專利名稱：加熱方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種用于加熱的方法和裝置。特別是，它涉及到在澆口盤中利用熱等離子氣體對(duì)熔化的金屬進(jìn)行加熱。
熱等離子是一種有足夠能量的氣體，它有很大比例的氣體被電離，可傳導(dǎo)電熱。例如熱等離子氣體可用在礦石的熔化方面。從傳輸電弧吹管放出的能量通常直接傳送到正在被溶化的礦石處，然而如果需要，也可以用一個(gè)非傳輸電弧吹管去加熱大量氣體，而氣體再去加熱原料。
在傳統(tǒng)的冶金爐中，等離子氣體吹管的電極通常裝在爐子頂上的框架結(jié)構(gòu)內(nèi)，并穿過(guò)裝在蓋子上的套筒，根據(jù)爐內(nèi)操作水平的需要允許改變底部電極的長(zhǎng)度。用來(lái)形成等離子氣體的氣體是氬氣。
也可采用熱等離子氣體去加熱澆口盤中的熔化金屬。澆口盤被廣泛地用在于連續(xù)澆鑄工藝中從一個(gè)容器中(例如鐵水包)運(yùn)送鋼水以澆鑄構(gòu)件。實(shí)際中，澆口盤內(nèi)熔化金屬的溫度可降低25℃。這個(gè)溫度下降的結(jié)果可以導(dǎo)致使鑄件的微觀結(jié)構(gòu)改變。特別是將影響晶粒度的大小。如果在澆口盤中不具有熔化金屬的加熱裝置，則在需要得到細(xì)晶粒度的區(qū)域就不能在鐵水包中保持冶金學(xué)所要求的低值過(guò)熱而獲得細(xì)晶結(jié)構(gòu)。
在澆口盤中采用熱等離子氣體加熱熔化金屬的方法有兩大優(yōu)點(diǎn)，第一、鐵水包的澆口溫度可以降低以節(jié)省能量和電極的費(fèi)用以及縮短兩次作業(yè)的間隔時(shí)間。第二、它使得澆口盤的溫度在整個(gè)澆濤過(guò)程中保持不變而提高質(zhì)量并使晶粒度細(xì)化和均勻一致。
在澆口盤安裝的主要區(qū)域，澆口盤上方僅有有限空間用來(lái)安裝等離子氣體吹管。因此，需要采取一種利用熱等離子氣體加熱澆口盤中熔化金屬的方法，該方法減少了等離子氣體加熱裝置所需要的空間。根據(jù)本發(fā)明的方法，通過(guò)使對(duì)于一個(gè)給定功率和電流強(qiáng)度而縮短弧長(zhǎng)的目的成為可能后，就使上述結(jié)果成為可能。我們知道，對(duì)于穩(wěn)氬弧來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有能量損失(例如沒(méi)有電壓損失)的一種最佳狀態(tài)下，減少氬弧長(zhǎng)度是不可能的。盡管可用更高的電流來(lái)補(bǔ)償，但高電流將導(dǎo)致傳導(dǎo)電流的電纜或?qū)Я鳁l線產(chǎn)生更大的電流損失。另外，對(duì)于特定的等離子氣體吹管承載的電流也有限制，并且，高電流使得吹管損失和磨損增加。因此，僅僅增加電流強(qiáng)度并不是縮短弧長(zhǎng)的理想途徑。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種利用熱等離子氣體在澆口盤中加熱熔化材料的方法，該等離子氣體是一種包含氬與氮、氫、氖和氦中的一種或幾種氣體的混合氣體。
形成等離子氣體的氣體中的氮、氖、氦或氫的比例使給定弧長(zhǎng)的給定電流強(qiáng)度的電壓值增加，從而增加了功率。因此，最好使用弧長(zhǎng)范圍在20～45厘米的較短弧長(zhǎng)，而不產(chǎn)生能量損失，也不增加電流強(qiáng)度。通常情況下，效果佳的順序是氮＞氫＞氖＞氦。然而氮僅適用于某些鋼，氫對(duì)于大多數(shù)冶金工藝來(lái)說(shuō)通常是不希望的，而氖又特別昂貴。因此，氦通常作為鋼和某些有色金屬(例如鋁)的選擇添加氣體，而氮適用于另一些有色金屬。對(duì)于在澆口盤中加熱熔化金屬來(lái)說(shuō)，氣體混合物的體積比為50～95%的氬加5～50%的氦或氮用來(lái)形成等離子氣體為較好。最好的是，混合氣體體積包含80～90%的氬和10～20%的氦或氮。
為便于熱等離子氣體加熱澆口盤中的熔化金屬，等離子氣體吹管最好包括一個(gè)通常是垂直的電極，一般做成空心狀，可拆卸地裝在通常是水平的支撐臂上，該支撐臂用來(lái)承載電極輔助裝置，它一般包括等離子氣體，用于電極的電纜和冷卻水。
