CN107008884A - 一种冷却模具及冷却钢锭的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种冷却模具及冷却钢锭的方法，冷却模具包括浇注底盘和冷凝壁，冷凝壁包括沿竖向依次设置的至少两个冷却层；冷却模具还包括设置在冷凝壁外侧的至少两对电磁感应组件，每对电磁感应组件均对称设置在铸造腔的两侧，各冷却层上分别设置至少一对电磁感应组件；各电磁感应组件均包括至少两对能滑动地连接在冷凝壁上的线圈，每对线圈中的两个线圈均平行且相对设置；各电磁感应组件中，至少一对线圈竖直设置，至少一对线圈水平设置，水平设置的各线圈位于竖直设置的各线圈的中心线之间；各线圈的两端首尾依次相对或相连，分别围成半封闭或封闭的矩形。本发明能从水平和竖直方向分别对钢液进行搅拌，提高了钢锭质量。

Description

一种冷却模具及冷却钢锭的方法

技术领域

本发明涉及冶金铸造的技术领域，特别涉及一种冷却模具和冷却钢锭的方法。

背景技术

特厚板常用于原子能发电站外壳、高层建筑底座、海洋石油平台、高压容器、航空母舰装甲板、重化工反应塔、水电、火电、风电机组底座等，属于高性能、高纯净度、高附加值产品，其中大部分要求超声波探伤，部分还要求Z向性能。目前，针对特厚板坯料主要有以下几个来源：

1、传统铸铁钢锭模，生产钢锭时，钢液注入铸铁锭模，钢锭在自然环境条件下冷却，冷却强度较低，凝固速度较慢，钢锭凝固与锭模产生气隙，钢锭传热条件下降，钢锭存在倒V型偏析、中心偏析和疏松，甚至产生中心缩孔，钢锭轧制的特厚板无法满足超声波探伤要求。

2、定向凝固技术，利用底部水冷底盘的强制冷却，增加了钢锭底部的冷却强度，但钢锭顶部存在较大面积的溶质富集层，同时存在一定量的保温渣层，需要人工或机械清理，耗费大量的人工和材料，目前很难广泛推广。

3、结合定向凝固和连铸结晶器的水冷模铸技术，增强了底盘和侧壁的冷却强度，但针对超大型钢锭的凝固过程中，尽管有外界的强制水冷却，但由于钢锭吨位较大，钢锭凝固时间较长，钢锭中心偏析仍然较为严重。

4、传统厚板坯连铸机生产的连铸坯，目前没有超过600毫米厚的坯料，按照三倍压缩比，目前仍不能满足200毫米以上的特厚板需求。

现有技术中，在铸造特厚板钢锭时，钢锭容易产生一定的质量缺陷和偏析，为了减轻偏析、疏松和缩孔，通常在钢锭模具外侧施加电磁搅拌，改善钢锭质量，但现有的电磁搅拌装置只能适用于较小断面的圆筒状钢锭，无法满足钢锭形状多样化的需求。感应线圈通电产生一定的电磁力，但电磁力只能作用在有限的区域内，且搅拌的钢液产生的流动是水平方向的，不能产生竖直方向的搅拌，钢液无法实现在铸造腔上端和下端的更大范围内流动，搅拌区域较小。

另外，现有的冷却模具的结构强度较低，容易产生局部变形和过热，发生漏钢、漏水等的风险，同时冷却能力较差，容易发生局部过热，造成烧穿等安全事故。

发明内容

为解决特厚板钢锭质量不理想的技术问题，本发明提出一种冷却模具及冷却钢锭的方法，使钢液在磁场条件下凝固，并能从水平和竖直方向分别对钢液进行搅拌，获得理想的等轴晶率，提高了钢锭质量。

本发明提出一种冷却模具，所述冷却模具包括浇注底盘和密封连接在所述浇注底盘上的冷凝壁，所述冷凝壁与所述浇注底盘围合形成具有上开口的用于容纳待冷却钢液的铸造腔，所述冷凝壁包括沿竖向依次设置的至少两个冷却层；

所述冷却模具还包括设置在所述冷凝壁外侧的至少两对电磁感应组件，每对所述电磁感应组件均对称设置在所述铸造腔的两侧，且各所述冷却层上分别设置至少一对所述电磁感应组件；各所述电磁感应组件均包括至少两对线圈，每对所述线圈中的两个所述线圈均平行且相对设置，各所述线圈分别能滑动地连接在所述冷凝壁上；

各所述电磁感应组件中，其中至少一对所述线圈竖直设置，至少一对所述线圈水平设置，水平设置的各所述线圈位于竖直设置的各所述线圈的中心线之间；各所述线圈的两端首尾依次相对，围成半封闭的矩形，或者各所述线圈的两端首尾依次相连，围成封闭的矩形。

