本發明涉及一種金屬凝固工藝及其裝置，特別是涉及一種外加磁場干預的金屬凝固工藝及其裝置，應用于金屬凝固組織控制技術領域。

背景技術：

在機械制造中，鑄鋼的應用頗為廣泛。近年來，隨著現代工業技術的飛速發展，大型化是現代鍛造生產的發展趨勢，要獲得質量好、強度高、尺寸大的大型鍛件勢必需要提供質量好的大型鋼錠。因此，鋼錠的發展也隨著大型化的趨勢發展，質量要求也越來越高。例如功率為1300mw的核電站低壓轉子，需要用重達600t的巨型鋼錠來制造。巨型鋼錠的生產技術是衡量一個國家重工業發展水平和科學技術水平的重要標志之一。

隨著錠型尺寸的增加，鋼錠的凝固時間大大增加，凝固速度大大降低，導致枝晶發達，成分偏析、夾雜、疏松、縮孔等缺陷也經常被發現，嚴重時將導致大型鑄錠的報廢，造成巨大的經濟效益和社會效益的損失。而且，一旦上述凝固過程中的缺陷形成，很難采用后續的擴散退火和鍛造的方法消除，而這些缺陷如不消除還將帶來巨大的安全隱患，因為大型鋼錠往往用于核電、燃氣輪機、大型結構件等核心領域。此外，在鋼鐵及有色冶金的連鑄過程中，隨著連鑄坯斷面尺寸的增加，液穴深度也大大增加，因此連鑄過程同樣面臨大型鋼錠凝固時存在的相同的問題，同樣導致連鑄坯存在上述大鋼錠的凝固缺陷。因此，如何解決大型鑄錠凝固過程中的缺陷，成為當今迫切需要解決的關鍵問題。眾所周知，如果能夠在鋼錠或連鑄坯凝固工程中抑制枝晶的形成，形成細晶甚至等軸晶的凝固組織，降低宏觀成分偏析，上述凝固缺陷將大大減輕，甚至完全消除。為此，國內外研究者圍繞大型鋼錠或連鑄坯的晶粒細化和等軸晶化以及均質化提出了多種方法，主要有：外加細化劑，電磁、超聲波或機械攪拌等方法。這些方法在一定程度上解決了上述問題，但是也都或多或少的存在難以避免的缺陷。外加異種材料的細化劑時，為達到較好地細化效果需要嚴格控制細化劑的加入量，而在一些對金屬純度要求較高的領域，異種材料細化劑的加入還會造成金屬的污染；目前也可以看到通過添加絲狀、帶狀、餅狀或棒狀的同種金屬以增加凝固體系中晶核數量的方法，但是由于外加金屬氧化皮的引入、容易存在熔化不均勻，新形成的晶核分布不均勻的問題，限制了此類方法的應用；電磁攪拌具有不直接跟凝固金屬接觸的優點，避免了對凝固金屬的污染，但是電磁攪拌存在著衰減的問題，隨著鑄錠或連鑄坯截面尺寸增大，電磁攪拌的效果大大降低。而對于大鋼錠所用的金屬錠模，由于其具有強鐵磁性且壁厚達80-150mm，即使采用極低頻率甚至直流磁場同時采用高功率電磁發生器，電磁場幾乎不能透入到金屬錠模中的鋼液內部，導致電磁攪拌毫無效果；同樣超聲波攪拌也存在衰減嚴重、導波桿與鋼液或者合金液反應的問題，而普通的機械攪拌的攪拌槳則會受到金屬熔體的腐蝕，導致攪拌器使用壽命較短，同時攪拌槳的腐蝕也會造成金屬的污染，不合適的攪拌速度還會造成卷渣等危害、凝固過程中還存在將攪拌槳凝固咬住的風險。綜上，開發一種更加行之有效的方式解決大型金屬鑄錠和大截面連鑄坯的凝固缺陷稱為亟待解決的問題。

