本發明屬于冶金技術領域，特別涉及一種導電結晶器電渣重熔控制鑄錠凝固組織方向的方法。

背景技術：

液態金屬在鑄模或鑄型中凝固，前者形成鑄錠，后者形成鑄件。由于鑄錠或鑄件冷卻條件極其復雜，其鑄態組織具有很多特點。鑄態組織包括晶粒的大小、形狀和取向，合金元素的分布以及鑄錠中的缺陷等。鑄錠的宏觀組織通常由三個晶區組成，即外表層的激冷層，中間的柱狀晶區以及心部的等軸晶區。當高溫的金屬液體進入鑄型后，由于鑄型表面溫度較低形成較大的過冷度，加上型壁可以作為異質形核的基底，所以在靠近型壁處形成薄層等軸晶區；等軸晶區形成的同時，型壁溫度迅速升高，加上金屬凝固后收縮使鑄錠和型壁脫離，使液態金屬繼續散熱困難。由于上述原因，液態金屬冷卻減慢，溫度梯度變得平緩，這時在垂直于型壁的方向上生成柱狀晶。實踐證明，軸向結晶比徑向結晶的冶金質量要好。

為了獲得更好的凝固質量，通常需要將初煉的產品作為自耗電極進行電渣重熔，進一步提純鋼或合金，改變凝固組織的結晶方向，從而獲得更趨于軸向的結晶組織。傳統電渣重熔過程，電流全部從底水箱流出，凝固組織的結晶方向一般為45°。鑄錠凝固組織的方向比較固定，難以靈活控制。

本發明使用的導電結晶器電渣重熔技術，電流可以分別從結晶器和底水箱流出，通過控制結晶器和底水箱電流的分配比例，進而改變金屬熔池的形狀和深度，從而控制鑄錠凝固組織的方向。導電結晶器電渣重熔過程，通過結晶器和底水箱的電流有多種分配方式。閉合K3和K1開關，斷開K2開關，電流全部從底水箱流出。閉合K3和K2開關，斷開K1開關，電流全部從結晶器流出。K3、K2、K1全部閉合時，結晶器和底水箱上均有電流流出，不同的電極插入深度和填充比會帶來不同的分配比例，其分配比可從電流表中直接讀出。當結晶器上有電流通過時，會在渣/結晶器界面上產生焦耳熱，使金屬熔池中形成一定高度的圓柱段，在控制鑄錠凝固組織方向的同時還能保證鑄錠的表面質量。

結晶器和底水箱電流的分配比例是導電結晶器電渣重熔控制鑄錠凝固組織結晶方向的關鍵因素，關系著產品凝固質量的好壞。因此，選擇合適的分配比例有利于控制鑄錠的凝固組織方向，保證鑄錠的表面質量。

技術實現要素：

為了控制鑄錠凝固組織的結晶方向，本發明提供了一種采用導電結晶器電渣重熔控制凝固組織方向的方法。該方法能控制通過結晶器和底水箱電流的分配比例，從而改變金屬熔池的深度和形狀，進而控制凝固組織的方向，同時還能保證鑄錠具有良好的表面質量。

本發明的導電結晶器電渣重熔控制凝固組織方向的方法，采用導電結晶器電渣重熔技術控制鑄錠的凝固組織方向；采用導電結晶器技術，讓電流分別從結晶器和底水箱回到電源，選擇不同的開關閉合方式和工藝參數控制通過結晶器和底水箱電流的分配比例，進而控制金屬熔池的深度和形狀，從而控制鑄錠凝固組織的方向；具體包括如下步驟：

步驟1，渣料的配制及烘烤：

(1)配制高電導率的渣料；

(2)將渣料在600～800℃下烘烤4～6h后，渣料隨爐降溫，備用；

步驟2，預備工作：

(1)確定填充比和電極的插入深度；

(2)將底墊放置在電渣爐的底水箱中央，在底墊上放置引弧劑，在引弧劑周圍平鋪部分渣料；

(3)將導電結晶器坐落在底水箱上并進行對中；

步驟3，導電結晶器電渣重熔：

(1)通過開關閉合與斷開，使電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源，起弧后，將剩余渣料分批次加入導電結晶器內，進行化渣；

