本发明涉及一种磁力制动流入金属连铸机的熔融金属流的方法和装 置。本发明的特别的但不是唯一的应用是制动或延缓双辊金属带坯连铸机熔 融金属液流的下落流速。

在双辊连铸机中，熔融金属被注入至一对反向旋转的水平浇铸辊之间， 浇铸辊受到冷却以使熔融金属在运动的浇铸辊表面上形成凝固壳，并聚集在 双辊之间的辊缝处产生凝固带坯并向下运动离开两辊间的辊缝。在此所用“辊 缝”一词是指两辊间相距最短的区域。熔融金属可以从浇包中注入一个较小 的中间包中，并且又通过位于辊缝之上的金属浇注水口流入两浇铸辊之间的 辊缝中，并由此形成一个支持在辊子浇铸表面之上且恰在辊缝之上并沿辊缝 长度方向延伸的浇注熔池。虽然也推荐了其它的方法，例如电-磁阻挡法， 此浇注熔池通常限定在两块侧板或堰之间，这两块侧板或堰与辊子端面滑动 啮合，从而阻挡熔池的两端向外流。

尽管双辊连铸法用于浇铸冷却时可迅速凝固的有色金属取得了一定成 功，但应用此技术浇铸黑色金属却存在着一些问题。其中一个问题就是要确 保沿辊缝宽度方向流动的金属流分布非常均匀，因为在浇铸黑色金属时，即 使液流产生很小的波动也会导致带坯产生缺陷。以前关于获得所需要的平稳 流动的建议包括在浇注水口中放隔板和过滤器或一倾斜的冲击表面以降低下 落的熔融金属的动能，从而使水口出口处金属流动平稳。然而，这些建议都 面监着自由落下的金属流冲击口内静止表面的问题，而且已证明在保持平稳 均匀流动的同时很难获得受控的减速。本发明通过在金属浇注系统中对熔融 金属下落注流磁力制动可解决此问题。然而，从以下的描述中将会了解到， 本发明并不仅局限于此应用，它还可用于制动其它类型连铸机中的下落金属 流，如单辊连铸机、带式连铸机和薄板坯连铸机。

本发明提供一种延缓流入金属连铸机的熔融金属流动的方法，包括将所 述液流限定在垂直于流动方向上为一狭长截面的通道中，以使液流形成扁平 形状；所述的扁平形状的液流通过一磁场，该磁场的延伸方向横穿扁平形状 的液流且与液流的流动方向垂直，磁场沿着熔融金属运动的方向大致呈正弦 变化，因此在熔融金属液流中产生循环感应电流，该电流与磁场交互作用， 从而对熔融金属产生延缓流速的力。

熔融金属液流可以是在重力场中的下落液流。更特别的是，它可以扁平 形状的液流形式向下流动。

所述液流通过所述通道时处于两套由磁场感应器组成的相互对置的磁 体组之间，从而受到所述磁场作用，每套磁体组位于所述通道的一侧，每套 磁体组的感应器均沿液流流动方向间隔放置，且极性依次相互反向，每套磁 体组的每个磁场感应器与另一套磁体组中的一个感应器垂直于液流方向对 中，且极性相反。

磁场感应器包括各永磁体的磁极端部。由永磁体提供的磁场也可以由电 磁体补充。

磁场是可调的，以控制所述的制动力，从而调节所述液流的流速。

可通过使两套所述磁场感应器做相对运动来改变它们之间的空隙中的 磁场，从而调节此磁场。相对运动可以包括：改变所述空隙大小，和(或)改 变一套感应器相对于另一套的方向，从而调节一套感应器与另一套的对齐。

所述的运动可以包括两套感应装置彼此的相向和反向线性移动。此外， 它可以包括两套感应装置的绕枢轴旋转运动。

在磁场由电磁补充的情况下，也可通过改变输入电磁体电流的大小来调 节磁场。

本发明还提供了控制流入金属连铸机的熔融金属流的装置，包括：一通 道，用于限定液流并具有一狭长截面以使液流形成扁平形状；和磁场发生器， 以产生横穿通道的磁场，该磁场沿着通道大致呈正弦变化，由此使熔融金属 液流中产生感应电流，该电流与磁场交互作用产生了减缓熔融金属流动的 力。