进一步地，所述冷凝壁包括四块侧壁，各所述侧壁围合成所述铸造腔，各所述侧壁上分别沿竖向设置至少两个所述电磁感应组件；

各所述电磁感应组件中，竖直设置的各所述线圈分别靠近其所在的所述侧壁的两侧边缘。

更进一步地，各所述侧壁分别包括从内至外依次设置的工作板和背板，各所述工作板和各所述背板均由金属制成，各所述工作板的内侧与所述底盘围合成所述铸造腔；

各所述工作板均包括从下至上依次连接的至少两段工作板分区，各所述工作板中的各所述工作板分区的导热率从下至上依次减小。

更进一步地，所述工作板的厚度从下至上逐渐增加。

进一步地，所述冷却模具还包括设置在所述冷凝壁外侧的至少两对供水机构，各所述冷却层分别设置至少一对所述供水机构，每对所述供水机构均对称设置在所述铸造腔的两侧；

各所述供水机构分别包括进水箱、出水箱、以及连通所述进水箱与所述出水箱的冷却通道；各所述供水机构中，所述进水箱均位于所述出水箱的下方。

进一步地，各所述电磁感应组件均包括四个所述线圈，各所述电磁感应组件中，其中两个所述线圈竖直设置，另两个所述线圈水平设置；

各所述线圈均由空心管制成，各所述电磁感应组件还包括与各所述线圈一一对应设置的四根冷却水管，各所述冷却水管分别与对应的所述空心管连通，并分别将外界的冷却水循环输入对应的所述空心管。

更进一步地，各所述电磁感应组件中，水平放置且位于上方的所述线圈置于其所在的所述冷却层的所述出水箱中，水平放置且位于下方的所述线圈置于其所在的所述冷却层的所述进水箱中。

进一步地，各所述电磁感应组件还包括与各所述线圈一一对应设置的四个驱动机构，各所述驱动机构分别连接在所述冷凝壁的外侧，并分别驱动对应的所述线圈上下移动或水平移动。

进一步地，各所述线圈内分别放置铁芯。

进一步地，各所述线圈均由铜制成。

本发明还提出一种冷却钢锭的方法，采用上述的冷却模具，所述冷却钢锭的方法包括如下步骤：

步骤S10，将钢液通过浇注底盘从下至上注入到铸造腔中，使冷凝壁上从下至上的第一个冷却层中各线圈均通电；

步骤S20，继续注入所述钢液，随着所述钢液液面从下至上到达各个所述冷却层，依次使各所述冷却层中的所述线圈通电；

步骤S30，凝固完成后，使所述线圈全部断电。

进一步地，所述线圈中通入的电流强度大于或等于10安，且小于或等于500安。

进一步地，所述步骤S20为，继续注入所述钢液，随着所述钢液液面从下至上到达各个所述冷却层，逐层使各所述冷却层中的各所述线圈通电，直至所述钢液液面到达最上方的所述冷却层；

或者所述步骤S20为，继续注入所述钢液，随着所述钢液液面从下至上到达各个所述冷却层，逐层使所述钢液液面所在的所述冷却层中的各所述线圈通电，并使所述钢液液面所在的所述冷却层下方的所述冷却层中的各所述线圈断电，直至所述钢液液面到达最上方的所述冷却层。

作为一种可实施的方式，所述步骤S20包括如下步骤：

步骤S21，继续注入所述钢液，随着所述钢液液面从下至上到达各个所述冷却层，逐层使所述钢液液面所在的所述冷却层下方相邻的所述冷却层中水平放置且位于上方的所述线圈断电，所述钢液液面所在的所述冷却层中水平放置且位于下方的所述线圈通电；

步骤S22，保持预定的时间后，所述钢液液面所在的所述冷却层中水平放置且位于下方的所述线圈断电，所述钢液液面所在的所述冷却层中其他所述线圈通电。

作为另一种可实施的方式，所述步骤S20包括如下步骤：

步骤S21’，继续注入所述钢液，随着所述钢液液面从下至上到达各个所述冷却层，逐层使所述钢液液面所在的所述冷却层中的各所述线圈通电，位于所述钢液液面所在的所述冷却层下方相邻的所述冷却层中水平放置且位于下方的所述线圈和竖直放置的两个所述线圈均断电；

步骤S22’，所述钢液逐渐凝固，使位于所述钢液液面所在的所述冷却层下方相邻的所述冷却层中水平放置且位于上方的所述线圈断电；

步骤S23’，当所述钢液液面到达最上方的所述冷却层时，最上方的所述冷却层中的各所述线圈通电，保持预定的时间后，所述电磁感应组件中水平放置且位于下方的所述线圈和竖直放置的两个所述线圈均断电。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：本发明的冷却模具，线圈具有电磁感应功能，有利于改善液相部分钢液流动和传热条件，改善钢锭内部质量。多区域分布的线圈既可以实现局部区域的电磁搅拌功能，又能够通过控制多个区域的电磁感应线圈的电流方向和电流大小，实现较大区域的循环交变磁场，使钢液在大区域内的流动，促进钢液温度和成分的均匀，同时对粗大的柱状晶进行破碎，有助于形成细小的等轴晶区，提高钢材的各向同性。

各电磁感应组件的各线圈分别围成矩形区域，各电磁感应组件产生的磁场也近似为矩形，钢液可以在水平方向和高度方向形成环流。通过改变各线圈中通入的电流方向，调整各线圈产生的磁场方向，使各电磁感应组件中各线圈的磁场方向进行顺时针、逆时针方向的变换，钢液在高度方向的流动也会受到不同方向的磁场扰动，对钢液形成更好的搅拌控制，使铸造腔内的钢液温度均匀，形成的钢锭成分均匀。

本发明的冷却钢锭的方法，使钢锭在可控的磁场条件下凝固，合理的设定搅拌工艺，促进钢锭凝固过程中形成的高浓度偏析元素的弥散分布，降低钢锭内部的偏析和疏松，消除凝固形成的缩孔缺陷，满足钢锭内部组织性能的均匀性，获得理想的钢锭等轴晶率，从而生产高质量的特厚板坯料。