技術實現要素：

為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種靜磁場復合旋轉磁場均質化大型鑄錠凝固組織的方法及其裝置，能在鋼錠冒口部位施加靜磁場和旋轉磁場，通過控制復合磁場以細化晶粒并改善偏析，由于冒口處僅有1-2cm厚的無磁金屬層以及10-20cm厚的耐火材料層，非常有利于磁場的透入，通過靜磁場和旋轉磁場的組合，在金屬液中形成振蕩、攪拌等復雜流動模式，會對冒口處的保溫磚側壁及金屬錠模壁附近的金屬液、金屬液表面產生沖刷作用，金屬振蕩和流動使得在這些部位首先形成的晶核及產生的大量碎晶混合到金屬液中，形成大量的晶核增殖；同時，冒口中金屬液的旋轉和震蕩，還將帶動大鋼錠中心未凝固鋼液形成旋轉和震蕩，同樣可以導致固液界面前沿枝晶的折斷，降低溫度梯度，進一步引起晶核增殖和形成內生形核的環境；本發明措施能細化晶粒組織，提高大鋼錠等軸晶比例，顯著降低甚至消除宏觀成分偏析，達到使組織及成分更加均勻的目的，最終簡化后續鍛軋和熱處理工序，提高材料的性能。

為達到上述目的，本發明的構思如下：

本發明通過在凝固過程中施加不同形式的復合磁場，對金屬液進行攪拌、振蕩處理，均勻金屬液溫度和成分，增加金屬液中的有效形核質點，從而控制金屬的凝固過程。首先，在冒口處施加的旋轉磁場在靠近冒口壁位置的金屬液中感生出電流，當電流方向在旋轉磁場的一個周期內發生兩次變化，存在周期性變化電流的金屬液在靜磁場中將受到振蕩的洛倫茲力，當靜磁場持續或間斷性開啟時，金屬液將受到振蕩洛倫茲力和攪拌作用的交替影響，金屬液在洛倫茲力的作用下產生相應的運動。在金屬液運動過程中，金屬液表面、冒口保溫磚壁面、受影響的金屬錠模壁面處首先形成的晶核和碎晶在金屬液流的沖刷振蕩作用下混合到整個金屬液中，形成晶核增殖效應，極大地提高金屬錠模或結晶器中金屬液的形核率，使得凝固組織得到細化，等軸晶比例增加；其次，因為金屬錠模冒口的特殊結構，使得磁場可以較大程度地透過模壁對金屬液施加作用，在攪拌磁場的攪拌作用下形成較大范圍內的金屬液運動，減小整個鑄錠的溫度梯度和濃度梯度，在相同的冷卻條件下提升金屬液內晶核形成數量，形成有利于等軸晶形成的條件。同時由于位置的關系，冒口處獲得的有效形核質點會在重力作用下產生“結晶雨”效應，在磁場攪拌作用下在更大的范圍內影響整個金屬鑄錠的凝固；再次，在鑄錠頂部冒口處施加靜磁場后產生的電磁振蕩作用以促進金屬液形核為主，保證了金屬液表面只有較小的波動。與此同時，由于冒口中的金屬液為最后凝固，因此，冒口區域金屬液的流動和振蕩效應，將傳遞到金屬錠模中心區域中的未凝固的金屬液，這種流動和振蕩效應也將折斷固液界面前沿的枝晶尖端，并降低固液界面前沿的溫度梯度，形成內生生長的條件，這將顯著促進鋼錠內部的等軸晶的形成，降低a型偏析或v型偏析，使鑄錠的宏觀成分偏析大幅減輕甚至消除，從而獲得細晶甚至全等軸晶、成分均勻的優質大型鑄錠。

因此，本發明通過在冒口處施加不同形式的靜磁場復合攪拌磁場，能顯著細化金屬凝固組織中的晶粒，增加組織的均勻性，提高鑄錠的等軸晶率，并降低成分偏析，進而顯著提升大型鑄錠或者大截面連鑄坯的組織和成分均勻性，從而提高其綜合力學和物理性能。

根據上述構思，本發明采用如下技術方案：

一種均質化大型鑄錠凝固組織的制備方法，在金屬凝固開始時，在保溫冒口處施加靜磁場和旋轉磁場，形成復合磁場，其中靜磁場產生的磁力線交叉穿過冒口，旋轉磁場使在靠近冒口壁的金屬液內感生出周期性變化的電流，此時導電的金屬液在靜磁場中則受到周期性變化的振蕩洛倫茲力，金屬液在振蕩的洛倫茲力的帶動下沖刷和震蕩冒口壁和錠模壁，并振蕩金屬液表面，使靠近冒口壁和錠模壁的金屬液以及淺層金屬液產生震蕩和旋轉流動，將靠近冒口區域的初生枝晶打碎，從而使得靠近冒口區域的金屬液首先形成的晶核和打碎的碎晶粒能夠很快地混溶到整個金屬液體內，同時冒口區域金屬液的振蕩和旋轉流動將誘導錠模中的更多金屬液產生振蕩和流動，從而打碎金屬液凝固的固液界面前沿的枝晶尖端，進一步誘發形核增殖效應，與靠近冒口區域下沉的晶核一起形成“結晶雨”效應，而錠模中金屬液被誘導的旋流還將降低固液界面前沿溫度梯度，形成內生形核條件，使整個錠模中的金屬液的凝固組織進行細化或等軸晶化，最終得到均質化的具有所需尺寸的大型鑄錠凝固組織。

