CN107214322B - 静磁场复合旋转磁场均质化大型铸锭凝固组织的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静磁场复合旋转磁场均质化大型铸锭凝固组织的方法和装置，通过复合磁场产生的电磁振荡作用和旋转磁场的旋流诱导搅拌作用，来促进形核，打碎枝晶尖端，细化晶粒，均匀凝固组织，降低宏观偏析，用于大型铸锭的铸造过程。在金属熔体凝固时，利用在锭模冒口处的金属液最后凝固、冒口壁和金属液表面易率先形成晶核、旋转磁场和静磁场能容易透过冒口材料的特点，在保温冒口处施加静磁场复合旋转磁场，对保温冒口中的金属液形成有效振荡和搅拌，并将振荡和旋流搅拌通过冒口中金属液传递到锭模中心的金属液中，打碎枝晶尖端、细化晶粒、均匀凝固组织、降低宏观偏析，获得致密、均质、晶粒细化的大型铸锭，提升其后续加工性能和服役性能。

Description

静磁场复合旋转磁场均质化大型铸锭凝固组织的方法及其 装置

技术领域

本发明涉及一种金属凝固工艺及其装置，特别是涉及一种外加磁场干预的金属凝固工艺及其装置，应用于金属凝固组织控制技术领域。

背景技术

在机械制造中，铸钢的应用颇为广泛。近年来，随着现代工业技术的飞速发展，大型化是现代锻造生产的发展趋势，要获得质量好、强度高、尺寸大的大型锻件势必需要提供质量好的大型钢锭。因此，钢锭的发展也随着大型化的趋势发展，质量要求也越来越高。例如功率为1300MW的核电站低压转子，需要用重达600t的巨型钢锭来制造。巨型钢锭的生产技术是衡量一个国家重工业发展水平和科学技术水平的重要标志之一。

随着锭型尺寸的增加，钢锭的凝固时间大大增加，凝固速度大大降低，导致枝晶发达，成分偏析、夹杂、疏松、缩孔等缺陷也经常被发现，严重时将导致大型铸锭的报废，造成巨大的经济效益和社会效益的损失。而且，一旦上述凝固过程中的缺陷形成，很难采用后续的扩散退火和锻造的方法消除，而这些缺陷如不消除还将带来巨大的安全隐患，因为大型钢锭往往用于核电、燃气轮机、大型结构件等核心领域。此外，在钢铁及有色冶金的连铸过程中，随着连铸坯断面尺寸的增加，液穴深度也大大增加，因此连铸过程同样面临大型钢锭凝固时存在的相同的问题，同样导致连铸坯存在上述大钢锭的凝固缺陷。因此，如何解决大型铸锭凝固过程中的缺陷，成为当今迫切需要解决的关键问题。众所周知，如果能够在钢锭或连铸坯凝固工程中抑制枝晶的形成，形成细晶甚至等轴晶的凝固组织，降低宏观成分偏析，上述凝固缺陷将大大减轻，甚至完全消除。为此，国内外研究者围绕大型钢锭或连铸坯的晶粒细化和等轴晶化以及均质化提出了多种方法，主要有：外加细化剂，电磁、超声波或机械搅拌等方法。这些方法在一定程度上解决了上述问题，但是也都或多或少的存在难以避免的缺陷。外加异种材料的细化剂时，为达到较好地细化效果需要严格控制细化剂的加入量，而在一些对金属纯度要求较高的领域，异种材料细化剂的加入还会造成金属的污染；目前也可以看到通过添加丝状、带状、饼状或棒状的同种金属以增加凝固体系中晶核数量的方法，但是由于外加金属氧化皮的引入、容易存在熔化不均匀，新形成的晶核分布不均匀的问题，限制了此类方法的应用；电磁搅拌具有不直接跟凝固金属接触的优点，避免了对凝固金属的污染，但是电磁搅拌存在着衰减的问题，随着铸锭或连铸坯截面尺寸增大，电磁搅拌的效果大大降低。而对于大钢锭所用的金属锭模，由于其具有强铁磁性且壁厚达80-150mm，即使采用极低频率甚至直流磁场同时采用高功率电磁发生器，电磁场几乎不能透入到金属锭模中的钢液内部，导致电磁搅拌毫无效果；同样超声波搅拌也存在衰减严重、导波杆与钢液或者合金液反应的问题，而普通的机械搅拌的搅拌桨则会受到金属熔体的腐蚀，导致搅拌器使用寿命较短，同时搅拌桨的腐蚀也会造成金属的污染，不合适的搅拌速度还会造成卷渣等危害、凝固过程中还存在将搅拌桨凝固咬住的风险。综上，开发一种更加行之有效的方式解决大型金属铸锭和大截面连铸坯的凝固缺陷称为亟待解决的问题。

发明内容

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不足，提供一种静磁场复合旋转磁场均质化大型铸锭凝固组织的方法及其装置，能在钢锭冒口部位施加静磁场和旋转磁场，通过控制复合磁场以细化晶粒并改善偏析，由于冒口处仅有1-2cm厚的无磁金属层以及10-20cm厚的耐火材料层，非常有利于磁场的透入，通过静磁场和旋转磁场的组合，在金属液中形成振荡、搅拌等复杂流动模式，会对冒口处的保温砖侧壁及金属锭模壁附近的金属液、金属液表面产生冲刷作用，金属振荡和流动使得在这些部位首先形成的晶核及产生的大量碎晶混合到金属液中，形成大量的晶核增殖；同时，冒口中金属液的旋转和震荡，还将带动大钢锭中心未凝固钢液形成旋转和震荡，同样可以导致固液界面前沿枝晶的折断，降低温度梯度，进一步引起晶核增殖和形成内生形核的环境；本发明措施能细化晶粒组织，提高大钢锭等轴晶比例，显著降低甚至消除宏观成分偏析，达到使组织及成分更加均匀的目的，最终简化后续锻轧和热处理工序，提高材料的性能。

