专利名称：向导电流体传播振动的方法及其凝固熔化金属的方法
技术领域：
本发明涉及向导电流体传播振动的方法和使用该振动传播方法凝固熔化金属的方法。
背景技术：
通过向要凝固的熔化液态金属传入振动可以有效地对凝固结构和精炼进行控制。例如，众所周知通过向超冷液态金属传入机械冲击来启动凝固过程。通过在凝固期间向熔化液态金属传入振动来建立精细结构和通过向熔化液态金属提供压缩波来推动排气过程的方法也是众所周知的。
在小规模环境中，通过向装入液态金属的整个熔炉传入指定的机械振动，可以容易地向液态金属传入指定振动。然而在大规模工业环境中，难以通过机械方式向整个大型熔炉传入指定振动。因此目前有人尝试将磁致伸缩振荡器或电致伸缩振荡器放入液态金属以便向液态金属传入指定振动。还有，可以尝试将由扬声器产生的压缩振动波引入液态金属以向液态金属传入指定振动。
然而如果使用了这种磁致伸缩振荡器或电致伸缩振荡器，上述振荡器可能在液态金属中熔化或毁坏以致污染液态金属。振荡器输出功率方面的限制也限制了传入振动的幅度。并且，如果使用这种压缩波，由于增加了液态金属和环境大气之间的声阻，压缩波可能会在液态金属与环境大气之间的边界上几乎被完全反射掉，以致未被传入液态金属。结果，目前为止尚未开发出在大规模工业环境中向液态金属传播振动的方法。
发明内容
本发明的一个目标是提供一个向液态金属传播振动并且可用于大规模工业环境的新型方法。
为了实现上述目标，本发明涉及一个向导电流体传播振动的方法，该方法包括的步骤有准备一种指定导电流体，并且向导电流体提供一个指定的静态磁场和波以满足等式2πf/(σ/ρ)B2.....(1)(f提供的波的频率(Hz)，σ导电流体的导电率(S/m)，ρ导电流体的密度(kg/m3)，B所提供的静态磁场场强(T))，从而产生指定振动并传入导电流体。
发明人经过大量的努力实现了上述目标。他们设想的方法是，以通过向诸如液态金属的熔化导电流体提供电磁力在导电流体中产生和传播指定振动的方式取代使用机械振动，振荡器或扬声器的传统方式。
至今为止，众所周知只有压缩波能够被传播到诸如液态金属的导电流体中。另一方面，电磁力产生的振动是横波。因而在本发明中，在导电液体内产生并传播横波以便向导电流体传入指定振动。如上所述，由于众所周知只有压缩波能够被传播到导电流体中，发明人致力研究出了产生并传播源自电磁力的横波的方法。
如果向导电流体提供强度相对较大的静态磁场，则所提供的静态磁场会导致产生指定的磁场扰动，并且以对流方式传播上述扰动。即，如果导电流体在静态磁场的影响下流动，则会产生感应电流并改变所提供的静态磁场的分布。在这种情况下，导电液体的流动方式就象磁通线穿入流体质点那样。
于是发明人发现，通过在上述条件下向导电流体提供静态磁场和指定的波，可以产生横波并传播到导电流体中。结果，通过电磁力可以在导电流体内产生并传播指定振动。本发明的实现是建立在大量上述研究和开发基础之上的。
根据振动传播方法，源自一个静态磁场和波的指定电磁力在导电流体中产生指定的振动。因而在没有大型装置的情况下可以轻易地在导电流体中产生振动。从这个观点看，本发明的传播方法可较好地用于大规模工业环境中。
例如，本发明的传播方法可较好地用于凝固熔化液态金属。在这种情况下，根据本发明在凝固过程中向液态金属提供指定的静态磁场和波以满足上述要求。在这种情况下，对凝固结构大小的控制是不受限制的，因而可以方便地细化凝固结构。
为了更好地理解本发明，请参照附图，其中图1是一个示意图，其中示出了一个基于本发明的振动传播方法并且被用于凝固SnPb合金的装置。
具体实施例方式
下面参照附图详细描述本发明。在本发明中，需要向导电流体提供指定的静态磁场和波以便满足上述等式(1)。仅在等式(1)被满足的情况下波的类型和频率才不受限制。然而在诸如液态金属凝固的真实过程中，由于液态金属导电率的范围为105-107S/m并且液态金属密度范围为103-104kg/m3，通过提供强度介于几个特斯拉至几十个特斯拉之间的静态磁场和频率介于几百Hz至几千Hz之间的波来满足等式(1)。
在这种情况下，所提供的静态磁场导致产生指定的磁场扰动并且在导电流体中对流传播这种扰动。即，根据对流确定磁场的扰动。因而如上所述，产生源自静态磁场的磁力和波的指定横波并且在导电流体中传播上述横波。结果，可以在导电流体中产生源自横波的指定振动并且传播上述振动。
通过超导磁体可以产生这种静态磁场。也可以通过指定外部AC电源产生这种波。即，外部AC电源的AC电场可以充当本发明中使用的波。通过这种方式，分别利用超导磁体和外部AC电源可以容易地得到用于本发明并且满足等式(1)的静态磁场和波。
