專利名稱：向?qū)щ娏黧w傳播振動(dòng)的方法及其凝固熔化金屬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及向?qū)щ娏黧w傳播振動(dòng)的方法和使用該振動(dòng)傳播方法凝固熔化金屬的方法。
背景技術(shù)：
通過向要凝固的熔化液態(tài)金屬傳入振動(dòng)可以有效地對(duì)凝固結(jié)構(gòu)和精煉進(jìn)行控制。例如，眾所周知通過向超冷液態(tài)金屬傳入機(jī)械沖擊來啟動(dòng)凝固過程。通過在凝固期間向熔化液態(tài)金屬傳入振動(dòng)來建立精細(xì)結(jié)構(gòu)和通過向熔化液態(tài)金屬提供壓縮波來推動(dòng)排氣過程的方法也是眾所周知的。
在小規(guī)模環(huán)境中，通過向裝入液態(tài)金屬的整個(gè)熔爐傳入指定的機(jī)械振動(dòng)，可以容易地向液態(tài)金屬傳入指定振動(dòng)。然而在大規(guī)模工業(yè)環(huán)境中，難以通過機(jī)械方式向整個(gè)大型熔爐傳入指定振動(dòng)。因此目前有人嘗試將磁致伸縮振蕩器或電致伸縮振蕩器放入液態(tài)金屬以便向液態(tài)金屬傳入指定振動(dòng)。還有，可以嘗試將由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的壓縮振動(dòng)波引入液態(tài)金屬以向液態(tài)金屬傳入指定振動(dòng)。
然而如果使用了這種磁致伸縮振蕩器或電致伸縮振蕩器，上述振蕩器可能在液態(tài)金屬中熔化或毀壞以致污染液態(tài)金屬。振蕩器輸出功率方面的限制也限制了傳入振動(dòng)的幅度。并且，如果使用這種壓縮波，由于增加了液態(tài)金屬和環(huán)境大氣之間的聲阻，壓縮波可能會(huì)在液態(tài)金屬與環(huán)境大氣之間的邊界上幾乎被完全反射掉，以致未被傳入液態(tài)金屬。結(jié)果，目前為止尚未開發(fā)出在大規(guī)模工業(yè)環(huán)境中向液態(tài)金屬傳播振動(dòng)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一個(gè)向液態(tài)金屬傳播振動(dòng)并且可用于大規(guī)模工業(yè)環(huán)境的新型方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明涉及一個(gè)向?qū)щ娏黧w傳播振動(dòng)的方法，該方法包括的步驟有準(zhǔn)備一種指定導(dǎo)電流體，并且向?qū)щ娏黧w提供一個(gè)指定的靜態(tài)磁場和波以滿足等式2πf/(σ/ρ)B2.....(1)(f提供的波的頻率(Hz)，σ導(dǎo)電流體的導(dǎo)電率(S/m)，ρ導(dǎo)電流體的密度(kg/m3)，B所提供的靜態(tài)磁場場強(qiáng)(T))，從而產(chǎn)生指定振動(dòng)并傳入導(dǎo)電流體。
發(fā)明人經(jīng)過大量的努力實(shí)現(xiàn)了上述目標(biāo)。他們?cè)O(shè)想的方法是，以通過向諸如液態(tài)金屬的熔化導(dǎo)電流體提供電磁力在導(dǎo)電流體中產(chǎn)生和傳播指定振動(dòng)的方式取代使用機(jī)械振動(dòng)，振蕩器或揚(yáng)聲器的傳統(tǒng)方式。
至今為止，眾所周知只有壓縮波能夠被傳播到諸如液態(tài)金屬的導(dǎo)電流體中。另一方面，電磁力產(chǎn)生的振動(dòng)是橫波。因而在本發(fā)明中，在導(dǎo)電液體內(nèi)產(chǎn)生并傳播橫波以便向?qū)щ娏黧w傳入指定振動(dòng)。如上所述，由于眾所周知只有壓縮波能夠被傳播到導(dǎo)電流體中，發(fā)明人致力研究出了產(chǎn)生并傳播源自電磁力的橫波的方法。
如果向?qū)щ娏黧w提供強(qiáng)度相對(duì)較大的靜態(tài)磁場，則所提供的靜態(tài)磁場會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生指定的磁場擾動(dòng)，并且以對(duì)流方式傳播上述擾動(dòng)。即，如果導(dǎo)電流體在靜態(tài)磁場的影響下流動(dòng)，則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流并改變所提供的靜態(tài)磁場的分布。在這種情況下，導(dǎo)電液體的流動(dòng)方式就象磁通線穿入流體質(zhì)點(diǎn)那樣。