附图说明

图1为本发明的冷却模具的主视示意图；

图2为本发明的冷却模具的侧壁的实施例一的主视示意图；

图3为图2的A-A的截面示意图；

图4为图2的B-B的截面示意图；

图5为本发明的冷却模具的驱动机构与线圈的连接关系的示意图；

图6为本发明的冷却模具的侧壁的实施例二的主视示意图；

图7为本发明的冷却模具的侧壁的实施例二的俯视示意图；

图8为本发明的冷却模具的侧壁的实施例三的主视示意图；

图9为本发明的冷却模具的侧壁的实施例三的俯视示意图。

附图标记：

10-浇注底盘；

20-冷凝壁；22-侧壁；

32-水平设置的线圈；34-竖直设置的线圈；

42-进水箱；44-出水箱；

50-驱动机构；

52-支架；54-水平推杆；56-竖直推杆；58-连接件。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

请参阅图1所示，本发明提出一种冷却模具，冷却模具包括浇注底盘10和冷凝壁20，冷凝壁20密封连接在浇注底盘10上，且与浇注底盘10围合形成具有上开口的铸造腔，铸造腔用于容纳待冷却钢液，冷凝壁20包括沿竖向依次设置的至少两个冷却层。

请参阅图2所示，冷却模具还包括设置在冷凝壁20外侧的至少两对电磁感应组件，每对电磁感应组件均对称设置在铸造腔的两侧，且各冷却层上分别设置至少一对电磁感应组件；各电磁感应组件均包括至少两对线圈，每对线圈中的两个线圈均平行且相对设置，各线圈分别能滑动地连接在冷凝壁20上。

各电磁感应组件中，其中至少一对线圈竖直设置，至少一对线圈水平设置，水平设置的各线圈(即水平设置的线圈32)位于竖直设置的各线圈(即竖直设置的线圈34)的中心线之间；各线圈的两端首尾依次相对，围成半封闭的矩形，或者各线圈的两端首尾依次相连，围成封闭的矩形。

也就是说，各电磁感应组件中，水平设置的线圈32在上方和下方分别排成一行，竖直设置的线圈34在左侧和右侧分别排成一行；水平设置的线圈32的中心线成为矩形的两条水平相对边，竖直设置的线圈34的中心线成为矩形的两条竖直相对边。较优地，各电磁感应组件均包括四个线圈，各电磁感应组件中，其中两个线圈竖直设置，另两个线圈水平设置，这样形成的磁场相对简单，各磁场之间不容易相互干扰。

如图2所示的实施例一中，冷却模具包括四个冷却层。如图6所示的实施例二和图8所示的实施例三中，冷却模具均包括三个冷却层。冷凝壁20的材质必须是透磁材料，同时不能是可被磁化的材质。

本发明的冷却模具，线圈具有电磁感应功能，有利于改善液相部分钢液流动和传热条件，改善钢锭内部质量。多区域分布的线圈既可以实现局部区域的电磁搅拌功能，又能够通过控制多个区域的电磁感应线圈的电流方向和电流大小，实现较大区域的循环交变磁场，使钢液在大区域内的流动，促进钢液温度和成分的均匀，同时对粗大的柱状晶进行破碎，有助于形成细小的等轴晶区，提高钢材的各向同性。

本发明的冷却模具，能够降低水冷结晶器的温度，增强钢锭的冷却强度，加快钢锭凝固的散热，提高钢锭的凝固速度，缩短钢锭凝固时间，细化钢锭内部晶粒，提高钢锭等轴晶区域，改善钢锭质量。

本发明的冷却模具中，浇注底盘10和冷凝壁20设置在冷却模具的中心，浇注底盘10和冷凝壁20组成水冷结晶器。电磁感应组件设置在水冷结晶器的外部，线圈可通过螺栓固定在水冷结晶器上。本发明的冷却模具还包括将水冷结晶器固定的U型框架和锁紧机构。

本发明的冷却模具中，各电磁感应组件的各线圈分别围成矩形区域，各电磁感应组件产生的磁场也近似为矩形，钢液可以在水平方向和高度方向形成环流。通过改变各线圈中通入的电流方向，调整各线圈产生的磁场方向，使各电磁感应组件中各线圈的磁场方向进行顺时针、逆时针方向的变换，钢液在高度方向的流动也会受到不同方向的磁场扰动，对钢液形成更好的搅拌控制，使铸造腔内的钢液温度均匀，形成的钢锭成分均匀。

传统钢锭模生产采用自然冷却，钢锭模具自身吸收一定热量后温度升高，钢锭模在自然环境条件下散热较慢，钢锭冷却速度较慢，钢锭凝固时间较长，容易发生钢锭内部的疏松、缩孔，钢锭内部偏析较为严重。本发明的冷却模具在水冷结晶器的外侧加装电磁感应组件，利用电磁作用进行搅拌，强化钢锭模具的冷却强度，提高钢锭冷却速度。

进一步地，冷凝壁20包括四块侧壁22，各侧壁22围合成铸造腔，如图2所示，各侧壁22上分别沿竖向设置至少两个电磁感应组件；各电磁感应组件中，竖直设置的各线圈34分别靠近其所在的侧壁22的两侧边缘。

较优地，浇注底盘10和四块侧壁22均由导热性能好的铜合金构成，通过螺栓组装成水冷结晶器之后，浇注底盘10和四块侧壁22分别具有独立的进水口和出水口，每个进水口安装有流量调节阀、温度计和流量计，准确计量冷却水的流量和温度，进出水口分别与进出水管一一对应连接。