作為本發明的優選的技術方案，靜磁場持續施加或間斷施加，而間斷施加的頻率為0.001-100hz。

作為上述方案的進一步優選的技術方案，旋轉磁場的頻率采用較低頻率工作的方式，旋轉磁場的頻率為0.005-100hz，采用連續旋轉方式、間斷旋轉方式或周期反向旋轉方式進行工作，通過控制電流實現旋轉磁場的通斷及周期反向、旋轉頻率或勵磁電流的工作參數的控制，旋轉磁場的中心磁感應強度為0.01-1t，旋轉磁場采用三相或二相旋轉磁場。

作為上述方案的進一步優選的技術方案，適用于大型模鑄鑄錠或連鑄鑄錠的澆注和凝固成型過程；當采用模鑄工藝時，模鑄鑄錠重量為0.3～1500t；當采用連鑄工藝時，金屬錠模中正在凝固的金屬錠坯以設定的低速度向下緩慢抽動，而金屬液從覆蓋渣上部或側部連續注入，維持金屬液面的高度在設定位置范圍內，進行慢速連續凝固過程。

作為上述方案的進一步優選的技術方案，應用于鑄鐵、鑄鋼、特殊鋼、工模具鋼、高溫合金、有色金屬或其合金的大型鑄錠的制備過程。

作為上述方案的進一步優選的技術方案，適合于大尺寸的圓坯、方坯、板坯、八棱柱型坯或具有異形截面的大型鑄坯的鑄造，錠型截面積為20-5000000mm²；也能采用底部抽錠、上部澆入金屬的上述錠型的連鑄過程制備均質化大型鑄錠凝固組織，控制抽錠速率為0.01-5000mm/min，錠長為0.1-10000mm，錠型截面積為20-5000000mm²。