(2)渣料全部熔清后，設定重熔電流和重熔電壓，進行電渣重熔，在電渣重熔過程中，通過開關閉合與斷開設定電流路徑，控制通過結晶器和底水箱電流的分配比例，改變金屬熔池的形狀和深度，從而控制鑄錠凝固組織的方向；

其中：所述的電流路徑為以下(a)(b)或(c)種方式中的一種：(a)，電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源；(b)，電源→自耗電極→渣料→導電結晶器→電源；(c)，電流路徑為2條：電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源、電源→自耗電極→渣料→導電結晶器→電源；

(3)在電渣重熔過程后期，進行電渣重熔補縮操作后斷電，自然冷卻，制得重熔鑄錠。

其中：

所述的步驟1中，高電導率的渣料在1900K時的導電率為300～500Ω^-1m^-1。

所述的步驟1中，將渣料混合均勻后放入電阻爐進行烘烤，去除渣料中的水分。

所述的步驟2中，填充比和電極插入深度的選擇，對導電結晶器電渣重熔控制鑄錠凝固組織方向產生如下影響：

其他條件不變的情況下，隨著填充比的增大，電流從導電結晶器流出的比例增大，電流從底水箱流出的比例減小，鑄錠的凝固組織與豎直方向的夾角隨之減小；

其他條件不變的情況下，隨著電極插入深度增大，電流從導電結晶器流出的比例減小，電流從底水箱流出的比例增大，鑄錠的凝固組織與豎直方向的夾角隨之增大。

導電結晶器接通電源產生總電流、流經導電結晶器的支路電流和流經底水箱的支路電流，流經導電結晶器的支路電流與總電流的比例，稱為電流從導電結晶器流出的比例，流經底水箱的支路電流與總電流的比例，稱為電流從底水箱流出的比例。

所述的步驟2中，底墊的材質與所需冶煉鋼種材質相同，且厚度為20～30mm。

所述的步驟2中，引弧劑為CaF₂和TiO₂經預熔后得到的混合物，按質量比，CaF₂∶TiO₂＝(40～60)∶(40～60)。

所述的步驟2中，部分渣料的質量，為所要處理的渣料總質量的1～2％。

所述的步驟3(3)中，電渣重熔補縮操作是在保證爐口電壓/重熔電流的比值不變的條件下，同時按比例降低爐口電壓和重熔電流，達到遞減功率的目的，進一步保證鑄錠上部的凝固質量。

所述的步驟3中，電流路徑為(a)時，電流全部流經底水箱；電流路徑為(b)時，電流全部流經導電結晶器；電流路徑為(c)時，導電結晶器和底水箱上均有電流流過。

所述的步驟3中，通過設定電流路徑，控制通過結晶器和底水箱電流的分配比例的方法為：選擇電流路徑(a)時，電流全部流經底水箱，鑄錠的凝固組織與豎直方向的夾角最大；選擇電流路徑(b)時，電流全部流經導電結晶器，鑄錠的凝固組織與豎直方向的夾角最小；選擇電流路徑(c)時，導電結晶器和底水箱上均有電流流過，鑄錠的凝固組織與豎直方向的夾角介于電流路徑(a)的夾角與電流路徑(b)的夾角之間。

所述電渣重熔過程，熔速由經驗公式v＝(0.5～0.7)·D確定，其中：v-熔速，kg/h；D-結晶器直徑，mm。

所述步驟3中，起弧方法為固態起弧法。

本發明的導電結晶器電渣重熔控制鑄錠凝固組織方向的方法，與現有技術相比，有益效果為：

(1)本發明方法可在較低熔速下保證鑄錠具有良好的表面質量。一般情況下，傳統電渣重熔過程的熔速由經驗公式v＝(0.7～1.0)·D確定，其中：v-熔速，kg/h；D-結晶器直徑，mm。采用導電結晶器電渣重熔技術可以采用更低的熔速，熔速由經驗公式v＝(0.5～0.7)·D確定。由于導電結晶器技術的采用，結晶器壁電流密度較大，有大量的焦耳熱產生，可使金屬熔池具有一定高度的圓柱段高度，所以鑄錠的表面質量得到了保證。

(2)本發明方法，在化渣期通過開關閉合，讓電流全部從底水箱流出，使渣池溫度迅速升高，提高化渣效率；正常熔煉期選用不同的開關閉合方式，填充比和電極插入深度，可以控制通過結晶器和底水箱電流的分配比例。通過對結晶器和底水箱電流分配比例的控制，可以控制鑄錠凝固組織的方向。

