导电连续介质上电磁影响的系统和方法

专利名称：导电连续介质上电磁影响的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及导电介质上的电磁强制冲击方法，并且尤其涉及可应用于冶金过程的深强化的方法。
背景技术：
利用转动的、移动的或螺旋移动的磁场强制影响导电介质的方法是周知的并且足够广泛地用于强化各种冶金过程，例如熔化、合金化、有害杂质净化、连续金属锭的结晶以及铸造等等。但是，通过利用本提出的方法可以明显提高利用这些已知方法得到的冶金过程等级以及最终产品质量。
早就知道利用转动或移动磁场控制连续固定金属锭以及铸锭的晶体结构的方法(以下专利Kürt(德国专利307 225号，1917)，Jungans和Schaber(FRG专利911 425号，1954)，Pestel等(美国专利2,963,758号，1960)，它们各整体上收录作为参考资料)。该领域中积累的试验材料表明，施加转动的或者移动的磁场消除掉浇注产品的柱状结构并且能生产带有等轴细粒密集结构的金属锭和铸锭，这种结构正面影响它们的机械性质。但是，常规方法得到的液态金属中的湍流等级限制了在冶金过程中施加磁流体动力学(MHD)效应的范围。
从而，明显提高MHD方法在结晶过程熔体上的影响的有效性是一个相当迫切的问题。
在相关领域中，在为该目的建立的设施中存在一种已知的在由未调制三相电流激励的转动磁场中连续处理铸铁熔体的方法。这些设施是按带有接收漏斗和浇包嘴的斜槽的形式构建的，在其周围设置在熔体中激励RMF的显极电感。
该设施中利用苏打灰和镁粉作为脱硫剂时得到的最大脱硫率约为每秒相对10％，而当去掉硫后约为50％。当该设施达到每小时约为120吨的生产率时，电能消耗约为每吨2千瓦时。
尽管这种设施达到相对好的技术结果，其绝对脱硫深度相对低。并且由于在该设施中不能施加足够厚的衬套热损失非常高。
在另一个相关领域中，在典型槽式感应炉中，位于炉身上的熔体主要在热对流消耗下搅拌，因为和炉身的熔体相比槽中的熔体总是过热的。另外，在炉身的上部，出现指向炉身的并且和感应电流密度场的不均匀性有关的某种压力梯度。在炉身中熔体搅拌强度是低的，这增加使熔体温度均匀以及炉中成分均匀所需的时间，并且阻碍通过提高炉身高度增加炉的容量。希望提高熔体搅拌强度以减小处理熔体所需的时间。

发明内容
从而本发明的一个目的是一种利用一个或多个通过m相振幅、频率和相位调制电流系统(或者通过上述调整类型的各种组合下的电流)激励的螺旋行进磁场控制类铁或有色金属的连续、固定锭或铸锭的晶体结构的方法。如下面评估展示那样，在某组调制参数选择下，电磁体力(“EMBF”)场的不固定分量(即，时间相关的)大大高于其固定分量(即时间无关的)，由于湍流强度的增加和常规方法相比这能更有效地搅拌金属锭和铸锭的液芯。另外，在某种调制参数组合下，EMBF可以按周期脉冲方式随时间变化，这确保金属锭和铸锭的细密等轴晶体结构。应用带有三个或更多的可控参数的螺旋行进磁场能精细地控制螺旋行进磁场对晶体熔体的力效应，从而对每种情况提供最优铸造技术。
电动力学评估显示，应用依据本发明的频率以及振幅调制的RMF，和不调制RMF相比其电子体力的峰值按不成比例的高于为建立该调制MHD所用的附加能量的比率增加。该EMBF峰值的提高是因为依据本发明的EMBF场的不固定分量包含高频谐波，这些谐波激励增强热和物质传递的小型涡流。从而，如试验表明那样，应用按本方法调制的磁场提高铸锭的密度和硬度。过程可控参数，例如振动幅调制的深度和频率、频率调制的偏移和频率、力影响持续时间等，的数量增加进一步为结晶过程以及生产带有各种特定情况下的技术要求的晶体结构的金属锭和铸锭提供更灵活的控制。
本发明还提出一种炉外合金化类铁金属熔体流中的液态金属以净化有害杂质的方法以及一种实现该方法的设备，其能明显地在尺寸较小的设备中在低功率感应器下提高熔体搅拌的强度，并且同时增加衬套厚度和降低热损失。
为了实现这些优点，对该设备中的感应器绕组施加频率以及振幅调制的电流以激励螺旋移动的调制磁场，这进而对槽中流动的熔体激励镜反射调制电流。这些电流和磁场的交互作用产生电磁体力，这些电磁体力在各周期内的固定分量超过未调制磁场激励的EMBF的固定分量，并且电磁体力的不固定分量激励小型涡旋结构，这提高湍流强度。从而，明显提高熔体和合金添加剂或者和用来去掉有害杂质的试剂的搅拌强度。
为了实现该方法，可以通过改变感应器的设计实现该设备设计上的主要改变。可以把这些感应器设计成在800-900℃范围的温度上工作。这种在这样的温度下工作的能力例如允许把感应器安装在该设施的衬套里。为此，本发明的方法从带有代表铁粉或钴粉的填充剂的所谓的代表耐熔材料的铁陶瓷(例如，耐火粘土，菱镁土，彩色菱镁土或高温混凝土)构成感应器的磁路。粉粒的尺寸例如可为1mm，而该耐熔材料中的粉末含量可取决于所使用的耐熔材料的类型。在充分搅拌后，以形状取决于特定炉的设计的各个基元的形式产生该材料，并且接着退火该材料。在该填充剂的居里温度之下，该材料保持它的磁性、不导电、传热率足够低，从而可以同时用作为感应器的磁路和该设备的衬套。
RMF感应器的这种设计能把RMF源设置成最大地靠近熔体并且降低感应器所需的功能。由于感应器线圈地位于高温区，它们的设计也大大不同于冶金技术中常规应用的感应器线圈。
本发明提出的强化槽式感应炉的技术过程的方法以及对炉设计引入的改变对技术设备的改进做出重要贡献。
