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      向?qū)щ娏黧w傳播振動的方法及其凝固熔化金屬的方法

      文檔序號:5048468閱讀:326來源:國知局
      專利名稱:向?qū)щ娏黧w傳播振動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傳播振動的方法和使用該振動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)金屬傳入振動可以有效地對凝固結(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)械沖擊來啟動凝固過程。通過在凝固期間向熔化液態(tài)金屬傳入振動來建立精細(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)金屬的整個熔爐傳入指定的機(jī)械振動,可以容易地向液態(tài)金屬傳入指定振動。然而在大規(guī)模工業(yè)環(huán)境中,難以通過機(jī)械方式向整個大型熔爐傳入指定振動。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。還有,可以嘗試將由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的壓縮振動波引入液態(tài)金屬以向液態(tài)金屬傳入指定振動。
      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)金屬傳播振動的方法。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一個向液態(tài)金屬傳播振動并且可用于大規(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)明涉及一個向?qū)щ娏黧w傳播振動的方法,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)。他們設(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)生和傳播指定振動的方式取代使用機(jī)械振動,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。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)度相對較大的靜態(tài)磁場,則所提供的靜態(tài)磁場會導(dǎo)致產(chǎn)生指定的磁場擾動,并且以對流方式傳播上述擾動。即,如果導(dǎo)電流體在靜態(tài)磁場的影響下流動,則會產(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。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)振動傳播方法,源自一個靜態(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。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。從這個觀點(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,請參照附圖,其中圖1是一個示意圖,其中示出了一個基于本發(fā)明的振動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)度介于幾個特斯拉至幾十個特斯拉之間的靜態(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)生指定的磁場擾動并且在導(dǎo)電流體中對流傳播這種擾動。即,根據(jù)對流確定磁場的擾動。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并且傳播上述振動。
      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)被滿足時在導(dǎo)電流體中產(chǎn)生的橫波估計是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)明的振動傳播例子用于凝固熔化金屬的例子。
      (例子)在這個例子中使用一個如圖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。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,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,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,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其進(jìn)行各種變動和改變。
      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。因而本發(fā)明的振動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)生指定的磁場擾動并且在上述導(dǎo)電流體中傳播上述擾動。
      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)生指定的磁場擾動并且在上述熔化金屬流體中傳播上述擾動。
      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提供一個指定的靜態(tài)磁場和波以滿足等式:2πf/(σ/ρ)B
      文檔編號B01F13/08GK1387966SQ02118398
      公開日2003年1月1日 申請日期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 申請人:名古屋大學(xué)
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