为达到上述目的，本发明的构思如下：

本发明通过在凝固过程中施加不同形式的复合磁场，对金属液进行搅拌、振荡处理，均匀金属液温度和成分，增加金属液中的有效形核质点，从而控制金属的凝固过程。首先，在冒口处施加的旋转磁场在靠近冒口壁位置的金属液中感生出电流，当电流方向在旋转磁场的一个周期内发生两次变化，存在周期性变化电流的金属液在静磁场中将受到振荡的洛伦兹力，当静磁场持续或间断性开启时，金属液将受到振荡洛伦兹力和搅拌作用的交替影响，金属液在洛伦兹力的作用下产生相应的运动。在金属液运动过程中，金属液表面、冒口保温砖壁面、受影响的金属锭模壁面处首先形成的晶核和碎晶在金属液流的冲刷振荡作用下混合到整个金属液中，形成晶核增殖效应，极大地提高金属锭模或结晶器中金属液的形核率，使得凝固组织得到细化，等轴晶比例增加；其次，因为金属锭模冒口的特殊结构，使得磁场可以较大程度地透过模壁对金属液施加作用，在搅拌磁场的搅拌作用下形成较大范围内的金属液运动，减小整个铸锭的温度梯度和浓度梯度，在相同的冷却条件下提升金属液内晶核形成数量，形成有利于等轴晶形成的条件。同时由于位置的关系，冒口处获得的有效形核质点会在重力作用下产生“结晶雨”效应，在磁场搅拌作用下在更大的范围内影响整个金属铸锭的凝固；再次，在铸锭顶部冒口处施加静磁场后产生的电磁振荡作用以促进金属液形核为主，保证了金属液表面只有较小的波动。与此同时，由于冒口中的金属液为最后凝固，因此，冒口区域金属液的流动和振荡效应，将传递到金属锭模中心区域中的未凝固的金属液，这种流动和振荡效应也将折断固液界面前沿的枝晶尖端，并降低固液界面前沿的温度梯度，形成内生生长的条件，这将显著促进钢锭内部的等轴晶的形成，降低A型偏析或V型偏析，使铸锭的宏观成分偏析大幅减轻甚至消除，从而获得细晶甚至全等轴晶、成分均匀的优质大型铸锭。

因此，本发明通过在冒口处施加不同形式的静磁场复合搅拌磁场，能显著细化金属凝固组织中的晶粒，增加组织的均匀性，提高铸锭的等轴晶率，并降低成分偏析，进而显著提升大型铸锭或者大截面连铸坯的组织和成分均匀性，从而提高其综合力学和物理性能。

根据上述构思，本发明采用如下技术方案：

一种均质化大型铸锭凝固组织的制备方法，在金属凝固开始时，在保温冒口处施加静磁场和旋转磁场，形成复合磁场，其中静磁场产生的磁力线交叉穿过冒口，旋转磁场使在靠近冒口壁的金属液内感生出周期性变化的电流，此时导电的金属液在静磁场中则受到周期性变化的振荡洛伦兹力，金属液在振荡的洛伦兹力的带动下冲刷和震荡冒口壁和锭模壁，并振荡金属液表面，使靠近冒口壁和锭模壁的金属液以及浅层金属液产生震荡和旋转流动，将靠近冒口区域的初生枝晶打碎，从而使得靠近冒口区域的金属液首先形成的晶核和打碎的碎晶粒能够很快地混溶到整个金属液体内，同时冒口区域金属液的振荡和旋转流动将诱导锭模中的更多金属液产生振荡和流动，从而打碎金属液凝固的固液界面前沿的枝晶尖端，进一步诱发形核增殖效应，与靠近冒口区域下沉的晶核一起形成“结晶雨”效应，而锭模中金属液被诱导的旋流还将降低固液界面前沿温度梯度，形成内生形核条件，使整个锭模中的金属液的凝固组织进行细化或等轴晶化，最终得到均质化的具有所需尺寸的大型铸锭凝固组织。

作为本发明的优选的技术方案，静磁场持续施加或间断施加，而间断施加的频率为0.001-100Hz。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，旋转磁场的频率采用较低频率工作的方式，旋转磁场的频率为0.005-100Hz，采用连续旋转方式、间断旋转方式或周期反向旋转方式进行工作，通过控制电流实现旋转磁场的通断及周期反向、旋转频率或励磁电流的工作参数的控制，旋转磁场的中心磁感应强度为0.01-1T，旋转磁场采用三相或二相旋转磁场。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，适用于大型模铸铸锭或连铸铸锭的浇注和凝固成型过程；当采用模铸工艺时，模铸铸锭重量为0.3～1500t；当采用连铸工艺时，金属锭模中正在凝固的金属锭坯以设定的低速度向下缓慢抽动，而金属液从覆盖渣上部或侧部连续注入，维持金属液面的高度在设定位置范围内，进行慢速连续凝固过程。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，应用于铸铁、铸钢、特殊钢、工模具钢、高温合金、有色金属或其合金的大型铸锭的制备过程。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，适合于大尺寸的圆坯、方坯、板坯、八棱柱型坯或具有异形截面的大型铸坯的铸造，锭型截面积为20-5000000mm²；也能采用底部抽锭、上部浇入金属的上述锭型的连铸过程制备均质化大型铸锭凝固组织，控制抽锭速率为0.01-5000mm/min，锭长为0.1-10000mm，锭型截面积为20-5000000mm²。