于是發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過在上述條件下向?qū)щ娏黧w提供靜態(tài)磁場和指定的波，可以產(chǎn)生橫波并傳播到導(dǎo)電流體中。結(jié)果，通過電磁力可以在導(dǎo)電流體內(nèi)產(chǎn)生并傳播指定振動(dòng)。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)是建立在大量上述研究和開發(fā)基礎(chǔ)之上的。
根據(jù)振動(dòng)傳播方法，源自一個(gè)靜態(tài)磁場和波的指定電磁力在導(dǎo)電流體中產(chǎn)生指定的振動(dòng)。因而在沒有大型裝置的情況下可以輕易地在導(dǎo)電流體中產(chǎn)生振動(dòng)。從這個(gè)觀點(diǎn)看，本發(fā)明的傳播方法可較好地用于大規(guī)模工業(yè)環(huán)境中。
例如，本發(fā)明的傳播方法可較好地用于凝固熔化液態(tài)金屬。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明在凝固過程中向液態(tài)金屬提供指定的靜態(tài)磁場和波以滿足上述要求。在這種情況下，對(duì)凝固結(jié)構(gòu)大小的控制是不受限制的，因而可以方便地細(xì)化凝固結(jié)構(gòu)。


為了更好地理解本發(fā)明，請(qǐng)參照附圖，其中圖1是一個(gè)示意圖，其中示出了一個(gè)基于本發(fā)明的振動(dòng)傳播方法并且被用于凝固SnPb合金的裝置。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。在本發(fā)明中，需要向?qū)щ娏黧w提供指定的靜態(tài)磁場和波以便滿足上述等式(1)。僅在等式(1)被滿足的情況下波的類型和頻率才不受限制。然而在諸如液態(tài)金屬凝固的真實(shí)過程中，由于液態(tài)金屬導(dǎo)電率的范圍為105-107S/m并且液態(tài)金屬密度范圍為103-104kg/m3，通過提供強(qiáng)度介于幾個(gè)特斯拉至幾十個(gè)特斯拉之間的靜態(tài)磁場和頻率介于幾百Hz至幾千Hz之間的波來滿足等式(1)。
在這種情況下，所提供的靜態(tài)磁場導(dǎo)致產(chǎn)生指定的磁場擾動(dòng)并且在導(dǎo)電流體中對(duì)流傳播這種擾動(dòng)。即，根據(jù)對(duì)流確定磁場的擾動(dòng)。因而如上所述，產(chǎn)生源自靜態(tài)磁場的磁力和波的指定橫波并且在導(dǎo)電流體中傳播上述橫波。結(jié)果，可以在導(dǎo)電流體中產(chǎn)生源自橫波的指定振動(dòng)并且傳播上述振動(dòng)。
通過超導(dǎo)磁體可以產(chǎn)生這種靜態(tài)磁場。也可以通過指定外部AC電源產(chǎn)生這種波。即，外部AC電源的AC電場可以充當(dāng)本發(fā)明中使用的波。通過這種方式，分別利用超導(dǎo)磁體和外部AC電源可以容易地得到用于本發(fā)明并且滿足等式(1)的靜態(tài)磁場和波。
當(dāng)?shù)仁?1)被滿足時(shí)在導(dǎo)電流體中產(chǎn)生的橫波估計(jì)是Alfven波。已經(jīng)在天文物理和等離子體工程領(lǐng)域?qū)lfven波進(jìn)行了深入的研究，但在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的研究卻幾乎沒有。因而Alfven波幾乎未被用于工業(yè)領(lǐng)域。因而從Alfven波的工業(yè)利用角度考慮，本發(fā)明也是相當(dāng)重要的。
本發(fā)明的振動(dòng)傳播方法可被用于各種工業(yè)領(lǐng)域。具體地，如果使用本發(fā)明的方法凝固熔化液態(tài)金屬，則可以自由控制和細(xì)化凝固結(jié)構(gòu)。另外，該方法可被用于排氣，精煉反應(yīng)催化和固-液界面結(jié)構(gòu)控制。
例子下面詳細(xì)描述將本發(fā)明的振動(dòng)傳播例子用于凝固熔化金屬的例子。
(例子)在這個(gè)例子中使用一個(gè)如圖1所示的裝置并且熔化和凝固成份為Sn-10mol％Pb的合金(此后稱作“SnPb”合金)。在圖1所示的裝置中，使用一個(gè)圓柱形玻璃槽1(內(nèi)徑30mm，高度150 mm)，并且在槽1中放置銅制電極2-1和2-2(寬度均為10mm，厚度均為2 mm)并使其彼此相對(duì)。并且外部AC電源3被連接到電極2-1和2-2的末端。包含電極2-1和2-2的槽1被放在一個(gè)超導(dǎo)磁體(未示出)中。