本发明的另一个目的是提供一种强化炉中的熔体的搅拌的方法，其中m相炉变压器的初级绕组中的电流按时间函数中的周期同步地或共相地频率以及振幅调制。如下面评估示出那样，在对调制参数组的某种选择下，熔体上的MHD力效应增加到比调制消耗的能量更大的程度，这使感应式槽炉的槽中的熔体温度均匀化。另外，炉身中包含的熔体受通过本发明的方法调制的行进(转动)磁场的影响，这使感应炉和电弧炉的炉身中的熔体温度和化学成分均匀化。还提出带有建立在衬套中的并且用来实现所述MHD效应的感应器的感应炉和电弧炉的设计。
本发明的一个目的是提供一种利用通过时间上周期性地和谐地或非和谐地改变的m相螺旋电流系统激励的螺旋行进(尤其，转动并轴向行进)的磁场强制影响导电介质的方法，其中电流共相地或同步地放大并且通过周期性的时间函数分层地频率和振幅调制。
本发明的再一个目的是，在对电流的某种选择下，和非调制磁场激励的稳定和不稳定EMBF分量相比，几十倍地提高调制振幅、频率以及BMEF的不稳定分量。EMBF的波包包含更多的频率分量，从而介质的电磁响应可以是高非线性的。这种力场在液态介质上的影响造成介质温度和浓度的快速的和深的均匀化。在能效上该方法比常规方法更有益并且可以利用用来激励这种场的标准电系统实现。


图1和2示出超波状波现象。
图3示出无量纲时间上无量纲频率和振幅调制EMBF的振幅依从关系(以下数值只说明该图中描述的曲线示范实施例ω1＝1；ω2＝7；ε1＝0.1；ε2＝0.6；r＝0.5；p＝1；γ＝0)曲线1对应频率和振幅调制RMF；而曲线2对应不调制RMF。
图4示出没有调制下无量级时间上无量纲EMBF的振幅依从关系(以下数值只说明该图中描述的曲线示范实施例r＝0.5；p＝1)曲线1对应频率和振幅调制RFM；而曲线2对应不调制BMF。
图4A是依据本发明的炉的侧剖面图。
图5是用于类铁金属的连续精炼或合金化的磁流体动力学设施的第一型的垂直纵向剖面。
图6是沿图5的线6-6取的用于类铁金属的连续精炼或合金化的MHD设施的第一型的垂直横向剖面。
图7是用于类铁金属的连续精炼或合金化的MHD设施的第二型的垂直纵向剖面，其中磁路的背面可以用叠层电工钢做成。
图8是沿图7的线8-8取的用于类铁金属的连续精炼或合金化的MHD设施的第二型的垂直横向剖面。
图9是图5和6的设施的感应器线圈设计的第一型式，其在四分之一切去的等角投影下示出。
图10是图7和8中示出的设施的感应器线圈设计的第二型式，其在四分之一切去的等角投影下示出。
图11是带有激励RMF的第一实施例感应器的单相单槽感应炉的垂直剖面。
图12是从图11的线12-12取的带有图11的激励RMF的第一实施例感应器的单相单槽感应炉的水平剖面。
图13是带有激励RMF的第二实施例感应器的单相单槽感应炉的垂直剖面。
图14是从图13的线14-14取的带有图13的激励RMF的第二实施例感应器的单相单槽感应炉的水平剖面。
图15是图11的单相单槽感应炉的垂直剖面，该炉带有延长的炉身并且带有用来激励螺旋行进磁场的三相感应器。
图16是带有RMF感应器的电弧炉的高容量熔体室的垂直剖面。
图17是从图16的线17-17取的带有图16的RMF感应器的电弧炉的高容量熔体室的水平剖面。
图18示意表示激励螺旋行进磁场的m相螺旋电流系统。
图19示意表示激励RMF的m相轴向电流系统。
图20示意表示激励轴向移动磁场的m相环形电流系统。
图21示出无量纲时间上无量纲EMBF的振幅依从关系曲线1对应频率和振幅调制的RMF；图2对应不调制RMF。
图22示出不存在超波时不同平均流速下湍流规则波能量密度对频率的依从关系。
图23示出存在超波的流速下湍流能量密度对频率的依从关系。
图24示出平均湍流流速和磁场角速度的比率对依据MHD过程参数建立的通用准则的依从关系。
图25示出和超波关联的熔化率对熔化质量增加的依从关系1-存在超波；2-不存在超波。
图26示出金属锭密度对离金属锭中心线的距离的依从关系1-存在超波；2-不存在超波。
具体实施例方式
引言本文包括一种在冶金业、铸造业和化工业中加快技术处理并且改进产品质量的方法。该方法基于通过施加追随超波波型的移动磁场强化技术处理尤基于强化搅拌，该波型依据Irving I.Darkik在“TheGreat Law of the Universe”一文的新理论中描述的超波型活动，该文发布在“Cycles”杂志的1994年3月/4月期(V.44，No.5)中。另参阅Irving I.Dardik在“Cycles”杂志的V.45，No.3，1995一期中发表的文章“The Law of Waves”以及他在网站www.dardikinstitute.org，2002上发表的“SuperwavesThe Realitythat is Existence”。这些文章各自整体收录作为参考资料。
如Dardik的文章中指出那样，科学上普遍接受自然界中所有事物是由原子构成的，原子在永恒运动中动来动去，当原子距离很小时它们彼此吸引并且一旦挤到另一个中时彼此排斥。截然相反，Dardik的假设是宇宙中的所有事物是由波构成的，波的活动称为“超波动”。超波动引起并且是运动中的物质(即，二个改变同时定义物质-空间-时间)。
从而本质上，波的频率以及振幅的改变不是独立的和彼此不同的，而且彼此并发地，同时代表二个不同的层次。波频率的任何增加为其中含有较小的波并且含有变化的频率的所有波建立新的波型，并且不能在没有另一者的情况下存在。
每个波必然含有较小的波并且包含在更大的波中。这样每个高振幅低频率主波由许多频率更高的低振幅小波调制。超波动是波正在另一个波内波动的过程，最好和另一个波共享分位数关系。