(3)本發明方法，采用高電導率配比的渣系，這樣有利于降低電極的熔化速度，增加鑄錠凝固組織軸向結晶的趨勢。

(4)本發明方法，在熔煉末期采用功率遞減的補縮操作。在熔煉末期，保持爐口電壓/重熔電流的比值恒定，同時按比例降低電流和電壓，達到補縮的效果，以獲得更好的凝固質量。

(5)本發明方法，采用高電導率配比的渣料和導電結晶器技術，選用不同開關閉合方式，填充比和電極插入深度，改變結晶器和底水箱電流的分配比例，進而控制金屬熔池的形狀和深度，從而控制鑄錠凝固組織的結晶方向，同時還能保證鑄錠具有良好的表面質量。

附圖說明

圖1本發明實施例的導電結晶器電渣重熔控制鑄錠凝固組織方向的方法的電渣重熔示意圖；其中：1-自耗電極；2-冷卻水出口；3-渣池；4-金屬熔池；5-導電結晶器；6-重熔錠；7-絕緣體；8-底水箱；9-K1開關；10-A1電流表；11-C1電纜；12-冷卻水入口；13-K2開關；14-A2電流表；15-C2電纜；16-C3電纜；17-K3開關；18-A3電流表；19-電源。

圖2本發明實施例1采用導電結晶器電渣重熔控制鑄錠凝固組織方向的方法制備的H13電渣錠的低倍組織圖。

具體實施方式

下面結合實施例詳細說明本發明的具體實施方式，但本發明的具體實施方式不局限于下述的實施例。

實施例1

一種導電結晶器電渣重熔控制鑄錠凝固組織方向的方法，其電渣重熔示意圖如圖1所示，選用的鋼種為H13鋼，具體包括如下步驟：

步驟1，渣料的配制及烘烤：

(1)配制高電導率的渣料30Kg；其中，渣料含有成分及其質量百分數比：CaF₂：50～60％，CaO：18～24％，Al₂O₃：20～25％，MgO：2～5％，各成分質量百分數之和為100％，該渣系在1900K時的電導率為380Ω^-1m^-1；

(2)將渣料混合均勻后放入電阻爐進行烘烤，在600℃下烘烤5h后，關閉電源讓渣料隨爐降溫，去除渣料中的水分，備用；

步驟2，預備工作：

(1)確定填充比和電極的插入深度：導電結晶器的直徑為350mm，電極直徑為220mm，電極的插入深度為10mm，填充比為0.54；

(2)將20mm厚材質同為H13鋼的底墊放置在電渣爐的底水箱中央，在底墊上放置引弧劑，在引弧劑周圍平鋪部分渣料；其中，部分渣料的質量為所要處理的渣料總質量的1％；引弧劑為CaF₂和TiO₂經預熔后得到的混合物，按質量比，CaF₂∶TiO₂＝50∶50。

(3)將導電結晶器坐落在底水箱上并進行對中；

步驟3，導電結晶器電渣重熔：

(1)閉合K3和K1開關，斷開K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源，采用固態起弧法起弧后，將剩余渣料分批次加入導電結晶器內，進行化渣；

(2)渣料全部熔清后，設定重熔電流和重熔電壓，進行電渣重熔，K2、K3全部閉合，K1斷開，電流路徑為(b)，電源→自耗電極→渣料→導電結晶器→電源；通過導電結晶器和底水箱電流的分配比例為100％：0％，分配比例可由電流表直接讀出；其中，熔速為175kg/h，重熔電壓為36V，重熔電流為5000A；

(3)在電渣重熔過程后期，為了保證鑄錠上部的凝固質量，需要進行遞減功率的補縮操作，在保證爐口電壓/重熔電流的比值不變的條件下，同時按比例降低爐口電壓和重熔電流，電流每5min降低500A；重熔補縮操作后斷電，自然冷卻，制得H13重熔電渣錠。

本實施例制得的H13電渣錠，沿直徑縱向剖開，將剖開的鋼錠沿縱剖面切下15mm厚的縱向切片，并用磨床打磨拋光；將拋光后的樣品用逆王水侵蝕，并用無水乙醇清洗干凈；然后對柱狀晶與軸向的夾角進行測量，測量結果為26°，縱向切片的低倍組織如圖2所示。