本发明的冷却模具能够根据实际需要，调整铸造腔的尺寸和规格，满足不同断面、不同规格和不同高度的锭重需求，实现一套模具满足多规格的生产需要，减少钢铁厂用于采购大量钢锭模具的费用，降低生产成本。如图4所示的实施例一和图9所示的实施例三中，冷却模具适用于方钢锭、矩形锭、扁钢锭。如图7所示的实施例二中，冷却模具适用于工字钢锭或H型钢锭。

还可以使冷凝壁20的横截面呈圆形，也就是说，本发明的冷却模具适用于圆钢锭，各冷却层上分别设置至少一对电磁感应组件，每对电磁感应组件均对称设置在铸造腔的两侧。

更进一步地，如图1所示，各侧壁22分别包括从内至外依次设置的工作板和背板，各工作板和各背板均由金属制成，各工作板的内侧与底盘围合成铸造腔。各工作板均包括从下至上依次连接的至少两段工作板分区，各工作板中的各工作板分区的导热率从下至上依次减小。

较优地，工作板的材质为纯铜、铜合金或低碳钢。对工作板采用合适的表面处理技术，镀覆一种或几种材料，以获得具有特殊性能的表面，在保证其导热性受镀层影响不大的情况下，获得与基体结合牢固、耐磨性好、抗热腐蚀性强的各种镀层，以改善铜板的表面性能、延长使用寿命、提高钢锭质量，从而降低吨钢成本。表面的镀层种类有镀Cr、镀Ni-Cr、镀Ni-Fe、镀Ni-W-P、镀Ni-Co、镀Co-Ni、Ni-Cr合金喷涂层、陶瓷涂层等。

各工作板分区分别由导热率不同的几种材料焊接而成，如纯铜、铜合金、低碳钢、不锈钢、耐热合金等，且导热率由下至上变小。在实施例一、实施例二和实施例三中，从下至上依次为纯铜、工业纯铁、低碳钢、不锈钢。各背板采用钢材料制成。

更进一步地，工作板的厚度从下至上逐渐增加，外形呈下薄上厚状。

进一步地，请参阅图2、图3和图4所示，冷却模具还包括设置在冷凝壁20外侧的至少两对供水机构，各冷却层分别设置至少一对供水机构，每对供水机构均对称设置在铸造腔的两侧。各供水机构分别包括进水箱42、出水箱44、以及连通进水箱42与出水箱44的冷却通道；各供水机构中，进水箱42均位于出水箱44的下方。

进一步地，实施例一、实施例二和实施例三中，各电磁感应组件均包括两对线圈，即四个线圈。各电磁感应组件中，其中两个线圈竖直设置，另两个线圈水平设置。各线圈均由空心管制成，各电磁感应组件还包括与各线圈一一对应设置的四根冷却水管，各冷却水管分别与对应的空心管连通，并分别将外界的冷却水循环输入对应的空心管。

更进一步地，各电磁感应组件中，水平放置且位于上方的线圈置于其所在的冷却层的出水箱44中，水平放置且位于下方的线圈置于其所在的冷却层的进水箱42中。

较优地，各线圈的安装方式有：内装式、封装式和外装式。

内装式：线圈安装在进水箱42或出水箱44内，直接与水冷结晶器的冷却水串联共用。搅拌器最贴近铸造钢锭，冷却效率高。

封装式：线圈安装在进水箱42或出水箱44内的密封空间，与水冷结晶器的冷却水分隔，采用独立的冷却冷却水冷却，并闭路循环。

外装式：线圈安装在进水箱42或出水箱44的外部，自身封装成一体，固定在冷凝壁20上，采用独立的冷却水冷却，并闭路循环。

电磁感应组件无需配备强制冷却系统，自身冷却就能够满足要求，实现稳定运行。实际生产过程中，可根据钢锭的尺寸规格和断面尺寸，采用不同的线圈安装方案，也可选择具有强制冷却的感应线圈组件，也可采用无强制冷却的感应线圈组件。

进一步地，各电磁感应组件还包括与各线圈一一对应设置的四个驱动机构50，各驱动机构50分别连接在冷凝壁20的外侧，并分别驱动对应的线圈上下移动或水平移动。请参阅图5所示，各驱动机构50均包括支架52、水平推杆54、竖直推杆56和连接件58。支架52固定在冷凝壁20的外侧，连接件58能沿竖向滑动地连接在支架52的外侧，连接件58上设置一个水平通孔和一个竖直通孔，水平推杆54能滑动地穿设在水平通孔内，水平推杆54的一端固定在线圈上，竖直推杆56固定穿设在竖直通孔内。

本发明的冷却模具中，以一个竖直设置的线圈34为例，设置两根水平推杆54，水平推杆54的一端固定在该竖直设置的线圈34上。当水平推杆54沿水平方向滑移时，推动竖直设置的线圈34左右移动。当竖直推杆56沿竖直方向滑移时，带动连接件58在支架52的外侧沿竖向滑动，连接件58带动水平推杆54沿竖向滑动，从而带动竖直设置的线圈34同步上下移动。

驱动机构50还包括两个驱动器，一个驱动器驱动水平推杆54，另一个驱动器驱动竖直推杆56。驱动器为丝杠、液压油缸或齿轮齿条机构。钢锭凝固过程中，可以根据凝固的需要，驱动机构50对线圈进行高度方向的升降控制，也可对线圈进行水平方向的平移控制。

