一種利用氮氣輸送粉末添加劑的電渣錠制備裝置及方法與流程

本發明涉及電渣重熔技術領域，具體是一種電渣錠制備裝置及方法。

背景技術：

加壓電渣重熔技術廣泛用于制備在力學性能和耐腐蝕性能優越的高氮鋼。加壓電渣重熔過程中，整個熔煉和凝固過程始終處于高壓氮氣的氣氛保護下。較高的氮分壓可以提高氮在合金體系的溶解度，并有效抑制凝固過程中氮的偏析和析出。另外，依靠在制備過程中持續添加氮化物(如氮化硅)則顯著提高鋼錠中的含氮量。

但加壓電渣重熔技術具有以下缺點：加壓電渣重熔爐制造成本高，操作難度大；具有持續添加的氮化物形成氮氣后使渣池沸騰而嚴重擾亂精煉過程、影響氮的均勻分布的現象；若添加氮化硅，則會使額外的硅元素進入鋼錠，對于某些鋼種來說是不可接受的。

另一方面，目前在保護氣體電渣重熔技術中，重熔氣氛通常采用氬氣，可以減少鋼中活潑金屬元素的氧化，降低鋼中的總氧量，減少鋼中的氧化物夾雜；同時采用合理的脫氧制度可以進一步提高脫氧率。但氣體保護電渣重熔爐制造成本高，氬氣的價格昂貴。

上述缺陷是本領域技術人員期望克服的。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

為了解決現有技術中的上述問題，本發明提供一種利用氮氣輸送粉末添加劑的電渣錠制備裝置及方法。通過將氮氣和粉末添加劑直接輸送到自耗電極端部參與精煉反應，提高了精煉效率，具有更好的增氮、脫氧及脫硫效果。

(二)技術方案

第一方面，為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案包括：

一種利用氮氣輸送粉末添加劑的電渣錠制備裝置，包括結晶器和適于安裝自耗電極的假電極；所述自耗電極包括圓筒狀本體和沿圓筒狀本體中心軸線貫通的第一孔道；所述假電極內設置有第二孔道，所述第二孔道的出口位于所述假電極的底部端面且適于與所述自耗電極內的第一孔道密閉地連通，所述第二孔道的入口位于所述假電極的頂部端面或側壁；所述裝置還包括：氮氣氣源，所述氮氣氣源包括氣源出口，所述氣源出口適于與所述第二孔道的入口氣體連通；粉末加料設備，所述粉末加料設備適于容納并分配粉末添加劑，所述粉末加料設備包括粉料出口，所述粉料出口適于與所述第二孔道的入口電絕緣地相連通。

作為本發明的一個實施例，所述第二孔道包括相連通的傾斜孔道和豎直孔道；所述豎直孔道的中心軸線與所述假電極的中心軸線重合，所述豎直孔道的出口位于所述假電極的底部端面；所述傾斜孔道的入口位于所述假電極的側壁，所述傾斜孔道的中心軸線與所述豎直孔道的中心軸線之間的夾角為90度～180度；所述傾斜孔道的橫截面為圓形，所述豎直孔道的橫截面為圓形；所述傾斜孔道的內徑與所述豎直孔道的內徑大小相等；所述第一孔道的橫截面為圓形，所述豎直孔道的內徑小于或者等于所述第一孔道的內徑。

優選地，所述傾斜孔道的中心軸線與所述豎直孔道的中心軸線之間的夾角為45度。

作為本發明的又一實施例，所述第二孔道沿所述假電極的中心軸線貫穿所述假電極，所述第二孔道的橫截面為圓形；所述第一孔道的橫截面為圓形，所述第二孔道的內徑小于或者等于所述第一孔道的內徑。

具體實施時，所述第一孔道的內徑小于或者等于所述圓筒狀本體的外徑的10％。

具體實施時，所述裝置還包括：底水箱，所述底水箱設置在所述結晶器的底部下方；電極支承和移動裝置，用于支承所述假電極并使所述假電極和自耗電極相對于所述結晶器移動。

具體實施時，所述粉末添加劑為脫氧劑和/或脫硫劑。

第二方面，為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案包括：

一種使用第一方面中說明的利用氮氣輸送粉末添加劑的電渣錠制備裝置制備電渣錠的方法，包括以下步驟：

步驟1：啟動冷卻水循環回路，以對結晶器和底水箱提供冷卻水；

步驟2：將烘烤好的固態渣料倒入結晶器內；

步驟3：操作電極支承和移動裝置，以將自耗電極插入至固態渣料中，并接通交流電源；

步驟4：待固態渣料受熱轉變為液態渣池后，啟動氮氣氣源，使得氮氣經過氣源出口依次通過假電極內的第一孔道和自耗電極內的第二孔道后被吹入液態渣池；在氮氣氣源穩定后，啟動粉末加料設備，使得粉末添加劑被氮氣輸送至自耗電極底部端面；