一種本發明施加靜磁場復合旋轉磁場制備大型鑄錠的裝置，包括金屬錠模和錠模底座，金屬液注入金屬錠模的型腔內，錠模底座支撐整個金屬錠模，在金屬錠模的敞口邊沿連接安裝由冒口外殼和保溫磚層疊組成的冒口保溫套，保溫磚直接與淺層金屬液接觸，在冒口保溫套內的金屬液的表面覆蓋一層覆蓋渣，形成由覆蓋渣和保溫磚組成的冒口保溫系統，使保溫磚圍合形成冒口壁，在冒口壁內部形成冒口區域，在冒口外殼的外圍四周設置靜磁場發生器和旋轉磁場發生器，其中靜磁場發生器的磁體的同極端分別設置在旋轉磁場發生器的上方和下方，分別形成上部磁極和下部磁極，在上部磁極和下部磁極之間形成磁極間氣隙，使旋轉磁場發生器設置于磁極間氣隙內，靜磁場發生器的同名磁極位于相同一側，并形成由一組上部磁極和下部磁極組成同名磁極，靜磁場發生器的不同名磁極對應設置在冒口外殼的背面，形成一組靜磁場裝置單元，各靜磁場裝置單元圍繞冒口外殼外圍四周進行分布設置，背對冒口外殼的兩組靜磁場裝置單元組成一組異名磁極組合，在每組異名磁極組合中，其中一組靜磁場裝置單元的作為s極的上部磁極與另一組靜磁場裝置單元的作為n極的下部磁極之間的第一方向磁力線從冒口區域的淺層金屬液中穿過，而其中一組靜磁場裝置單元的作為s極的下部磁極與另一組靜磁場裝置單元的作為n極的上部磁極之間的第二方向磁力線也從冒口區域的淺層金屬液中穿過，第一方向磁力線與第二方向磁力線在冒口區域的淺層金屬液中相交，呈0°～90°的夾角，在金屬液凝固開始時，靜磁場發生器和旋轉磁場發生器向冒口區域施加靜磁場和旋轉磁場，形成復合磁場，其中靜磁場產生的磁力線交叉穿過冒口，旋轉磁場使在靠近冒口壁的金屬液內感生出周期性變化的感生電流，此時導電的金屬液在靜磁場中則受到周期性變化的振蕩洛倫茲力，金屬液在振蕩的洛倫茲力的帶動下沖刷和震蕩冒口壁的保溫磚內表面和金屬錠模的錠模壁內表面，并振蕩金屬液表面，使靠近冒口壁和錠模壁的金屬液以及淺層金屬液產生震蕩和旋轉流動，將靠近冒口區域的初生枝晶打碎，從而使得靠近冒口區域的金屬液首先形成的晶核和被打碎的碎晶粒能夠很快地混溶到整個金屬液熔體內，同時冒口區域金屬液的振蕩和旋轉流動將誘導冒口區域下方的金屬錠模中的金屬液產生振蕩和流動，形成金屬液熔體內部的深層旋流，金屬液內部產生攪拌作用，從而打碎金屬液凝固的固液界面前沿的枝晶尖端，進一步誘發形核增殖效應，與靠近冒口區域下沉的晶核一起形成結晶雨效應，而金屬錠模中金屬液被誘導的深層旋流還將降低固液界面前沿溫度梯度，形成內生形核條件，使金屬錠模中的金屬液的凝固組織進行細化或等軸晶化，最終得到均質化的具有所需尺寸的大型鑄錠凝固組織。本發明在冒口位置處施加靜磁場復合旋轉磁場的工藝，在金屬凝固時，控制冒口處的旋轉磁場的工作頻率和勵磁電流強度，與施加在冒口處位于旋轉磁場兩側的靜磁場組合成不同工作模式下的復合磁場。在旋轉磁場的作用下，金屬錠冒口處的金屬液感應出不同方向的感應電流，隨著旋轉磁場頻率的降低，磁場在金屬液中的透入深度變大，感應電流的集膚效應減弱。在旋轉磁場的前提下施加靜磁場將在金屬液的不同位置產生不同強度的電磁振蕩。在鋼錠模內部鋼液的流動產生攪拌、沖刷、振蕩作用，使得冒口壁、錠模壁處的凝固坯殼及金屬液受到不同形式的擾動，新形成的枝晶發生熔斷，較強烈的擾動使得金屬液中晶核數量大量增殖，尤其是冒口處及金屬液表面新形成的晶核產生結晶雨效應，使得金屬凝固組織得到明顯細化。復合磁場在金屬液中產生的擾動一方面使得金屬液中的溫度分布更加均勻，使得金屬錠能夠有機會在大范圍里形成自發形核，另一方面，金屬液的擾動使得金屬液中的雜質、氣體能更容易地上浮，成分分布也更加均勻，具有良好的冶金效果。本發明中鑄造用錠模優先選用冷速較慢的鑄鐵錠模，采用空冷方式冷卻，以保證對金屬熔體有比較充分的處理時間；冒口壁則采用無磁材料，以保證磁感線能透入到金屬液中。本發明通過施加復合磁場增加金屬液中的晶核數量來細化凝固組織，適合應用于頂注或者底注法澆注的鋼錠，也適用于具有抽錠的鋼錠或連鑄過程。

作為上述方案的一種進一步優選的技術方案，圍繞冒口外殼，使各組具有同名磁極的靜磁場裝置單元位于一側，形成n極區域；具有不同名磁極的靜磁場裝置單元位于另一側，形成s極區域；使設置于圍繞冒口外殼外圍的各靜磁場裝置單元形成由“n-n”形式的n磁極排布區和“s-s”形式的s磁極排布區兩部分組成的磁極排列結構。

作為上述方案的另一種進一步優選的技術方案，具有同名磁極的靜磁場裝置單元與具有不同名磁極的靜磁場裝置單元彼此相鄰，依次圍繞冒口外殼外圍分布設置，使圍繞冒口外殼外圍的各靜磁場裝置單元形成“n-s-n-s”形式的磁極交錯排列方式。

