CN114932206B - 控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于连铸技术领域，尤其涉及一种控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场装置及方法。其电磁控流效果受电磁参数及工艺参数变化影响较小。包括浸入式水口、结晶器；所述浸入式水口上端与中间包相连，浸入式水口下端与结晶器内部相连通；所述结晶器两宽面各设一水平磁极，所述水平磁极与所在结晶器宽面保持平齐；每个水平磁极的外侧均配置有水平励磁线圈，水平磁极与磁轭相对应，并且磁轭内表面与结晶器外表面以及水平励磁线圈外表面间隙配合；所述水平磁极、磁轭及水平励磁线圈构成水平电磁制动器，水平电磁制动器设置于浸入式水口下方的下回流冲击区域。

Description

控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场装置及方法

技术领域

本发明属于连铸技术领域，尤其涉及一种控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场装置及方法。

背景技术

在连铸生产过程中，随着连铸机的生产能力逐渐提高，拉坯速度不断增加，但同时也带来诸多负面影响。拉坯速度的增加，导致金属液射流动能的增加，进而主流股冲击至结晶器窄面后形成的上回流流速增加，钢渣界面波动加剧，从而引起表面卷渣。金属液出流动能的增加，还会加剧主流股对结晶器窄面的冲击力度，进而影响窄面初生坯壳均匀生长，增大漏钢风险。此外，金属液射流冲击至窄面后形成的下回流对熔池的穿透深度过深，导致金属液夹带的非金属夹杂物易被卷入熔池更深处，进而增加夹杂物上浮去除的难度，造成铸坯表面及内部缺陷。

为解决上述问题，技术人员通常选择在连铸结晶器宽面加装电磁制动或电磁搅拌装置，通过对电磁制动或电磁搅拌装置上的线圈施加电流，结晶器内可形成稳恒磁场或交变磁场。结晶器内流动的金属液在通过稳恒磁场或交变磁场时，会受到与金属液流动方向相反或相同的电磁力，可分别起到抑制流动或加强流动的作用，进而实现对结晶器内不同区域金属液流动的控制。

单独利用电磁制动或电磁搅拌装置控制结晶器内金属液流动，已在实际生产中获得应用。目前，现行应用的电磁制动装置主要包括区域型电磁制动装置、全幅一段型电磁制动装置以及全幅二段型电磁制动装置。现行应用的电磁搅拌装置主要包括水平旋转型电磁搅拌装置及线性磁场型电磁搅拌装置。

区域型电磁制动装置，通过位于浸入式水口侧孔区域的矩形磁极产生的稳恒磁场，直接对水口附近区域的高速射流进行制动，可起到控制金属液流动的作用。但区域型电磁制动装置存在磁场作用区域不足的问题，无法对整个结晶器内的金属液流动进行有效控制。特别当浇注速度较高时，磁场作用区域不足的问题将直接导致水口区域外，其它区域的金属液流动受磁场抑制不充分，进而造成金属液流动不稳定性增加，钢渣界面波动加剧，引发表面卷渣。

全幅一段型电磁制动装置(申请号为98810685.X的中国专利申请)将磁极宽度延伸至与结晶器的宽度平齐，该设计通过增加磁极宽度，使水平磁极产生的稳恒磁场能够有效抑制结晶器宽面区域的金属液流动，进而减小水口出流金属液流股的流速，降低流股对结晶器下部区域的冲击深度。但全幅一段型电磁制动装置仍存在磁场作用区域不足的问题，其磁场作用范围仅可覆盖浸入式水口下方区域，而不能有效覆盖结晶器上部区域，致使结晶器内上回流及弯月面附近区域的金属液流动无法得到有效抑制，进而导致液面波动加剧，引发表面卷渣，不利于铸坯质量的提升。

全幅二段型电磁制动装置(申请号为98801009.7的中国专利申请)由单条形区域控制更改为双条形区域控制，其上下两端磁极分别位于浸入式水口上下两侧。其中，上端磁极所产生的稳恒磁场可覆盖结晶器自由液面区域，用以抑制该区域内的金属液流动，降低金属液表面流速，稳定液面波动，防止表面卷渣。下端磁极所产生的稳恒磁场可覆盖浸入式水口下方区域，用以减弱下回流金属液的冲击强度，降低下降流股对熔池的穿透深度，促进夹杂物上浮。然而上端磁极所产生的高强度磁场易导致弯月面波动停滞，高温熔融金属液无法向弯月面及时补充热量，致使弯月面处温度下降，熔渣凝固形成渣圈，易造成铸坯表面缺陷，不利于铸坯质量的提升。