熔化的SnPb合金4在槽1中被注入到120mm刻度并且接著分別將電極2-1和2-2在熔化的SnPb合金4中浸入20mm。接著從超導(dǎo)磁體(未示出)向SnPb合金4提供強(qiáng)度為10T的靜態(tài)磁場，并且從外部AC電源3向SnPb合金4提供頻率為200Hz的AC電場和100A的振幅。由于在這個(gè)例子中SnPb合金4的導(dǎo)電率為105-107S/m并且密度ρ大約為104kg/m3，上述靜態(tài)磁場和AC電場滿足上述等式(1)。在此條件下，SnPb合金4以0.1K/秒的冷卻速率凝固。
當(dāng)觀察凝固的SnPb合金的凝固結(jié)構(gòu)時(shí)，槽1的上邊和下邊上凝固結(jié)構(gòu)的大小大約為1 mm或更小。
當(dāng)位于槽1底部的傳感器測量到在熔化的SnPb合金4中傳播的波的壓力時(shí)，結(jié)果測量的壓力與外部AC電源3提供的AC電場的當(dāng)前值基本成比例。因而在上述凝固過程中，結(jié)果在熔化的SnPb合金4中產(chǎn)生指定的Alfven波并且據(jù)估計(jì)Alfven波在SnPb合金4中傳播。
(比較的例子)除了不提供靜態(tài)磁場和AC電場并且不傳播估計(jì)是Alfven波的指定波之外，以和例子相同的方式凝固熔化的SnPb合金4。當(dāng)觀察凝固的SnPb合金的凝固結(jié)構(gòu)時(shí)，凝固結(jié)構(gòu)的大小在槽1的上邊和下邊是參差不齊的。具體在槽1的下邊，凝固結(jié)構(gòu)的大小被加大到幾個(gè)mm。
盡管前面參照上述例子詳細(xì)描述了本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于前面公開的內(nèi)容，在不偏離本發(fā)明的范圍的前提下可以對(duì)其進(jìn)行各種變動(dòng)和改變。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，僅通過向?qū)щ娏黧w提供指定靜態(tài)磁場和指定電場便可以在不使用大規(guī)模復(fù)雜裝置的情況下在導(dǎo)電流體中產(chǎn)生和傳播指定振動(dòng)。因而本發(fā)明的振動(dòng)傳播方法可被用于各種領(lǐng)域，并且最好被用作熔化液態(tài)金屬的凝固結(jié)構(gòu)控制方法。
權(quán)利要求
1.向?qū)щ娏黧w傳播振動(dòng)的方法，其中包括的步驟有準(zhǔn)備指定的導(dǎo)電流體，并且向上述導(dǎo)電流體提供一個(gè)指定的靜態(tài)磁場和波以滿足等式2πf/(σ/ρ)B2..... (1)(f提供的波的頻率(Hz)，σ導(dǎo)電流體的導(dǎo)電率(S/m)，ρ導(dǎo)電流體的密度(kg/m3)，B所提供的靜態(tài)磁場場強(qiáng)(T))，從而產(chǎn)生指定振動(dòng)并傳入上述導(dǎo)電流體。
2.如權(quán)利要求1所述的傳播方法，其中上述被提供給導(dǎo)電流體的波包含一個(gè)來自外部AC電源的AC電場。
3.如權(quán)利要求1所述的傳播方法，其中所提供的上述靜態(tài)磁場導(dǎo)致產(chǎn)生指定的磁場擾動(dòng)并且在上述導(dǎo)電流體中傳播上述擾動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的傳播方法，其中在上述導(dǎo)電流體中產(chǎn)生并傳播Alfven波。
5.凝固熔化金屬的方法，其中包括的步驟有準(zhǔn)備指定的導(dǎo)電流體，并且向上述熔化金屬提供一個(gè)指定的靜態(tài)磁場和波以滿足等式2πf/(σ/ρ)B2.....(1)(f提供的波的頻率(Hz)，σ導(dǎo)電流體的導(dǎo)電率(S/m)，ρ導(dǎo)電流體的密度(kg/m3)，B所提供的靜態(tài)磁場場強(qiáng)(T))，從而產(chǎn)生指定振動(dòng)并傳入上述導(dǎo)電流體。
6.如權(quán)利要求5所述的凝固方法，其中上述被提供給熔化金屬的波包含一個(gè)來自外部AC電源的AC電場。
7.如權(quán)利要求5所述的凝固方法，其中所提供的上述靜態(tài)磁場導(dǎo)致產(chǎn)生指定的磁場擾動(dòng)并且在上述熔化金屬流體中傳播上述擾動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的凝固方法，其中在上述熔化金屬中產(chǎn)生并傳播Alfven波。
全文摘要
向?qū)щ娏黧w提供一個(gè)指定的靜態(tài)磁場和波以滿足等式:2πf/(σ/ρ)B
文檔編號(hào)B01F13/08GK1387966SQ02118398
公開日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2002年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月26日
發(fā)明者巖井一彥, 淺井滋失 申請(qǐng)人:名古屋大學(xué)