渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103333992 A (43)申请公布日 2013.10.02 CN 103333992 A *CN103333992A* (21)申请号 201310276457.0 (22)申请日 2013.07.03 C21C 7/06(2006.01) (71)申请人 上海大学 地址 200444 上海市宝山区上大路 99 号 (72)发明人 曾涛 张捷宇 郭艳玲 李建朝 赵坚 唐磊 许继芳 王耀杰 (74)专利代理机构 上海上大专利事务所 ( 普通 合伙 ) 31205 代理人 何文欣 (54) 发明名称 渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置 (57) 摘要 本发明公开了一种。

2、渣金间外加电场脱氧用旋 转电极装置， 包括阳极电极、 阴极电极、 直流电源 及其金属导线， 阳极电极的一端浸入装载在炉体 内的待脱氧钢液上方的熔渣中， 阳极电极的搅拌 头部分和旋转轴部分采用一体成型， 阳极电极能 实现可控自旋， 金属导线通过电刷与阳极电极的 旋转轴部分电连接， 可调转速电动机的电主轴同 轴传动阳极电极， 可调转速电动机的电主轴端通 过绝缘材料制作的联轴器与阳极电极的端部固定 连接， 使阳极电极进行轴向旋转， 进而带动阳极电 极的搅拌头部分对熔渣进行搅拌， 搅拌头部分的 转速根据熔渣的粘度来调节。本发明的通过电极 对钢液和熔渣进行搅拌， 既能增加电子的转移速 率又能提高氧的传递。

3、速率， 从而大大提高脱氧的 速率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103333992 A CN 103333992 A *CN103333992A* 1/2 页 2 1. 一种渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 包括阳极电极、 阴极电极 （10） 、 直流电 源 （1） 及其金属导线， 所述阳极电极的一端浸入装载在炉体 （7） 内的待脱氧钢液 （9） 上方的 熔渣 （8） 中， 所述直流电源 （1） 的正极通过一条所述金属导线与。

4、所述阳极电极的一端电连 接， 所述阴极电极 （10） 作为底电极安装在所述炉体 （7） 上， 所述阴极电极 （10） 的一端穿过 所述炉体 （7） 的壳体与待脱氧钢液 （9） 直接接触， 使待脱氧钢液 （9） 和阴极电极 （10） 一起 构成熔渣 （8） 的阴极系统， 所述阴极电极 （10） 的另一端通过另一条的所述金属导线与所述 直流电源 （1） 的负极电连接， 使所述直流电源 （1） 、 阳极电极和阴极电极 （10） 之间形成导电 通路， 并通入直流电流， 其特征在于 ： 所述阳极电极由浸入熔渣 （8） 中的搅拌头部分和所述 阳极电极本体的旋转轴 （5） 部分采用一体成型， 所述阳极电极相。

5、对于熔渣 （8） 的空间位置 不变， 所述阳极电极能实现可控自旋， 金属导线通过电刷 （2） 与所述阳极电极的旋转轴 （5） 部分电连接， 设于在所述炉体 （7） 外部的可调转速电动机 （4） 的电主轴同轴传动所述阳极 电极， 所述可调转速电动机 （4） 的电主轴端通过绝缘材料制作的联轴器 （3） 与所述阳极电 极的端部固定连接， 使所述阳极电极进行轴向旋转， 进而带动所述阳极电极的搅拌头部分 对熔渣 （8） 进行搅拌， 搅拌头部分的转速根据熔渣 （8） 的粘度来调节。 2. 根据权利要求 1 所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 其特征在于 ： 所述阴 极电极 （10） 与所述阳极电极具。

6、有相同结构， 即所述阴极电极 （10） 由浸入待脱氧钢液 （9） 中的搅拌头部分和所述阴极电极 （10） 本体的旋转轴 （5） 部分采用一体成型， 所述阴极电极 （10） 的旋转轴 （5） 部分转动安装在所述炉体 （7） 上， 所述阴极电极 （10） 能实现可控自旋， 金属导线也通过电刷 （2） 与所述阴极电极 （10） 的旋转轴 （5） 部分电连接， 另有一台可调转 速电动机 （4） 的电主轴同轴传动所述阴极电极 （10） ， 所述可调转速电动机 （4） 的电主轴端 也通过绝缘材料制作的联轴器 （3） 与所述阴极电极 （10） 的端部固定连接， 使所述阴极电极 （10） 进行轴向旋转， 进而。