作為上述方案的進一步優選的技術方案，靜磁場發生器由電磁線圈產生，或用釹鐵硼、釤鈷磁體或磁鋼永磁體采用聚磁方式產生，或采用超導線圈產生；磁極間氣隙的范圍為100-6000mm，磁極間氣隙的中心的磁場強度范圍為0.1-30000mt；靜磁場發生器設有降溫裝置；靜磁場發生器能持續施加或間斷施加靜磁場；通過靜磁場發生器和旋轉磁場發生器施加兩種磁場進行組合的工作模式，按照不同金屬的需要，使靜磁場處于連續或間斷工作狀態，并使旋轉磁場呈連續、間斷或周期反向工作狀態，向冒口區域施加所需的復合磁場。

作為上述方案的進一步優選的技術方案，磁極間氣隙的高度可調。

作為上述方案的進一步優選的技術方案，旋轉磁場發生器采用水冷線圈產生旋轉磁場，施加在冒口區域外，旋轉磁場發生器的位置高度對應冒口區域內金屬液高度的中間位置。旋轉磁場在熔體中形成不同的流動模式，不同形式的湍流減小了熔體中的流動死區，使得金屬熔體能進行更充分的傳質傳熱。低過熱度熔體容易獲得臨界過冷度，從而在較大范圍的金屬鑄錠中形成爆發式形核，更好地細化晶粒。

作為上述方案的進一步優選的技術方案，金屬錠模作為連鑄結晶器，采用拉速可控的慢速連續裝置；或者金屬錠模作為模鑄裝置，在金屬錠模底部設有與金屬錠模的型腔連通的底澆道，底澆道與再與中注管連通，形成金屬液的底澆注通道。

作為上述方案的進一步優選的技術方案，金屬錠模采用鑄鐵或鑄鋼制成模具外殼，并在模具外殼砌筑耐火材料圍合組成鑄模型腔；冒口外殼采用304、316l或321無磁性的不銹鋼制成，或者采用銅、鈦、鎳和鐵中的任意一種金屬及任意幾種金屬的合金的無磁金屬材料制成，或者采用具有設定強度的碳纖維編織體制成；或者采用由高強碳纖維或者玻璃絲纖維為增強體的耐火材料-非導電耐高溫材料的預制體制成。

作為上述方案的進一步優選的技術方案，鑄錠過程也能采用底部抽錠、上部澆入金屬的連鑄過程，抽錠速率為0.01-5000mm/min，錠長為0.1-10000mm，錠型優選為截面積為20-5000000mm²的圓坯、方坯、板坯、八棱柱型坯或異形截面。

本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點：

1.本發明由旋轉磁場發生裝置、靜磁場發生裝置組成，施加在模鑄冒口部位，在模鑄澆注金屬開始凝固時開啟旋轉磁場和靜磁場發生裝置，并調節兩種磁場的工作模式，按照不同金屬的需要使靜磁場處于連續或間斷工作，旋轉磁場呈連續、間斷或周期反向工作，以獲得良好的磁場處理效果；本發明金屬凝固過程中不與金屬產生直接接觸，故不會引入其他雜質，避免產生對金屬的污染；

2.本發明采用可控的旋轉磁場和靜磁場，可產生多種形式的磁場組合，通過控制電流能方便地實現旋轉磁場和靜磁場工作參數的控制；

3.本發明采用復合磁場處理金屬熔體的工藝，根據旋轉磁場和靜磁場的工作特點，在凝固初期旋轉磁場可采取較高頻率，適當的集膚效應與靜磁場復合可以在凝固界面處產生電磁振蕩；在凝固末期則可采用較低頻率，增加磁場的透入深度，采用單獨旋轉磁場處理或復合靜磁場的工作方式，本發明還能通過不同工作方式，產生多種形式的熔體流動，能快速產生大量有效形核質點，并使之均勻分布，具有極高的效率；

4.本發明采用在模鑄冒口部位施加組合磁場，解決磁場透入金屬液的難題，減輕了磁場的衰減，由于組合磁場處理位置的關系，在金屬液的紊流和結晶雨效應下，晶核將快速分布到到整個鑄錠內；

5.本發明工藝和裝置能有效提高合金的等軸晶率，細化鑄坯晶粒，均勻組織晶粒大小，降低成分宏觀偏析，提高成品率，因此可提高生產效率，提高產品質量，簡化后續加工，有效節約生產成本。

