CN102944123A - 基于永磁螺旋磁场的驱动金属熔体三维周期性流动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于永磁螺旋磁场的驱动金属熔体三维周期性流动的方法，属于冶金工业技术领域。首先制备一个螺旋磁场体，该螺旋磁场体由多个永磁体单元组成，多个永磁体单元同轴安装，每个永磁体单元为一个圆环，每个永磁体单元由多个永磁体与一个支撑架组成，多个永磁体均布镶嵌在支撑架上，相邻永磁体的磁化方向相反，相邻两个永磁体单元中的永磁体沿逆时针或顺时针方向依次错开一定的水平角β，使组成的螺旋磁场的升角为α，使金属熔体位于螺旋磁场体的空腔内，螺旋磁场体以一定角速度旋转，并使旋转方向以一定周期交替变化，驱动金属熔体形成三维周期性螺旋流动。本发明方法能有效减少金属熔体凝固的各种缺陷，可用于改善金属凝固工艺。

Description

基于永磁螺旋磁场的驱动金属熔体三维周期性流动的方法

技术领域

本发明涉及一种基于永磁螺旋磁场的驱动金属熔体三维周期性流动的方法，属于冶金工业技术领域。

背景技术

采用电磁的办法驱动和控制金属液流动是电磁冶金一个重要的研究方向，例如电磁搅拌、电磁制动等技术。

目前，电磁冶金工艺中根据磁场运动形式可分为行波磁场和旋转磁场。采用永磁体、多相交流电线圈均可实现上述两种磁场运动形式。由于稀土永磁材料的磁性材料性能的不断提高，采用永磁体提供磁场并在机械力驱动下运动成为提供运动磁场的另一种可能。

上述两种产生磁场的形式原理上基本相同：运动磁场在金属液中会产生感应电流，感应电流与磁场相互作用进而产生电磁体积力—洛仑兹力。洛仑兹力由于有着电磁设备和导电流体非直接接触、表现为体积力、在导电流体中有一定的渗透深度、力密度大、对环境污染较小等诸多优点被广泛地应用在金属凝固组织控制、金属流体输运、促进导电流体的显著热、质传输上。

电磁搅拌对改善金属凝固过程中的微观偏析具有明显的作用，这已被大量实验室实验和工业实践所证实，例如晶粒细化技术。但对浓度偏析（或称成份偏析）的研究不是很深入。一般来说，由于施加行波磁场、旋转磁场或螺旋磁场，作用于金属凝固前沿的电磁力运动形式固定，熔质析出过程会以一种固定模式进行，使凝固前沿熔质的析出过程随时间变化很小，这样施加磁场不但不能改善浓度偏析，而且还有增大浓度偏析的趋势。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于永磁螺旋磁场的驱动金属熔体三维周期性流动的方法，利用永磁体堆砌产生螺旋磁场并使其做旋转运动，驱动、搅拌或分散金属熔体及其第二相，以达到改善金属凝固过程中的各种缺陷，控制金属凝固组织的目的。

本发明提出的基于螺旋磁场的驱动金属熔体三维周期性流动的方法，包括以下步骤：

（1）制备一个螺旋磁场体，该螺旋磁场体由多个永磁体单元组成，多个永磁体单元同轴安装，每个永磁体单元为一个圆环,圆环的名义半径为R，圆环的厚度为h，每个永磁体单元由多个永磁体与一个支撑架组成，多个永磁体均布镶嵌在支撑架上，相邻永磁体的磁化方向相反，相邻两个永磁体单元中的永磁体沿逆时针或顺时针方向依次错开一定的水平角β（以弧度计），使组成的螺旋磁场的升角为α（以弧度计），则有

（2）使金属熔体位于螺旋磁场体的空腔内，螺旋磁场体以角速度ω旋转，并使旋转方向以周期P交替变化，周期P的倒数称之为换向频率fm。所驱动金属熔体形成三维周期性螺旋流动。

本发明提出的基于永磁螺旋磁场的驱动金属熔体三维周期性流动的方法，具有以下特点和优点：

1、本发明的基于永磁螺旋磁场的驱动金属熔体三维周期性流动的方法，其中的螺旋磁场在空间和时间上变化改变了磁场的分布形态，有效地改善金属熔体在凝固时的熔质再分配过程，使固、液凝固界面处与较远的熔质进行有效地对流，使熔质充分混合。在适当的模式频率下，尤其能改善由单一形态的行波或旋转磁场所不能改善甚至加重的浓度偏析。

2、本发明提出的基于永磁螺旋磁场的驱动金属熔体三维周期性流动的方法，有效地加强了金属熔体的热传输，周期性的、空间变化的受迫对流可使磁场作用区域的温度分布更趋均匀。