水平旋转型电磁搅拌装置由两相或三相电源供电后，可在磁极间生成旋转的电磁场，电磁场所产生的转动力矩可使金属液围绕连铸坯断面中轴旋转流动，进而强化金属液流动与热交换，提升凝固坯壳的均匀性。且装置具备安装空隙小、无端部损失以及耗电量低等优点，多应用于方坯、圆坯及小尺寸矩形坯的生产中。但旋转搅拌无法有效地将结晶器上部温度较高的金属液与下部温度较低的金属液混合充分，不利于晶粒增殖作用，且因搅拌所生成的切向力将直接冲击凝固前沿两相区，易导致铸坯内部出现白亮带缺陷。

直线型电磁搅拌装置在结晶器宽面两侧垂直配置两组行波磁场搅拌器，其磁场行进的方向垂直向下，可促进结晶器内部形成两处大型环流，提升金属液的流动活跃度。相较于水平旋转型电磁搅拌装置，直线型电磁搅拌装置在强化结晶器内部自然对流方面更具优势，可充分混合上部高温区与下部低温区的金属液，促进金属液过热耗散与等轴晶的形成，利于减少中心偏析铸坯内部问题的出现。但直线型电磁搅拌装置的设计及安装都比较困难。

近年来出现多种不同于以往磁极布置方式的电磁制动装置和方法，如专利201910032306.8公开一种独立可调式组合电磁制动装置，由两对立式磁极和一对水平磁极组合而成，该种装置产生的直流磁场在抑制水口出流金属液对结晶器侧面冲击的同时，能够降低上回流对钢渣界面及弯月面的冲击强度，且立式及水平磁极施加的电流强度可独立调节，可根据结晶器内金属液实际流动情况进行调节。然而，独立可调式组合电磁制动装置中包含的立式与水平磁极所产生的双重制动磁场，易阻碍溶质扩散，增加中心偏析出现几率，造成铸坯中心缺陷。

针对高品质合金连铸技术的发展需求，相继出现多种稳恒磁场与交变磁场共同作用的复合式电磁装置与方法，如申请号CN201080019325、CN201080019323两个专利公开了采用上端电磁搅拌与下端电磁制动共同作用的控流方法，该种方法在抑制结晶器下部金属液流动的同时，兼顾强化结晶器上部区域金属液流动的作用，实现对结晶器内不同位置处金属液流动的分区化控制，符合高品质铸坯生产的连铸控流要求。但该装置上、下两部分磁轭是相互连通的，上端交变磁场与下端稳恒磁场需同时工作，无法根据结晶器内金属液实际流动情况灵活调整，不利于铸坯质量的提升。

申请号201710107017.0的专利公开一种板坯连铸结晶器流场控制方法，该方法与上述两种电磁控流方法相似，采用条形行波磁场与区域型稳恒磁场相结合的方法控制金属液流动，不同之处在于上端电磁搅拌与下端电磁制动相互独立，分别通过两套电源供电，且可独立调控各部分的电磁强度，可根据结晶器内金属液的实际流动情况灵活调控。但上端电磁搅拌的条形磁极仅覆盖结晶器水平方向区域，无法覆盖结晶器高度方向区域，致使上、下两部分金属液混合不充分，铸坯内部溶质分布和温度分布均匀性降低，不利于铸坯中心质量提升。此外，区域型稳恒磁场存在制动区域不足的问题，无法对下部结晶器内的金属液流动进行有效控制。

发明内容

本发明针对现有电磁控流装置存在控流区域不足的问题，特别是区域型电磁制动装置在结晶器宽面布置的区域型磁极，无法有效控制结晶器内下回流区金属液流动的问题，以及全幅一段型与全幅二段型电磁制动装置在结晶器宽面布置的水平磁极，在结晶器高度方向上的位置无法自由调节，导致连铸生产过程中拉坯速度、浸入式水口出流角度以及冲击深度等工艺参数发生变化时，磁极位置与工艺参数之间的相互匹配关系无法保持最佳状态的问题。本发明提出一种控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场装置，该装置的电磁控流效果受电磁参数及工艺参数变化影响较小。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场装置，包括浸入式水口、结晶器；其特征在于，所述浸入式水口上端与中间包相连，浸入式水口下端与结晶器内部相连通。