一种本发明施加静磁场复合旋转磁场制备大型铸锭的装置，包括金属锭模和锭模底座，金属液注入金属锭模的型腔内，锭模底座支撑整个金属锭模，在金属锭模的敞口边沿连接安装由冒口外壳和保温砖层叠组成的冒口保温套，保温砖直接与浅层金属液接触，在冒口保温套内的金属液的表面覆盖一层覆盖渣，形成由覆盖渣和保温砖组成的冒口保温系统，使保温砖围合形成冒口壁，在冒口壁内部形成冒口区域，在冒口外壳的外围四周设置静磁场发生器和旋转磁场发生器，其中静磁场发生器的磁体的同极端分别设置在旋转磁场发生器的上方和下方，分别形成上部磁极和下部磁极，在上部磁极和下部磁极之间形成磁极间气隙，使旋转磁场发生器设置于磁极间气隙内，静磁场发生器的同名磁极位于相同一侧，并形成由一组上部磁极和下部磁极组成同名磁极，静磁场发生器的不同名磁极对应设置在冒口外壳的背面，形成一组静磁场装置单元，各静磁场装置单元围绕冒口外壳外围四周进行分布设置，背对冒口外壳的两组静磁场装置单元组成一组异名磁极组合，在每组异名磁极组合中，其中一组静磁场装置单元的作为S极的上部磁极与另一组静磁场装置单元的作为N极的下部磁极之间的第一方向磁力线从冒口区域的浅层金属液中穿过，而其中一组静磁场装置单元的作为S极的下部磁极与另一组静磁场装置单元的作为N极的上部磁极之间的第二方向磁力线也从冒口区域的浅层金属液中穿过，第一方向磁力线与第二方向磁力线在冒口区域的浅层金属液中相交，呈0°～90°的夹角，在金属液凝固开始时，静磁场发生器和旋转磁场发生器向冒口区域施加静磁场和旋转磁场，形成复合磁场，其中静磁场产生的磁力线交叉穿过冒口，旋转磁场使在靠近冒口壁的金属液内感生出周期性变化的感生电流，此时导电的金属液在静磁场中则受到周期性变化的振荡洛伦兹力，金属液在振荡的洛伦兹力的带动下冲刷和震荡冒口壁的保温砖内表面和金属锭模的锭模壁内表面，并振荡金属液表面，使靠近冒口壁和锭模壁的金属液以及浅层金属液产生震荡和旋转流动，将靠近冒口区域的初生枝晶打碎，从而使得靠近冒口区域的金属液首先形成的晶核和被打碎的碎晶粒能够很快地混溶到整个金属液熔体内，同时冒口区域金属液的振荡和旋转流动将诱导冒口区域下方的金属锭模中的金属液产生振荡和流动，形成金属液熔体内部的深层旋流，金属液内部产生搅拌作用，从而打碎金属液凝固的固液界面前沿的枝晶尖端，进一步诱发形核增殖效应，与靠近冒口区域下沉的晶核一起形成结晶雨效应，而金属锭模中金属液被诱导的深层旋流还将降低固液界面前沿温度梯度，形成内生形核条件，使金属锭模中的金属液的凝固组织进行细化或等轴晶化，最终得到均质化的具有所需尺寸的大型铸锭凝固组织。本发明在冒口位置处施加静磁场复合旋转磁场的工艺，在金属凝固时，控制冒口处的旋转磁场的工作频率和励磁电流强度，与施加在冒口处位于旋转磁场两侧的静磁场组合成不同工作模式下的复合磁场。在旋转磁场的作用下，金属锭冒口处的金属液感应出不同方向的感应电流，随着旋转磁场频率的降低，磁场在金属液中的透入深度变大，感应电流的集肤效应减弱。在旋转磁场的前提下施加静磁场将在金属液的不同位置产生不同强度的电磁振荡。在钢锭模内部钢液的流动产生搅拌、冲刷、振荡作用，使得冒口壁、锭模壁处的凝固坯壳及金属液受到不同形式的扰动，新形成的枝晶发生熔断，较强烈的扰动使得金属液中晶核数量大量增殖，尤其是冒口处及金属液表面新形成的晶核产生结晶雨效应，使得金属凝固组织得到明显细化。复合磁场在金属液中产生的扰动一方面使得金属液中的温度分布更加均匀，使得金属锭能够有机会在大范围里形成自发形核，另一方面，金属液的扰动使得金属液中的杂质、气体能更容易地上浮，成分分布也更加均匀，具有良好的冶金效果。本发明中铸造用锭模优先选用冷速较慢的铸铁锭模，采用空冷方式冷却，以保证对金属熔体有比较充分的处理时间；冒口壁则采用无磁材料，以保证磁感线能透入到金属液中。本发明通过施加复合磁场增加金属液中的晶核数量来细化凝固组织，适合应用于顶注或者底注法浇注的钢锭，也适用于具有抽锭的钢锭或连铸过程。