在一个特别应用中，本发明提供了一种连铸金属带坯的方法，在该方法 中熔融金属通过位于辊缝之上的浇注水口注入到一对平行浇铸辊之间的辊缝 处，形成一个支持在浇铸辊表面上且恰在辊缝之上的金属浇注熔池，并且浇 铸辊通过转动使凝固的金属带坯向下运动离开辊缝，其中熔融金属以一向下 的注流形式通过一具有狭长截面的有侧限的垂直通道输送到水口中，通道使 注流形成扁平形状，下落的熔融金属注流因通过一磁场而被减速，该磁场以 水平方向横穿扁平形状的液流，并且沿垂直的下落方向大致呈正弦变化，由 此在下落的熔融金属注流中产生感应电流，该电流与磁场交互作用进而产生 了作用在下落注流上并抑制它向下运动的力。

垂直通道的作用如同一浸入式水口，用于将熔融金属输送到浇注水口 中。

本发明进一步包括连铸金属带坯的装置，该装置的组成有：一对浇铸 辊，在它们之间形成一辊缝；一金属浇注水口，用于将熔融金属输送到浇铸 辊之间的辊缝处，从而形成一熔融金属浇注熔池，该熔池支持在恰在辊缝之 上的浇铸辊表面上；浇铸辊驱动装置，以驱动浇铸辊反向旋转，从而使凝固 的金属带坯向下离开辊缝；熔融金属提供装置，包括一具有狭长截面的垂直 通道，熔融金属通过它以扁平形状下落注流形式输送到浇注水口处；以及磁 场发生装置，以产生基本水平横穿下落的熔融金属注流的磁场，该磁场沿下 落运动垂直方向大致呈正弦变化，从而使下落注流内产生感应电流，该电流 与磁场交互作用而产生阻碍下落金属注流向下运动的力。

下面将参照附图对本发明的原则及其在双辊连铸机金属浇注系统中的 应用进行详细描述，其中：

图1是根据本发明的磁力制动系统的示意图；

图2示出此系统的大致结构以备分析；

图3是该结构的另一种表示，用于网格分析；

图4是通过网格分析取得的系统感应电流分布图；

图5和图6给出本发明的制动系统一特定实施例的示意图；

图7示出制动系统的一种改变形式；

图8是带有配备根据本发明的磁力制动装置的金属浇注系统的双辊连铸 的垂直剖面图；

图9是图8所示连铸机的侧视图；

图10是调节制动系统产生的磁场的一种方式的图解；

图11是按图10的装置得出的典型磁通量变化曲线；

图12示出通过两套永磁体相对于下落金属的整体移动使电磁场获得适 当调节的另一种调节方式；

图13示出两套永磁体作为一个整体进行旋转而使磁场获得调节的又一 种方式；

图14示出两套永磁体反向旋转而使磁场获得调节的再一种方式；以及

图15示出通过采用电调节线圈对磁场进行电磁调节的磁力制动系统的 改变形式。

图1示出了根据本发明的制动系统，该系统借助于永磁体产生出一静态 磁场以阻碍具有导电性的熔融金属形成的扁平形状下落注流1的运动。磁场 是由以标号2总标识的两套磁场感应装置产生的，每套磁场感应装置是由一 对垂直间隔分布的感应器3组成。两套感应装置的布置是在扁平形状下落注 流1的每一侧各有一套。每套感应装置的感应器沿扁平形状下落注流垂直方 向极性依次反向，一套感应装置中的感应器与另一套感应装置的感应器沿水 平方向对齐，两套对置的感应装置的感应器极性相反。该图所示感应器为与 磁场回转块4连接的永磁体，磁场回转块4可用磁性材料例如低碳钢制造。

用磁场感应器3产生的磁通量垂直穿过扁平形状下落注流，如图1箭头 5所示。磁场沿垂直向下方向大致呈正弦变化，如图1曲线6所示。随着空 隙尺寸的增加将更加接近真实的正弦。根据本发明，制动应用通常可使用较 大的空隙以便容纳扁平形状注流和任何必须的绝热材料。为便于分析，假设 穿过扁平形状注流宽度方向的磁通密度是恒定的。

