專利名稱：傳播振動(dòng)到導(dǎo)電性流體中的方法和使熔融金屬凝固的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將振動(dòng)傳播到導(dǎo)電性流體之中的方法以及使用同樣的振動(dòng)傳播方法使熔融金屬凝固的方法。
背景技術(shù)：
通過(guò)將振動(dòng)施加到待凝固的液態(tài)金屬之中，就能有效地進(jìn)行凝固結(jié)構(gòu)以及精煉的控制。例如，眾所周知，凝固過(guò)程開(kāi)始于向一種過(guò)冷的液態(tài)金屬施加機(jī)械沖擊。同樣眾所周知的是，在凝固過(guò)程中，通過(guò)向熔融的液態(tài)金屬施加振動(dòng)，就能生成精細(xì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，通過(guò)向熔融的液態(tài)金屬施加縱波，就能促進(jìn)除氣過(guò)程。
在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上，通過(guò)向盛有液態(tài)金屬的容器的整體施加一種給定的機(jī)械振動(dòng)，就能容易地向液態(tài)金屬施加一種給定的振動(dòng)。然而，在大工業(yè)的規(guī)模上，難以用機(jī)械方法使大型容器的整體發(fā)生振動(dòng)。因此，現(xiàn)在，作出將一個(gè)磁致伸縮振蕩器或一個(gè)電致伸縮振蕩器放進(jìn)液態(tài)金屬之中的嘗試，由此向液態(tài)金屬施加一種給定的振動(dòng)。還有，作出將一種由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的縱波引入到液態(tài)金屬之中的嘗試，由此向液態(tài)金屬施加一種給定的振動(dòng)。
然而，若使用這樣一種磁致伸縮振蕩器或電致伸縮振蕩器，則它可能在液態(tài)金屬中被融化或被破壞，并使液態(tài)金屬受到污染。同樣，由于振蕩器輸出功率電平的限制，使得待施加的振動(dòng)的振幅受到限制。而且，若使用這樣一種縱波，則由于介于液態(tài)金屬和環(huán)境大氣之間的聲學(xué)阻抗的增加，可能使它在介于液態(tài)金屬與環(huán)境大氣之間的交界面上差不多被全部反射而不被施加到液態(tài)金屬上。其結(jié)果是，在目前來(lái)說(shuō)，尚未開(kāi)發(fā)出一種在大工業(yè)的規(guī)模上將振動(dòng)傳播到液態(tài)金屬中去的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)就是提供一種用于在大工業(yè)的規(guī)模上，將振動(dòng)傳播到液態(tài)金屬中去的新方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明涉及一種將振動(dòng)傳播到導(dǎo)電性流體之中的方法，包括下列各步驟準(zhǔn)備一種給定的導(dǎo)電性流體，以及向所述導(dǎo)電性流體施加一個(gè)給定的磁場(chǎng)和一個(gè)給定的波，使之滿足下列關(guān)系式l⊥＞δ (1)λn＞δ (2)在所述導(dǎo)電性流體長(zhǎng)被設(shè)置為l⊥(m)，以及公式δ＝(2/σμω)1/2和λn＝2πB/ω(ρμ)1/2[σ導(dǎo)電性流體的電導(dǎo)率(S/m)，ρ導(dǎo)電性流體的密度(kg/m3)，μ導(dǎo)電性流體的導(dǎo)磁率，B磁場(chǎng)的強(qiáng)度(T)，ω波的角頻率]被定義的條件下，由此產(chǎn)生一種給定的振動(dòng)并傳播到所述導(dǎo)電性流體中去。
發(fā)明人曾經(jīng)認(rèn)真研究如何實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。隨后，他們已經(jīng)領(lǐng)悟到，通過(guò)向一種熔融的導(dǎo)電性流體，例如一種熔融金屬，施加一種電磁力，取代常規(guī)地利用一種機(jī)械振動(dòng)、一個(gè)振蕩器或一個(gè)揚(yáng)聲器，來(lái)產(chǎn)生一種給定的振動(dòng)，并在導(dǎo)電性流體中傳播。
以往，眾所周知，只有縱波才能被傳播到導(dǎo)電性流體(例如液態(tài)金屬)之中。另一方面，來(lái)源于電磁力的振動(dòng)是一種橫波。因此，在本發(fā)明中，產(chǎn)生橫波并在導(dǎo)電性流體中傳播。如上所述，由于已知只有縱波才能被傳播到導(dǎo)電性流體之中，所以本發(fā)明人曾經(jīng)認(rèn)真研究如何產(chǎn)生并傳播來(lái)源于電磁力的橫波。