支撐臂最好可轉(zhuǎn)動(dòng)地裝在一個(gè)可延伸的支撐物上，比如一個(gè)支柱上。
本發(fā)明還提供了用于在澆口盤中加熱熔化金屬的裝置，該裝置包括一個(gè)等離子氣體吹管，該吹管包括一個(gè)大致垂直的電極，該電極可分離地裝在大致水平的支撐臂上，該支撐臂帶有電極所必須的輔助裝置，該支撐臂可轉(zhuǎn)動(dòng)地裝在一個(gè)可延伸的支持物上。
如果需要，特別是在一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的澆口盤內(nèi)，可采用多個(gè)等離子氣體吹管加熱其中的熔化金屬。
下面將參考附圖和實(shí)例來(lái)對(duì)本發(fā)明的方法和裝置加以說(shuō)明，其中

圖1是一個(gè)裝有根據(jù)本發(fā)明所述適于操作的等離子氣體吹管的澆口盤和一個(gè)鐵水包的基本布置的示意圖。
圖2A是用于本發(fā)明方法中的等離子吹管的側(cè)面示意圖，圖2B是其俯視圖。
圖3是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明所述使用兩個(gè)等離子氣體吹管以及提供給吹管的輔助裝置系統(tǒng)的示意透視圖。
參看附圖1，裝在塔臺(tái)(圖中未示)上的鐵水包2帶有澆鑄口4，澆鑄口4終止于澆口盤6中熔化金屬12之下。澆口盤帶有一個(gè)等離子氣體輻射護(hù)罩8，傳輸電弧的等離子氣體吹管10的下端穿過(guò)該罩。還可帶有用來(lái)調(diào)正澆口盤6中的在熔化金屬12液面之上的吹管10端部高度的調(diào)整裝置(圖中未示)。吹管10一般由銅質(zhì)空心陰極組成。最好在電極壁內(nèi)具有一些管道(圖中未示)，以供通常為水的液態(tài)冷卻劑循環(huán)。利用圖1中未示的裝置，該電極還可以帶有一條電源線。形成等離子氣體的氣體被輸送到吹管10的空心內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，等離子氣體由氬與氮、氦、氫和氖中的一種或幾種氣體混合組成。對(duì)于加熱鋼來(lái)說(shuō)，混合氣體最好由氬和氦組成。
如果使用陰極等離子氣體吹管，則澆口盤就可裝有一個(gè)陽(yáng)極回路，該陽(yáng)極可以是一塊鋼板并被置于澆口盤內(nèi)的一層適當(dāng)?shù)膴A壁內(nèi)。或者也可以用一個(gè)插入的石墨電極來(lái)達(dá)到此目的。
在圖1所示的裝置的操作中，通過(guò)浸沒(méi)的輸出口4從鐵水包2中的澆口盤6加注熔化金屬。可以使用停止或/和起動(dòng)鈕(圖中未示出)來(lái)防止?jié)部诒P中的鋼水沒(méi)到操作面時(shí)，鐵水就從澆口盤中未填入鑄模。在深度為1000mm澆口盤中，操作面的深度通常在400～800mm之間。通過(guò)在吹管10的頭部與澆口盤6內(nèi)熔化的金屬之間起弧而實(shí)現(xiàn)加熱，通常使用帶有一個(gè)扼流電抗的可控硅整流器(未示出)來(lái)控制電弧電流從而改變單個(gè)吹管的功率。因此，弧長(zhǎng)是固定的并且輸出電壓也從這個(gè)特別的系統(tǒng)中獲得應(yīng)有的值。對(duì)于給定的電壓和電流來(lái)說(shuō)，所給定的弧長(zhǎng)則完全取決于所用裝置的各種特性，然而在這一特定環(huán)境中，對(duì)于任何給定的裝置來(lái)說(shuō)，給定電壓值和電流值的弧長(zhǎng)可以通過(guò)使在含氬混合氣體中含有更大比例的附加氣體(氦、氮、氖和氫氣中的一種或幾種)來(lái)加以減少。如果當(dāng)氬是唯一的等離子氣體時(shí)，對(duì)于一個(gè)給定的電壓值和電流值，該裝置產(chǎn)生約300mm的弧長(zhǎng)時(shí)，則根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使用體積含量為50%氦氣的混合氣體，對(duì)于給定的電壓值(或者對(duì)于給定的弧長(zhǎng)，相應(yīng)增加電壓)弧長(zhǎng)可減少達(dá)40%。例如，對(duì)具有300mm的弧長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用氦氣體積含量為10～20%的氬-氦混合物的等離子氣體時(shí)，電壓值可從120V增加到150～180V。