步驟5：在自耗電極不斷熔化生成金屬熔滴時，操作電極支承和移動裝置，以保證自耗電極在液態渣池中的浸入深度等于預定深度；

步驟6：待自耗電極全部融化后，關閉交流電源、氮氣氣源和粉末加料設備；

步驟7：待鋼錠完全冷卻后，關閉冷卻水循環回路；

步驟8：從結晶器內取出制備得到的電渣錠。

具體實施時，上述方法中，所述粉末添加劑為脫氧劑和/或脫硫劑。

(三)有益效果

本發明的有益效果是：

本發明的利用氮氣輸送粉末添加劑的電渣錠制備裝置，在假電極和自耗電極中設置相連通的孔道，將氮氣和粉末添加劑通過孔道直接輸送到自耗電極端部參與精煉反應，增加了鋼液與氮氣的接觸面積，具有更好的增氮效果；增大了鋼液與粉末添加劑的接觸面積，省去了添加劑在熔渣中擴散這一中間環節，提高了精煉效率，具有更好的脫氧及脫硫效果。

本發明的制備電渣錠的方法，利用氮氣輸送粉末添加劑的電渣錠制備裝置制備，在假電極和自耗電極中設置相連通的孔道，將氮氣和粉末添加劑通過孔道直接輸送到自耗電極端部參與精煉反應，增加了鋼液與氮氣的接觸面積，具有更好的增氮效果；增大了鋼液與粉末添加劑的接觸面積，省去了添加劑在熔渣中擴散這一中間環節，提高了精煉效率，具有更好的脫氧及脫硫效果。

附圖說明

圖1為本發明一個實施例的利用氮氣輸送粉末添加劑電渣錠制備裝置的組成示意圖；

圖2為本發明一個實施例的利用氮氣輸送粉末添加劑電渣錠制備裝置的工作狀態示意圖。

【附圖標記說明】

1：立柱；

2：導電橫臂；

3：假電極；

4：自耗電極；

5：結晶器；

6：底水箱；

7：粉末加料設備；

8：三通連接件；

9：絕緣墊片；

10：氮氣氣源；

11：鋼錠；

12：金屬熔池；

13：渣池；

14：噴孔；

15：豎直孔道；

16：傾斜孔道；

17：交流電源；

m：氮氣或含有粉末添加劑的氮氣粉末混合物。

具體實施方式

為了更好的解釋本發明，以便于理解，下面結合附圖，通過具體實施方式，對本發明作詳細描述。

第一方面，本發明實施例的利用氮氣輸送粉末添加劑的電渣錠制備裝置，包括結晶器和適于安裝自耗電極的假電極；所述自耗電極包括圓筒狀本體和沿圓筒狀本體中心軸線貫通的第一孔道；所述假電極內設置有第二孔道，所述第二孔道的出口位于所述假電極的底部端面且適于與所述自耗電極內的第一孔道密閉地連通，所述第二孔道的入口位于所述假電極的頂部端面或側壁；所述裝置還包括：氮氣氣源，所述氮氣氣源包括氣源出口，所述氣源出口適于與所述第二孔道的入口氣體連通；粉末加料設備，所述粉末加料設備適于容納并分配粉末添加劑，所述粉末加料設備包括粉料出口，所述粉料出口適于與所述第二孔道的入口電絕緣地相連通。

本實施例中的粉末加料設備與第二孔道的入口電絕緣地相連通后，可以實現在密閉條件下從粉料出口勻速地提供粉末添加劑，其中，粉末添加劑包括以下一種或兩種：脫氧劑和脫硫劑。

在電渣重熔過程中，所述粉料出口與所述第二孔道的入口電絕緣地相連，也即第二孔道的入口分別與氮氣氣源和粉末加料設備相連接，使得與第二孔道相連通的第一孔道可以輸送含有粉末添加劑的氮氣粉末混合物，因此，第一孔道是一個多功能的流體噴孔。

現有技術中，交流電渣重熔過程中氧傳遞行為相當一部分發生在電極端部液膜處，而外加的脫氧劑先使渣的氧勢降低，通過變價氧化物的擴散進而影響電極端部液膜處的傳質過程，即脫氧劑不能直接作用在液膜界面，限制了脫氧效率。該缺陷同樣存在于脫硫過程中。