作为上述方案的一种进一步优选的技术方案，围绕冒口外壳，使各组具有同名磁极的静磁场装置单元位于一侧，形成N极区域；具有不同名磁极的静磁场装置单元位于另一侧，形成S极区域；使设置于围绕冒口外壳外围的各静磁场装置单元形成由“N-N”形式的N磁极排布区和“S-S”形式的S磁极排布区两部分组成的磁极排列结构。

作为上述方案的另一种进一步优选的技术方案，具有同名磁极的静磁场装置单元与具有不同名磁极的静磁场装置单元彼此相邻，依次围绕冒口外壳外围分布设置，使围绕冒口外壳外围的各静磁场装置单元形成“N-S-N-S”形式的磁极交错排列方式。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，静磁场发生器由电磁线圈产生，或用钕铁硼、钐钴磁体或磁钢永磁体采用聚磁方式产生，或采用超导线圈产生；磁极间气隙的范围为100-6000mm，磁极间气隙的中心的磁场强度范围为0.1-30000mT；静磁场发生器设有降温装置；静磁场发生器能持续施加或间断施加静磁场；通过静磁场发生器和旋转磁场发生器施加两种磁场进行组合的工作模式，按照不同金属的需要，使静磁场处于连续或间断工作状态，并使旋转磁场呈连续、间断或周期反向工作状态，向冒口区域施加所需的复合磁场。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，磁极间气隙的高度可调。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，旋转磁场发生器采用水冷线圈产生旋转磁场，施加在冒口区域外，旋转磁场发生器的位置高度对应冒口区域内金属液高度的中间位置。旋转磁场在熔体中形成不同的流动模式，不同形式的湍流减小了熔体中的流动死区，使得金属熔体能进行更充分的传质传热。低过热度熔体容易获得临界过冷度，从而在较大范围的金属铸锭中形成爆发式形核，更好地细化晶粒。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，金属锭模作为连铸结晶器，采用拉速可控的慢速连续装置；或者金属锭模作为模铸装置，在金属锭模底部设有与金属锭模的型腔连通的底浇道，底浇道与再与中注管连通，形成金属液的底浇注通道。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，金属锭模采用铸铁或铸钢制成模具外壳，并在模具外壳砌筑耐火材料围合组成铸模型腔；冒口外壳采用304、316L或321无磁性的不锈钢制成，或者采用铜、钛、镍和铁中的任意一种金属及任意几种金属的合金的无磁金属材料制成，或者采用具有设定强度的碳纤维编织体制成；或者采用由高强碳纤维或者玻璃丝纤维为增强体的耐火材料-非导电耐高温材料的预制体制成。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，铸锭过程也能采用底部抽锭、上部浇入金属的连铸过程，抽锭速率为0.01-5000mm/min，锭长为0.1-10000mm，锭型优选为截面积为20-5000000mm²的圆坯、方坯、板坯、八棱柱型坯或异形截面。

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.本发明由旋转磁场发生装置、静磁场发生装置组成，施加在模铸冒口部位，在模铸浇注金属开始凝固时开启旋转磁场和静磁场发生装置，并调节两种磁场的工作模式，按照不同金属的需要使静磁场处于连续或间断工作，旋转磁场呈连续、间断或周期反向工作，以获得良好的磁场处理效果；本发明金属凝固过程中不与金属产生直接接触，故不会引入其他杂质，避免产生对金属的污染；

2.本发明采用可控的旋转磁场和静磁场，可产生多种形式的磁场组合，通过控制电流能方便地实现旋转磁场和静磁场工作参数的控制；

3.本发明采用复合磁场处理金属熔体的工艺，根据旋转磁场和静磁场的工作特点，在凝固初期旋转磁场可采取较高频率，适当的集肤效应与静磁场复合可以在凝固界面处产生电磁振荡；在凝固末期则可采用较低频率，增加磁场的透入深度，采用单独旋转磁场处理或复合静磁场的工作方式，本发明还能通过不同工作方式，产生多种形式的熔体流动，能快速产生大量有效形核质点，并使之均匀分布，具有极高的效率；

4.本发明采用在模铸冒口部位施加组合磁场，解决磁场透入金属液的难题，减轻了磁场的衰减，由于组合磁场处理位置的关系，在金属液的紊流和结晶雨效应下，晶核将快速分布到到整个铸锭内；

5.本发明工艺和装置能有效提高合金的等轴晶率，细化铸坯晶粒，均匀组织晶粒大小，降低成分宏观偏析，提高成品率，因此可提高生产效率，提高产品质量，简化后续加工，有效节约生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例一施加静磁场复合旋转磁场制备大型铸锭的装置的结构示意图。