图1(从Dardik的文章中改编)示意说明超波动波现象。图1描述低频主波11例如由小波12和13调制。小波12和13递增地具有较高的频率(和主波11相比)。其它频率甚至更高的小波可调制主波，但是为了简明没有示出。图2中在时域下描述相同的超波动波现象。
这种波波动的新原理表明波频率和波强度(振幅平方)是同时存在的和连续的。二种不同类型的能量(即，波携带的和其频率成比例的能量以及和其强度成比例的能量)也是同时存在的和连续的、从而能量是波动的波或者“波/能量”。
可以利用电动力学和流动力学方程以及一些试验磁流体动力学中建立的经验结论研究该现象。由此，预料冶金业、铸造业和化工业中对超波的研究结果会总体地促进我们对超波现象的理解。
在发达国家中冶金业、铸造业和化工业处于能耗最多的工业分支之中。从而，例如，电弧炉中生产合金钢的电能消耗约为400-500千瓦小时/吨(该数字只和钢的生产过程相关，不包括铸铁生产和轧钢中消耗的电能)。电阻炉中生产一吨镁合金以及槽式感应炉中生产一吨铜合金消耗的电能也接近约400千瓦小时。
为了生产高品质钢，浇注期间彻底搅拌熔化的金属是非常重要的。如后面说明那样，通过带有振幅和频率调制的非线性超波引入搅拌力强化了搅拌并且同时还明显减小电能消耗，从而明显提高经济效益。
下面的简单计算可以给出潜在节约的总概念。在美国电能的定价相当复杂。不同的州电价不同。它还非常取决于能量消耗的峰值，平均上电价约为至少15美分/千瓦小时。这样，上述400-500千瓦小时/吨的成本为每吨金属的60-75美元。生产钢板和型钢的总成本约为300美元/吨。这得出炉中生产钢消耗的电能成本(即可以通过用来搅拌的超波明显降低的开销份额)在冶金生产总成本的约20-25％的范围内。
生产、处理熔体或电解溶液的冶金厂和化工厂的生产率是由熔化过程速率或者添加到熔体或溶液中的试剂的溶解过程速率以及熔体或电解溶液中的化学反应速率决定的。其它条件相等下，上述过程的速率取决于技术设备中搅拌熔体(或溶液)的强度。该因素还决定结晶过程中熔体的结构以及连续、稳定金属锭和铸锭的生产，并且从而决定它们的机械性质。搅拌熔体和溶液的强度是决定冶金和化工设备的生产率、生产金属制品和各种化工材料的能耗以及它们的质量的主要因素。
从而，在冶金业、铸造业和化工业中注意搅拌强度看起来是相当自然的。对转动MHD流的湍流的平均速度的估计表明，该速度正比于电磁体力振幅的平方根，而其进而正比于滑差(即，正比于差值ω/p-Ω其中ω/p是RMF转动的角速度，p是极对数量，而Ω是熔体转动的角速度)。这样，通过下述来自E.Golbraikh，A.kapusta和B.Mikhailovich的“Semiempirical Model of Turbulent Rotating MHDFlows”at the Proc.5th Internal.PAMIR Conf.，Ramatuelle，France，Septermber 16-20，2002，I-227-I-230(该文也整体收录作为参考)中的简单表达式确定湍流准固态芯转动的平均角速度Ω≈(Q/2)(√1+4/Q-1)ω， (2)其中Q＝Ha2·δz/Reω·Co；这里Ha=BoRoσ/η;]]>δz＝Zo/Ro；Zo为熔体高度；Ro是含有熔体的容体的半径；Reω＝ωRo2/ν；ν是熔体的动粘度；σ是熔体的导电率；而Co＝0.018是一个经验常数。
超波调制磁场对钢生产的影响的评估使熔体或电解溶液的温度以及它们的湍流搅拌混合完全均匀所需的时间和液体转动角速度成反比。这样，当转速约增加1.5倍时，均匀化时间按相同的比率减小。由于均匀化时间约占总浇注时间的50％，这允许在电炉中减少约20％的熔化持续时间，并且对于炉外处理约50％地加快MHD设施中的脱硫和脱磷。
因于MHD搅拌设施的功率通常约占炉变压器功率的1-1.5％，熔化持续时间的减小特别明显地节约电能。电弧炉中熔化持续时间1.5倍的减小把电能比耗下降到270-330千瓦小时/吨(即电能比耗节约约达130-170千瓦小时/吨，从而20-26美元/吨)。
在金属锭(铸锭)结晶过程中应用超波调制磁场的效果的评估如整体收录作为本文的参考的Pestel等的美国专利2,963,758中论证那样，在如下条件下达到钢锭的最优结晶结构ωB2R2≈5×10-3-11.3×10-3T2m2/s (3)其中ω是磁场转动角速度，弧度/秒；B是磁感T；而R是液体凹坑(crater)半径，米。这样，磁感的必要值为B～0.04-0.06T.(4)连续浇注设施(“CCF”)上安装的感应器在熔体中产生磁场。转动(移动)磁场感应电流，电流和所述磁场的交互作用造成出现影响熔体的电磁力。取决于CCF类型和生产率，在电能比耗下感应器的额定功率约为150-300千瓦(即约10-12千瓦小时/吨)。当采用振幅和频率调制电流时，在类似感应器功率下，明显加快金属锭的结晶过程，这提高CCF的生产率。另外，还改进浇注金属的强度特性并降低气孔率。
另外，如初步试验已示出那样，当采用振幅和频率调制电流时，电磁场在熔体上的力作用性质明显改变，这是因为EMBF和EMBF均值的增加(这加大平均流率)共同促成引起熔体振动的强脉冲。这些因素的组合作用导致明显改进连续锭的质量。
化工技术上超波调制磁场的潜在应用在化工业中，为了加强热和物质的交换并且加速化学反应进行搅拌。为了搅拌液体，作为一种规律，应用涡轮式和叶轮式搅拌器。在这种情况下，通过循环和湍流扩散完成搅拌阶段浓度和温度的均化。利用可从Tatterson，G.B.，Calabrese，R.V.和Penney，W.R的“Industrial Mixing TechnologyChemical and BiologicalApplication”，AI Chem.Engng.Publ.1994(其整体收录作为参考)中得到的下述公式对带有机械搅拌器的设备进行湍流方式下总均匀化时间τ的近似计算τ≈5V/nd3，(5)其中V是设备体积，单位立方米；n是搅拌器转数；而d是它的直径。