所述结晶器两宽面各设一水平磁极，所述水平磁极与所在结晶器宽面保持平齐；每个水平磁极的外侧均配置有水平励磁线圈，水平磁极与磁轭相对应，并且磁轭内表面与结晶器外表面以及水平励磁线圈外表面间隙配合；所述水平磁极、磁轭及水平励磁线圈构成水平电磁制动器，水平电磁制动器设置于浸入式水口下方的下回流冲击区域。

进一步地，所述水平电磁制动器采用水平全幅电磁制动形式，在结晶器宽面两侧激发产生的直流稳恒磁场可抑制金属液流动；所述水平电磁制动器的上方配置有立式直线搅拌器，立式直线搅拌器与水平电磁制动器互不连接，所述立式直线搅拌器与水平电磁制动器分别拥有各自独立供电系统，可根据工况需求随时调整各系统电流强度。

更进一步地，所述立式直线搅拌器包括两种形式：

第一种立式直线搅拌器包括四个立式搅拌磁极，布置于结晶器宽面两侧，(靠近结晶器窄面区域)，并与结晶器两侧窄面保持相互垂直。

第二种立式直线搅拌器包括两个立式搅拌磁极，两个立式搅拌磁极对称设置于结晶器窄面，且与结晶器两侧宽面保持相互垂直。

第一种立式直线搅拌器与第二种立式直线搅拌器的立式搅拌磁极内侧均配置有搅拌铁芯，且搅拌铁芯上部表面均高于金属液表面。

所述第一种立式直线搅拌器与第二种立式直线搅拌器的立式搅拌磁极均与搅拌铁芯相连，每个立式搅拌磁极均连接三个搅拌铁芯，每个搅拌铁芯均配置有搅拌线圈；所述立式搅拌磁极、搅拌铁芯及搅拌线圈构成立式直线搅拌器，立式直线搅拌器采用立式行波磁场形式，可带动金属液作相对运动。

更进一步地，所述第一种立式直线搅拌器在结晶器宽面两侧激发产生的立式行波磁场，与所述第二种立式直线搅拌器在结晶器窄面两侧激发产生的立式行波磁场，均可覆盖射流冲击区至弯月面区域；所述第一种立式直线搅拌器与第二种立式直线搅拌器均采用三相低频独立电源馈电，可实现电流强度与开关系统的独立可控。

更进一步地，所述第一种立式直线搅拌器与结晶器高度方向呈-60°~60°倾斜角度配置，第一种立式直线搅拌器的外表面与结晶器窄面之间的距离L1介于0~200 mm之间，位于结晶器宽面同侧的两个立式直线搅拌器内表面之间的距离L2介于500~1500 mm之间；所述第一种与第二种立式直线搅拌器的搅拌线圈的交流电源介于0.01~6000 A之间；所述第一种立式直线搅拌器与第二种立式直线搅拌器的立式搅拌磁极的电磁搅拌频率介于0.01~10 Hz之间，所述立式搅拌磁极沿结晶器宽度方向的磁极厚度介于50~400 mm之间；所述立式搅拌磁极沿结晶器高度方向的磁极厚度与金属液表面至水平电磁制动器的水平磁极上表面之间的比值大于0.6，所述立式搅拌磁极的上表面高于金属液表面介于10~200 mm之间，所述立式搅拌磁极的下表面与水平磁极上表面之间的间距L3大于50 mm；所述水平磁极上表面与浸入式水口底部下表面之间的间距L4介于50~300 mm之间，所述水平磁极沿结晶器高度方向的磁极厚度介于10~1000 mm之间，所述水平磁极之间稳恒磁场的磁感应强度介于0.01~5 T之间。

更进一步地，第一种立式直线搅拌器配置形式，可根据结晶器宽度变化自由调节，同时在结晶器宽度方向上可自由选定与水平电磁制动器的结合位置，以实现分区化控制结晶器内的钢液流动。