图2为本发明实施例一的磁体组合生成的静磁场复合旋转磁场产生电磁振荡的机理图。

图3为本发明实施例二的磁体组合生成的静磁场复合旋转磁场产生电磁振荡的机理图。

具体实施方式

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2，一种施加静磁场复合旋转磁场制备大型铸锭的装置，包括金属锭模7和锭模底座10，金属液8注入金属锭模7的型腔内，锭模底座10支撑整个金属锭模7，在金属锭模7的敞口边沿连接安装由冒口外壳3和保温砖2层叠组成的冒口保温套，保温砖2直接与浅层金属液8接触，在冒口保温套内的金属液8的表面覆盖一层覆盖渣1，形成由覆盖渣1和保温砖2组成的冒口保温系统，使保温砖2围合形成冒口壁，在冒口壁内部形成冒口区域，在冒口外壳3的外围四周设置静磁场发生器和旋转磁场发生器6，其中静磁场发生器的磁体的同极端分别设置在旋转磁场发生器6的上方和下方，分别形成上部磁极4和下部磁极5，在上部磁极4和下部磁极5之间形成磁极间气隙，使旋转磁场发生器6设置于磁极间气隙内，静磁场发生器的同名磁极位于相同一侧，并形成由一组上部磁极4和下部磁极5组成同名磁极，静磁场发生器的不同名磁极对应设置在冒口外壳3的背面，形成一组静磁场装置单元，各静磁场装置单元围绕冒口外壳3外围四周进行分布设置，背对冒口外壳3的两组静磁场装置单元组成一组异名磁极组合，在每组异名磁极组合中，其中一组静磁场装置单元的作为S极的上部磁极4与另一组静磁场装置单元的作为N极的下部磁极5之间的第一方向磁力线从冒口区域的浅层金属液8中穿过，而其中一组静磁场装置单元的作为S极的下部磁极5与另一组静磁场装置单元的作为N极的上部磁极4之间的第二方向磁力线也从冒口区域的浅层金属液8中穿过，第一方向磁力线与第二方向磁力线在冒口区域的浅层金属液8中相交，在金属液8凝固开始时，静磁场发生器和旋转磁场发生器6向冒口区域施加静磁场和旋转磁场，形成复合磁场，其中静磁场产生的磁力线B交叉穿过冒口，旋转磁场使在靠近冒口壁的金属液8内感生出周期性变化的感生电流I，此时导电的金属液8在静磁场中则受到周期性变化的振荡洛伦兹力F，金属液8在振荡的洛伦兹力F的带动下冲刷和震荡冒口壁的保温砖2内表面和金属锭模7的锭模壁内表面，并振荡金属液8表面，使靠近冒口壁和锭模壁的金属液8以及浅层金属液8产生震荡和旋转流动，将靠近冒口区域的初生枝晶打碎，从而使得靠近冒口区域的金属液8首先形成的晶核和被打碎的碎晶粒能够很快地混溶到整个金属液8熔体内，同时冒口区域金属液8的振荡和旋转流动将诱导冒口区域下方的金属锭模7中的金属液8产生振荡和流动，形成金属液8熔体内部的深层旋流V，金属液8内部产生搅拌作用，从而打碎金属液8凝固的固液界面前沿的枝晶尖端，进一步诱发形核增殖效应，与靠近冒口区域下沉的晶核一起形成结晶雨效应，而金属锭模7中金属液8被诱导的深层旋流V还将降低固液界面前沿温度梯度，形成内生形核条件，使金属锭模7中的金属液8的凝固组织9进行细化或等轴晶化，最终得到均质化的具有所需尺寸的大型铸锭凝固组织。

在本实施例中，参见图2，围绕冒口外壳3，使各组具有同名磁极的静磁场装置单元位于一侧，形成N极区域；具有不同名磁极的静磁场装置单元位于另一侧，形成S极区域；使设置于冒口外壳3外围的各静磁场装置单元形成由“N-N”形式的N磁极排布区和“S-S”形式的磁极排布区两部分组成的磁极排列结构。

在本实施例中，参见图1和图2，旋转磁场发生器6采用水冷线圈产生旋转磁场，施加在冒口区域外，旋转磁场发生器6的位置高度对应冒口区域内金属液8高度的中间位置。

在本实施例中，参见图1，金属锭模7作为模铸装置，在金属锭模7底部设有与金属锭模7的型腔连通的底浇道11，底浇道11与再与中注管12连通，形成金属液8的底浇注通道。

在本实施例中，参见图1和图2，静磁场发生器采用电磁线圈和纯铁磁轭来产生磁场强度和磁场方向恒定的静磁场，磁极间气隙的高度范围为1700mm，磁极间气隙的中心的磁场强度范围300mT；静磁场发生器设有水冷降温装置；静磁场发生器持续施加静磁场；通过静磁场发生器和旋转磁场发生器6施加两种磁场进行组合的工作模式，按照中碳合金结构钢34CrMo1A的需要，使静磁场处于连续工作状态，并使旋转磁场呈连续工作状态，向冒口区域施加所需的复合磁场。金属锭模7采用铸铁或铸钢制成模具外壳，并在模具外壳砌筑耐火材料围合组成铸模型腔；冒口外壳3采用无磁性的304不锈钢制成。