附圖說明

圖1為本發明實施例一施加靜磁場復合旋轉磁場制備大型鑄錠的裝置的結構示意圖。

圖2為本發明實施例一的磁體組合生成的靜磁場復合旋轉磁場產生電磁振蕩的機理圖。

圖3為本發明實施例二的磁體組合生成的靜磁場復合旋轉磁場產生電磁振蕩的機理圖。

具體實施方式

本發明的優選實施例詳述如下：

實施例一：

在本實施例中，參見圖1和圖2，一種施加靜磁場復合旋轉磁場制備大型鑄錠的裝置，包括金屬錠模7和錠模底座10，金屬液8注入金屬錠模7的型腔內，錠模底座10支撐整個金屬錠模7，在金屬錠模7的敞口邊沿連接安裝由冒口外殼3和保溫磚2層疊組成的冒口保溫套，保溫磚2直接與淺層金屬液8接觸，在冒口保溫套內的金屬液8的表面覆蓋一層覆蓋渣1，形成由覆蓋渣1和保溫磚2組成的冒口保溫系統，使保溫磚2圍合形成冒口壁，在冒口壁內部形成冒口區域，在冒口外殼3的外圍四周設置靜磁場發生器和旋轉磁場發生器6，其中靜磁場發生器的磁體的同極端分別設置在旋轉磁場發生器6的上方和下方，分別形成上部磁極4和下部磁極5，在上部磁極4和下部磁極5之間形成磁極間氣隙，使旋轉磁場發生器6設置于磁極間氣隙內，靜磁場發生器的同名磁極位于相同一側，并形成由一組上部磁極4和下部磁極5組成同名磁極，靜磁場發生器的不同名磁極對應設置在冒口外殼3的背面，形成一組靜磁場裝置單元，各靜磁場裝置單元圍繞冒口外殼3外圍四周進行分布設置，背對冒口外殼3的兩組靜磁場裝置單元組成一組異名磁極組合，在每組異名磁極組合中，其中一組靜磁場裝置單元的作為s極的上部磁極4與另一組靜磁場裝置單元的作為n極的下部磁極5之間的第一方向磁力線從冒口區域的淺層金屬液8中穿過，而其中一組靜磁場裝置單元的作為s極的下部磁極5與另一組靜磁場裝置單元的作為n極的上部磁極4之間的第二方向磁力線也從冒口區域的淺層金屬液8中穿過，第一方向磁力線與第二方向磁力線在冒口區域的淺層金屬液8中相交，在金屬液8凝固開始時，靜磁場發生器和旋轉磁場發生器6向冒口區域施加靜磁場和旋轉磁場，形成復合磁場，其中靜磁場產生的磁力線b交叉穿過冒口，旋轉磁場使在靠近冒口壁的金屬液8內感生出周期性變化的感生電流i，此時導電的金屬液8在靜磁場中則受到周期性變化的振蕩洛倫茲力f，金屬液8在振蕩的洛倫茲力f的帶動下沖刷和震蕩冒口壁的保溫磚2內表面和金屬錠模7的錠模壁內表面，并振蕩金屬液8表面，使靠近冒口壁和錠模壁的金屬液8以及淺層金屬液8產生震蕩和旋轉流動，將靠近冒口區域的初生枝晶打碎，從而使得靠近冒口區域的金屬液8首先形成的晶核和被打碎的碎晶粒能夠很快地混溶到整個金屬液8熔體內，同時冒口區域金屬液8的振蕩和旋轉流動將誘導冒口區域下方的金屬錠模7中的金屬液8產生振蕩和流動，形成金屬液8熔體內部的深層旋流v，金屬液8內部產生攪拌作用，從而打碎金屬液8凝固的固液界面前沿的枝晶尖端，進一步誘發形核增殖效應，與靠近冒口區域下沉的晶核一起形成結晶雨效應，而金屬錠模7中金屬液8被誘導的深層旋流v還將降低固液界面前沿溫度梯度，形成內生形核條件，使金屬錠模7中的金屬液8的凝固組織9進行細化或等軸晶化，最終得到均質化的具有所需尺寸的大型鑄錠凝固組織。

在本實施例中，參見圖2，圍繞冒口外殼3，使各組具有同名磁極的靜磁場裝置單元位于一側，形成n極區域；具有不同名磁極的靜磁場裝置單元位于另一側，形成s極區域；使設置于冒口外殼3外圍的各靜磁場裝置單元形成由“n-n”形式的n磁極排布區和“s-s”形式的磁極排布區兩部分組成的磁極排列結構。