實施例2

一種導電結晶器電渣重熔控制鑄錠凝固組織方向的方法，其電渣重熔示意圖如圖1所示，選用的鋼種為冷作模具鋼D2，具體包括如下步驟：

步驟1，渣料的配制及烘烤：

(1)配制高電導率的渣料140Kg；其中，渣料含有成分及其質量百分數比：CaF₂：50～70％，CaO：10～20％，Al₂O₃：20～30％，SiO₂：≤10％，各成分質量百分數之和為100％，該渣系在1900K時的電導率為460Ω^-1m^-1；

(2)將渣料混合均勻后放入電阻爐進行烘烤，在600℃下烘烤5h后，關閉電源讓渣料隨爐降溫，去除渣料中的水分，備用；

步驟2，預備工作：

(1)確定填充比和電極的插入深度：導電結晶器的直徑為600mm，電極直徑為500mm，電極的插入深度為10mm，填充比為0.69；

(2)將30mm厚材質同為冷作模具鋼D2的底墊放置在電渣爐的底水箱中央，在底墊上放置引弧劑，在引弧劑周圍平鋪部分渣料；其中，部分渣料的質量為所要處理的渣料總質量的2％；引弧劑為CaF₂和TiO₂經預熔后得到的混合物，按質量比，CaF₂∶TiO₂＝50∶50。

(3)將導電結晶器坐落在底水箱上并進行對中；

步驟3，導電結晶器電渣重熔：

(1)閉合K3和K1開關，斷開K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源，采用固態起弧法起弧后，將剩余渣料分批次加入導電結晶器內，進行化渣；

(2)渣料全部熔清后，設定重熔電流和重熔電壓，進行電渣重熔，K1、K2、K3全部閉合，電流路徑為(c)，電流路徑為2條：電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源、電源→自耗電極→渣料→導電結晶器→電源；通過導電結晶器和底水箱電流的分配比例為60％：40％，分配比例可由電流表直接讀出；其中，熔速為360kg/h，熔煉電壓為60V，熔煉電流為11800A；

(3)在電渣重熔過程后期，為了保證鑄錠上部的凝固質量，需要進行遞減功率的補縮操作，在保證爐口電壓/重熔電流的比值不變的條件下，同時按比例降低爐口電壓和重熔電流，電流每2min降低500A；重熔補縮操作后斷電，自然冷卻，制得重熔冷作模具鋼D2鋼鑄錠。

將本實施例制備的重熔冷作模具鋼D2鋼鑄錠沿直徑縱向剖開，將剖開的鑄錠沿縱剖面切下15mm厚的縱向切片，并用磨床打磨拋光。將拋光后的樣品用10∶1∶10的鹽酸硝酸水溶液侵蝕，并用無水乙醇清洗干凈。然后對柱狀晶與軸向的夾角進行測量，測量結果為32°。

實施例3

一種導電結晶器電渣重熔控制鑄錠凝固組織方向的方法，其電渣重熔示意圖如圖1所示，選用的鋼種為D2鋼，具體包括如下步驟：

步驟1，渣料的配制及烘烤：

(1)配制高電導率的渣料140Kg；其中，渣料含有成分及其質量百分數比：CaF₂：50～70％，CaO：10～20％，Al₂O₃：20～30％，SiO₂：≤10％；各成分質量百分數之和為100％，該渣系在1900K時的電導率為460Ω^-1m^-1；

(2)將渣料混合均勻后放入電阻爐進行烘烤，在600℃下烘烤5h后，關閉電源讓渣料隨爐降溫，去除渣料中的水分，備用；

步驟2，預備工作：

(1)確定填充比和電極的插入深度：導電結晶器的直徑為600mm，電極直徑為450mm，電極的插入深度為20mm，填充比為0.56；

(2)將25mm厚材質同為D2鋼的底墊放置在電渣爐的底水箱中央，在底墊上放置引弧劑，在引弧劑周圍平鋪部分渣料；其中，部分渣料的質量為所要處理的渣料總質量的2％；引弧劑為CaF₂和TiO₂經預熔后得到的混合物，按質量比，CaF₂∶TiO₂＝50∶50。