第二种立式直线搅拌器配置形式，可根据结晶器宽度变化自由调节，同时在结晶器高度方向上可自由选定与水平电磁制动器的结合位置，以实现分区化控制结晶器内的钢液流动。

所述水平电磁制动器在控制下回流金属液对熔池深处的冲击及提升对气泡与夹杂物等异相物质去除效果的同时，两种立式直线搅拌器均能够满足对结晶器上回流区、射流冲击区以及弯月面区三个关键区域的控流需求，避免水口出流金属液流速过大时，出现上回流区金属液流速过快及流股对射流冲击区冲击强度过强的情况；两种立式直线搅拌器还可防止自由液面活跃度过低时，弯月面波动停滞的情况出现。

控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场方法，采用控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场装置，包括以下步骤：

步骤1、连铸生产过程中，金属液经由浸入式水口流出后，金属射流向结晶器窄面冲击后形成上回流与下回流。

步骤2、通过外接直流电源对水平励磁线圈施加稳恒电流，外接三相低频电源对搅拌线圈施加交变电流，水平电磁制动器以及立式直线搅拌器可分别形成稳恒磁场与交变磁场。

进一步地，水平电磁制动器形成的稳恒磁场可控制下回流金属液流动，降低金属液射流穿透深度以及促进非金属夹杂物及气泡等物质上浮去除，立式直线搅拌器形成的交变磁场可控制水口射流金属液及上回流流动，稳定金属液表面活跃度，防止弯月面波动停滞。

与现有技术相比本发明有益效果。

1. 本发明所述独立可控复合磁场装置，由水平电磁制动器与立式直线搅拌器组成，水平电磁制动器配置的水平励磁线圈所施加的电流强度及立式直线搅拌器配置的搅拌线圈所施加的电磁搅拌频率可依据结晶器内金属液的实际流动情况进行独立调控。

2. 本发明所述独立可控复合磁场装置，水平电磁制动器产生的稳恒直流磁场在实现对下回流金属液流动进行抑制的同时，立式直线搅拌器产生的低频交变磁场还可对上回流区、射流冲击区以及弯月面区进行独立控制，从而强化电磁控流装置的灵活性。

3. 本发明所采用水平电磁制动器与立式直线搅拌器通过组合方式产生复合磁场。当水平励磁线圈接通电源后，水平磁极可产生稳恒磁场，以覆盖浸入式水口下方区域，进而抑制金属液射流对结晶器下回流区的冲击，降低下回流金属液的冲击深度，促使非金属夹杂物及气泡的上浮去除。同时，位于水平磁极上方的立式搅拌磁极所产生的交变磁场，可覆盖上回流区、射流冲击区以及弯月面区，进而抑制金属液射流对结晶器窄面的冲击，稳定金属液面活跃度，防止弯月面波动停滞。

4. 本发明所述立式直线搅拌器在结晶器高度方向可满足金属液表面至结晶器窄面射流冲击点之间区域的金属液控流需求，可降低拉坯速度、金属液射流角度以及浸入式水口深度等工艺参数变化对金属液控流效果的影响。

5. 本发明所述立式直线搅拌器采用三相低频独立电源馈电，每个立式直线搅拌器可实现电流强度与开关系统的独立可控，且激发产生的立式行波磁场可改善浸入式水口出口射流向结晶器宽面两侧偏斜、浸入式水口堵塞或偏流的情况。

6. 本发明所述立式直线搅拌器的立式搅拌磁极下表面与水平电磁制动器的水平磁极上表面之间的间距L3大于50 mm，可避免立式直线搅拌器产生的低频交变磁场与水平电磁制动器产生的稳恒直流磁场相互干扰，以确保独立可控复合磁场装置工作的稳定性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1为本发明第一种立式直线搅拌器配置于结晶器宽面竖直方向控制金属液流动的独立可控复合磁场装置剖面示意图。