较优地，在冷凝壁20的外侧分别沿水平方向和竖直方向开设多条凹槽，凹槽排列呈网状，线圈能在各凹槽内水平或竖直滑移。钢锭浇注前，调整各线圈的位置并固定锁紧。在线圈移动过程中，允许冷凝壁20和线圈之间存在0.5毫米以内的间隙，移动完成后，线圈与冷凝壁20紧密贴合。

较优地，线圈可在背板上的一定范围内移动，能够适用于不同断面和规格的钢锭的铸造，具有良好的通用性。线圈上下移动的距离受到相应的冷却层中进水箱42、出水箱44之间的间距的限制，只能在进水箱42与出水箱44之间移动，移动距离较小。横向移动距离相对较大。

进一步地，各线圈内分别放置铁芯，提高了磁场强度。同时，各线圈的功率能够调节，电流方向可进行变换，以控制磁场方向。

进一步地，各线圈由铜制成。较优地，线圈的断面为矩形、圆形或其他形状，线圈呈螺旋状。

本发明的冷却模具，使四个侧壁22上均匀分布沿高度方向设置的多对电磁感应组件，形成封闭磁场，对钢液进行水平搅动。也可利用每一个侧壁22的各冷却层形成独立的电磁搅拌区域，实现区域搅拌作用。也可根据钢锭凝固进程，当底部第一个冷却层的钢液凝固完成后，关闭底部第一层的电磁感应组件，上部各层电磁感应组件继续逐层对上部未凝固的钢液进行搅拌。

也可利用每一个侧壁22的四周边缘处的线圈，形成作用区域覆盖整个侧壁22的大区域磁场，对钢液进行大区域的搅拌。每一层磁场区域内的靠近左右侧的竖直设置的线圈34形成交变的磁场，对边缘处的钢液进行局部搅拌。

竖直设置的线圈34排成一列，形成独立的电磁感应磁场，对浇注钢液的射流产生电磁制动效果，降低流钢砖流出的钢液射流的速度，防止钢液在开浇阶段产生较大的射流，防止钢液喷溅，避免对冷凝壁20的内壁造成局部的喷溅凝固，导致钢锭表面结疤，还能防止钢液液面的剧烈波动，使保护渣卷入钢液内部形成夹渣缺陷。

另外，电磁搅拌装置采用多个线圈的形式，易于检修和更换，针对个别无法工作的线圈可进行整体更换，降低了成本，提高了使用效率和使用寿命。

本发明还提出一种冷却钢锭的方法，采用上述的冷却模具，冷却钢锭的方法包括如下步骤：

步骤S10，将钢液通过浇注底盘10从下至上注入到铸造腔中，使冷凝壁20上从下至上的第一个冷却层中各线圈均通电；

步骤S20，继续注入钢液，随着钢液液面从下至上到达各个冷却层，依次使各冷却层中的线圈通电；

步骤S30，凝固完成后，使线圈全部断电。

本发明的冷却钢锭的方法，使钢锭在可控的磁场条件下凝固，合理的设定搅拌工艺，折断钢锭凝固过程中形成的粗大的柱状晶，形成细小的等轴晶，促进钢锭凝固过程中形成的高浓度偏析元素的弥散分布，降低钢锭内部的偏析和疏松，消除凝固形成的缩孔缺陷，满足钢锭内部组织性能的均匀性，获得理想的钢锭等轴晶率，从而生产高质量的特厚板坯料。

在步骤S10之前还包括如下步骤：将冷凝壁20放置在浇注底盘10上，通过夹紧装置将四块侧壁22组装成铸造腔，同时通冷却水，浇注底盘10上预先开有沟槽，沟槽的内部铺设流钢砖，在浇注底盘10的相应位置放置浇注管，完成水冷结晶器的组装。

浇注开始前，钢锭浇注软件系统中实时显示的钢液的温度、浇注速度等信息，同时监测冷却水的流量、温度和水冷结晶器的冷凝壁20的温度。将熔炼好的钢液浇注到铸造腔中，准备浇注。

进一步地，线圈中通入的电流强度大于或等于10安，且小于或等于500安。较优地，线圈中通以2Hz～50Hz的低频交变电流，搅拌速度0.1m/s～5m/s。每一个冷却层的线圈的电流的大小和方向都能独立控制，既能实现电流大小的调整，也能实现电流方向的变换，保证各线圈形成的感应磁场的强度和方向可调。

进一步地，步骤S20为，继续注入钢液，随着钢液液面从下至上到达各个冷却层，逐层使各冷却层中的各线圈通电，直至钢液液面到达最上方的冷却层。

也就是说，以实施例一、实施例二和实施例三为例，开始浇注前，开启靠近底部的第一个冷却层内排布的电磁感应组件，利用上下左右四个线圈形成局部磁场，当钢水经过流钢孔进入铸造腔内时，钢液在铸造腔内形成小区域的感应磁场，线圈的感应作用能抑制进入铸造腔内的钢液的射流高度，避免钢液液面的剧烈波动，避免放置在液面上的保护渣被卷入钢液的内部。

随着钢液液面的上升，钢液浇注的静压力降低，流钢孔内钢液的射流速度降低，钢液的流动减弱，调整电流方向，实现换向搅拌功能，使钢液的温度均匀。

钢液液面高度持续上升，控制钢液液面上升速度在100～200mm/min，保持钢液液面的平稳，避免出现较大的液面波动引起卷渣。钢液液面到达从下至上第二个冷却层时，开启第二层的电磁感应组件，第二层的线圈对铸造腔内的钢液形成感应磁场，对钢液进行搅拌。