7、带动所述阴极电极 （10） 的搅拌头部分对待脱氧钢液 （9） 进行搅 拌， 搅拌头部分的转速根据待脱氧钢液 （9） 的粘度来调节。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 其特征在于 ： 所 述阳极电极和所述阴极电极 （10） 至少其一的搅拌头形成螺旋式圆盘 （6） 结构， 所述螺旋式 圆盘 （6） 为空心波轮壳体结构， 壳体结构上分布设置一系列空心开口， 所述螺旋式圆盘 （6） 的转动方向朝向空心开口方向， 所述螺旋式圆盘 （6） 的螺旋方向为单一的左螺旋或右螺旋， 所述阳极电极的螺旋式圆盘 （6） 进行竖直方向上的螺旋升角转动， 驱动距离渣金界面较近 处的。

8、熔渣 （8） 通过搅拌向熔渣层顶部流动， 所述阴极电极 （10） 的螺旋式圆盘 （6） 进行竖直 方向上的反向螺旋升角转动， 驱动距离渣金界面较近处的待脱氧钢液 （9） 通过搅拌向钢液 底部流动。 4. 根据权利要求 1 或 2 所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 其特征在于 ： 所 述阳极电极和所述阴极电极 （10） 皆采用金属陶瓷制成。 5. 根据权利要求 3 所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 其特征在于 ： 所述阳 极电极和所述阴极电极 （10） 皆采用金属陶瓷制成。 6. 根据权利要求 1 或 2 所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 其特征在于 ： 所 述联轴器 （。

9、3） 由绝缘陶瓷材料制成。 7. 根据权利要求 3 所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 其特征在于 ： 所述联 轴器 （3） 由绝缘陶瓷材料制成。 权 利 要 求 书 CN 103333992 A 2 2/2 页 3 8. 根据权利要求 4 所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 其特征在于 ： 所述联 轴器 （3） 由绝缘陶瓷材料制成。 9. 根据权利要求 5 所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 其特征在于 ： 所述联 轴器 （3） 由绝缘陶瓷材料制成。 10. 根据权利要求 3 所述的渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 其特征在于 ： 在脱氧 过程中， 所述螺旋式圆盘 （6）。

10、 以 020r/min 转速对待脱氧钢液 （9） 进行搅拌。 权 利 要 求 书 CN 103333992 A 3 1/4 页 4 渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置 技术领域 0001 本发明涉及一种电极装置， 特别是一种电化学脱氧电极装置， 应用于冶金电化学 精炼和电化学合金化等技术领域。 背景技术 0002 在我国转炉炼钢作为主要的炼钢方式， 在其冶炼过程中往往带入大量的氧。这使 得脱氧成为钢的精炼过程中尤为重要的环节， 氧的含量直接影响钢材的质量。然而传统的 脱氧方法很难达到较高纯净度且生产效率不高。在现有的渣金间外加电场电化学无污染 脱氧法， 其主要原理是在熔化的金属液与炉渣之间， 通。

11、过插入熔渣的顶电极和置于金属液 的底电极由直流脉冲电源施加电场， 顶电极接电源的正极， 底电极接电源的负极， 通过控 制氧离子在熔渣体系中的传导方向和速度， 从而实现金属液的无污染脱氧。如公开号为 CN101235430A 发明专利公开了一种钢包炉中外加电场无污染脱氧精炼的方法， 在熔化的钢 液或金属液和熔渣之间， 通过插入熔渣的顶电极和置于钢液中的底电极， 由外加直流电源 施加电场， 同时在钢包炉中对钢液或金属液进行搅拌和实现气氛控制的条件下， 控制氧离 子在熔渣体系中的传导方向和速度以及增强溶解氧在钢液或金属液中的传质， 从而实现钢 液或金属液的无污染脱氧精炼。这是一种利用外加电场对金属中。

12、的氧加以定向引导， 从而 达到脱氧的目的的新方法。 但研究发现氧元素在渣金间的扩散以及电极和熔渣之间的电导 率是影响脱氧速率的重要因素， 因此必须要加大氧元素在渣中的传递速率， 提高电极与熔 渣之间的电导率。 0003 电极对渣金间电化学脱氧起着至关重要的作用， 现有的一种新型的电极材料， 其 包括一电极外壳， 电极外壳导电 ； 一密封件， 其与电极外壳的开口端密封连接， 在电极外壳 内形成一空腔， 空腔内设有脱氧剂 ； 其特征在于， 电极外壳包括 ： 一内层， 其为致密混合导 体透氧膜， 致密混合导体透氧膜具有钙钛矿结构 ； 一外层， 其为多孔材料导电层。采用本发 明的电极可以促进氧在阳极的。