在本實施例中，參見圖1和圖2，旋轉磁場發生器6采用水冷線圈產生旋轉磁場，施加在冒口區域外，旋轉磁場發生器6的位置高度對應冒口區域內金屬液8高度的中間位置。

在本實施例中，參見圖1，金屬錠模7作為模鑄裝置，在金屬錠模7底部設有與金屬錠模7的型腔連通的底澆道11，底澆道11與再與中注管12連通，形成金屬液8的底澆注通道。

在本實施例中，參見圖1和圖2，靜磁場發生器采用電磁線圈和純鐵磁軛來產生磁場強度和磁場方向恒定的靜磁場，磁極間氣隙的高度范圍為1700mm，磁極間氣隙的中心的磁場強度范圍300mt；靜磁場發生器設有水冷降溫裝置；靜磁場發生器持續施加靜磁場；通過靜磁場發生器和旋轉磁場發生器6施加兩種磁場進行組合的工作模式，按照中碳合金結構鋼34crmo1a的需要，使靜磁場處于連續工作狀態，并使旋轉磁場呈連續工作狀態，向冒口區域施加所需的復合磁場。金屬錠模7采用鑄鐵或鑄鋼制成模具外殼，并在模具外殼砌筑耐火材料圍合組成鑄模型腔；冒口外殼3采用無磁性的304不銹鋼制成。

在本實施例中，參見圖1和圖2，本實施例通過靜磁場復合旋轉磁場均質化凝固組織。靜磁場發生器的磁場采用電磁線圈和純鐵磁軛來產生，旋轉磁場發生器6產生三相旋轉磁場。靜磁場發生器和旋轉磁場發生器6的內徑與不銹鋼材質的冒口外殼3進行良好匹配。本實施例制備的鋼種為中碳合金結構鋼34crmo1a，工藝流程為電爐冶煉—lf爐精煉—vd脫氣—模鑄—軋制。本實施例的控制環節為模鑄環節，采用大氣環境下澆注，金屬錠模7的型腔棱形的形式為8棱，金屬錠模7的殼體材質為鑄鐵，不銹鋼的冒口外殼3的材質為304不銹鋼，冒口外殼3厚度為20mm，以便磁力線能夠透入到34crmo1a金屬液8中。需澆注的中碳合金結構鋼34crmo1a液相線溫度為1503℃，固相線溫度為1024℃。鋼錠的澆注溫度1550℃，金屬錠模7和錠模底座10的初始溫度為400℃，金屬錠模7高徑比為1.33，制備的鑄錠高度2100mm。34crmo1a鋼液的澆注溫度為1550℃，澆注時采用下注法澆注，鋼液通過中注管12經底澆道11和錠模底座10中的通道進入金屬錠模7內，中注管12和底澆道11的內徑皆為120mm，采用快速澆注的方法，澆注速度為1m/min，鑄錠質量為30t，保溫冒口采用100mm厚度的保溫磚2和厚度50mm的覆蓋渣1為金屬錠模7中的金屬液8進行保溫，以確保鋼錠最終縮孔停留在冒口區以內。金屬凝固后，金屬錠模7采用空冷方式冷卻。

在本實施例中，參見圖1和圖2，當開始澆注時，開啟靜磁場發生器，磁極之間的氣隙保持為1700mm，氣隙中心平均磁場強度500mt；在金屬錠模7中事先放入覆蓋渣1，打開鋼包底部閥門，鋼水進入中注管12和底澆道11，然后進入到金屬錠模7，最終到達冒口區域，停止澆注。然后開啟旋轉磁場發生器6，使其中心的磁感應強度達到的中心磁感應強度為300mt，頻率調整為30hz。靜磁場發生器產生一組交叉的靜磁場，再與旋轉磁場發生器6在保溫冒口區域中的金屬液8中感生的交變的環狀感生電流i交互作用，產生交變的振蕩洛倫茲力f，即產生電磁振蕩力，同時旋轉磁場發生器6產生的旋轉磁場還將驅動保溫冒口中的金屬液8旋轉，靜磁場發生器以及旋轉磁場發生器6一直開啟直到合金凝固結束，然后關閉。鑄錠在空冷條件下自然冷卻。