钢液液面升高到从下至上第三个冷却层时，开启第三层的电磁感应组件，第三层的线圈对铸造腔内的钢液形成感应磁场，对钢液进行搅拌。直至钢液液面升高到最上方的冷却层的线圈时，开启最上层的电磁感应组件，最上层的各线圈对铸造腔内的钢液形成感应磁场，对钢液进行搅拌。

钢液浇注结束后，待钢液表面的激冷层凝固完成，开始形成柱状晶区时，降低冷却水的流量，减弱冷却模具的冷却强度，避免过大的柱状晶的快速生长。

以实施例二和实施例三为例，冷却模具包括三个冷却层。各冷却层的线圈同时通电，形成一个大的封闭区域，在钢锭模具的内部形成较大的电磁感应磁场，对较大范围的钢液进行搅拌，可实现顺时针、逆时针的搅拌。在搅拌过程中可以采用顺时针磁场搅拌—停止搅拌—逆时针磁场搅拌—停止搅拌—顺时针磁场搅拌的周期性作业方式，实现钢液的大范围搅拌，还可以设定不同搅拌阶段的时间和停止搅拌的时间。

较优地，本发明的冷却模具和冷却钢锭的方法，可分别针对各个冷却层的线圈进行独立的电磁感应控制，实现独立的电磁搅拌力，同时磁场的方向可以和位于下方的冷却层的电磁感应组件产生的磁场方向相同，也可以相反。本发明可以铸造出内部组织致密、无疏松、无倒V型偏析、少夹杂，能够满足特厚板需求的钢锭。

或者步骤S20为，继续注入钢液，随着钢液液面从下至上到达各个冷却层，逐层使钢液液面所在的冷却层中的各线圈通电，并使钢液液面所在的冷却层下方的冷却层中的各线圈断电，直至钢液液面到达最上方的冷却层。

作为一种可实施的方式，步骤S20包括如下步骤：

步骤S21，继续注入钢液，随着钢液液面从下至上到达各个冷却层，逐层使钢液液面所在的冷却层下方相邻的冷却层中水平放置且位于上方的线圈断电，钢液液面所在的冷却层中水平放置且位于下方的线圈通电；

步骤S22，保持预定的时间后，钢液液面所在的冷却层中水平放置且位于下方的线圈断电，钢液液面所在的冷却层中其他线圈通电。

以实施例二和实施例三为例，冷却模具包括三个冷却层。步骤S20具体为，继续注入钢液，钢液液面从下至上到达第二个冷却层，使第一个冷却层的电磁感应组件中水平放置且位于上方的线圈断电，第二个冷却层的电磁感应组件中水平放置且位于下方的线圈通电；

保持预定的时间后，使第二个冷却层的电磁感应组件中水平放置且位于下方的线圈断电，第二个冷却层的电磁感应组件中其他线圈通电；

随着钢液逐渐注入，钢液液面从下至上到达第三个冷却层，使第二个冷却层的电磁感应组件中水平放置且位于上方的线圈断电，第三个冷却层的电磁感应组件中水平放置且位于下方的线圈通电。

也就是说，以实施例一为例，同时针对各冷却层的电磁感应线圈分别进行独立调整，最终实现左侧四个竖直设置的线圈34、右侧四个竖直设置的线圈34、最顶部水平设置的线圈32、最底部水平设置的线圈32的共同作用，形成大区域闭合磁场，铸造腔内的钢液形成从底部到顶部的循环流动，使底部过热的钢液进行循环，促进钢液的流动，消除铸造腔中心处钢液的过热度，同时均匀钢液成分，通过大循环流动折断粗大的柱状晶，促使折断破碎的柱状晶形成结晶核，钢液以结晶核为中心，快速形成大量的细小的等轴晶。

作为另一种可实施的方式，步骤S20包括如下步骤：

步骤S21’，继续注入钢液，随着钢液液面从下至上到达各个冷却层，逐层使钢液液面所在的冷却层中的各线圈通电，位于钢液液面所在的冷却层下方相邻的冷却层中水平放置且位于下方的线圈和竖直放置的两个线圈均断电；

步骤S22’，钢液逐渐凝固，使位于钢液液面所在的冷却层下方相邻的冷却层中水平放置且位于上方的线圈断电；

步骤S23’，当钢液液面到达最上方的冷却层时，最上方的冷却层中的各线圈通电，保持预定的时间后，电磁感应组件中水平放置且位于下方的线圈和竖直放置的两个线圈均断电。

以实施例二和实施例三为例，冷却模具包括三个冷却层。步骤S20具体为，继续注入钢液，随着钢液液面从下至上到达第二个冷却层，使第二个冷却层的电磁感应组件中的各线圈通电，第一个冷却层的电磁感应组件中水平放置且位于下方的线圈和竖直放置的两个线圈均断电；

钢液逐渐凝固，使第一个冷却层的电磁感应组件中水平放置且位于上方的线圈断电；

当钢液液面到达第三个冷却层时，第三个冷却层中的各线圈通电，保持预定的时间后，电磁感应组件中水平放置且位于下方的线圈和竖直放置的两个线圈均断电。也就是说，随着凝固的进行，逐层且分批次关闭各线圈。