图2为本发明第一种立式直线搅拌器配置于结晶器宽面竖直方向控制金属液流动的独立可控复合磁场装置示意图。

图3为本发明第一种立式直线搅拌器与结晶器宽面竖直方向呈-40°与40°倾斜方向控制金属液流动的独立可控复合磁场装置示意图。

图4为本发明第二种立式直线搅拌器配置于结晶器窄面竖直方向控制金属液流动的独立可控复合磁场装置示意图。

图5为本发明第一种立式直线搅拌器配置于结晶器宽面竖直方向的独立可控复合磁场装置的结晶器内钢液流动与磁极布置示意图。

图6为本发明第一种立式直线搅拌器与结晶器宽面竖直方向呈-40°与40°倾斜方向的独立可控复合磁场装置的结晶器内钢液流动与磁极布置示意图。

图7为本发明第二种立式直线搅拌器配置于结晶器窄面竖直方向的独立可控复合磁场装置的结晶器内钢液流动与磁极布置示意图。

图8(a)为图2第一种立式直线搅拌器沿结晶器高度方向上呈竖直方向配置下，在水平电磁制动器的水平励磁线圈上施加电流600 A，立式直线搅拌器的搅拌线圈上施加电流600 A，立式搅拌磁极上施加搅拌频率5 Hz时，结晶器厚度中心面沿结晶器高度方向上的磁场分布图。

图8(b)为图3第一种立式直线搅拌器沿结晶器高度方向上呈-40°与40°倾斜方向配置下，在水平电磁制动器的水平励磁线圈上施加电流600 A，立式直线搅拌器的搅拌线圈上施加电流600 A，立式搅拌磁极上施加搅拌频率5 Hz时，结晶器厚度中心面沿结晶器高度方向上的磁场分布图。

图中，1–浸入式水口，2–结晶器，3–金属液表面，4–立式搅拌磁极，5–搅拌铁芯，6–搅拌线圈，7–水平磁极，8–磁轭，9–水平励磁线圈，10–凝固坯壳。

具体实施方式

如图1-7、图8(a)-8(b)所示，结合图与实例对本发明进行详细的说明。

如图1~如图4，一种控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场装置，包括浸入式水口1、结晶器2、金属液表面3、立式搅拌磁极4、搅拌铁芯5、搅拌线圈6、水平磁极7、磁轭8及水平励磁线圈9。

所述浸入式水口1上端连接中间包，下端连接结晶器2内部。

所述结晶器2宽面配置有水平磁极7，且水平磁极7与结晶器2宽面保持平齐，一对水平磁极7的外侧均配置有水平励磁线圈9，水平磁极7与磁轭8相互对应，并且磁轭8内表面与结晶器2外部表面以及水平励磁线圈9外部表面间隙配合。

所述水平磁极7、磁轭8及水平励磁线圈9构成水平电磁制动器，水平电磁制动器配置于浸入式水口1下方的下回流冲击区域。

所述水平电磁制动器采用水平全幅电磁制动形式，在结晶器2宽面两侧激发产生的直流稳恒磁场可抑制金属液流动。

所述水平电磁制动器的上方配置有立式直线搅拌器，立式直线搅拌器与水平电磁制动器互不连接，所述立式直线搅拌器与水平电磁制动器分别拥有各自独立供电系统，可根据工况需求随时调整各系统电流强度。

所述立式直线搅拌器共配备有两种布置形式，第一种立式直线搅拌器共配置有四个立式搅拌磁极4，每个立式搅拌磁极4分别布置于结晶器2宽面两侧区域，且靠近结晶器2两侧窄面区域，与结晶器2两侧窄面保持相互垂直，第二种立式直线搅拌器共配置有二个立式搅拌磁极4，每个立式搅拌磁极4分别布置于靠近结晶器2窄面两侧区域，且与结晶器2两侧宽面保持相互垂直。

所述第一种立式直线搅拌器的立式搅拌磁极4配置于结晶器2宽面竖直方向，所述第二种立式直线搅拌器的立式搅拌磁极4配置于结晶器2窄面竖直方向，所述两种立式直线搅拌器的立式搅拌磁极4内侧均配置有搅拌铁芯5，搅拌铁芯5上部表面均高于金属液表面3。

所述两种立式直线搅拌器的立式搅拌磁极4与搅拌铁芯5相互连接，每个立式搅拌磁极4均连接三个搅拌铁芯5，每个搅拌铁芯5均配置有搅拌线圈6。

所述立式搅拌磁极4、搅拌铁芯5及搅拌线圈6构成立式直线搅拌器，立式直线搅拌器采用立式行波磁场形式，可带动金属液作相对运动。

所述两种立式直线搅拌器在结晶器2宽面两侧激发产生的立式行波磁场，均可覆盖射流冲击区至弯月面区域。

所述两种立式直线搅拌器均采用三相低频独立电源馈电，可实现电流强度与开关系统的独立可控。

所述第一种立式直线搅拌器位于结晶器2宽面两侧，与结晶器2高度方向呈-60°~60°倾斜角度配置。

所述第一种立式直线搅拌器的外表面与结晶器2窄面之间的距离L1介于0~200 mm之间，位于结晶器2宽面同侧的两个立式直线搅拌器内表面之间的距离L2介于500~1500 mm之间。