通常不需要連續(xù)使用本發(fā)明的加熱澆口盤中熔化金屬的方法。例如，在一個(gè)工序中的第一個(gè)鐵水包中，鋼水將慢慢變冷，由于鋼水溫度降低和高填注率要求，本發(fā)明的方法可用于這個(gè)階段。澆口盤中的鋼水通常在5-10分鐘內(nèi)注滿。當(dāng)鋼水包在冶金學(xué)上能接受的溫度范圍內(nèi)提供鋼水時(shí)，則不需要使用本發(fā)明的方法來(lái)提供額外加熱量。當(dāng)鋼水在鐵水包的底部冷卻時(shí)，可以使用本發(fā)明的方法來(lái)防止冷卻而使溫度降低。通常溫度能控制在±5℃內(nèi)。
等離子氣體吹管10一般具有高達(dá)1.2MW的功率，且在1000～8000A的直流電流和100-200V直流電壓的范圍內(nèi)運(yùn)行。通?？梢栽趬毫?比如說(shuō)3個(gè)大氣壓)下，以每1000A25～50升/分的速度充入等離子氣體，陰極的長(zhǎng)度通常在1000-2000mm范圍內(nèi)，且直徑通常為50-100mm。
通常用加壓(例如在10～15巴范圍內(nèi))的去離子水作為冷卻劑，冷卻劑流量為50～200升/分。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2A和2B，該圖所示為在澆口盤上方的入口所限定的區(qū)域中適用的等離子氣體吹管裝置。吹管包括一個(gè)與等離子氣體裝置頭部22相連接的豎直排列的空心管狀電極體20。通常電極體20可以通過(guò)壓裝配合連結(jié)在裝置頭22上。通過(guò)一種小型的或其它類型的卡子24將電極體20固定在頭部22上。采用這種方法，可以迅速更換電極。所有的電極輔助聯(lián)結(jié)件如已破壞，再裝一個(gè)電極只需松開卡子24，拿走舊電極20，插入更換品并緊固夾子即可。
電極頭22構(gòu)成以樞軸固裝且?guī)в写倒茌o件的空心剛性臂26的一部分(這些輔件沒(méi)有在2A和2B中示出)。輔件包括由等離子氣體裝置、流入和流出電極20的冷卻水裝置以及電氣裝置。這些輔助裝置一般用柔性管和導(dǎo)體連結(jié)到電極頭22上。這種柔性管和導(dǎo)體從臂26的另一端出來(lái)并聯(lián)結(jié)到必須的供給源上(圖2A和2B中未示出)，這種連接應(yīng)有足夠余地以使電極能夠降低和升高，并且使臂能轉(zhuǎn)到作業(yè)處和移出作業(yè)處。或者，也可以使金屬或者其它相對(duì)鋼性的管道和適宜的絕緣電力線將輔助裝置穿過(guò)臂26而連接在遠(yuǎn)離電極頭的臂部樞軸端。在電極頭22的另一端，臂26的樞軸裝在一個(gè)延伸的支柱28上。采用這種結(jié)構(gòu)，電極體20可以在澆口盤的上方來(lái)回?cái)[動(dòng)(圖2A和2B未示出)，而支持柱28的高度可以在電極20的觸點(diǎn)和澆口盤之間，根據(jù)所需的弧長(zhǎng)來(lái)加以調(diào)整。
電極20的觸點(diǎn)可用鍍釷鎢來(lái)制造。觸點(diǎn)可用銀釬料焊接到電極體20上(電極體一般用銅來(lái)制作)。
附圖3描述了用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明所述方法的供該裝置所用的輔助裝置，其中使用兩個(gè)分離的等離子氣體吹管來(lái)加熱澆口盤中的金屬。參照附圖3，展示了在兩端裝有吹管42和44的澆口盤40的示意圖。各吹管分別帶有輔助導(dǎo)管46和48。導(dǎo)管46和48通過(guò)由高壓開關(guān)50，變壓器52和帶有扼流電抗的可控硅整流器54組成的裝置接受直流電的供給。經(jīng)過(guò)導(dǎo)管46和48，從整流器54向吹管42和44供應(yīng)電力，電流回路由與澆口盤40聯(lián)在一起的陽(yáng)極56和58構(gòu)成。整流器54通常也可與控制箱60(如果需要可裝在控制室內(nèi)(未示出)聯(lián)合在一起，該控制箱用來(lái)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)整流器。