13、电化学反应以及氧气在熔渣中的排除， 同时有效防止了阳极 其他离子的电极反应， 提高了电流效率和脱氧效率。但是这种电极的缺点在于制作工艺复 杂， 材料昂贵。因此， 由于技术本身的不足使渣金间传质过程受到很大的制约， 这也是冶金 电化学精炼和电化学合金化需要研究和亟待解决的关键问题。 发明内容 0004 为了解决现有技术问题， 本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷， 提供一种 渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 用于外加电场无污染脱氧， 在渣金间外加直流电场 无污染脱氧方法的基础上， 电极采用这种能搅拌熔渣或钢液的具有特殊结构的电极， 增大 了扩散驱动力， 加速传质过程， 可以提高脱氧效率和脱氧。

14、速率， 本发明电极的制作工艺简 单， 材料成本低， 适合工业化应用。 0005 为达到上述发明创造目的， 本发明的构思如下 ： 将用于渣金间外加电场的电极制作成一种具有搅拌桨功能的特殊的结构的电极， 使电 说 明 书 CN 103333992 A 4 2/4 页 5 极不仅不影响导电效率， 同时还能对钢液和熔渣进行搅拌， 既能增加电子的转移速率又能 提高氧的传递速率， 从而大大提高脱氧的速率。 0006 根据以上发明构思， 本发明采用下述技术方案 ： 一种渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 包括阳极电极、 阴极电极、 直流电源及其金 属导线， 阳极电极的一端浸入装载在炉体内的待脱氧钢液上方的熔。

15、渣中， 直流电源的正极 通过一条金属导线与阳极电极的一端电连接， 阴极电极作为底电极安装在炉体上， 阴极电 极的一端穿过炉体的壳体与待脱氧钢液直接接触， 使待脱氧钢液和阴极电极一起构成熔渣 的阴极系统， 阴极电极的另一端通过另一条的金属导线与直流电源的负极电连接， 使直流 电源、 阳极电极和阴极电极之间形成导电通路， 并通入直流电流， 阳极电极由浸入熔渣中的 搅拌头部分和阳极电极本体的旋转轴部分采用一体成型， 阳极电极相对于熔渣的空间位置 不变， 阳极电极能实现可控自旋， 金属导线通过电刷与阳极电极的旋转轴部分电连接， 设于 在炉体外部的可调转速电动机的电主轴同轴传动阳极电极， 可调转速电动机。

16、的电主轴端通 过绝缘材料制作的联轴器与阳极电极的端部固定连接， 使阳极电极进行轴向旋转， 进而带 动阳极电极的搅拌头部分对熔渣进行搅拌， 搅拌头部分的转速根据熔渣的粘度来调节。 0007 作为本发明技术方案的改进， 阴极电极与阳极电极具有相同结构， 即阴极电极由 浸入待脱氧钢液中的搅拌头部分和阴极电极本体的旋转轴部分采用一体成型， 阴极电极的 旋转轴部分转动安装在炉体上， 阴极电极能实现可控自旋， 金属导线也通过电刷与阴极电 极的旋转轴部分电连接， 另有一台可调转速电动机的电主轴同轴传动阴极电极， 可调转速 电动机的电主轴端也通过绝缘材料制作的联轴器与阴极电极的端部固定连接， 使阴极电极 进行。

17、轴向旋转， 进而带动阴极电极的搅拌头部分对待脱氧钢液进行搅拌， 搅拌头部分的转 速根据待脱氧钢液的粘度来调节。 0008 作为上述技术方案的改进， 阳极电极和阴极电极至少其一的搅拌头形成螺旋式圆 盘结构， 螺旋式圆盘为空心波轮壳体结构， 壳体结构上分布设置一系列空心开口， 螺旋式圆 盘的转动方向朝向空心开口方向， 螺旋式圆盘的螺旋方向为单一的左螺旋或右螺旋， 阳极 电极的螺旋式圆盘进行竖直方向上的螺旋升角转动， 驱动距离渣金界面较近处的熔渣通过 搅拌向熔渣层顶部流动， 阴极电极的螺旋式圆盘进行竖直方向上的反向螺旋升角转动， 驱 动距离渣金界面较近处的待脱氧钢液通过搅拌向钢液底部流动。 0009。

18、 上述阳极电极和阴极电极皆优选采用金属陶瓷制成。 0010 上述联轴器优选由绝缘陶瓷材料制成。 0011 上述螺旋式圆盘优选以 020r/min 转速对待脱氧钢液进行搅拌。 0012 本发明与现有技术相比较， 具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点 ： 1. 本发明所用电极结构为螺旋型圆盘， 以往所用的电极都是圆柱体电极， 其与熔渣的 接触面积很小， 而脱氧反应主要是在界面处反应， 本发明所用电极增大了电极与熔渣的接 触面积即增大了反应面积， 从而提高了脱氧速率 ； 2. 本发明所用电极结构为空心圆盘， 采用空心结构将使熔渣与电极的接触面积增加两 倍， 使反应界面增大两倍 ； 3. 本发明。