所述第一种与第二种立式直线搅拌器的搅拌线圈6的交流电源介于0.01~6000 A之间。

所述两种立式直线搅拌器的立式搅拌磁极4的电磁搅拌频率介于0.01~10 Hz之间，所述立式搅拌磁极4沿结晶器2宽度方向的磁极厚度介于50~400 mm之间，所述立式搅拌磁极4沿结晶器2高度方向的磁极厚度与金属液表面3至水平电磁制动器的水平磁极7上表面之间的比值大于0.6，所述立式搅拌磁极4的上表面高于金属液表面3介于10~200 mm之间，所述立式搅拌磁极4的下表面与水平磁极7上表面之间的间距L3大于50 mm。

所述水平磁极7上表面与浸入式水口1底部下表面之间的间距L4介于50~300 mm之间，所述水平磁极7沿结晶器2高度方向的磁极厚度介于10~1000 mm之间，所述水平磁极7之间稳恒磁场的磁感应强度介于0.01~5 T之间。

本发明的独立可控复合磁场装置的两种立式直线搅拌器配置形式，可根据结晶器2宽度变化自由调节，同时在结晶器2宽度方向或高度方向上可自由选定与水平电磁制动器的结合位置，以实现分区化控制结晶器2内的钢液流动。

本发明的独立可控复合磁场装置的水平电磁制动器在优先控制下回流金属液对熔池深处冲击的同时，能够提升对气泡与夹杂物等异相物质的去除效果，且配置于水平电磁制动器上方的两种立式直线搅拌器均能够满足对结晶器2上回流区、射流冲击区以及弯月面区三个关键区域的控流需求，避免水口出流金属液流速过大时，出现结晶器上回流区金属液流速过快，金属液对射流冲击区冲击强度过强的情况。此外，所述两种立式直线搅拌器还可防止自由液面活跃度过低时，出现弯月面波动停滞的情况。

一种控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场方法，采用一种控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场装置，包括以下步骤：

步骤1，连铸生产过程中，金属液经由浸入式水口1流出后，金属射流向结晶器2窄面冲击后形成上回流与下回流。

步骤2，通过外接直流电源对水平励磁线圈9施加稳恒电流，外接三相低频电源对搅拌线圈6施加交变电流，水平电磁制动器以及立式直线搅拌器可分别形成稳恒磁场与交变磁场。其中，水平电磁制动器形成的稳恒磁场可控制下回流金属液流动，降低金属液射流穿透深度以及促进非金属夹杂物及气泡等物质上浮去除，立式直线搅拌器形成的交变磁场可控制水口射流金属液及上回流流动，保持金属液表面3活跃度，防止弯月面波动停滞。

具体实施例：

本实施例采用如图2与如图3所示的独立可控复合磁场装置，本实施例中立式直线搅拌器与水平电磁制动器各自独立供电，其中，如图2所示的立式直线搅拌器配置的四个立式搅拌磁极4分别布置于结晶器2宽面竖直方向，且四个立式搅拌磁极4可沿结晶器2宽度方向移动，水平电磁制动器配置的一对水平磁极7布置于结晶器2宽面水平方向，且一对水平磁极7与结晶器2宽度平齐。立式搅拌磁极4沿结晶器2高度方向的磁极厚度为360 mm，沿结晶器2宽度方向的磁极厚度为150 mm，立式搅拌磁极4的外表面距离结晶器2窄面为50 mm，水平磁极7沿结晶器2高度方向的磁极厚度为180 mm，立式直线搅拌器的搅拌线圈6施加交变电流源为600 A，立式搅拌磁极4施加搅拌频率为5 Hz，水平电磁制动器的水平励磁线圈9施加直流电流源为600 A，结晶器2的横截面尺寸为1160 mm×200 mm，结晶器2厚度中心面沿结晶器2高度方向上的磁场分布图。