无量纲EMBF对相对频率(这里ω＝μoσwRo2)的依从关系表明，对于非常小的ω值EMBF可忽略的小。
在直径1米的容器中当施加频率ω＝314弧度/秒的RMF时强电解溶液的ω的振幅约为0.001。0.4米半径下相对EMBF值等于f＝ωr/2～0.0002。从而，当把电解液(例如硫酸)放在磁感约为0.07T的足够强的RMF中时未观察到转动，从而低频电流激励的RMF实际上不影响电解溶液。但是，如果感性地把电流密度转动场引到电解液中，该场和RMP的交互作用可以激励足够强的EMBF场以在高角速度下转动电解液。BMF和电流密度场调制明显提高电磁搅拌部件的效率，当制造例如浓缩酸和碱的腐蚀性物质时可在化工业中有益地应用这种调制以替代常规应用的机械搅拌器。
频率和振幅超波调制磁场的力影响的物理机制现在说明通过绕带有感应液体的容器的轴按固定角速度转动和永久磁铁激励的非调制RMF的力影响。对不运动液体按相同角速度转动的磁场B在该感应液体中激励以同样速度转动的轴向电流。感应电流和磁场的交互作用产生和磁铁转动对齐的EMBF。这些力具有固定分量和不固定分量，后者按二倍频率2ω和与固定分量相等的振幅周期地变化。在这些力的作用下，液体按某个角速度Ω＜ω开始转动，其中感应电流的密度和滑差即(ω-Ω)成正比。
如果磁铁的角速度不是固定的(即，它随时间周期改变)，该附加运动感应附加电流，后者和调制磁场的交互作用产生作用在液体上的附加力。作为这种影响的后果，液体转动的平均角速度增大并且出现二维振动，这自动地搅拌液体。当然，如果磁铁转动角速度是不固定的，需要一定量的附加功以实现它在相同主要速度ω下的转动。
按如下实现该提出的方法。
要把熔体浇在其中的模子置于m相感应器的非磁空隙中，并对感应器的绕组施加通过所述方法调制的电流。这些电流在熔体中产生螺旋移动(具体地，转动并且轴向移动)的频率和振幅调制的磁场，该磁场转而在熔体中感应通过所述方法调制的m相电流系统。
在一般情况下，作为所述电流和磁场的交互作用的结果，出现三维EMBF场，该场m每个分量由一个恒分量和一组带有不同振幅、频率和初始相位的复杂脉动和振荡构成。
图3中示出无量纲EMBF的方位分量的振幅对无量纲时间的依从关系，其中，1-由振幅和频率调制电流激励；2-不存在调制。图4中示出无量纲EMBF振幅的径向分量对无量纲时间的依从关系，其中，1-由振幅和频率调制电流激励；2-不存在调制。
在该EMBF场的作用下，在熔体中并且自然地在结晶前沿附近保持空间结构复杂并带有其频率取决于EMBF场的频谱的强制振荡的湍流。依据本发明该流能完全抑制柱晶体的生成，从而在这种状态下固化的金属锭(铸锭)优选地具有等轴、细粒密集结构。
在连续浇注设备中，m相感应器可以放在结晶器的下方(见图4A)(钢浇注情况下)或者构建在结晶器中。在本发明的优选实施例中，浇注模具应用把磁场屏蔽在最小范围内的材料做成。
图5和6中示出的提议设施包括带有接收漏斗22的衬槽21、浇包嘴23、用于试剂的注入斗24以及机座25。在槽的衬里内设置带有用铁陶瓷做成的磁路27以及线圈28(参见例如图9和10)的感应器，线圈28以带有螺旋管道29的陶瓷盒为形式，管道29中填着液态金属，该金属的熔化温度远远低于要处理的熔体的熔化温度但是其沸腾温度大大高于要处理的熔体的沸腾温度(例如锡可以充当这种金属)。一个为管状而另一个实心的电极30用于把电流提供到线圈中并用于把金属灌到管道29。
图7和8示出该设施的第二种设计形式，其包括衬槽21’，其中用铁陶瓷做成的极26’设置在炉的衬里中，而磁路的基座27’用叠层电工钢板做成并固定在炉套23’上的环形槽中。通过陶瓷管31’保护磁路的磁极26’避开熔体，管31’的厚度优选选择成使该管的外表面温度不超过铁陶瓷的居里温度。
该提议的设施按如下操作。可以从浇包鼓风炉或冲天炉把液态金属提供到漏斗。从注入斗24连续提供必要的试剂。熔体流过槽21，在槽中熔体受依据本发明的EMBF的影响，这强烈地使熔体和试剂混合。处理过的熔体连续地排到浇包中。在用某些试剂(苏打，石灰或镁粉)提供熔体下，这些试剂也熔化并形成富化着有害杂质的渣，在从浇包排出金属前从熔体去掉渣。
这样，提供一种在由m相振幅和频率调制电流系统激励的螺旋移动(即，螺旋式运动下的移动从而使熔体转动并且同时沿槽21的纵轴轴向移动)磁场的作用下炉外连续合金化或者对有害杂质纯化类铁金属熔体的方法，其中振幅调制深度以及频率调制偏移沿着长衬管的轴变化。评估示出，在此情况下电磁体力的峰值高于不存在调制时峰值，这保证强的熔体搅拌、缩短温度和成分总均匀化所需的时间并且明显加快合金添加剂的溶解以及把有害杂质排到渣中的化学反应的速率。还提供一种实现所述用于高温熔体的方法的设施的设计。
另一个依据本发明提议的方法涉及熔化和熔体搅拌过程的强化。本发明的该方法能在炉身中明显提高熔体搅拌强度、缩短熔化时间并且由于加强金属和渣的边界处的反应可改进金属和合金的品质。另外，该方法能在不提供炉变压器的功率借助炉身高度的增加加大槽式反应炉的容量。
尽管RMF激励需要附加的能耗，熔化时间的明显缩短(例如20％)会明显减少槽式感应炉中生产金属和合金的能耗。作为一个规律，当今的电弧炉装有一家瑞典公司ASEA制造的电弧定子，它们安装在炉底的下方。根据炉的容量把频率约0.35-1.50赫的电流馈到定子绕组上。定子功率通常约占炉变压器功率的2％并且对于大体积炉可达到0.5MVA。