作为再一种可实施的方式，开启第一个冷却层的电磁感应组件中水平设置的线圈32，根据钢液的凝固进程，当底部第一个冷却层的钢液凝固结束时，关闭底部第一个冷却层的电磁感应组件的线圈，开启第二个冷却层中两个水平设置的线圈32。逐层开启钢液液面所在层的水平设置的线圈32，利用第二个冷却层、第三个冷却层和最上方冷却层中水平设置的线圈32，形成作用区域在未凝固的钢液附近的感应磁场，对钢液进行搅拌，形成高度方向的上下循环流场，促进钢水温度和成分的均匀化。同时增大冷却水量，提高冷却强度，加速钢锭模具内中心部位钢液的凝固速度，促使中心部位的钢液形成细小均匀的等轴晶。

随着凝固的继续，关闭第二个冷却层的电磁感应线圈，开启第三个冷却层的感应线圈中两个水平设置的线圈32，利用第三个冷却层的线圈形成相应区域内的感应磁场，对钢液进行搅拌。当第三个冷却层的钢液凝固完成后，关闭第三个冷却层的线圈，利用第四个冷却层的线圈形成较小区域的搅拌磁场，对该区域钢液进行搅拌。直至最顶层的钢液凝固结束后，关闭最上方冷却层的线圈，电磁搅拌过程结束。

钢锭全部凝固后，停止电磁搅拌装置的供电，结合钢锭浇注软件系统中检测的冷却壁温度和冷却水温度，适当降低冷却水流量，继续对钢锭进行冷却降温，待钢锭冷却温度达到工艺要求温度后，停止冷却水循环系统。释放四面侧壁22的夹紧装置，利用天车吊离保温冒口，再将四面侧壁22向四周移动，增大钢锭与冷却壁20之间的距离，进行钢锭脱模动作，利用天车将钢锭取出。将浇注底盘10内残留的流钢砖和残钢清除，重新铺设浇道砖，为下一次生产做准备。

由于钢液凝固的进行，钢锭表层的钢液形成一定厚度的凝固壳，钢液的体积逐渐减少，横断面也在逐渐减少，利用驱动机构50，对各电磁感应组件中上、下、左、右四个线圈进行驱动，各线圈均朝其所在的电磁感应组件的中心位置靠拢，缩小各线圈之间的距离，增大感应磁场的强度，形成一个作用区域较为集中的闭合磁场，对未凝固的钢液进行搅拌，改善钢液的流动和传热条件，分散钢液内的偏析，去除气体夹杂等。

作为再一种可实施的方式，根据钢锭凝固进程的需要，可利用驱动机构50对各线圈进行高度方向的移动，调整感应磁场在高度方向的作用区域，电磁感应组件缓慢上升，在一定高度范围内进行移动，满足不同位置进行电磁搅拌的需要。

作为再一种可实施的方式，以实施例一为例，可以开启某一侧壁22上左侧或右侧的四个竖直设置的线圈34，利用这四个线圈形成一个磁场，对钢液进行局部搅拌；同时开启相对的侧壁22上与这四个线圈对称的四个竖直设置的线圈34，形成一个贯穿铸造腔的闭合磁场，对铸造腔内的钢液进行搅拌。同理，开启相对的两个侧壁22上水平放置的线圈32，在高度方向上形成八个贯穿铸造腔的闭合磁场，对铸造腔内的钢液进行搅拌。

在钢液浇注过程和后续凝固过程中，根据冷却强度和工艺要求，实现全过程电磁感应的精确可控，针对易于产生内部疏松、缩孔和偏析的位置进行局部电磁感应控制，利用电磁线圈产生的电磁力对未凝固的钢液进行搅拌，实现钢液的可控流动，钢液过热度的快速耗散和高浓度元素的弥散化，使钢锭成分均匀，折断粗大的柱状晶，形成细小的等轴晶核，为等轴晶区的形成提供足够的结晶核，生产高等轴晶区比例的钢锭，同时细化晶粒，提高钢锭强度和性能。

各电磁感应组件的线圈采用组合的形式，既能形成水平方向的感应磁场，又能形成单个侧面的大区域、小区域的磁场搅拌，实现铸造腔内钢液的水平环形流动，也能实现钢液在竖直方向大区域的环形流动，还能对浇注阶段的钢液射流产生制动效果，避免开浇钢液的射流流速过快，造成喷溅危害。

电磁感应组件的开启和换向操作，可以针对钢锭凝固的不同阶段，通过控制线圈的电流方向和电流强度，实现局域电磁搅拌的精确控制。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种冷却模具，其特征在于，所述冷却模具包括浇注底盘和密封连接在所述浇注底盘上的冷凝壁，所述冷凝壁与所述浇注底盘围合形成具有上开口的用于容纳待冷却钢液的铸造腔，所述冷凝壁包括沿竖向依次设置的至少两个冷却层；

所述冷却模具还包括设置在所述冷凝壁外侧的至少两对电磁感应组件，每对所述电磁感应组件均对称设置在所述铸造腔的两侧，且各所述冷却层上分别设置至少一对所述电磁感应组件；各所述电磁感应组件均包括至少两对线圈，每对所述线圈中的两个所述线圈均平行且相对设置，各所述线圈分别能滑动地连接在所述冷凝壁上；

各所述电磁感应组件中，其中至少一对所述线圈竖直设置，至少一对所述线圈水平设置，水平设置的各所述线圈位于竖直设置的各所述线圈的中心线之间；各所述线圈的两端首尾依次相对，围成半封闭的矩形，或者各所述线圈的两端首尾依次相连，围成封闭的矩形。