下面进行的分析是为了能够在设计根据本发明的制动系统时计算制动 力。用于分析目的的大致结构示于图2。参照图2，我们可以认为宽度为W、 厚度为T、导电率为σ的扁平形状导电注流以速度V沿z轴向下运动。y方 向指向图2纸内。图中只示出处于两对反向磁极之间的扁平形状注流的一部 分。假设扁平形状注流沿垂直方向伸展超过磁场范围。假设被支持的扁平形 状注流的高度为H，时间为t，重力加速度为g(-9.8m/s2)，扁平形状注流 的密度为D。假设在扁平形状注流每一侧等间距放置的磁极数量为N，一个 正弦波高度为h。磁场沿y轴方向，且穿过扁平形状注流的方向恒定，其大 小由下式决定：

By(z)＝Msin(2πz/h)，    -Nh/4＜z＜Nh/4    (1)

其中：M为常数。

图2示出了由(1)式给出的中心1/2正弦波覆盖的扁平形状注流部分。在 相邻磁极之间的各个区域均可以做类似处理(除了第一对和最后一对磁极有 很小的端部效应外)。在各区域中，感应电流将围绕着该区域中心流动，即图 2中的原点。我们可以做一近似，即电路如同图2所示的相邻的矩形带。这 些带充满所考察的区域而且可认为是相互绝缘的。

现在通过分别考虑相邻磁极间的区域和两端区域来计算作用在扁平形 状注流上的制动力。在每个区域中，考虑一个单一矩形带并在其上积分以得 出作用在该区域上的力。

设在2x*2z的矩形带中感应的电流为dl(z)，其宽度为dz。其回路几何 形状要求：

x    ＝z2w/h    (2)

在这个移动带中的感应电压为：

V(z)    ＝-dφ/dt＝-4By(z)xv

＝-8By(z)wzv/h    z＞0    (3)

其中：φ是通过矩形带的磁通量。矩形带的电阻是：

dR(z)    ＝2x/(σTdz)+2z(σTdx)

＝z(4w2+h2)/(hwσTdz)  z＞0    (4)

然后，得出

dI(z)    ＝V/dR

＝-8vBy(z)w2σTdz/(4w2+h2)z＞0    (5)

在矩形带上下两部分的向上的力总和为：

dF(z)    ＝By(z)d14x

         ＝-32B2y(z)w3σTvzdz/(h(4w2+h2))    (6)

这给出了作用在两个相邻磁极之间区域的力的总和，其大小是： $F=(32v{M}^2{W}^3\mathrm{\sigma T}/\left(h(4w^2+h^2)\right)){\int }_0^{h/4}{z\sin }^2(2\pi /h)\mathrm{dz}$ $=-(8v{M}^2{W}^3\mathrm{\sigma Th}/\left({\pi }^2({4w}^2+h^2)\right)){\int }_0^{\pi /2}{a\sin }^2\left(a\right)\mathrm{da}$

                     ＝-0.703vM2w3σhT(4w2+h2)           (7)

可以使用类似的方法计算作用在顶部磁极之上的区域的力的大小。在这 个区域磁场的减弱慢于公式(1)给出的值，因此我们假设，减弱过程为正弦曲 线且其距离为h/2而不是h/4。其结果与用公式(7)得出的结果类似，只是系 数不是0.703而是0.2685。

用牛顿表示总制动力，其结果是：

F  ＝-(0.703(N-1)+0.537)vM2w3σhT/(4w2+h2)

   ＝-0.703(N-0.236)vM2w3σhT/(4w2+h2)    (8)

可以看到，当h＝2w时，dF/dh＝0。这表明如果N是定值，磁体的 间距不受限制，那么磁极最佳垂直间距为w。

有趣的是，如果H不变，并且N和h的变化的对应关系是N＝H/h， 那么F在N很大时为常数。

制动功率P由Fv给出，并且所有的制动功率都将用于加热扁平形状的 注流。

现在计算图2的原点处的感应磁场。这可以通过分别考虑各带状回路， 然后加总计算得出。

该原点的感应磁场由下式给出：

dBy，i(0，0)＝μodI(x2+z2)0.5/(πxz)    (9) 由此推导出

By，i(0，0)＝0.000002193vMwσ(4w2+h2)    (10)

y方向的总磁场由下式给出：

By，t＝By+By，i                          (11)