本发明提出的在带有新颖设计的RMF感应器的电弧炉中强化熔化以及熔体搅拌的方法能减少熔体搅拌所需的电能消耗并且明显加强熔化过程，这进而导致熔化时间的缩短、炉输出的增加、电能消耗的减少并且减少金属耗损。
该RMF感应器的设计和冶金及铸造上采用的周知设计明显不同。为此，本发明的一种方法用带有铁粉或钴粉填充剂的代表耐熔材料的铁陶瓷(例如，耐火粘土，菱镁土，彩色菱镁土或高温混凝土)构成感应器的磁路。粉粒的尺寸例如可为1mm，而该耐熔材料中的粉末含量可取决于所使用的耐熔材料的类型。在充分搅拌后，以形状取决于特定炉的设计的各个基元的形式产生该材料，并且接着退火该材料。在该填充剂的居里温度之下，该材料保持它的磁性、不导电并且传热率足够低，从而可以同时充当磁路感应器和该设施的衬套。RMF感应器的这种设计能把RMF源设置成最大地靠近熔体并且降低感应器所需的功率。另外，这种设计明显减小液态金属和感应器之间的非磁间隙的大小从而排除炉套造成的磁场减弱。由于感应器线圈也位于高温区，它们的设计也大大不同于冶金技术中常规应用的感应器线圈。
本发明提出的强化槽式感应炉的技术过程的方法以及在炉设计中引入的改变对技术设备的改进做出重要贡献。
作为例子，附图示出带有提议的结构改变以便提供本发明的上述优点的单相单槽感应炉。
图11和12示出本发明的炉的第一实施例的垂直剖面和水平剖面。该炉包括衬身41。槽段42、炉变压器43、该变压器的初级绕组44、槽45以及机座46。用铁陶瓷件做成的磁路47建立在炉身41的衬套中。以带有螺旋管道(例如图9和10的管道29)的陶瓷盒的形式做成的线圈48连接到炉身41的磁极上。管道29填充着液态金属，该金属的熔化温度大大低于炉内的熔体的温度并且它的沸腾温度大大高于熔体的沸腾温度(例如锡可以充当这种金属)。
在温度相对低的线圈48的底部引入图9中的固态电极30，一个电极是管状的而另一个电极是实心的，通过这些电极对液态金属绕组施加电流，并把金属灌到槽29中。通过衬层51使磁路47的磁极和熔体隔开，其厚度选择成使层51外表面上的温度低于铁陶瓷的居里温度。
图13和14示出本发明的第二实施例的炉，其中用铁陶瓷做成的磁极47c以及线圈48’都设置在炉衬中，而RMF感应器的磁路的底部47b是用叠层变压器钢做成的并且固定在炉套上。
图15表示图11和12示出的本发明的第一实施例的炉带有延长的炉身和三相感应器。根据这些设置在垂直和水平中的线圈的相位的改变，这种感应器可以激励螺旋磁场RMF或沿着炉轴移动的磁场。对这样的场振幅和频率调制情况下，螺旋、转动或垂直流各自的平均速度以及保持熔体的强制高强湍流谱的脉动速度分量都明显增加(最好至少一个量级)。从而，会缩短体积足够大的炉中的熔化时间(例如20％)。
当馈入炉变压器的初级绕组的电流调制下，槽内的电流也可以被频率和振幅调制。这些电流和固有磁场交互作用导致出现附加、不固定的旋转EMBF场，其使槽中的流产生湍流并且强化和炉身中的金属的热交换。另外，在炉变压器功率的某种程度增加的代价下还增加槽中焦耳热的释放。
图16和17示出本发明的一种电弧炉的高容量(例如200吨容量)熔化室，其包括钢套61a、圆柱部分衬套62a、底部衬套63a和炉顶64a。在底部衬套63a中嵌入用含有钴填充剂的铁陶瓷做成的带有底部65a和磁极66a的m相RMF感应器。该陶瓷的居里温度例如为1000℃。线圈67a的设计可以和上面说明的用于槽式炉感应器的线圈28(图9)的设计相同。由于铁陶瓷传热率低，并且这些线圈可以例如在300-400℃范围的温度上工作，该感应器的磁极可最大地靠近熔体，从而能明显降低感应器的功率并且使用频率和振幅调制电流。
还提供一种利用由时间上和谐地或非和谐地周期改变的m相螺旋(尤其轴向地或者其它地方位上地)电流系统激励的螺旋移动(尤其转动的和轴向移动的)磁场强制影响导电介质的方法，其中这些电流是同相的或者同步的并通过时间周期函数放大及分层地频率和振幅调制。在对电流调制振幅和频率的某种选择下，和由不调制磁场激励的固定和不固定EMBF分量相比，EMBF不固定分量的振幅最好几十倍地增大。该EMBF波包包括更多的频率分量，并且从而该介质的电磁响应可以是高非线性的。这种力场在液体介质上的影响造成介质温度和浓度的快速和深刻均匀化。该方法能量上比已知方法更有效并且可以利用激励这种场的标准电系统实现。
该提出的强制影响的方法一个量级地提高搅拌效率。并且由此确保熔体更深、更快的均匀化。作为例子，数学上按如下确定所述振幅和频率调制RMF作用下导电圆柱中的电动过程。
在圆柱坐标r、、z系统下利用通过比率B＝rotA和感应关联的磁感应矢势描述这些过程是方便的。在此情况下，电流密度的轴向分量为 而感应的径向和方位角分量为 EMBF的方位角分量确定为f＝Rejz·ReBr， (8)并且径向分量确定为fr＝-Rejz·ReB(9)Re是复变量的实部。
矢势AZ由下式描述 其中 V是介质速度；μ0＝4π10-7Hn/m是真空的磁导率；σ是介质的导电率；而t是时间。
在下述边界条件下求解式(10) 其中NI是线性电流负载；ω2(t)＝ω2[1+ε1sin(ω1t+γ)]；而p是极对数量。
利用矢势、时间、坐标r和角φ的特征值A0＝μ0NIR0，T0＝2π/Ω0，R0，0＝2π，问题(10)，(11)变成无量纲的，并在条件V＝0下得到 其中 是相对频率； az是该无量纲矢势的z分量；τ是无量纲时间；并且以下r是无量纲坐标。
可以在用无量纲参照频率＝1叠加RMF并且调制RMFaz＝az1+ε2az2.(13)的形式下逼近问题(12)的解。