本实施例中，如图3所示的立式直线搅拌器配置的四个立式搅拌磁极4分别布置于结晶器2宽面两侧，且与结晶器宽面竖直方向呈-40°与40°倾斜方向，水平电磁制动器配置的一对水平磁极7布置于结晶器2宽面水平方向，且一对水平磁极7与结晶器2宽度平齐。立式搅拌磁极4沿结晶器2高度方向的磁极厚度为360 mm，沿结晶器2宽度方向的磁极厚度为150 mm，水平磁极7沿结晶器2高度方向的磁极厚度为180 mm，立式直线搅拌器的搅拌线圈6施加交变电流源为600 A，立式搅拌磁极4施加搅拌频率为5 Hz，水平电磁制动器的水平励磁线圈9施加直流电流源为600 A，结晶器2的横截面尺寸为1160 mm×100 mm，结晶器2厚度中心面沿结晶器2高度方向上的磁场分布图。

一种控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场方法，采用一种独立可控复合磁场装置，包括以下步骤：

步骤1，连铸生产过程中，金属液经由浸入式水口1流出后，金属射流向结晶器2窄面冲击后形成上回流与下回流。

步骤2，通过对水平电磁制动器的水平励磁线圈9上施加稳恒电流600 A，同时对立式直线搅拌器的搅拌线圈6上施加交变电流600 A，立式搅拌磁极4上施加搅拌频率5 Hz，水平电磁制动器与立式直线搅拌器之间形成复合磁场，水平电磁制动器形成的稳恒磁场可控制下回流金属液流动，降低金属液射流穿透深度以及促进非金属夹杂物及气泡等物质上浮去除，立式直线搅拌器形成的交变磁场可控制水口射流金属液及上回流流动，稳定金属液表面3活跃度，防止弯月面波动停滞。

由图8(a)与图8(b)可见，施加独立可控复合磁场时，在水平电磁制动器与立式直线搅拌器之间可产生均匀分布的复合磁场，同时在结晶器高度方向上水平电磁制动器产生的稳恒直流磁场与立式直线搅拌器产生的立式行波磁场均呈“跑道型”分布，且磁场大小均由磁极中心向周围梯度递减。水平电磁制动器的水平磁极7产生的稳恒磁场分布于浸入式水口下方的结晶器宽面区域，磁场作用区域可覆盖水口出口射流冲击区。立式直线搅拌器的立式搅拌磁极4产生的交变磁场主要分布于靠近结晶器窄面附近的结晶器宽面区域，磁场作用区域可覆盖射流冲击区、上回流区以及弯月面区三个关键区域。由于立式直线搅拌器与水平电磁制动器各自独立供电，立式直线搅拌器的搅拌线圈6与水平电磁制动器的水平励磁线圈9输入的电流强度独立可控，可根据实际工况随时自由调整立式直线搅拌器与水平电磁制动器的电流强度，因此在控制结晶器2内钢液流动方面，独立可控复合磁场装置更具有灵活性。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场装置，包括浸入式水口、结晶器；其特征在于：所述浸入式水口上端与中间包相连，浸入式水口下端与结晶器内部相连通；

所述结晶器两宽面各设一水平磁极，所述水平磁极与所在结晶器宽面保持平齐；每个水平磁极的外侧均配置有水平励磁线圈，水平磁极与磁轭相对应，并且磁轭内表面与结晶器外表面以及水平励磁线圈外表面间隙配合；所述水平磁极、磁轭及水平励磁线圈构成水平电磁制动器，水平电磁制动器设置于浸入式水口下方的下回流冲击区域；

所述水平电磁制动器采用水平全幅电磁制动形式，在结晶器宽面两侧激发产生的直流稳恒磁场可抑制金属液流动；所述水平电磁制动器的上方配置有立式直线搅拌器，立式直线搅拌器与水平电磁制动器互不连接，所述立式直线搅拌器与水平电磁制动器分别拥有各自独立供电系统；