沿着垂直扁平形状注流的中心线，原磁场被运动着的扁平形状注流有效 地向下拉。感应磁场理想情况是在相对磁极之间的连线上为0，在原点处(如 图2所示)为最大，且沿垂直中心线近似正弦变化。处于扁平形状注流的两侧 的感应磁场相对于中心部位来说符号相反。

公式(3)中使用的总磁场应当是By，t而不是By。然而，这几乎没有区别。

作为可产生的制动力的一个例子，我们对一下落的扁平形状钢水注流设 定了下述参数：

N＝4

V＝-2m/s

σ＝700000(欧姆·m)-1

M＝0.6泰斯拉

T＝0.01m

W＝0.11m

h＝0.22m

H＝0.44m

D＝7800kg/m3

代入公式(8)，得出F＝40.3牛顿(向上的力)，制动功率为80.7W。通过 比较，由于扁平形状注流重力的影响，制动力为-37牛顿。扁平形状注流的 恒定速度为-1.84m/s。

我们还使用网格分析技术做了进一步分析。在此技术中，采用等值电阻 器方形筛对扁平形状下落注流进行模拟，如图3所示，并且预测电流分布， 见图4。每个网格的感应电压取决于该网格的磁通量和扁平形状下落注流的 速度。将此技术应用于前述的同样的参数，表明将产生43牛顿的制动力，此 值的精确度更高，因为它没有使用矩形电路近似法。该近似法过高地估计了 图2各矩形带状回路n中的电阻，而实际电路更倾向于圆形，特别是在磁极 之间的区域中。电阻降低将导致感应电流更大，因此制动力也更大。然而， 在这样的条件下，上面给出的通用公式(8)可以用于计算作用在正弦磁场中的 扁平形状下落金属液流上的制动力。

图5和图6是根据本发明设计的磁力制动系统的示意图，该系统用于制 动通过一垂直通道11的熔融金属的下落运动，通道11可以是给浇注水口或 连铸机某些其它部件提供熔融金属的浸入式水口。通道11具有狭长的截面， 从而使在其内的下落的熔融金属12成为扁平形状。

磁力制动装置包括两套由永磁体14组成的磁体组13，其中通道11的 每侧各有一套，每套磁体组的磁体沿通道的垂直方向间隔放置，每套磁体组 的相邻磁体磁极相反，一套磁体组中的磁体与另一套磁体组中的磁体水平方 向对中且磁性相反。磁体制成长棒形式，插入到具有适当的固定结构的槽中， 以便与一对外部低碳钢板15连接，该钢板为磁场提供回路。采用这种装置， 磁体会产生非常强的磁场，该磁场在磁体之间横向伸展，如箭头16所示，垂 直穿过下落的熔融金属，并且沿垂直方向正弦变化，长度为两个完整的正弦 波。

磁体外罩有不锈钢隔热板17，安放磁体的构件可包围在双层外罩内， 这双层外罩确定了内外两个冷却室19和20，其中冷空气通过适当的入口导 管21和22及出口导管23和24进行冷却。

虽然为使制动最有效，磁场的长度最好至少有两个完整的正弦波形，然 而在一些应用中，制动系统的有效空间不容许达到此程度，而需要使用1.5 个正弦波形的磁性系统，如图7所示。

图8和图9示出具有配备有根据本发明的磁力制动装置的金属浇注系统 的双辊带坯连铸机。该连铸机包括一对水平浇铸辊21，在双辊之间形成一辊 缝22。熔融金属通过狭长的沿辊缝伸展的金属浇注水口25注入到支持在恰 在辊缝之上的浇铸辊21的浇铸表面24上的浇铸熔池23中。金属浇注水口 25从由浇包出口28向下延伸进入浇注水口的浸入式水口27直接获得来自浇 包26的熔融金属。浸入式水口27包括与浇包出口28连接的管状上部29和 沿着金属浇注水口延伸的截面大致为矩形的狭长截面的下部31，过渡部分 32将上部29和下部31连接。下部31的下端伸到金属浇注水口25的底部， 它的两个纵长边壁开有数排出口孔33，用于使金属液流流入金属浇注水口。 金属浇注水口中的熔融金属淹没了浸入式水口的底部，包括出口孔33，并通 过狭缝式出口34从金属浇注水口进入浇注熔池。其流动条件是这样的：熔池 淹没了金属浇注水口的底部，包括狭缝式出口34。