把(13)代入(12)中，得到 问题(14)、(15)具有显解 其中 Jp(xτ)是复域中的一阶类型的贝塞尔函数。
通常把az1写成如下形式az1＝(a11+ia12)(cos2πφ1+isin2πφ1)，(18)其中，φ1＝τ-p，aik＝aik(r)问题(14)、(16)具有半解析解，并且可把az2写成az2＝(a21+ia22)(cos2πφ2+isin2πφ2)，(19)其中 a21=Re[Σn=1∞α2n(τ)J2p(βnr)-θr2p2p],]]>a22=Im[Σn=1∞α2n(τ)J2p(βnr)-θr2p2p],]]>α2n(τ)=χ2n+Cn*e-τ,]]>Cn*=1pβnJ2n+1(βn)(βn2-4p2)J2p2(βn),]]>χ2n=Σ1=∞∞k2n1e2nπ1τ,]]> Im是复函数的虚部，显然， Rebrγ=Pr{a11sin2πφ1+a12cos2πφ1+2ϵ2(a21sin2πφ2+a22cos2πφ2)},---(21)]]> 其中a·ik=∂aik∂τ;a·′ik=∂aik∂r]]>EMBF的方位角分量是
其中 EMBF的径向分量是 式(21)和(22)中前四项描述不调制基准BMF的强制影响。正比于ε22的项描述BMF调制部分的强制影响，而正比于ε2的项描述由于RMF的调制和不调制部分之间的交互作用产生的EMBF振荡和波。显然，振幅和频率调制对EMBF固定分量的大小的增加大于一个量级，这增加介质的平均转动速度并且在方位角以及径向方向上添加频率和初始相位不同的四个EMBF波和二个振荡，这附加地强化介质搅拌。
上面的分析完全考虑在导电圆柱(液态或固态)的横向表面附近电流和磁场衰减现象，即所谓的趋肤效应，在振幅和频率调制电流产生的EMBF的大小和空间分布上的影响。这使得有可能对特定的区段、尺寸和介质导电率选择最佳电磁参数比。
本提出方法的对效率的评估以计算由RMF激励的转动湍流的拟固态芯的角速度的方法为基础，这可以用下面的简单公式描述Ω=Q2(1+4Q-1),]]>其中Q=Haa2·δz/Reω·Co;Haa=Ba·Roσ/η]]>是哈脱曼数的有效值；Reω＝ωR02/ν是由包含熔体的容器壁上的RMF转速决定的雷诺效；δz＝Z0/R0；Co是考虑RMF调制效应的经验常数(对于不调制RMFCo＝0.0164，它比调制RMF高)；Ba是容器中磁感的平均有效值；Ro是容器壁的内径；η是熔体的动力粘度；ν是熔体的运动粘度；而Zo是液相柱的高度。
转动流的动能Ekin＝JΩ2/2；其中J是转动液体的转动惯量；而液压效率是按动动力和驱动并保持转动运动所消耗的电能的比确定的ηhydr≈Ekin/Eel显然调制BMF情况下消耗和电能要比不调制RMF情况下高。
m相调制螺纹旋电流系统在导电介质中产生沿螺旋线移动的磁场(即，转动并同时轴向移动)，这进而感应在相同方向上移动的镜面电流系统。感应的电流和磁场的交互作用产生作用在磁场移动方向上以及垂直方向上的EMBF，其中磁场包括固定分量和不固定分量。
在固定EMBF分量的作用下，通常产生导电液体的螺旋流(尤其，转动并轴向移动)，作为一种规则其具有湍流结构。在不固定分量的作用下，在介质中激励不同频率和方向的波和振荡，这在更大程度下使流结构湍流化。该湍流组成部分的能量来自不固定力在流上作用实现的功而不来自平均流能。从而，明显提高液体的搅拌深度，这导致温度和杂质浓度的快速均匀化。
当采用利用km个电极(其中m是相数而k是每相的电极数)激励的附加频率和振幅调制电流密度场时，由于该电流密度场和磁场的交互作用，出现附加的EMBF场分量，这导致进一步加强该强制影响并且扩展所述方法对带有离子传导性的介质(例如，电解液、盐和渣熔体等)应用范围。
图18-20分别表示激励通过本发明的方法改进的螺旋、转动和轴向移动磁场的最简单电流系统的空间配置。
图21示出调制的和不调制的RMF各自激励的无量纲EMBF对时间的依从关系。很明显，在指出的参数值下，由调制RMF激励的EMBF的蜂值约比不调制情况高10倍。
后面的段节重申超波和冶金以及本文公开的相关科学关联的基本学说。
超波激励MHD技术是使独特调制的载波充当激励电流以产生增加搅拌液体中的湍流的转动磁场，从而提高熔化率和混合率并且改进浇注金属的性质。
如前面指出那样，可以把超波理解成带有振幅、频率和/或相位调制的载波。振荡调制是根据周期规律随时间改变振荡参数。调制基波(或振荡)可称为载波并且它的频率可称为载波频率。
数学上，对于液体流的混合超波显示出是非常重要的。当施加到冶金过程上时，湍流强度足够小的起伏对于熔体的热和化学均匀化是非常重要的。
实际上液态金属在转动磁场中的转动总是一定程度上是湍流的。即使液态熔体弱转动仍改进它们的特性，因为能发现某些涡旋起伏。但是，简单转动(流芯角速度固定)在一阶近似下产生经典的Kolmogorov湍流(例如参见图22)。在此情况下，湍流能取决于湍涡旋体尺寸，为E＝ε2/3r2/3，或者频域下为E(ω)～ω-5/3，其中ε是单位质量在频率谱上的能量通量，ω是频率而E(ω)是谱能量密度。
在简单转动情况下，E(ω)～E0(ω0)(ω0/ω)5/3，(28)其中E0(ω0)是注入到系统中的能量，其对应于特征标值L0。从而，在此情况下，为了得到用于热和化学均匀化的涡流，我们必须在系统中按标值L0引入能量，并且在该能量在频谱上级联后，我们会得到以下频率ω上的涡度E(ω)～E0(ω)(ω0/ω)5/3。如果Δω＝ω/ω0足够大，则对应的涡度小。