在本实施例中，参见图1和图2，本实施例通过静磁场复合旋转磁场均质化凝固组织。静磁场发生器的磁场采用电磁线圈和纯铁磁轭来产生，旋转磁场发生器6产生三相旋转磁场。静磁场发生器和旋转磁场发生器6的内径与不锈钢材质的冒口外壳3进行良好匹配。本实施例制备的钢种为中碳合金结构钢34CrMo1A，工艺流程为电炉冶炼—LF炉精炼—VD脱气—模铸—轧制。本实施例的控制环节为模铸环节，采用大气环境下浇注，金属锭模7的型腔棱形的形式为8棱，金属锭模7的壳体材质为铸铁，不锈钢的冒口外壳3的材质为304不锈钢，冒口外壳3厚度为20mm，以便磁力线能够透入到34CrMo1A金属液8中。需浇注的中碳合金结构钢34CrMo1A液相线温度为1503℃，固相线温度为1024℃。钢锭的浇注温度1550℃，金属锭模7和锭模底座10的初始温度为400℃，金属锭模7高径比为1.33，制备的铸锭高度2100mm。34CrMo1A钢液的浇注温度为1550℃，浇注时采用下注法浇注，钢液通过中注管12经底浇道11和锭模底座10中的通道进入金属锭模7内，中注管12和底浇道11的内径皆为120mm，采用快速浇注的方法，浇注速度为1m/min，铸锭质量为30t，保温冒口采用100mm厚度的保温砖2和厚度50mm的覆盖渣1为金属锭模7中的金属液8进行保温，以确保钢锭最终缩孔停留在冒口区以内。金属凝固后，金属锭模7采用空冷方式冷却。

在本实施例中，参见图1和图2，当开始浇注时，开启静磁场发生器，磁极之间的气隙保持为1700mm，气隙中心平均磁场强度500mT；在金属锭模7中事先放入覆盖渣1，打开钢包底部阀门，钢水进入中注管12和底浇道11，然后进入到金属锭模7，最终到达冒口区域，停止浇注。然后开启旋转磁场发生器6，使其中心的磁感应强度达到的中心磁感应强度为300mT，频率调整为30Hz。静磁场发生器产生一组交叉的静磁场，再与旋转磁场发生器6在保温冒口区域中的金属液8中感生的交变的环状感生电流I交互作用，产生交变的振荡洛伦兹力F，即产生电磁振荡力，同时旋转磁场发生器6产生的旋转磁场还将驱动保温冒口中的金属液8旋转，静磁场发生器以及旋转磁场发生器6一直开启直到合金凝固结束，然后关闭。铸锭在空冷条件下自然冷却。

本实施例在金属凝固开始时，在保温冒口处施加静磁场复合旋转磁场，静磁场产生的磁力线交叉穿过冒口，旋转磁场在靠近冒口壁的金属液8内感生出周期性变化的感生电流I，此时导电的金属液8在静磁场中则会受到周期性变化的振荡洛伦兹力F，金属液8在振荡的洛伦兹力F的带动下进行冲刷和震荡运动，使得金属液8上层首先形成的晶核和打碎的碎晶粒能够很快地混溶到整个金属液8内，同时冒口区域金属液的振荡和旋转流动将诱导锭模中的金属液产生振荡和流动，打碎固液界面前沿枝晶尖端，进一步诱发形核增殖效应，与冒口区域下沉的晶核一起形成结晶雨效应，而金属锭模7中金属液8被诱导的旋流还将降低固液界面前沿温度梯度，有助于内生形核，因此整个金属锭模7中的金属液8的凝固组织得到显著细化甚至等轴晶化，消除了疏松和缩孔、降低甚至抑制宏观偏析，降低铸锭凝固中的收缩应力，防止裂纹形成，从而大幅提升大型铸锭的综合性能。本实施例制备了长度为2100mm且高径比为1.33的大尺寸的34CrMo1A铸锭。

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，具有同名磁极的静磁场装置单元与具有不同名磁极的静磁场装置单元彼此相邻，依次围绕冒口外壳3外围分布设置，使设置于冒口外壳3外围的各静磁场装置单元形成“N-S-N-S”形式的磁极交错排列方式。本实施例采用磁极交错排列方式，使铸锭的周向成分、温度更加均匀，电磁搅拌作用更加显著。

本实施例利用静磁场复合旋转磁场，通过均质化处理，制备大型铸锭凝固组织，通过复合磁场产生的电磁振荡作用和旋转磁场的旋流诱导搅拌作用，来促进形核、打碎枝晶尖端、细化晶粒、均匀凝固组织、降低宏观偏析，进行大型铸锭的铸造过程。在金属熔体凝固时，利用在不锈钢锭模冒口处的金属液最后凝固、冒口壁和金属液表面易率先形成晶核、旋转磁场和静磁场能容易透过冒口材料等特点，在保温冒口处施加静磁场复合旋转磁场，对保温冒口中的金属液形成有效的振荡和搅拌，并将振荡和旋流搅拌通过冒口中金属液传递到锭模中心的金属液中，打碎枝晶尖端、细化晶粒、均匀凝固组织、降低宏观偏析，获得致密、均质、晶粒细化的大型铸锭，提升其后续加工性能和服役性能。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，磁极间气隙的高度可调，通过可控的机械设备控制上部磁极4和下部磁极5之间的开合间距，实现对第一方向磁力线与第二方向磁力线之间夹角的角度进行控制，获得更加丰富的复合磁场的磁力线组合形式，以便根据不同的金属材料制备要求，设定和调整特供的复合磁场。使凝固组织得到显著细化，消除了疏松和缩孔、降低甚至抑制宏观偏析，降低铸锭凝固中的收缩应力，防止裂纹形成，从而大幅提升大型铸锭的综合性能。本实施例通过静磁场复合旋转磁场制造多种流动模式的方法增加晶核数量，能有效实现大型铸锭的均质化。