與現有技術相比，本發明實施例的電渣錠制備裝置，在電渣重熔過程中，將脫氧劑、脫硫劑等粉末添加劑利用氮氣輸送至電極端部與熔化金屬直接接觸，增大了鋼液與粉末添加劑的接觸面積，直接起到脫氧、脫硫作用及防止活潑金屬氧化的效果，省去了添加劑在熔渣中擴散這一中間環節，能夠取得更好的精煉效果，提高鋼錠的品質，同時降低了添加劑的耗費。

本發明實施例的電渣錠制備裝置，在假電極和自耗電極中設置相連通的孔道，將氮氣和粉末添加劑通過孔道直接輸送到自耗電極端部參與精煉反應，增加了鋼液與氮氣的接觸面積，具有更好的增氮效果；增大了鋼液與粉末添加劑的接觸面積，省去了添加劑在熔渣中擴散這一中間環節，提高了精煉效率。

本發明實施例的電渣錠制備裝置中，氮氣在自耗電極端部與熔化金屬直接接觸，省去了氮氣溶于渣池的中間環節，氮氣在金屬-氣界面的傳質效率遠高于渣-氣界面，可以明顯提高鋼中含氮量。

采用本發明實施例的電渣錠制備裝置，可以省去氣氛保護罩或壓力容器、增壓裝置等附加設備，操作方便，可以有效降低制造成本；不再添加氮化物顆粒，從而能夠從根本上避免其引起的渣池沸騰及避免多余的合金元素(如硅)進入鋼錠。

氮氣是一種廉價的資源，具有取之不盡的優勢，替代成本較高的氮化物有益于擴大工業生產規模、降低生產成本。

需要說明的是，自耗電極內孔道的內徑不宜過大，最好控制在自耗電極的外徑的10％以內。這個尺寸范圍內的孔道，一方面，能夠在保證氮氣穩定通流量前提下，控制氮氣的流速，避免發生紊流現象。另一方面，可以減少粉體添加劑的損耗，并避免粉末下落時在孔道內發生分布不均的現象。

另外，設置在自耗電極內的第一孔道可以包括多個軸對稱地設置，并貫穿自耗電極的通孔。這樣并列設置的多個通孔，可以進一步使得含有粉末添加劑的氮氣粉末混合物更均勻地分布在反應面上，更充分地參與精煉過程。

作為本發明的一個實施例，所述第二孔道包括相連通的傾斜孔道和豎直孔道；所述豎直孔道的中心軸線與所述假電極的中心軸線重合，所述豎直孔道的出口位于所述假電極的底部端面；所述傾斜孔道的入口位于所述假電極的側壁，所述傾斜孔道的中心軸線與所述豎直孔道的中心軸線之間的夾角為90度～180度；所述傾斜孔道的橫截面為圓形，所述豎直孔道的橫截面為圓形；所述傾斜孔道的內徑與所述豎直孔道的內徑大小相等；所述第一孔道的橫截面為圓形，所述豎直孔道的內徑小于或者等于所述第一孔道的內徑。

本實施例中，將第二孔道分為傾斜孔道和豎直孔道兩段來設置，可以縮短假電極中孔道在豎直方向上的絕對長度，減少氣流壓力在孔道內的沿程損失，并且能夠降低爐體高度，使得重熔操作更便利。

本實施例中，限定豎直孔道的內徑小于或者等于第一孔道的內徑，可以避免粉末添加劑在突擴段發生堆積。

優選地，所述傾斜孔道的中心軸線與所述豎直孔道的中心軸線之間的夾角為45度。

作為本發明的又一實施例，所述第二孔道沿所述假電極的中心軸線貫穿所述假電極，所述第二孔道的橫截面為圓形；所述第一孔道的橫截面為圓形，所述第二孔道的內徑小于或者等于所述第一孔道的內徑。

本實施例中，限定第二孔道的內徑小于或者等于所述第一孔道的內徑，可以避免粉末添加劑在突擴段發生堆積。

具體實施時，所述裝置還包括：底水箱，所述底水箱設置在所述結晶器的底部下方；電極支承和移動裝置，用于支承所述假電極并使所述假電極和自耗電極相對于所述結晶器移動。

通常，結晶器設置有容納冷卻水的腔室；在結晶器的底部下方，還設置有底水箱。在電渣重熔啟動前，啟動冷卻水循環回路，通過向結晶器和底水箱通入冷卻水實現在電渣重熔過程中使金屬熔池冷卻凝固的目的。