当等式(1)被满足时在导电流体中产生的横波估计是Alfven波。已经在天文物理和等离子体工程领域对Alfven波进行了深入的研究，但在工业领域内的研究却几乎没有。因而Alfven波几乎未被用于工业领域。因而从Alfven波的工业利用角度考虑，本发明也是相当重要的。
本发明的振动传播方法可被用于各种工业领域。具体地，如果使用本发明的方法凝固熔化液态金属，则可以自由控制和细化凝固结构。另外，该方法可被用于排气，精炼反应催化和固-液界面结构控制。
例子下面详细描述将本发明的振动传播例子用于凝固熔化金属的例子。
(例子)在这个例子中使用一个如图1所示的装置并且熔化和凝固成份为Sn-10mol％Pb的合金(此后称作“SnPb”合金)。在图1所示的装置中，使用一个圆柱形玻璃槽1(内径30mm，高度150 mm)，并且在槽1中放置铜制电极2-1和2-2(宽度均为10mm，厚度均为2 mm)并使其彼此相对。并且外部AC电源3被连接到电极2-1和2-2的末端。包含电极2-1和2-2的槽1被放在一个超导磁体(未示出)中。
熔化的SnPb合金4在槽1中被注入到120mm刻度并且接着分别将电极2-1和2-2在熔化的SnPb合金4中浸入20mm。接着从超导磁体(未示出)向SnPb合金4提供强度为10T的静态磁场，并且从外部AC电源3向SnPb合金4提供频率为200Hz的AC电场和100A的振幅。由于在这个例子中SnPb合金4的导电率为105-107S/m并且密度ρ大约为104kg/m3，上述静态磁场和AC电场满足上述等式(1)。在此条件下，SnPb合金4以0.1K/秒的冷却速率凝固。
当观察凝固的SnPb合金的凝固结构时，槽1的上边和下边上凝固结构的大小大约为1 mm或更小。
当位于槽1底部的传感器测量到在熔化的SnPb合金4中传播的波的压力时，结果测量的压力与外部AC电源3提供的AC电场的当前值基本成比例。因而在上述凝固过程中，结果在熔化的SnPb合金4中产生指定的Alfven波并且据估计Alfven波在SnPb合金4中传播。
(比较的例子)除了不提供静态磁场和AC电场并且不传播估计是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。当观察凝固的SnPb合金的凝固结构时，凝固结构的大小在槽1的上边和下边是参差不齐的。具体在槽1的下边，凝固结构的大小被加大到几个mm。
尽管前面参照上述例子详细描述了本发明，但本发明并不仅限于前面公开的内容，在不偏离本发明的范围的前提下可以对其进行各种变动和改变。
如上所述，根据本发明，仅通过向导电流体提供指定静态磁场和指定电场便可以在不使用大规模复杂装置的情况下在导电流体中产生和传播指定振动。因而本发明的振动传播方法可被用于各种领域，并且最好被用作熔化液态金属的凝固结构控制方法。
权利要求
1.向导电流体传播振动的方法，其中包括的步骤有准备指定的导电流体，并且向上述导电流体提供一个指定的静态磁场和波以满足等式2πf/(σ/ρ)B2..... (1)(f提供的波的频率(Hz)，σ导电流体的导电率(S/m)，ρ导电流体的密度(kg/m3)，B所提供的静态磁场场强(T))，从而产生指定振动并传入上述导电流体。
2.如权利要求1所述的传播方法，其中上述被提供给导电流体的波包含一个来自外部AC电源的AC电场。
3.如权利要求1所述的传播方法，其中所提供的上述静态磁场导致产生指定的磁场扰动并且在上述导电流体中传播上述扰动。
4.如权利要求3所述的传播方法，其中在上述导电流体中产生并传播Alfven波。
5.凝固熔化金属的方法，其中包括的步骤有准备指定的导电流体，并且向上述熔化金属提供一个指定的静态磁场和波以满足等式2πf/(σ/ρ)B2.....(1)(f提供的波的频率(Hz)，σ导电流体的导电率(S/m)，ρ导电流体的密度(kg/m3)，B所提供的静态磁场场强(T))，从而产生指定振动并传入上述导电流体。
6.如权利要求5所述的凝固方法，其中上述被提供给熔化金属的波包含一个来自外部AC电源的AC电场。
7.如权利要求5所述的凝固方法，其中所提供的上述静态磁场导致产生指定的磁场扰动并且在上述熔化金属流体中传播上述扰动。
8.如权利要求7所述的凝固方法，其中在上述熔化金属中产生并传播Alfven波。
全文摘要
向导电流体提供一个指定的静态磁场和波以满足等式:2πf/(σ/ρ)B
文档编号B01F13/08GK1387966SQ02118398
公开日2003年1月1日 申请日期2002年4月26日 优先权日2001年4月26日
发明者岩井一彦, 浅井滋失 申请人:名古屋大学