实施例四：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，金属锭模7作为连铸结晶器，采用拉速可控的慢速连铸续装置。铸锭以设定的速度向下抽动，而金属液8从覆盖渣1上部连续注入，本实施例进行合金坯的慢速连续凝固过程。本实施例制备的凝固组织得到显著细化，消除了疏松和缩孔、降低甚至抑制宏观偏析，降低铸锭凝固中的收缩应力，防止裂纹形成，从而大幅提升大型铸锭的综合性能，并提高了大型连铸铸锭的生产效率。

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、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明静磁场复合旋转磁场均质化大型铸锭凝固组织的方法及其装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种施加静磁场复合旋转磁场制备大型铸锭的装置，包括金属锭模(7)和锭模底座(10)，金属液(8)注入金属锭模(7)的型腔内，锭模底座(10)支撑整个金属锭模(7)，其特征在于：在金属锭模(7)的敞口边沿连接安装由冒口外壳(3)和保温砖(2)层叠组成的冒口保温套，所述保温砖(2)直接与浅层金属液(8)接触，在冒口保温套内的金属液(8)的表面覆盖一层覆盖渣(1)，形成由覆盖渣(1)和保温砖(2)组成的冒口保温系统，使保温砖(2)围合形成冒口壁，在冒口壁内部形成冒口区域，在冒口外壳(3)的外围四周设置静磁场发生器和旋转磁场发生器(6)，其中静磁场发生器的磁体的同极端分别设置在旋转磁场发生器(6)的上方和下方，分别形成上部磁极(4)和下部磁极(5)，在上部磁极(4)和下部磁极(5)之间形成磁极间气隙，使旋转磁场发生器(6)设置于磁极间气隙内，静磁场发生器的同名磁极位于相同一侧，并形成由一组上部磁极(4)和下部磁极(5)组成同名磁极，所述静磁场发生器的不同名磁极对应设置在冒口外壳(3)的背面，形成一组静磁场装置单元，各静磁场装置单元围绕冒口外壳(3)外围四周进行分布设置，背对冒口外壳(3)的两组静磁场装置单元组成一组异名磁极组合，在每组异名磁极组合中，其中一组静磁场装置单元的作为S极的上部磁极(4)与另一组静磁场装置单元的作为N极的下部磁极(5)之间的第一方向磁力线从冒口区域的浅层金属液(8)中穿过，而其中一组静磁场装置单元的作为S极的下部磁极(5)与另一组静磁场装置单元的作为N极的上部磁极(4)之间的第二方向磁力线也从冒口区域的浅层金属液(8)中穿过，第一方向磁力线与第二方向磁力线在冒口区域的浅层金属液(8)中相交，在金属液(8)凝固开始时，静磁场发生器和旋转磁场发生器(6)向冒口区域施加静磁场和旋转磁场，形成复合磁场，其中静磁场产生的磁力线(B)交叉穿过冒口，旋转磁场使在靠近冒口壁的金属液(8)内感生出周期性变化的感生电流(I)，此时导电的金属液(8)在静磁场中则受到周期性变化的振荡洛伦兹力(F)，金属液(8)在振荡的洛伦兹力(F)的带动下冲刷和震荡冒口壁的保温砖(2)内表面和金属锭模(7)的锭模壁内表面，并振荡金属液(8)表面，使靠近冒口壁和锭模壁的金属液(8)以及浅层金属液(8)产生震荡和旋转流动，将靠近冒口区域的初生枝晶打碎，从而使得靠近冒口区域的金属液(8)首先形成的晶核和被打碎的碎晶粒能够很快地混溶到整个金属液(8)熔体内，同时冒口区域金属液(8)的振荡和旋转流动将诱导冒口区域下方的金属锭模(7)中的金属液(8)产生振荡和流动，形成金属液(8)熔体内部的深层旋流(V)，金属液(8)内部产生搅拌作用，从而打碎金属液(8)凝固的固液界面前沿的枝晶尖端，进一步诱发形核增殖效应，与靠近冒口区域下沉的晶核一起形成结晶雨效应，而金属锭模(7)中金属液(8)被诱导的深层旋流(V)还将降低固液界面前沿温度梯度，形成内生形核条件，使金属锭模(7)中的金属液(8)的凝固组织(9)进行细化或等轴晶化，最终得到均质化的具有所需尺寸的大型铸锭凝固组织。

2.根据权利要求1所述施加静磁场复合旋转磁场制备大型铸锭的装置，其特征在于：围绕冒口外壳(3)，使各组具有同名磁极的所述静磁场装置单元位于一侧，形成N极区域；具有不同名磁极的所述静磁场装置单元位于另一侧，形成S极区域；使设置于冒口外壳(3)外围的各静磁场装置单元形成由“N-N”形式的N磁极排布区和“S-S”形式的磁极排布区两部分组成的磁极排列结构。