浇注熔池在辊缝的两端由一对侧堰挡板36限定，侧堰挡板36保持在挡 板保持架37中，并通过操作液压缸38将其紧压在浇铸辊的两端。通过电动 机和传动装置驱动驱动轴39进而带动浇铸辊反向转动，从而使凝固的带坯 40向下运动离开辊缝。浇铸辊的外圆周壁是铜制的，内有一系列纵向延伸且 沿圆周间隔分布的水冷通路，冷却水通过浇铸辊端部由安装在浇铸辊驱动轴 38内的供水导管提供，驱动轴38通过旋转密封装置41与供水软管39连接。

浇包26为传统结构。浇包可由吊车的轭支撑，使它可从获得熔融金属 的工位运至合适的位置并与浸入式水口的27的上部连接。浇包配备有由伺服 液压缸驱动的塞棒42，用于控制从出口28流入浸入式水口27的熔融金属 流。

根据本发明，用标号51总体标识的磁力制动装置安置在浸入式水口27 的周围，从而有效地减缓通过该水口下落的熔融金属流。磁力制动装置可具 有如前面参照图5至图8所述的结构，此结构的细节在此不需要再做描述。 只要提及磁力制动装置的两套磁体组分别在浸入式水口27的狭长截面部分 一侧放置一套就足够了。从浇包出口28流出的熔融金属最初是圆柱液流形 状，当它在狭长截面部分31内时，因受到限制而转变成具有狭长截面的扁平 形状了。磁力制动装置51的磁体产生一磁场，该磁场的磁通量横向贯穿熔融 金属扁平形状下落注流，其中磁场强度沿垂直方向正弦变化。磁力制动装置 可以是图5和图6所示类型，以使磁场在两个正弦波内变化，如果所占空间 不允许这样，那么磁场的大致形式可以是如图7所示类型，以使磁场只在1.5 个正弦波内变化。

这种装置完全可以产生这样的效果，即对流动的金属产生足够大的制 动，从而大大减缓了下落液流的速度，进而消除液流的动能，而使注流保持 稳定态流动。减缓效果可以是这样的：金属可以从浸入式水口的底部直接流 入金属浇注水口25，而不需要挡板和其它缓冲件。

通过浇注系统进入浇注熔池的熔融金属流可以只由塞棒42根据熔池的 深度测试而运动来控制。在那样情况下，浸入式水口27的尺寸必须是这样 的：即通过它的下落的熔融金属不能完全将其充满，以便随着注流的流速下 降，为保持单位时间流量恒定，使扁平形状的注流宽度扩展。然而，还可以 调节磁场，以便按照下述方法控制下落液流的速度，以保持单位时间流量恒 定，在这种情况下，可以使熔融金属将通道完全充满。

可以使用所述的连铸机进行带钢连铸。通常，浇铸辊的直径约为 500mm，辊长约1500mm，以浇铸最宽约达1500mm的带钢。钢水特别适于 本发明，因为它没有磁性但又是良导体。在一典型连铸机中，通过浇注系统 的熔融金属的流速约是2×10-3m3/s，也就是相当于约15.6kg/s。熔融金属 在进入磁力制动装置51的磁场之前的下落距离约0.5m，在这种情况下，由 于重力使其在磁场入口端的功率达到约73W，并且速度达到约3m/s。如果 浸入式水口27的全长约为1米，磁力制动系统中的永磁体提供的标称磁通密 度峰值约0.6泰斯拉，那么磁力制动系统完全可以消除超过100W的功率， 从而使熔融金属在浸入式水口出口处的速度降到2m/s以下。

虽然电磁制动装置可以降低熔融金属下落注流的动能，但是它不改变注 流单位时间流量。在一带坯连铸机中，单位时间流量主要是通过金属浇注系 统中的浇包塞棒或水口阀进行调节。在浇铸过程的各不同阶段，单位时间流 量需要变化，变化量可达2倍，如果电磁制动效应保持不变，这就有可能使 金属浇注系统中的液态金属积存。因此，有必要对制动力的大小进行调节或 动态控制。这样的控制可使系统中的液态金属液流完全充满了通道并且磁力 制动装置成为流动控制的主要方法。