19、所用电极结构为螺旋结构， 在反应进行时， 电极通过自身的旋转可以将熔渣 底部已经溶氧量达到饱和的熔渣通过电极内部的空心通道到达顶部， 从而使上下熔渣成分 交换 ； 说 明 书 CN 103333992 A 5 3/4 页 6 4. 本发明所用电极通过自身的旋转还可以将钢液顶部接近完成脱氧目标的钢液向钢 液底部驱动流动， 加快钢液内部的传质和扩散， 从而使上下钢液成分交换， 进一步提高脱氧 的效率 ； 5. 本发明的电极材料可用金属陶瓷材料浇注成型后再烧结， 耐熔渣腐蚀性强， 可重复 利用， 降低成本。 0013 6. 本发明渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置能简化钢液精炼工艺， 提高生产 率， 。

20、降低生产成本。 附图说明 0014 图 1 为本发明实施例一渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置结构示意图。 0015 图2为本发明实施例一的阳极电极的螺旋式圆盘结构的搅拌头部分结构示意图。 0016 图 3 为本发明实施例二渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置结构示意图。 0017 图4为本发明实施例二的阴极电极的螺旋式圆盘结构的搅拌头部分结构示意图。 具体实施方式 0018 本发明的优选实施例详述如下 ： 实施例一 ： 在本实施例中， 参见图 1 和图 2， 一种渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置， 包括阳极 电极、 阴极电极 10、 直流电源 1 及其金属导线， 阳极电极的一端浸入装载在炉体 7 。

21、内的待脱 氧钢液 9 上方的熔渣 8 中， 直流电源 1 的正极通过一条金属导线与阳极电极的一端电连接， 阴极电极 10 作为底电极安装在炉体 7 上， 阴极电极 10 的一端穿过炉体 7 的壳体与待脱氧 钢液 9 直接接触， 使待脱氧钢液 9 和阴极电极 10 一起构成熔渣 8 的阴极系统， 阴极电极 10 的另一端通过另一条的金属导线与直流电源 1 的负极电连接， 使直流电源 1、 阳极电极和阴 极电极 10 之间形成导电通路， 并通入直流电流， 阳极电极由浸入熔渣 8 中的搅拌头部分和 阳极电极本体的旋转轴5部分采用一体成型， 阳极电极相对于熔渣8的空间位置不变， 阳极 电极能实现可控自。

22、旋， 金属导线通过电刷2与阳极电极的旋转轴5部分电连接， 设于在炉体 7外部的可调转速电动机4的电主轴同轴传动阳极电极， 可调转速电动机4的电主轴端通过 绝缘陶瓷材料制作的联轴器 3 与阳极电极的端部固定连接， 使阳极电极进行轴向旋转， 进 而带动阳极电极的搅拌头部分对熔渣 8 进行搅拌， 搅拌头部分的转速根据熔渣 8 的粘度来 调节。 在本实施例中， 参见图1和图2， 直流电源1的正极与脱氧反应体系中的阳极相连， 电 源的负极与脱氧反应体系的阴极相连， 脱氧反应体系中的阴阳两极利用转轴分别连接到可 调转速电动机 4 上。本实施例装置中以熔渣作为电解质， 以待脱氧金属作为阴极。插入熔 渣中具有。

23、特殊结构的阳极电极， 在反应过程中至少通过阳极电极可通过自身的旋转来使熔 渣得到搅拌， 从而使整个熔渣成分均匀， 溶氧能力得到提高。 0019 在本实施例中， 参见图1和图2， 阳极电极的搅拌头形成螺旋式圆盘6结构， 螺旋式 圆盘6为空心波轮壳体结构， 壳体结构上分布设置一系列空心开口， 螺旋式圆盘6的转动方 向朝向空心开口方向， 螺旋式圆盘 6 的螺旋方向为单一的左螺旋或右螺旋， 阳极电极的螺 旋式圆盘 6 进行竖直方向上的螺旋升角转动， 驱动距离渣金界面较近处的熔渣 8 通过搅拌 向熔渣层顶部流动， 阴极电极 10 的螺旋式圆盘 6 进行竖直方向上的反向螺旋升角转动， 驱 说 明 书 CN。