導(dǎo)管46和48也可各自與相應(yīng)地高頻啟動(dòng)裝置62和64聯(lián)合在一起，該啟動(dòng)裝置能使在每個(gè)欠管和澆口盤40中熔化金屬之間起弧。吹管的每一個(gè)導(dǎo)管46和48還各自接收通過(guò)導(dǎo)管70和72的冷卻水流并且經(jīng)過(guò)導(dǎo)管74和76將冷卻水送回。
導(dǎo)管46和48各自通過(guò)導(dǎo)管82接受等離子氣體的供給。
通常情況下，在圖1-3中所示本發(fā)明的實(shí)施例中，吹管作為陰極。然而，使用陽(yáng)極吹管也是可行的(特別地，例如在鈦的熔煉中)。使用多個(gè)吹管去加熱熔化金屬也是可行的。
權(quán)利要求
1.一種利用熱等離子氣體在澆口盤中加熱熔化物的方法，其中的等離子氣體是由氬與氮、氫、氖和氦中的一種或幾種氣體的混合物組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中熔化物包括鋼，氣體包括氬和氦的混合氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中氣體由體積比為50～95%的氬和5～50%的氦的混合氣體組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中混合氣體由體積比為80～90%的氬和10～20%的氦組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中氣體由氬和氮的混合氣體組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中混合氣體由體積比為80～90%的氬和10～20%的氮組成。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中等離子氣體通過(guò)一個(gè)傳輸電弧等離子氣體吹管的操作來(lái)產(chǎn)生。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中等離子氣體吹管具有一個(gè)可拆卸地安裝在大致水平的支撐臂上的大致豎直的電極，該支撐臂承載吹管所必須的輔助裝置，支撐臂以樞軸裝在可延伸的支持物上。
9.如同權(quán)利要求7或8的方法，其中弧長(zhǎng)為25～45cm。
10.在澆口盤中加熱熔化金屬的裝置，由包含一個(gè)可拆卸地安裝在大致水平的支撐臂上的大致豎直的電極，該支撐臂帶有吹管所必須的輔助裝置，支撐臂以樞軸安裝在一個(gè)可延伸的支持物上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中的等離子氣體吹管是可傳輸電弧類型的。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的裝置，其中，該電極是空心的陰極。
全文摘要
一種采用等離子氣體吹管在澆口盤中加熱熔化物的方法。等離子氣體由氬與氮、氫、氖和氦中的一種或幾種氣體的混合物組成。氬和包含體積比為10～20％的氦的混合物對(duì)于加熱鋼水是實(shí)用的。對(duì)一個(gè)給定長(zhǎng)度的電弧，能獲得比只用純氬作為等離子氣體更高的電壓。吹管最好裝在一個(gè)水平的支撐臂上，該臂以樞軸裝在一個(gè)可延伸的支持物上，以便于固定吹管在澆口盤上方所限定的空間中的位置。
文檔編號(hào)B22D11/10GK1057416SQ9110322
公開日1992年1月1日 申請(qǐng)日期1991年4月19日 優(yōu)先權(quán)日1990年4月19日
發(fā)明者科林·穆爾, 查爾斯·P·希恩利, 彼得·考斯 申請(qǐng)人:英國(guó)氧氣集團(tuán)有限公司