(3)將導電結晶器坐落在底水箱上并進行對中；

步驟3，導電結晶器電渣重熔：

(1)閉合K3和K1開關，斷開K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源，采用固態起弧法起弧后，將剩余渣料分批次加入導電結晶器內，進行化渣；

(2)渣料全部熔清后，設定重熔電流和重熔電壓，進行電渣重熔，將K1、K2、K3全部閉合，電流路徑為(c)，電流路徑為2條：電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源、電源→自耗電極→渣料→導電結晶器→電源；通過導電結晶器和底水箱電流的分配比例為40％：60％，分配比例可由電流表直接讀出；其中，熔速為400kg/h，熔煉電壓為65V，熔煉電流為13200A；

(3)在電渣重熔過程后期，為了保證鑄錠上部的凝固質量，需要進行遞減功率的補縮操作，在保證爐口電壓/重熔電流的比值不變的條件下，同時按比例降低爐口電壓和重熔電流，電流每2min降低500A；重熔補縮操作后斷電，自然冷卻，制得重熔D2鋼鑄錠。

將本實施例制備的重熔D2鋼鑄錠沿直徑縱向剖開，將剖開的鑄錠沿縱剖面切下15mm厚的縱向切片，并用磨床打磨拋光。將拋光后的樣品用10∶1∶10的鹽酸硝酸水溶液侵蝕，并用無水乙醇清洗干凈。然后對柱狀晶與軸向的夾角進行測量，測量結果為38°

實施例4

一種導電結晶器電渣重熔控制鑄錠凝固組織方向的方法，其電渣重熔示意圖如圖1所示，選用的鋼種為Cr5鋼，具體包括如下步驟：

步驟1，渣料的配制及烘烤：

(1)配制高電導率的渣料140Kg；其中，渣料含有成分及其質量百分數比：：CaF₂：50～60％，CaO：10～20％，Al₂O₃：10～20％，MgO：2～5％，SiO₂：2～5％；各成分質量百分數之和為100％，該渣系在1900K時的電導率為340Ω^-1m^-1；

(2)將渣料混合均勻后放入電阻爐進行烘烤，在600℃下烘烤5h后，關閉電源讓渣料隨爐降溫，去除渣料中的水分，備用；

步驟2，預備工作：

(1)確定填充比和電極的插入深度：導電結晶器的直徑為950mm，電極直徑為760mm，電極的插入深度為10mm，填充比為0.64；

(2)將28mm厚材質同為Cr5鋼的底墊放置在電渣爐的底水箱中央，在底墊上放置引弧劑，在引弧劑周圍平鋪部分渣料；其中，部分渣料的質量為為所要處理的渣料總質量的2％；引弧劑為CaF₂和TiO₂經預熔后得到的混合物，按質量比，CaF₂∶TiO₂＝50∶50。

(3)將導電結晶器坐落在底水箱上并進行對中；

步驟3，導電結晶器電渣重熔：

(1)閉合K3和K1開關，斷開K2開關，使電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源，采用固態起弧法起弧后，將剩余渣料分批次加入導電結晶器內，進行化渣；

(2)渣料全部熔清后，設定重熔電流和重熔電壓，進行電渣重熔，將K1、K3閉合，K2斷開，電流路徑為(a)，電流路徑為電源→自耗電極→渣料→底水箱→電源；通過導電結晶器和底水箱電流的分配比例為0％：100％，分配比例可由電流表直接讀出；其中，熔速為780kg/h，熔煉電壓為75V，熔煉電流為20900A；

(3)在電渣重熔過程后期，為了保證鑄錠上部的凝固質量，需要進行遞減功率的補縮操作，在保證爐口電壓/重熔電流的比值不變的條件下，同時按比例降低爐口電壓和重熔電流，電流每5min降低500A；重熔補縮操作后斷電，自然冷卻，制得重熔Cr5鋼鑄錠。

將本實施例制備的重熔Cr5鋼鑄錠沿直徑縱向剖開，將剖開的鑄錠沿縱剖面切下15mm厚的縱向切片，并用磨床打磨拋光。將拋光后的樣品用1∶3的鹽酸水溶液冷酸浸蝕，并用無水乙醇清洗干凈。然后對柱狀晶與軸向的夾角進行測量，測量結果為45°。