2.根据权利要求1所述的冷却模具，其特征在于，所述冷凝壁包括四块侧壁，各所述侧壁围合成所述铸造腔，各所述侧壁上分别沿竖向设置至少两个所述电磁感应组件；

各所述电磁感应组件中，竖直设置的各所述线圈分别靠近其所在的所述侧壁的两侧边缘。

3.根据权利要求2所述的冷却模具，其特征在于，各所述侧壁分别包括从内至外依次设置的工作板和背板，各所述工作板和各所述背板均由金属制成，各所述工作板的内侧与所述底盘围合成所述铸造腔；

各所述工作板均包括从下至上依次连接的至少两段工作板分区，各所述工作板中的各所述工作板分区的导热率从下至上依次减小。

4.根据权利要求3所述的冷却模具，其特征在于，所述工作板的厚度从下至上逐渐增加。

5.根据权利要求1所述的冷却模具，其特征在于，所述冷却模具还包括设置在所述冷凝壁外侧的至少两对供水机构，各所述冷却层分别设置至少一对所述供水机构，每对所述供水机构均对称设置在所述铸造腔的两侧；

各所述供水机构分别包括进水箱、出水箱、以及连通所述进水箱与所述出水箱的冷却通道；各所述供水机构中，所述进水箱均位于所述出水箱的下方。

6.根据权利要求1或5所述的冷却模具，其特征在于，各所述电磁感应组件均包括四个所述线圈，各所述电磁感应组件中，其中两个所述线圈竖直设置，另两个所述线圈水平设置；

各所述线圈均由空心管制成，各所述电磁感应组件还包括与各所述线圈一一对应设置的四根冷却水管，各所述冷却水管分别与对应的所述空心管连通，并分别将外界的冷却水循环输入对应的所述空心管。

7.根据权利要求5所述的冷却模具，其特征在于，各所述电磁感应组件中，水平放置且位于上方的所述线圈置于其所在的所述冷却层的所述出水箱中，水平放置且位于下方的所述线圈置于其所在的所述冷却层的所述进水箱中。

8.根据权利要求1所述的冷却模具，其特征在于，各所述电磁感应组件还包括与各所述线圈一一对应设置的四个驱动机构，各所述驱动机构分别连接在所述冷凝壁的外侧，并分别驱动对应的所述线圈上下移动或水平移动。

9.根据权利要求1所述的冷却模具，其特征在于，各所述线圈内分别放置铁芯。

10.根据权利要求1所述的冷却模具，其特征在于，各所述线圈均由铜制成。

11.一种冷却钢锭的方法，其特征在于，采用权利要求1至10任一项所述的冷却模具，所述冷却钢锭的方法包括如下步骤：

步骤S10，将钢液通过浇注底盘从下至上注入到铸造腔中，使冷凝壁上从下至上的第一个冷却层中各线圈均通电；

步骤S20，继续注入所述钢液，随着所述钢液液面从下至上到达各个所述冷却层，依次使各所述冷却层中的所述线圈通电；

步骤S30，凝固完成后，使所述线圈全部断电。

12.根据权利要求11所述的冷却钢锭的方法，其特征在于，所述线圈中通入的电流强度大于或等于10安，且小于或等于500安。

13.根据权利要求11所述的冷却钢锭的方法，其特征在于，所述步骤S20为，继续注入所述钢液，随着所述钢液液面从下至上到达各个所述冷却层，逐层使各所述冷却层中的各所述线圈通电，直至所述钢液液面到达最上方的所述冷却层；

或者所述步骤S20为，继续注入所述钢液，随着所述钢液液面从下至上到达各个所述冷却层，逐层使所述钢液液面所在的所述冷却层中的各所述线圈通电，并使所述钢液液面所在的所述冷却层下方的所述冷却层中的各所述线圈断电，直至所述钢液液面到达最上方的所述冷却层。

14.根据权利要求11所述的冷却钢锭的方法，其特征在于，所述步骤S20包括如下步骤：

步骤S21，继续注入所述钢液，随着所述钢液液面从下至上到达各个所述冷却层，逐层使所述钢液液面所在的所述冷却层下方相邻的所述冷却层中水平放置且位于上方的所述线圈断电，所述钢液液面所在的所述冷却层中水平放置且位于下方的所述线圈通电；

步骤S22，保持预定的时间后，所述钢液液面所在的所述冷却层中水平放置且位于下方的所述线圈断电，所述钢液液面所在的所述冷却层中其他所述线圈通电。

15.根据权利要求11所述的冷却钢锭的方法，其特征在于，所述步骤S20包括如下步骤：

步骤S21’，继续注入所述钢液，随着所述钢液液面从下至上到达各个所述冷却层，逐层使所述钢液液面所在的所述冷却层中的各所述线圈通电，位于所述钢液液面所在的所述冷却层下方相邻的所述冷却层中水平放置且位于下方的所述线圈和竖直放置的两个所述线圈均断电；

步骤S22’，所述钢液逐渐凝固，使位于所述钢液液面所在的所述冷却层下方相邻的所述冷却层中水平放置且位于上方的所述线圈断电；

步骤S23’，当所述钢液液面到达最上方的所述冷却层时，最上方的所述冷却层中的各所述线圈通电，保持预定的时间后，所述电磁感应组件中水平放置且位于下方的所述线圈和竖直放置的两个所述线圈均断电。