機固定在升降橫臂上，控制電機的輸出端連接減速機的輸入端。
2.根據權利要求I所述的用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置，其特征在于所述保溫冒口外套有保溫絕緣板，保溫絕緣板外套有冒口套，且保溫絕緣板和冒口套互相擠緊。
3.根據權利要求I所述的用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置，其特征在于所述攪拌軸自上而下呈錐形。
4.根據權利要求I所述的用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置，其特征在于所述攪拌葉片采用多層多片方式固定連接在攪拌軸上。
5.根據權利要求I所述的用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置，其特征在于所述攪拌葉片為從葉片頂部向葉片根部逐漸加厚的片狀結構。
6.根據權利要求I所述的用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置，其特征在于所述保溫冒口的尺寸與自耗式攪拌器的尺寸相匹配，使自耗式攪拌器能夠通過保溫冒口進入或移出鋼錠模。
7.采用權利要求I所述的用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置的方法，其特征在于包括如下步驟 步驟I :對鋼錠模進行抽真空處理以防止鋼液二次氧化； 步驟2 :向鋼錠模內澆注鋼液，然后將發熱劑和保溫覆蓋劑注入鋼錠模內，覆蓋在鋼液表面進行保溫，以防止二次氧化劑鋼錠縮孔和疏松； 步驟3 :鋼錠澆注完成后，并且鋼錠形成凝固坯殼后，控制升降橫臂將自耗式攪拌器從保溫冒口放入盛滿鋼液的鋼錠模； 步驟4 :當自耗式攪拌器下端與鋼錠模底部的距離為整個鋼錠模高度的三分之一時，控制電機控制自耗式攪拌器旋轉并逐漸上移； 自耗式攪拌器旋轉的速度與鋼液自然對流速度相同，自耗式攪拌器上移的速度與鋼錠由其底部向上凝固的速度相同； 步驟5 自耗式攪拌器上端上移至保溫冒口上方且攪拌器下端到達保溫冒口的中間高度時，鋼錠模內的鋼錠全部凝固，此時將自耗式攪拌器剩余部分從鋼錠模中移出； 步驟6 :等待鋼徒完全冷卻，即完成制備大型均質鋼徒。
全文摘要
一種用自耗式攪拌器攪動制備大型均質鋼錠的裝置與方法，該裝置包括鋼錠模、底盤、自耗式攪拌器、升降橫臂、電控裝置和保溫冒口；位于操作平臺一側的立桿上連接升降橫臂，電控裝置固定在升降橫臂上且與自耗式攪拌器連接，鋼錠模上方設置保溫冒口；自耗式攪拌器包括攪拌軸和攪拌葉片，攪拌過程中自耗式攪拌器不斷消耗；升降橫臂的一端為滑動端，且滑動端沿立桿上下移動；本發明的自耗式攪拌器本身是冷源，能加快鋼錠冷卻傳熱速度、縮短鋼錠凝固時間；攪拌器攪拌過程中自我消耗熔化后，消除了疏松等缺陷；攪拌器的旋轉可使凝固前沿的初生枝晶斷裂，進入熔體中形成新的晶核，強化組織致密性，抑制金屬元素成分偏析現象。
文檔編號B22D7/12GK102806322SQ20121029504
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月20日 優先權日2012年8月20日
發明者李寶寬, 劉鵬 申請人:東北大學