優選地，所述電極支承和移動裝置包括立柱和一端套設在所述立柱上的橫臂，假電極安裝在所述橫臂的另一端。在電渣重熔過程中，橫臂沿立柱移動時，即可移動所述假電極，從而使得所述假電極和自耗電極相對于所述結晶器移動。其中，橫臂可以為導體，也可以為絕緣體，本發明對此不做限定。

具體實施時，為了使得整體結構更緊湊，操作更便利，可以將粉末加料設備絕緣地設置在橫臂上，并設置一個三通連接件，使得連接件的第一端與粉料出口相連，連接件的第二端與氣源出口相連，連接件的第三端與第二孔道的入口電絕緣地相連。

需要說明的是，本發明實施例的電渣錠制備裝置為立式安裝布局，因此下文中的描述均基于該立式安裝布局展開，并不再重復說明。

如圖1和圖2所示，本發明實施例的利用氮氣輸送粉末添加劑電渣錠的電渣錠制備裝置的一個示例裝置中，底水箱6放置在操作平臺上，結晶器5放置在底水箱6上，導電橫臂2套設在立柱1上，帶有孔道的假電極3固定在導電橫臂2上；粉末加料設備7安裝在導電橫臂2的一端，并利用絕緣墊片使得粉末加料設備7與導電橫臂2間實現電絕緣。氮氣氣源10利用氮氣泵對氮氣增壓，并將增壓后的氮氣從氣源出口輸出。

圖2中箭頭方向指向氮氣或含有粉末添加劑的氮氣粉末混合物的流向。

開設有沿著中心軸向方向貫通整個自耗電極的噴孔14的自耗電極4與假電極3同軸地焊接連接，從而將自耗電極4固定在假電極3上，并使得自耗電極4內的噴孔14與假電極3內的孔道密閉地連通；假電極3的孔道入口與三通連接件8的一個端口連通，設置在兩者之間的絕緣密封墊片9，使得假電極4與三通連接件8間實現電絕緣。三通連接件8的其余2個端口分別與粉末加料設備7和氮氣氣源10的氣源出口相連。

自耗電極4的噴孔14與自耗電極4同軸，在整個長度方向上內徑保持不變；假電極3的豎直孔道15與假電極3同軸，假電極3的豎直孔道15的內徑恒定，假電極3的傾斜孔道16向上與水平面成45°夾角。

通常假電極3的外壁為圓柱形，優選地，在傾斜孔道16內設置薄壁圓管，并使該薄壁圓管凸出假電極3的外壁，以便于通過法蘭連接的方式與三通連接件8的端口相連接。

具體地，本示例裝置中結晶器5的內徑為180mm，自耗電極4采用201不銹鋼，其直徑為120mm；噴孔14的內徑為12mm。假電極3的外徑為90mm，傾斜孔道16和豎直孔道15的內徑均為12mm；對應地，三通連接件8的內徑為12mm，氮氣氣源10的氮氣泵的輸出流量為0.2～4.0nl/min。

粉末加料設備7從現有技術中選擇可以實現在密閉條件下勻速加料的加料裝置。

第二方面，本發明實施例的使用第一方面中說明的利用氮氣輸送粉末添加劑的電渣錠制備裝置制備電渣錠的方法，包括以下步驟：

步驟1：啟動冷卻水循環回路，以對結晶器和底水箱提供冷卻水；

步驟2：將烘烤好的固態渣料倒入結晶器內；

步驟3：操作電極支承和移動裝置，以將自耗電極插入至固態渣料中，并接通交流電源；

步驟4：待固態渣料受熱轉變為液態渣池后，啟動氮氣氣源，使得氮氣經過氣源出口依次通過假電極內的第一孔道和自耗電極內的第二孔道后被吹入液態渣池；在氮氣氣源穩定后，啟動粉末加料設備，使得粉末添加劑被氮氣輸送至自耗電極底部端面；

步驟5：在自耗電極不斷熔化生成金屬熔滴時，操作電極支承和移動裝置，以保證自耗電極在液態渣池中的浸入深度等于預定深度；

步驟6：待自耗電極全部融化后，關閉交流電源、氮氣氣源和粉末加料設備；

步驟7：待鋼錠完全冷卻后，關閉冷卻水循環回路；

步驟8：從結晶器內取出制備得到的電渣錠。

具體實施時，上述方法中，所述粉末添加劑為脫氧劑和/或脫硫劑。

本發明實施例的電渣錠制備方法中，氮氣在自耗電極端部與熔化金屬直接接觸，省去了氮氣溶于渣池的中間環節，氮氣在金屬-氣界面的傳質效率遠高于渣-氣界面，可以明顯提高鋼中含氮量。