在所述的磁力制动系统中，在磁体之间的空隙处产生的峰值磁通密度与 空隙的宽度有很大关系。空隙宽度的少量增加将导致峰值磁通量大幅度下 降。因此，原则上，在操作期间，可以使用任何改变空隙宽度的方法以控制 制动力，并且如果峰值磁通量改变2倍将会使制动力变化4倍。

在采用强力磁体的实际制动系统中，空隙内的吸引力是非常大的。例 如，吸引力大于二分之一公吨。因此，对于改变空隙宽度的任何机械装置都 必须能够承受这个数量级的力，并且克服它们而工作。

用于改变空隙宽度以进行磁场调节的一种合适装置示于图10。

在此装置中，由永磁体53组成的磁体组52安装在大致为U形的磁轭61 中，并通过液压致动器62与轭的外臂连接，采用这种方法，磁体组可进行整 体地相向或反向线性运动，从而使空隙67发生变化，而与此同时，通道65 始终处于空隙中部。磁轭61可采用适当的重型结构以承受磁体之间以及液压 致动器62产生的力，并且这种装置提供了一种牢固可靠地改变空隙尺寸的方 法，而不需要在液态金属周围安置任何高压的电气系统。它还保留了横穿通 道65的磁场的规律性。

图11绘出了使用如图10所示系统获得的峰值磁通密度与空隙之间关系 的典型曲线。

图12示出了另一种机械控制磁通量的方法。在这种方法中，由永磁体 53组成的两套磁体组52固定在轭73中，通过操作连接在固定构件75上的 液压致动器74可将永磁体组拉离通道65。

图13和图14示出了另外的机械控制磁通量的方法，其中两套磁体组可 以转动。在图13所示的装置中，两套磁体组作为一整体相对于通道65转动， 而图14示出两套磁体组是相对旋转，该相对旋转具有这样的效应：改变一套 磁组的磁极相对于另一套的磁极的对准。

图12、13和14示出的装置都会使磁场沿通道65宽度方向出现不规则 性，进而使通道出口的单位时间流量发生变化。这对于本发明的某些应用是 不可接受的，而图3示出的装置可能更好一些。

图15示出了改进型的制动系统，其中由永磁体83组成的两套磁体组82 与高导磁性回转体84被较小的高导磁性物体85分开，物体85被水冷铜管电 调节线圈86围绕，该组件安装在重型围绕轭87中。可以供给线圈86一大电 流(最大达1000安培)，以增大或减小永磁体在空隙88中产生的磁通量。用 这种方法，可以使永磁体的高矫顽性优势与由线圈86组成的电磁系统的可控 性相结合。试验表明，采用这种方法可以控制由NdFeB磁体构成的永磁系统 产生的磁通量增大或减小至少30％。这个数量级范围可以使制动力改变3 倍以上。

对于某些应用，永磁和电磁相结合与单纯的永磁系统或单纯的电磁系统 相比有一定的优势。由于磁通密度与磁场力之间的平方律关系，使其可具有 非常高的可控性。永磁体的矫顽性和因之而来的较高的磁通密度会因电磁系 统附加的矫顽性而进一步加强。如果供电中断，系统就会转到普通制动条件 下，这也可被设计成“防停电”式。

本发明的图示实施例和它在双辊带坯连铸中的应用仅仅是举例方式进 行了描述，而且本发明的应用领域非常广泛。例如，根据本发明的磁力制动 系统可以应用于其它金属连铸机的浸入式水口。虽然，在许多情况下产生波 动磁场仅仅使用永磁体就足够了，但是在某些情况下有必要采用电磁线圈产 生的磁通量来补充这样的磁场。这使得能够根据控制系统要求连续调节磁场 以控制流速。通过使用极高磁力的强力磁体或电磁体，根据本发明，可以减 缓下落的熔融金属注流的速度，从而使其在下落途中凝固，从而可以使用直 接自由落体浇铸技术，在该技术中金属在下落过程中从熔融注流转变成固态 带坯，转变或许在不受限制的自由落体过程中或许是在具有适当截面的通道 中以获得所要求的最终凝固产品形状。本发明还可用于浇铸铜和铝。因此， 应当认识到本发明有非常宽的应用领域，并且装置的具体形式可以根据具体 的应用进行很大的改动。