若將強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)的磁場(chǎng)施加到導(dǎo)電性流體之中，則由于所施加并且隨后在對(duì)流中傳播的磁場(chǎng)，使得一個(gè)給定的磁場(chǎng)擾動(dòng)得以產(chǎn)生。這就是說(shuō)，若導(dǎo)電性流體在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，將產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此，所施加的磁場(chǎng)的分布將發(fā)生改變。在這種情況下，隨著磁力線被附著到各流體微粒上，導(dǎo)電性流體將流動(dòng)。
隨后，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在上述條件下，通過(guò)向?qū)щ娦粤黧w施加磁場(chǎng)和一種給定的波，使之能滿足一種給定的要求，就能產(chǎn)生一種橫波，并在導(dǎo)電性流體中傳播。其結(jié)果是，通過(guò)這樣的電磁力就能產(chǎn)生一種給定的振動(dòng)，并在導(dǎo)電性流體中傳播?；谏鲜龅膹V泛研究和開(kāi)發(fā)，使本發(fā)明得以實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)振動(dòng)的傳播方法，通過(guò)來(lái)源于一個(gè)磁場(chǎng)和一個(gè)波的一個(gè)給定的電磁力，在導(dǎo)電性流體中產(chǎn)生一種給定的振動(dòng)。因此，不用大規(guī)模的設(shè)備，就能容易地在導(dǎo)電性流體中產(chǎn)生振動(dòng)。根據(jù)這種觀點(diǎn)，本發(fā)明的傳播方法最適用于大規(guī)模的工業(yè)環(huán)境之中。
在本發(fā)明的的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，向?qū)щ娦粤黧w施加磁場(chǎng)和波，使之滿足關(guān)系式(3)，即l⊥＞λn。在這種情況下，就能容易地在導(dǎo)電性流體中傳播所需的波。
例如，本發(fā)明的傳播方法最適用于使熔融的液態(tài)金屬凝固。在這種情況下，在凝固的過(guò)程中，向液態(tài)金屬施加一個(gè)給定的磁場(chǎng)和一種給定的波，使之能滿足根據(jù)本發(fā)明的上述要求。在這種情況下，就能不受限制地控制凝固結(jié)構(gòu)的大小，同時(shí)也能使凝固結(jié)構(gòu)變得精細(xì)。


為了更好地理解本發(fā)明，讓我們參照下面的附圖，其中圖1是一份示意圖，表示一種根據(jù)本發(fā)明的振動(dòng)傳播方法、被用來(lái)使錫鉛合金(SnPb alloy)凝固的裝置。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。在本發(fā)明中，需要將一個(gè)給定的磁場(chǎng)和一個(gè)給定的波施加到一種導(dǎo)電性流體之中，使得上述關(guān)系式(1)和(2)得到滿足。只要滿足關(guān)系式(1)和(2)，波的種類(lèi)和波的頻率不受限制。然而在諸如液態(tài)金屬凝固那樣的實(shí)時(shí)過(guò)程中，由于液態(tài)金屬的電導(dǎo)率處于105-107S/m的范圍內(nèi)，以及液態(tài)金屬的密度處于103-104kg/m3的范圍內(nèi)，所以，通過(guò)施加一個(gè)磁場(chǎng)和一個(gè)波，就能滿足關(guān)系式(1)和(2)，上述磁場(chǎng)的強(qiáng)度處于幾個(gè)特斯拉(Tesla)到幾十特斯拉的范圍內(nèi)，上述的波的頻率處于幾百赫茲(Hz)到幾千赫茲的范圍內(nèi)。
在這種情況下，由于準(zhǔn)備施加到導(dǎo)電性流體之中并在其對(duì)流之中傳播的磁場(chǎng)的作用，產(chǎn)生一種給定的磁場(chǎng)擾動(dòng)。這就是說(shuō)，磁場(chǎng)的分布取決于對(duì)流。因此，在導(dǎo)電性流體中就產(chǎn)生一種給定的橫波并在其中傳播，該橫波來(lái)源于磁場(chǎng)的磁力和波，如上所述。其結(jié)果是，在導(dǎo)電性流體中就可能產(chǎn)生一種來(lái)源于橫波的給定的振動(dòng)并在其中傳播。
可能從一種超導(dǎo)磁體中產(chǎn)生這樣一種磁場(chǎng)。還可能從一個(gè)給定的外部交流供電中產(chǎn)生這樣一種波。這就是說(shuō)，來(lái)自外部交流供電的交流電場(chǎng)可以被用來(lái)作為準(zhǔn)備在本發(fā)明中使用的波。這樣一來(lái)，就能容易地分別從超導(dǎo)磁體和外部交流供電獲得準(zhǔn)備在本發(fā)明中使用的、并且滿足關(guān)系式(1)和(2)的磁場(chǎng)和波。