如果除了平均转动之外，在系统中出现大于ω0的频率ω下的外部波动，我们可以期望在此频率上涡流数量增加。该情况类似于当频谱中出现一些频率的峰值为主涡流多倍时出现Karman涡道。我们可以按如下估计规定频率ω下出现的涡流。令E0～α1(F0/ω0)2是对频率为ω0的涡流无起伏下通过均流提供的湍流能量。如果系统中由于频率ω下的外力出现起伏，它们的能量组成是E′(ω)～α2[F(ω)/ω]2. (29)
这样，在频率ω，相对涡流大小为E′(ω)/E(ω)～(α2/α1)(F/F0)2U(ω0/ω)1/3(30)参数α1和α2表征介质对外力作用的响应。如果力F和F0性质相同，则α1和α2差别不大，从而它们的比接近1(图22)。可以通过试验更准确地确定该大小。
当利用超波调制电流时，对该频率和振幅调制电流激励的电磁力的计算表明在液体中形成附加的涡力(例如见图23)。除了均力F0按ω0～50赫波动振幅外，出现幅值为F～7/8F0、频率为ω～2.3/2.5ω0的脉动起伏。
根据(30)，我们得出在这种系统中频率为w的湍流起伏应按下式增加E′(ω)/E(ω)～(α2/α1)(7+8)2(2.3+2.5)-1/3～(36+48)(α2/α1)(31)因此，调制外力对熔化金属的影响应造成比不调制力的影响更密集的均匀化。从而，为了均匀化湍动介质，可以如图22中那样通过提高感应器功率(以及Re)增大平均转速，利用超波在较低转速下提高涡力如图23中那样，或者采用这二种效应。
试验中，超波提高添加到液态溶体中的固体的熔体率、增大RMF中固化的金属密度并且超波按上面的数字预期那样行为。
图24是和RMF的超波激励相关的湍流的原始试验的结果。对照Q描出均匀角速度对磁场角速度的比Ω/ω，其中Q是一个代表其中包括Ha2(表示电磁力对粘滞力的比)的过程集合条件的参数。Q还和搅拌单元线圈中的电流平方成比例。当线圈中的电流增加(Ha加大)时，角速度增加。实线代表角速度和参数Q之间的通用理论关系。实线上面的数据点用于不调制RMF，而实线下面的点用于超波调制RMF。
图24中示出的通用曲线使得能在电流振幅和频率的任意组合下选择必需的速度状态(所需的雷诺数)。
超波造成的加大的湍流在搅拌速度上起类似于阻力的作用从而降低该速度的平均值。图25的数据中看到的速度中的不同是和搅拌期间超波造成的湍流增加带来的额外阻力是一致的。从而，超波具有无需不希望有的和昂贵的更高的搅拌速度下提高混合率的潜力。
试验上对熔化的铝合金研究了通过超波调制的RMF的影响。
图25中示出熔化率试验的结果。该结果表明可以和搅拌速度无关地提高熔化率。显然，在其它条件相同情况下利用超波约22％地提高熔化率。从而这些熔化试验本质上验证了超波产生湍流的能力并且验证了冶金过程利用超波提高混合率的有效性。
在如熔化试验类似的搅拌条件下固化铝合金201。不同之处在于，在RMF的作用下能完全固化熔体。对固化锭的检查表明，超波激励的RMF产生的锭明显比利用不调制RMF固化的锭更密实(见图26)。这种密度提高等同于对每立方厘米的浇注金属去掉5.7百万个微隙。这提示形成了数学上对超波预测的湍流混合作用并且该作用对金属加工是有益的。
权利要求
1.一种控制类铁金属和有色金属锭和铸锭的晶体结构的方法，其中在通过m相螺旋交变电流系统激励的螺旋行进磁场中使熔体结晶，其中分级地频率和振幅调制所述电流，其中所述调制以具有时间上一定周期重复的期间的脉冲的形式叠加在所述m相电流系统上。
2.依据权利要求1的控制晶体结构的方法，其中通过所述方法频率和振幅调制的电流系统周期性地按一定时间间隔接通和按一定时间间隔断开。
3.依据权利要求1或2的控制晶体结构的方法，其中在连续或半连续浇注过程中时间上周期性地改变振幅调制深度和频率偏移。
4.依据权利要求1或2的控制晶体结构的方法，其中在浇注固定锭和铸锭的过程中，随结晶固相厚度的增加提高振幅调制深度和频率偏移。
5.一种连续的炉外对类铁金属熔体净化有害杂质的方法，其中沿长的斜管流动的熔体在由m相螺旋电流系统激励的螺旋行进磁场的作用下和合金添加剂或和试剂混合，其中所述电流通过时间上足够任意的周期变化函数频率和振幅调制，其中所述振幅调制沿该管的轴周期改变。
6.依据权利要求5的方法，其中所述振幅调制深度沿该管轴变化。
7.依据权利要求5或6的方法，其中频率调制偏移沿该管轴变化。
8.一种连续的炉外对类铁金属熔体净化有害杂质的设施，其包括带有接收漏斗和浇包嘴的衬管、支承座、试剂斗、搅拌器内的所述调制电流的发生器和离散线圈的显极系统，以及激励通过所述方法调制的螺旋行进磁场的感应器组，其中感应器组建立在该衬管的衬管中并且所述感应器的磁路由铁陶瓷制成。
9.依据权利要求8的设施，其中所述感应器的极建立在该衬套内，并且用普通叠层变压器钢做成的该磁路的后部置在所述管的本体的外面。
10.依据权利要求8或9的设施，其中各线圈由固定在该极上的可拆下陶瓷盒做成，这些陶瓷盒带有填充着熔化温度低于并且沸腾温度高于周围衬套的温度的固态和液态金属的螺旋通道。
11.依据权利要求8、9或10的设施，其中所述陶瓷盒是用和磁路极一起成形并退火的共用耐熔材料制成的。
12.依据权利要求8、9、10或11的设施，其中所述感应器的所述极通过耐熔层和熔体隔离，耐熔层的厚度由熔体温度和所述铁陶瓷的居里温度之间的差决定。
13.一种强化带有钢芯的m相感应炉中的熔体搅拌的方法，其中馈入m相炉变压器的初级绕组的电流分级地频率和振幅调制。
14.依据权利要求13的方法，其中m相电流系统激励的螺旋行进磁场通过所述函数同步地频率和/或振幅调制，其中在炉身中装入为最终熔体高度的1/n的熔体后施加所述磁场。
15.依据权利要求14的方法，其中所述方式下调制的转动磁场(RMF)影响在用来浇注铝合金的电弧炉和反射炉中生产的熔体。