24、 103333992 A 6 4/4 页 7 动距离渣金界面较近处的待脱氧钢液 9 通过搅拌向钢液底部流动， 阳极电极的螺旋式圆盘 6 转动方向和熔渣流动方向如图 2 所示。在脱氧过程中， 调控螺旋式圆盘 6 以 020r/min 转 速对待脱氧钢液 9 进行搅拌。本实施例的阳极电极为螺旋空心圆盘结构， 既可增大阳极电 极与熔渣8的接触面积， 又可对待脱氧钢液9进行搅拌。 本实施例装置利用渣金间外加电场 电化学脱氧原理， 通过加大阳极电极与熔渣接触面积来增加脱氧速率。在渣金间外加电场 脱氧过程中， 由于渣金界面处的熔渣具有一定的溶氧限度， 使得氧在渣中的扩散往往是限 制脱氧速率的环节， 本实施。

25、例通过特殊的阳极电极结构， 通过阳极电极自身旋转来对熔渣 8 进行搅拌， 将距离渣金界面较近处溶氧量达到饱和的熔渣8通过搅拌到达熔渣8表面， 与此 同时使溶氧未饱和的熔渣 8 到达渣金界面， 增大了界面处熔渣 8 与待脱氧钢液 9 的氧容差， 也就增大了扩散驱动力， 从而达到增大脱氧速率的目的。 0020 在本实施例中， 阳极电极和阴极电极 10 皆采用金属陶瓷制成， 可用金属陶瓷材料 浇注成型后再烧结， 耐熔渣腐蚀性强， 可重复利用， 降低成本。 0021 实施例二 ： 本实施例与实施例一基本相同， 特别之处在于 ： 在本实施例中， 参见图 3 和图 4， 阴极电极 10 与阳极电极具有相同。

26、结构， 即阴极电极 10 由浸入待脱氧钢液 9 中的搅拌头部分和阴极电极 10 本体的旋转轴 5 部分采用一体成型， 阴 极电极 10 的旋转轴 5 部分转动安装在炉体 7 上， 阴极电极 10 能实现可控自旋， 金属导线也 通过电刷 2 与阴极电极 10 的旋转轴 5 部分电连接， 另有一台可调转速电动机 4 的电主轴同 轴传动阴极电极 10， 可调转速电动机 4 的电主轴端也通过绝缘材料制作的联轴器 3 与阴极 电极 10 的端部固定连接， 使阴极电极 10 进行轴向旋转， 进而带动阴极电极 10 的搅拌头部 分对待脱氧钢液 9 进行搅拌， 搅拌头部分的转速根据待脱氧钢液 9 的粘度来调节。

27、。在本实 施例中， 参见图 3， 阳极装置和阴极装置采用相同的结构， 各自通过自旋分别驱动熔渣 8 和待脱氧钢液 9 背向流动， 通过对熔渣 8 和待脱氧钢液 9 的复合搅拌增加渣金间传质过 程， 显著提高脱氧的效果。 0022 在本实施例中， 参见图 3 和图 4， 阴极电极 10 的搅拌头也形成螺旋式圆盘 6 结构， 螺旋式圆盘6为空心波轮壳体结构， 壳体结构上分布设置一系列空心开口， 螺旋式圆盘6的 转动方向朝向空心开口方向， 螺旋式圆盘 6 的螺旋方向为单一的左螺旋或右螺旋， 阳极电 极的螺旋式圆盘 6 进行竖直方向上的螺旋升角转动， 驱动距离渣金界面较近处的熔渣 8 通 过搅拌向熔渣。

28、层顶部流动， 阴极电极10的螺旋式圆盘6进行竖直方向上的反向螺旋升角转 动， 驱动距离渣金界面较近处的待脱氧钢液 9 通过搅拌向钢液底部流动。阴极电极 10 的螺 旋式圆盘 6 转动方向和熔渣流动方向如图 4 所示。通过阴极电极 10 的螺旋式圆盘 6 的搅 拌可以使钢液底部含氧量比较高的钢液通过空心通道快速到达渣金界面参加脱氧反应， 从 而进一步提高了脱氧速率。 0023 上面结合附图对本发明实施例进行了说明， 但本发明不限于上述实施例， 还可以 根据本发明的发明创造的目的做出多种变化， 凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下 做的改变、 修饰、 替代、 组合、 简化， 均应为等效的置换方式， 只要符合本发明的发明目的， 只 要不背离本发明渣金间外加电场脱氧用旋转电极装置的技术原理和发明构思， 都属于本发 明的保护范围。 说 明 书 CN 103333992 A 7 1/4 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103333992 A 8 2/4 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 103333992 A 9 3/4 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103333992 A 10 4/4 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 103333992 A 11 。