采用本發明實施例的電渣錠制備方法，可以省去氣氛保護罩或壓力容器、增壓裝置等附加設備，操作方便，可以有效降低制造成本；不再添加氮化物顆粒，從而能夠從根本上避免其引起的渣池沸騰及避免多余的合金元素(如硅)進入鋼錠。

氮氣是一種廉價的資源，具有取之不盡的優勢，替代成本較高的氮化物有益于擴大工業生產規模、降低生產成本。

與現有技術相比，本發明實施例的電渣錠制備方法中，脫氧劑、脫硫劑等添加劑利用氮氣輸送在電極端部與熔化金屬直接接觸，增大了鋼液與粉末添加劑的接觸面積，直接起到脫氧、脫硫作用及防止活潑金屬氧化的效果，省去了添加劑在熔渣中擴散這一中間環節，能夠取得更好的精煉效果，同時降低了添加劑的耗費。

以下結合應用前述電渣錠示例裝置制備電渣錠的操作實例來具體說明本發明實施例的制備電渣錠的方法。結合圖2，本操作實例包括如下步驟：

st1：向粉末定量加料設備中加入脫氧劑和脫硫劑粉末，向底水箱和結晶器通入冷卻水，其中，脫氧劑為鋁粉，脫硫劑為氧化鈣粉末，底水箱和結晶器入口的冷卻水的水溫為15℃；

st2：將烘烤好的固態渣料投入結晶器內，通過導電橫臂將自耗電極插入渣料中，其中，固態渣料采用二元渣系，具體為：70％重量份的caf2，30％重量份的al2o3，固態渣料的總渣量為4.5kg；

st3：接通交流電源17開始電渣重熔，待固態渣料受熱轉變為液態渣池后，啟動氮氣氣源，氮氣依次經過三通連接件、假電極內的孔道、自耗電極內的孔道后吹入渣池13，并在浮力作用下逸出到空氣中；其中，交流電源大小為2400a，交流頻率為50hz，重熔電壓為45v；氮氣輸送流量為0.4～0.8nl/min；

st4：當氮氣氣源穩定后，啟動粉末加料設備，由其勻速提供鋁粉和氧化鈣粉末；粉末在氮氣輸送作用和重力作用下抵達自耗電極底面端部參與精煉反應；其中，鋁粉和氧化鈣粉末質量配比為1：2，粉末供給速率為2.5g/min；

st5：強電流在高電阻值的渣池中產生大量焦耳熱，使得自耗電極端部逐漸熔化，熔化鋼液以液滴形式滴落到結晶器底部形成金屬熔池12，在結晶器和底水箱的冷卻作用下，金屬熔池逐漸凝固形成鋼錠11；

st6：待自耗電極全部熔化后，關閉交流電源17，停止氮氣和粉末輸送，將假電極移出結晶器，保持底水箱和結晶器冷卻水繼續循環至鋼錠完全冷卻，即完成電渣重熔鋼錠制備。

上述操作實例中，通過控制輸送流量使氮氣的潛入深度始終小于渣池的深度，以避免使渣池沸騰而嚴重擾亂精煉過程、影響氮在鋼錠內的均勻分布。

應當理解為，本操作實例中說明的脫氧劑和脫硫劑的品種僅作為示例，本發明在具體實施時，可以根據電渣錠的品質需要選擇對應的脫氧劑和脫硫劑的品種；本操作實例中說明的固態渣料的組分僅作為示例，本發明在具體實施時，可以根據電渣錠的品質需要選擇對應的固態渣料組分。

本操作實例的重熔過程持續約40分鐘；重熔獲得一個外徑180mm、高300mm的鋼錠。將所得鋼錠沿中心軸線縱向剖開，按50mm的軸向間隔切取寬度為20mm的4個試樣分別進行成分檢測，得到4個試樣主要化學成分的平均值；并與重熔前鋼錠的主要化學成分的數值進行對比，結果如下表1所列：

表1化學成分(質量分數)對照表

如表1所示，重熔后鋼錠中的氮含量得到較大提高，而氧含量和硫含量得到了較大的降低，因此，電渣重熔后鋼錠具有更好的品質。

需要理解的是，以上對本發明的具體實施例進行的描述只是為了說明本發明的技術路線和特點，其目的在于讓本領域內的技術人員能夠了解本發明的內容并據以實施，但本發明并不限于上述特定實施方式。凡是在本發明權利要求的范圍內做出的各種變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。