所述立式直线搅拌器包括两种形式：

第一种立式直线搅拌器包括四个立式搅拌磁极，布置于结晶器宽面两侧，并与结晶器两侧窄面保持相互垂直；

第二种立式直线搅拌器包括两个立式搅拌磁极，两个立式搅拌磁极对称设置于结晶器窄面，且与结晶器两侧宽面保持相互垂直；

第一种立式直线搅拌器与第二种立式直线搅拌器的立式搅拌磁极内侧均配置有搅拌铁芯，且搅拌铁芯上部表面均高于金属液表面；

所述第一种立式直线搅拌器与第二种立式直线搅拌器的立式搅拌磁极均与搅拌铁芯相连，每个立式搅拌磁极均连接三个搅拌铁芯，每个搅拌铁芯均配置有搅拌线圈；所述立式搅拌磁极、搅拌铁芯及搅拌线圈构成立式直线搅拌器，立式直线搅拌器采用立式行波磁场形式，可带动金属液作相对运动；

所述第一种立式直线搅拌器与结晶器高度方向呈-60°~60°倾斜角度配置，第一种立式直线搅拌器的外表面与结晶器窄面之间的距离L1介于0~200 mm之间，位于结晶器宽面同侧的两个立式直线搅拌器内表面之间的距离L2介于500~1500 mm之间；所述第一种与第二种立式直线搅拌器的搅拌线圈的交流电源介于0.01~6000 A之间；所述第一种立式直线搅拌器与第二种立式直线搅拌器的立式搅拌磁极的电磁搅拌频率介于0.01~10 Hz之间，所述立式搅拌磁极沿结晶器宽度方向的磁极厚度介于50~400 mm之间；所述立式搅拌磁极沿结晶器高度方向的磁极厚度与金属液表面至水平电磁制动器的水平磁极上表面之间的比值大于0.6，所述立式搅拌磁极的上表面高于金属液表面介于10~200 mm之间，所述立式搅拌磁极的下表面与水平磁极上表面之间的间距L3大于50 mm；所述水平磁极上表面与浸入式水口底部下表面之间的间距L4介于50~300 mm之间，所述水平磁极沿结晶器高度方向的磁极厚度介于10~1000 mm之间，所述水平磁极之间稳恒磁场的磁感应强度介于0.01~5 T之间；

第一种立式直线搅拌器配置形式，可根据结晶器宽度变化自由调节，同时在结晶器宽度方向上可自由选定与水平电磁制动器的结合位置，以实现分区化控制结晶器内的钢液流动；

第二种立式直线搅拌器配置形式，可根据结晶器宽度变化自由调节，同时在结晶器高度方向上可自由选定与水平电磁制动器的结合位置，以实现分区化控制结晶器内的钢液流动；

所述水平电磁制动器在控制下回流金属液对熔池深处的冲击及提升对气泡与夹杂物去除效果的同时，两种立式直线搅拌器均能够满足对结晶器上回流区、射流冲击区以及弯月面区三个关键区域的控流需求，避免水口出流金属液流速过大时，出现上回流区金属液流速过快及流股对射流冲击区冲击强度过强的情况；两种立式直线搅拌器还可防止自由液面活跃度过低时，弯月面波动停滞的情况出现。

2.根据权利要求1所述的控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场装置，其特征在于：所述第一种立式直线搅拌器在结晶器宽面两侧激发产生的立式行波磁场，与所述第二种立式直线搅拌器在结晶器窄面两侧激发产生的立式行波磁场，均可覆盖射流冲击区至弯月面区域；所述第一种立式直线搅拌器与第二种立式直线搅拌器均采用三相低频独立电源馈电，可实现电流强度与开关系统的独立可控。

3.控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场方法，其特征在于：基于权利要求1-2中任意一项控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场装置，包括以下步骤：

步骤1、连铸生产过程中，金属液经由浸入式水口流出后，金属射流向结晶器窄面冲击后形成上回流与下回流；

步骤2、通过外接直流电源对水平励磁线圈施加稳恒电流，外接三相低频电源对搅拌线圈施加交变电流，水平电磁制动器以及立式直线搅拌器可分别形成稳恒磁场与交变磁场。

4.根据权利要求3所述的控制结晶器内金属液流动的独立可控复合磁场方法，其特征在于：水平电磁制动器形成的稳恒磁场可控制下回流金属液流动，降低金属液射流穿透深度以及促进非金属夹杂物及气泡上浮去除，立式直线搅拌器形成的交变磁场可控制水口射流金属液及上回流流动，稳定金属液表面活跃度，防止弯月面波动停滞。

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