本實施例在金屬凝固開始時，在保溫冒口處施加靜磁場復合旋轉磁場，靜磁場產生的磁力線交叉穿過冒口，旋轉磁場在靠近冒口壁的金屬液8內感生出周期性變化的感生電流i，此時導電的金屬液8在靜磁場中則會受到周期性變化的振蕩洛倫茲力f，金屬液8在振蕩的洛倫茲力f的帶動下進行沖刷和震蕩運動，使得金屬液8上層首先形成的晶核和打碎的碎晶粒能夠很快地混溶到整個金屬液8內，同時冒口區域金屬液的振蕩和旋轉流動將誘導錠模中的金屬液產生振蕩和流動，打碎固液界面前沿枝晶尖端，進一步誘發形核增殖效應，與冒口區域下沉的晶核一起形成結晶雨效應，而金屬錠模7中金屬液8被誘導的旋流還將降低固液界面前沿溫度梯度，有助于內生形核，因此整個金屬錠模7中的金屬液8的凝固組織得到顯著細化甚至等軸晶化，消除了疏松和縮孔、降低甚至抑制宏觀偏析，降低鑄錠凝固中的收縮應力，防止裂紋形成，從而大幅提升大型鑄錠的綜合性能。本實施例制備了長度為2100mm且高徑比為1.33的大尺寸的34crmo1a鑄錠。

實施例二：

本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于：

在本實施例中，參見圖3，具有同名磁極的靜磁場裝置單元與具有不同名磁極的靜磁場裝置單元彼此相鄰，依次圍繞冒口外殼3外圍分布設置，使設置于冒口外殼3外圍的各靜磁場裝置單元形成“n-s-n-s”形式的磁極交錯排列方式。本實施例采用磁極交錯排列方式，使鑄錠的周向成分、溫度更加均勻，電磁攪拌作用更加顯著。

本實施例利用靜磁場復合旋轉磁場，通過均質化處理，制備大型鑄錠凝固組織，通過復合磁場產生的電磁振蕩作用和旋轉磁場的旋流誘導攪拌作用，來促進形核、打碎枝晶尖端、細化晶粒、均勻凝固組織、降低宏觀偏析，進行大型鑄錠的鑄造過程。在金屬熔體凝固時，利用在不銹鋼錠模冒口處的金屬液最后凝固、冒口壁和金屬液表面易率先形成晶核、旋轉磁場和靜磁場能容易透過冒口材料等特點，在保溫冒口處施加靜磁場復合旋轉磁場，對保溫冒口中的金屬液形成有效的振蕩和攪拌，并將振蕩和旋流攪拌通過冒口中金屬液傳遞到錠模中心的金屬液中，打碎枝晶尖端、細化晶粒、均勻凝固組織、降低宏觀偏析，獲得致密、均質、晶粒細化的大型鑄錠，提升其后續加工性能和服役性能。

實施例三：

本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于：

在本實施例中，磁極間氣隙的高度可調，通過可控的機械設備控制上部磁極4和下部磁極5之間的開合間距，實現對第一方向磁力線與第二方向磁力線之間夾角的角度進行控制，獲得更加豐富的復合磁場的磁力線組合形式，以便根據不同的金屬材料制備要求，設定和調整特供的復合磁場。使凝固組織得到顯著細化，消除了疏松和縮孔、降低甚至抑制宏觀偏析，降低鑄錠凝固中的收縮應力，防止裂紋形成，從而大幅提升大型鑄錠的綜合性能。本實施例通過靜磁場復合旋轉磁場制造多種流動模式的方法增加晶核數量，能有效實現大型鑄錠的均質化。

實施例四：

本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于：

在本實施例中，金屬錠模7作為連鑄結晶器，采用拉速可控的慢速連鑄續裝置。鑄錠以設定的速度向下抽動，而金屬液8從覆蓋渣1上部連續注入，本實施例進行合金坯的慢速連續凝固過程。本實施例制備的凝固組織得到顯著細化，消除了疏松和縮孔、降低甚至抑制宏觀偏析，降低鑄錠凝固中的收縮應力，防止裂紋形成，從而大幅提升大型鑄錠的綜合性能，并提高了大型連鑄鑄錠的生產效率。

上面結合附圖對本發明實施例進行了說明，但本發明不限于上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的發明目的，只要不背離本發明靜磁場復合旋轉磁場均質化大型鑄錠凝固組織的方法及其裝置的技術原理和發明構思，都屬于本發明的保護范圍。