在本發(fā)明中，如上所述，希望將磁場(chǎng)和波施加到導(dǎo)電性流體之中，以便滿足上述關(guān)系式(3)。若來(lái)自超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度以及來(lái)自交流供電的波的頻率被適當(dāng)?shù)乜刂?，就能滿足上述條件。
據(jù)估計(jì)，當(dāng)滿足關(guān)系式(1)-(3)時(shí)，在導(dǎo)電性流體中傳播的橫波就是一種阿爾芬(Alfven)波。在天體物理學(xué)和等離子體工程中，人們對(duì)阿爾芬波正在進(jìn)行認(rèn)真的研究，但在工業(yè)領(lǐng)域中，尚未進(jìn)行這樣的研究。因此，阿爾芬波尚未在工業(yè)領(lǐng)域中得到利用。從阿爾芬波的工業(yè)應(yīng)用的觀點(diǎn)來(lái)看，本發(fā)明也顯得十分重要。
本發(fā)明的振動(dòng)傳播方法可以應(yīng)用于不同的工業(yè)領(lǐng)域。特別是，若本方法被應(yīng)用于一種熔融的液態(tài)金屬的凝固，則可以對(duì)凝固結(jié)構(gòu)自由地進(jìn)行控制，使之更為精細(xì)。此外，本方法還可以應(yīng)用于除氣、促進(jìn)精細(xì)反應(yīng)以及控制固態(tài)-液態(tài)交界面的結(jié)構(gòu)。
實(shí)例其次，針對(duì)一些實(shí)例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，在其中，本發(fā)明的振動(dòng)傳播方法將應(yīng)用于熔融金屬的凝固。
(實(shí)例)在這個(gè)實(shí)例中，使用如圖1所示的這樣一種裝置，并且一種含Sn-10mol％Pb組成的合金(以下稱為“錫鉛合金”)被融化，然后被凝固。在圖1所示的裝置中，使用一個(gè)由玻璃制成的圓柱形容器1(內(nèi)徑30mm，高度150mm)，用銅制成的電極2-1和2-2(每一個(gè)的寬度10mm，每一個(gè)的厚度2mm)以面對(duì)面的方式被安置在容器1之中。還有，一個(gè)外部交流電源被連接到電極2-1和2-2的端部。含有電極2-1和2-2的容器1被放置在一塊超導(dǎo)磁體(未示出)之中。
熔融的錫鉛合金4以120mm深度被盛在容器1之中，然后，電極2-1和2-2分別地被浸入熔融的錫鉛合金4之中，浸入的長(zhǎng)度各為20mm。隨后，從超導(dǎo)磁體(未示出)施加一個(gè)強(qiáng)度為8特斯拉(T)的磁場(chǎng)，同時(shí)從外部交流電源3向錫鉛合金4施加一個(gè)頻率為2000Hz、幅度為75A的交流電場(chǎng)。由于在本例中，錫鉛合金4的電導(dǎo)率處于106-107S/m的范圍內(nèi)，并且錫鉛合金4的密度ρ約為104Kg/m3，所以，由于磁場(chǎng)和交流電場(chǎng)就能滿足上述關(guān)系式(1)-(3)。在這種條件下，錫鉛合金4就按照0.1K/Sec的冷卻速率被凝固。
當(dāng)對(duì)已凝固的錫鉛合金4的凝固結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，處于容器1的上側(cè)和下側(cè)的凝固結(jié)構(gòu)的大小約為1mm或更小。
當(dāng)用一個(gè)安裝在容器1的底部的傳感器來(lái)測(cè)量在熔融的錫鉛合金4之中傳播的波的壓力時(shí)，結(jié)果是它與從外部交流電源3施加的交流電場(chǎng)的當(dāng)前數(shù)值幾乎成正比。因此，在上述凝固過(guò)程中，據(jù)估計(jì)，產(chǎn)生了給定的阿爾芬波，并且在熔融的錫鉛合金4之中傳播。
(比較的實(shí)例)除了沒(méi)有施加磁場(chǎng)和交流電場(chǎng)因而被估計(jì)為阿爾芬波的一種給定的波沒(méi)有傳播以外，熔融的錫鉛合金4以相同于上述實(shí)例的方式被凝固。當(dāng)對(duì)已凝固的錫鉛合金4的凝固結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，處于容器1的上側(cè)和下側(cè)的凝固結(jié)構(gòu)變粗。特別是，在容器1的下側(cè)，凝固結(jié)構(gòu)的大小被增大到大約幾個(gè)mm。