3、本发明的基于永磁螺旋磁场的驱动金属熔体三维周期性流动的方法，由于螺旋磁场在空间分布的特点，本方法适用于不同的金属熔体的形状。

本发明方法的上述特点和优点，使本方法能有效减少金属熔体凝固的各种缺陷，可用于改善金属凝固工艺。

附图说明

图1是本发明方法中制备的螺旋磁场体的结构示意图。

图2是图1所示的螺旋磁场体中永磁体单元的结构示意图。

图3是对图1所示的螺旋磁场体施加旋转方向周期性变化的驱动力时金属熔体的周期性三维流动示意图。

图4是所施加的换向频率波形图示意图。

图1和图2中，1是永磁体，2是支撑架，3是金属熔体的流动方向。

具体实施方式

本发明提出的基于螺旋磁场的驱动金属熔体三维周期性流动的方法，包括以下步骤：

（1）制备一个螺旋磁场体，如图1和图2所示，该螺旋磁场体由多个永磁体单元组成，多个永磁体单元同轴安装，每个永磁体单元为一个圆环，圆环的名义半径为R，圆环的厚度为h，每个永磁体单元由多个永磁体1与一个支撑架2组成，多个永磁体均布镶嵌在支撑架上，相邻永磁体的磁化方向相反，相邻两个永磁体单元中的永磁体沿逆时针或顺时针方向依次错开一个水平角β(以弧度计），使组成的螺旋磁场的升角为α（以弧度计），则有 $\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{h}{\mathrm{\βR}}\right);$

（2）使金属熔体位于螺旋磁场体的空腔内，使螺旋磁场体以角速度ω旋转，并使旋转方向以周期p(＝1/f_m)交替变化，驱动金属熔体形成三维周期性螺旋流动。

本发明方法中，被驱动的金属熔体位于支撑架2围成的圆柱形腔体的心部，并在电机的带动下，支撑架围成的圆柱形腔体以一定角速度ω转动；金属熔体被驱动后作三维周期性流动，流动方向如图3中所示，其中（a）是金属熔体作逆时针流动，（b）是金属熔体作顺时针流动。该电磁驱动的原理为：运动的螺旋磁场在金属熔体中产生感应电流，感应电流与运动的螺旋磁场相互作用在金属熔体内产生电磁体积力，即洛仑兹力，在该螺旋磁场引起的洛仑兹力的驱动下金属熔体的运动为三维复杂流动。在螺旋磁场尺寸、强度与金属熔体尺寸适当匹配下，金属熔体可形成螺旋状流动。

通过一个换向装置使驱动螺旋磁场运动的电机的产生换向频率为f_m的周期性正、反转旋转运动，即螺旋磁场实现换向频率为f_m的周期性正、反转旋转运动，如图4中实线所示的矩形波，横坐标表示时间，纵坐标A表示螺旋磁场旋转的速度和方向。考虑到机械运动的安全性，每半个周期之间设有一定的换向时间(2T_p)，有(2T_p)＜P,如图4中虚线所示。其中换向的矩形波函数m(t)可表示为：

$m\left(t\right)=\frac{4}{\mathrm{\π}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\∑}}\frac{\sin [2\mathrm{\π}(2n-1)\·f_m\·t]}{2n-1},$

t为时间，n为自然数。

使金属熔体位于螺旋磁场体的空腔内，螺旋磁场体以角速度ω旋转，在此基础上对螺旋磁场体的旋转方向实施周期性变化，换向频率为f_m，金属熔体形成三维周期性螺旋流动，金属熔体所形成的周期性流动的前半个周期可表示成图3a或图3b，后半个周期可表示成图3b或图3a。

结合电磁冶金实践，为使模式化的电磁力能有效干预熔质的三传过程（传热、传质和动量传输），换向频率的设置与熔质在固-液界面前沿的对流和析出的时间尺度有关。当换向频率驱动的受迫对流的周期与熔质析出的凝固间隔特征时间接近时，螺旋磁场驱动的周期性流动就能有效分散液相析出的熔质，从而有效改善金属凝固过程中的浓度偏析。根据以上所述，换向频率f_m的选择范围在0.02赫兹到1赫兹之间。

Claims (1)

1.一种基于螺旋磁场的驱动金属熔体三维周期性流动的方法，该方法包括以下步骤：

（1）制备一个螺旋磁场体，该螺旋磁场体由多个永磁体单元组成，多个永磁体单元同轴安装，每个永磁体单元为一个圆环，圆环的名义半径为R，圆环的厚度为h，每个永磁体单元由多个永磁体与一个支撑架组成，多个永磁体均布镶嵌在支撑架上，相邻永磁体的磁化方向相反，相邻两个永磁体单元中的永磁体沿逆时针或顺时针方向依次错开一个水平角β，使组成的螺旋磁场的升角为α，

（2）使金属熔体位于螺旋磁场体的空腔内，使螺旋磁场体以角速度ω旋转，并使旋转方向以周期p(＝1/f_m)交替变化，驱动金属熔体形成三维周期性螺旋流动。

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