3.根据权利要求1所述施加静磁场复合旋转磁场制备大型铸锭的装置，其特征在于：具有同名磁极的所述静磁场装置单元与具有不同名磁极的所述静磁场装置单元彼此相邻，依次围绕冒口外壳(3)外围分布设置，使设置于冒口外壳(3)外围的各静磁场装置单元形成“N-S-N-S”形式的磁极交错排列方式。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述施加静磁场复合旋转磁场制备大型铸锭的装置，其特征在于：所述静磁场发生器由电磁线圈产生，或用钕铁硼、钐钴磁体或磁钢永磁体采用聚磁方式产生，或采用超导线圈产生；磁极间气隙的范围为100-6000mm，磁极间气隙的中心的磁场强度范围为0.1-30000mT；静磁场发生器设有降温装置；静磁场发生器能持续施加或间断施加静磁场；通过静磁场发生器和旋转磁场发生器(6)施加两种磁场进行组合的工作模式，按照不同金属的需要，使静磁场处于连续或间断工作状态，并使旋转磁场呈连续、间断或周期反向工作状态，向冒口区域施加所需的复合磁场。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述施加静磁场复合旋转磁场制备大型铸锭的装置，其特征在于：磁极间气隙的高度可调。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述施加静磁场复合旋转磁场制备大型铸锭的装置，其特征在于：旋转磁场发生器(6)采用水冷线圈产生旋转磁场，施加在冒口区域外，旋转磁场发生器(6)的位置高度对应冒口区域内金属液(8)高度的中间位置。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述施加静磁场复合旋转磁场制备大型铸锭的装置，其特征在于：所述金属锭模(7)作为连铸结晶器，采用拉速可控的慢速连续装置；或者所述金属锭模(7)作为模铸装置，在金属锭模(7)底部设有与所述金属锭模(7)的型腔连通的底浇道(11)，所述底浇道(11)与再与中注管(12)连通，形成金属液(8)的底浇注通道。

8.根据权利要求1～3中任意一项所述施加静磁场复合旋转磁场制备大型铸锭的装置，其特征在于：所述金属锭模(7)采用铸铁或铸钢制成模具外壳，并在模具外壳砌筑耐火材料围合组成铸模型腔；冒口外壳(3)采用304、316L或321无磁性的不锈钢制成，或者采用铜、钛、镍和铁中的任意一种金属及任意几种金属的合金的无磁金属材料制成，或者采用具有设定强度的碳纤维编织体制成；或者采用由高强碳纤维或者玻璃丝纤维为增强体的耐火材料-非导电耐高温材料的预制体制成。

9.一种应用权利要求1～8任一项所述施加静磁场复合旋转磁场制备大型铸锭的装置进行的均质化大型铸锭凝固组织的制备方法，其特征在于：在金属凝固开始时，在保温冒口处施加静磁场和旋转磁场，形成复合磁场，其中静磁场产生的磁力线交叉穿过冒口，旋转磁场使在靠近冒口壁的金属液内感生出周期性变化的电流，此时导电的金属液在静磁场中则受到周期性变化的振荡洛伦兹力，金属液在振荡的洛伦兹力的带动下冲刷和震荡冒口壁和锭模壁，并振荡金属液表面，使靠近冒口壁和锭模壁的金属液以及浅层金属液产生震荡和旋转流动，将靠近冒口区域的初生枝晶打碎，从而使得靠近冒口区域的金属液首先形成的晶核和打碎的碎晶粒能够很快地混溶到整个金属液体内，同时冒口区域金属液的振荡和旋转流动将诱导锭模中的更多金属液产生振荡和流动，从而打碎金属液凝固的固液界面前沿的枝晶尖端，进一步诱发形核增殖效应，与靠近冒口区域下沉的晶核一起形成“结晶雨”效应，而锭模中金属液被诱导的旋流还将降低固液界面前沿温度梯度，形成内生形核条件，使整个锭模中的金属液的凝固组织进行细化或等轴晶化，最终得到均质化的具有所需尺寸的大型铸锭凝固组织。

10.根据权利要求9所述均质化大型铸锭凝固组织的制备方法，其特征在于：静磁场持续施加或间断施加，而间断施加的频率为0.001-100Hz。

11.根据权利要求9所述均质化大型铸锭凝固组织的制备方法，其特征在于：旋转磁场的频率采用较低频率工作的方式，旋转磁场的频率为0.005-100Hz，采用连续旋转方式、间断旋转方式或周期反向旋转方式进行工作，通过控制电流实现旋转磁场的通断及周期反向、旋转频率或励磁电流的工作参数的控制，旋转磁场的中心磁感应强度为0.01-1T，旋转磁场采用三相或二相旋转磁场。

12.根据权利要求9～11中任意一项所述均质化大型铸锭凝固组织的制备方法，其特征在于：适用于大型模铸铸锭或连铸铸锭的浇注和凝固成型过程；当采用模铸工艺时，模铸铸锭重量为0.3～1500t；当采用连铸工艺时，金属锭模中正在凝固的金属锭坯以设定的低速度向下缓慢抽动，而金属液从覆盖渣上部或侧部连续注入，维持金属液面的高度在设定位置范围内，进行慢速连续凝固过程。

13.根据权利要求9～11中任意一项所述均质化大型铸锭凝固组织的制备方法，其特征在于：应用于铸铁、铸钢、特殊钢、工模具钢、高温合金、有色金属或其合金的大型铸锭的制备过程。

14.根据权利要求9～11中任意一项所述均质化大型铸锭凝固组织的制备方法，其特征在于：适合于大尺寸的圆坯、方坯、板坯、八棱柱型坯或具有异形截面的大型铸坯的铸造，锭型截面积为20-5000000mm²；也能采用底部抽锭、上部浇入金属的上述锭型的连铸过程制备均质化大型铸锭凝固组织，控制抽锭速率为0.01-5000mm/min，锭长为0.1-10000mm，锭型截面积为20-5000000mm²。