雖然參照于以上各實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明并不局限于以上所公開(kāi)的內(nèi)容，并且在不離開(kāi)本發(fā)明的范圍的前提下，可以作出各種變動(dòng)和修改。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在一種給定條件下，僅僅通過(guò)向一種導(dǎo)電性流體施加一個(gè)給定的磁場(chǎng)和一個(gè)給定的電場(chǎng)，就能在不使用大規(guī)模的和復(fù)雜的裝置的條件下，在導(dǎo)電性流體中產(chǎn)生一種給定的振動(dòng)并在其中傳播。因此，本發(fā)明的振動(dòng)傳播方法可以應(yīng)用于不同的工業(yè)領(lǐng)域之中，例如，最好是作為熔融的液態(tài)金屬的凝固結(jié)構(gòu)控制方法來(lái)使用。
權(quán)利要求
1.一種將振動(dòng)傳播到導(dǎo)電性流體之中的方法，包括下列各步驟準(zhǔn)備一種給定的導(dǎo)電性流體，以及向所述導(dǎo)電性流體施加一個(gè)給定的磁場(chǎng)和一個(gè)給定的波，使之滿足下列關(guān)系式l⊥＞δ(1)λ∥＞δ (2)在所述導(dǎo)電性流體長(zhǎng)被設(shè)置為l⊥(m)，以及公式δ＝(2/σμω)1/2和λ∥＝2πB/ω(ρμ)1/2(σ所述導(dǎo)電性流體的電導(dǎo)率(S/m)，ρ所述導(dǎo)電性流體的密度(kg/m3)，μ所述導(dǎo)電性流體的導(dǎo)磁率，B所述磁場(chǎng)的強(qiáng)度(T)，ω所述波的角頻率)被定義的條件下，由此產(chǎn)生一種給定的振動(dòng)并傳播到所述導(dǎo)電性流體中去。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳播方法，其中，所述磁場(chǎng)和所述波被施加到所述導(dǎo)電性流體之中，以便滿足下列關(guān)系式l⊥＞λ∥(3)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳播方法，其中，準(zhǔn)備施加到所述導(dǎo)電性流體之中的所述波包括來(lái)自外部交流電源的一個(gè)交變電場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳播方法，其中，由于準(zhǔn)備施加并在所述導(dǎo)電性流體的對(duì)流中進(jìn)行傳播的所述磁場(chǎng)，產(chǎn)生磁場(chǎng)的一種給定的擾動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳播方法，其中，產(chǎn)生一種阿爾芬Alfven波，并在所述導(dǎo)電性流體中傳播。
6.一種用于使熔融金屬凝固的方法，包括下列各步驟準(zhǔn)備一種熔融金屬，以及向所述熔融金屬施加一個(gè)給定的磁場(chǎng)和一個(gè)給定的波，使之滿足下列關(guān)系式l⊥＞δ (1)λ∥＞δ(2)在所述熔融金屬長(zhǎng)被設(shè)置為l⊥(m)，以及公式δ＝(2/σμω)1/2和λ∥＝2πB/ω(ρμ)1/2(σ所述熔融金屬的電導(dǎo)率(S/m)，ρ所述熔融金屬的密度(kg/m3)，μ所述熔融金屬的導(dǎo)磁率，B所述磁場(chǎng)的強(qiáng)度(T)，ω所述波的角頻率)被定義的條件下，由此產(chǎn)生一種給定的振動(dòng)，并傳播到所述熔融金屬中去。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的凝固方法，其中，所述磁場(chǎng)和所述波被施加到所述熔融金屬之中，以便滿足下列關(guān)系式l⊥＞λ∥(3)
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的凝固方法，其中，準(zhǔn)備施加到所述熔融金屬之中的所述波包括來(lái)自外部交流電源的一個(gè)交變電場(chǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的凝固方法，其中，由于準(zhǔn)備施加并在所述熔融金屬的對(duì)流中進(jìn)行傳播的所述磁場(chǎng)，產(chǎn)生磁場(chǎng)的一種給定的擾動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的凝固方法，其中，產(chǎn)生一種阿爾芬Alfven波，并在所述熔融金屬中傳播。
全文摘要
向一種導(dǎo)電性流體施加一個(gè)給定的磁場(chǎng)和一個(gè)給定的波，使之滿足下列關(guān)系式l
文檔編號(hào)H02K44/00GK1575890SQ03145380
公開(kāi)日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2003年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月8日
發(fā)明者巖井一彥, 淺井滋生, 萊恩·莫利尤 申請(qǐng)人:名古屋大學(xué)