16.一种带有钢芯的感应炉，其包括衬身、衬槽部分、炉变压器、变压器绕组的气冷或水冷系统、支承座和炉转动机构，其中该炉身带有全部或部分建立在衬套中的感应器，后者的磁路用具有高居里温度的铁陶瓷做成。
17.依据权利要求16的感应炉，其中感应器线圈用带有螺旋管道的可拆下陶瓷盒制成，其中所述螺旋管道充填着其熔化温度低于炉中熔化的金属的温度但其沸腾温度高于炉中熔化的金属的温度的金属。
18.依据权利要求17的感应炉，其中所述陶瓷盒是用公用耐熔材料制成的并且是和所述磁路的极一起成形和退火的。
19.依据权利要求17或18的感应炉，其中所述磁路的极和所述线圈一起置在炉身衬套内，而该磁路的后部是用叠层变压器钢制成的并固定在炉身套上。
20.依据权利要求17、18或19的感应炉，其中所述感应器的所述极通过耐熔材料层和熔体隔开，该层的厚度由熔体温度和所述铁陶瓷的居里温度之间的差决定。
21.一种包括套、衬圆柱部分、底和顶的电弧炉熔化室，其中RMF感应器设置在底衬套中，所述感应器的磁路用高居里温度的铁陶瓷制成。
22.依据权利要求21的熔化室，其中感应器线圈是以填充着其熔化温度低于但其沸腾温度高于炉内的熔体温度的金属的陶瓷盒的形式制成的。
23.一种用于生产铝合金的反射炉，其中所述感应器的磁芯由铁陶瓷制成并设置在炉衬套内，而线圈以带有其中填充着具有权利要求22所述的特性的金属的螺旋槽的陶瓷盒的形成构成。
24.一种利用由m相螺旋电流系统激励的螺旋行进磁场强制影响导电介质的方法，其中通过连续的或者具有有限数量的第一类中断、在某些点上光滑或不光滑的时间周期函数共相、分层频率和振幅地调制或者振幅和初始相位地调制电流，从而第一相中的电流表达为J1＝A1(t)·F[Ω1(t)t+γ0]， (23)在第二相中J2=A2(t)·F[Ω2(t)(t-2πm)+γ0],etc.---(24)]]>在第n相中Jn=An(t)·F[Ωu(t)(t-2π(n-1)m)+γ0],---(25)]]>其中A1(t)＝A10{1+ε2[1+ε4×...×(1+ε2n)]·f2[ω2(1+ε3f3(ω3t+γ3))t+γ2]}，A2(t)=A10{1+ϵ2[1+ϵ4×...×(1+ϵ2n)]×f2[ω2(1+ϵ3f3(ω3(t-2πm)+γ3))t-γ2]},]]>An(t)=A10{1+ϵ2[1+ϵ4×...×(1+ϵ2n)]×f2[ω2(1+ϵ3f3(ω3(t-2π(n-1)m)+γ3))t+γ2n]},]]>ϵ2n=ϵ2n0·{1+ϵ2n+2×f2n+2[ω2n+2(1+ϵ2n+1×f2n+1(ω2n+1(t-2π(n-1)m)+γ2n+1))t+λ2n+2]},]]>A10是不调制电流的振幅，n是相数，P是感应器极对数，ε2n0是各种振幅调制等级的相对深度，ε2n+1是各种频率调制等级的相对偏移，ω2n是各种振幅调制分层等级的频率，ω2n+1是各种频率调制分层等级的频率，Ωn(t)=Ω0[1+ϵ1f1(ω1(t-2π(n-1)m))+γ1],]]>Ω0是调制或不调制电流的载频，F、f2n、f2n+1是时间周期函数，γ2n、γ2n+1是初始相位。
25.一种利用由m相螺旋电流系统激励的螺旋行进磁场强制影响导电介质的方法，其中通过连续的或者具有有限数量的一阶中断的时间周期函数同步、分层频率和振幅地调制或者振幅和初始相位地调制电流，以便用权利要求24的表达式描述第n相电流，其中An(t)＝A10{1+ε2[1+ε4X...X(1+ε2n)]·f2[ω2(1+ε3f3(ω3t+γ3))t+γ2]} (26)以及ε2n＝ε2n0{1+ε2n+2·f2n+2[ω2n+2{1+ε2n+1f2n+1(ω2n+1t+γ2))t+γ2n+2]}(27)
26.依据权利要求24或25的方法，其中该电流系统的载频是固定的，即，Ω(t)＝Ω0＝常数。
27.依据权利要求24、25或26的方法，其中只施加通过所述方法调制的转动磁场。
28.依据权利要求24、25或26的方法，其中只施加通过所述方法调制的轴向行进磁场。
29.依据权利要求24、25、26、27或28的方法，其中通过二个或更多的通过所述方法调制的沿相同或不同方向传播的相同或者不同的磁场影响导电介质。
30.依据权利要求24、25、26、27、28或29的方法，其中利用km个电极的系统(其中k是每相中的电极数量)对导电介质引入通过所述方法调制的附加的m相电流密度场。
31.一种连续的炉外在去除有害杂质的类铁金属熔体流中合金化液态金属的方法，其中在由m相螺旋电流系统激励的螺旋行进磁场的作用下该熔体沿长衬管流动并和合金添加剂或试剂混合，其中通过周期改变的时间函数频率和振幅地调制所述电流，其中所述振幅调制沿该管轴周期改变。
全文摘要
这样，如EMBF的准确电动力计算以及上面说明的对EMBF产生的湍流速度的评估那样，在冶金和化工技术以及铸造业中施加振幅和频率调制的分层移动(转动和轴向移动)电磁场可以明显提高MHD设施的液压效率，加强技术设备中的热和物质的传递过程，明显提高生产率，明显降低生产金属、合金、铸件和化工产品的能耗并且改进它们的品质。
文档编号F27D27/00GK1744960SQ200380109279
公开日2006年3月8日 申请日期2003年12月16日 优先权日2002年12月16日
发明者欧文·I·达迪克, 阿尔卡季·K·卡普斯塔, 博里斯·M·米哈伊洛维奇, 恩欣·G·戈布赖克, 沙乌尔·L·莱欣, 赫尔曼·D·布拉诺沃 申请人:欧文·I·达迪克, 阿尔卡季·K·卡普斯塔, 博里斯·M·米哈伊洛维奇, 恩欣·G·戈布赖克, 沙乌尔·L·莱欣, 赫尔曼·D·布拉诺沃