JP5124863B2 - 導電性流体を電磁撹拌するための方法およびデバイス - Google Patents

Description

本発明は、水平面内でローレンツ力を発生する回転磁場を使用することによって、流体の液体状態および／または凝固中に導電性流体を電磁撹拌するための方法およびデバイスに関する。

時間依存電磁場は、導電性流体との無接触相互作用により、例えば液体金属溶融物を混合することができる可能性を開く。電磁場は、磁場振幅および周波数のパラメータによって、単純な様式で直接かつ正確に調整することができる。

本発明は、ほぼ水平方向で循環する進行磁場（回転磁場（ＲＭＦ）とも表される）に関する。

例えば、液体金属溶融物で充填された円筒形容器への回転磁場の適用は、広い領域にわたって金属溶融物のほぼ変動のない回転運動をもたらし、これは、溶融物の体積の対流交換にほとんど寄与しない。観察対象の混合プロセスを司る作用要素は、本質的には、いわゆる子午線二次流であり、これは、容器の中央と、底部および自由表面での一次層との間の圧力差に基づいて子午線平面（ｒ−ｚ平面）内に生じ、その振幅は、観察される流れの幾何形状に依存して、回転方位角流の約５分の１〜１０分の１となる。Ｐ．Ａ．Ｎｉｋｒｉｔｙｕｋ、Ｍ．Ｕｎｇａｒｉｓｈ、Ｋ．Ｅｃｋｅｒｔ、およびＲ．Ｇｒｕｎｄｍａｎｎによる文献：Ｓｐｉｎ−ｕｐ ｏｆ ａ ｌｉｑｕｉｄ ｍｅｔａｌ ｆｌｏｗ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ａ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ａ ｆｉｎｉｔｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ：Ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎｄ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｓｔｕｄｙ，Ｐｈｙｓ．Ｆｌｕｉｄｓ，２００５，ｖｏｌ．１７，０６７１０１に記載されているように、いわゆる二重渦構造が、子午線平面内、すなわち容器の水平中心面の領域内に生成され、液体金属溶融物が、半径方向外側に運ばれ、側壁で上方向および下方向に流れ、底部および自由表面の下で再び軸に向かって流れて戻る。二次循環の方向は、磁場の両回転方向に関して同様に設定される。

電磁撹拌のための回転磁場の適用に関する本質的な問題は、溶融物の運動エネルギーの大半が、一次方位角回転運動のために使用されるが、しかしその運動が溶融物の混合にわずかにしか寄与しないことである。混合プロセスの強化は、まず第一に、子午線二次流の増強によって可能である。磁場強度または磁場周波数の増加が、側壁の近傍で、二次流を刺激し、すなわち軸方向および半径方向での速度値の増加、および追加の乱流の生成、例えばテイラー・ゲルトラー渦の発生をもたらす（Ｐ．Ａ．Ｎｉｋｒｉｔｙｕｋ、Ｋ．Ｅｃｋｅｒｔ、Ｒ．Ｇｒｕｎｄｍａｎｎによる文献：Ｍａｇｎｅｔｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，２００４，４０，ｐｐ．１２７−１４６、およびＰ．Ａ．Ｎｉｋｒｉｔｙｕｋ、Ｋ．Ｅｃｋｅｒｔ、Ｒ．Ｇｒｕｎｄｍａｎｎ：ＣＤ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ＴＩ２００６，Ｆｒａｎｃｅ，２００６，Ｍａｙ ２８−Ｊｕｎｅ ２ ２００６に記載されている）。これは、液体金属溶融物のより強力な混合をもたらす。

しかし、問題は、同時に回転運動も増幅され、液体金属溶融物の自由表面の顕著な擾乱および歪みを引き起こすことである。これは、溶融物中へのスラグの巻込みや、大気からの酸素の吸収など、望ましくない効果をもたらすことがある。

さらなる問題は、液体状態から凝固状態への転移中、すなわち金属合金または半導体溶融物の指向性凝固中の電磁撹拌に関して生じる。液相または固相中の個々の成分の可溶性が異なるので、前進する凝固前面の近辺で溶融物が偏析する。凝固前面の近辺での流れは、富化溶融物を凝固前面から離れるように運ぶことにより、拡がった濃度境界層の構築を妨げる。しかし、このとき溶融物が一方向のみに流れる場合、他の体積領域で偏析が生じて、得られる固体の機械的な特性を著しく劣化させることがある。

回転磁場は、鋼の連続鋳造など冶金プロセスで既に使用されている。このために、連続鋳造プラント内で鋳造方向に垂直な進行場を生成するための多相電磁巻線の構成が、ＤＥ−Ｂ １９６２３４１号明細書に記載されている。

また、連続鋳造中に鋼溶融物を撹拌するための方法が、米国特許出願公開第２００３／０１０６６６７号明細書に記載されており、この方法では、互いに重畳して配置されて逆向きに回転する２つの磁場が使用される。下側の磁場は、実際の撹拌機能を受け持ち、上側の磁場は、回転する溶融物を自由表面の領域内で非常に低い速度値に制動して、撹拌の悪影響、すなわち自由表面の歪みおよび乱流をなくす役割を担う。

問題は、この作業に２つの磁気撹拌器、すなわち下側磁気撹拌器および上側磁気撹拌器が使用されることにある。磁気システムを１つだけ使用するのに比べて、これは、装置および調整に関する費用が高くなる。同時に、そのような方法は、好ましくないエネルギー・バランスを有する。下側磁気撹拌器を使用して、鋼溶融物中に機械的エネルギーを導入し、鋼溶融物を回転させる。しかし、連続鋳造プラントの上側領域内では、はるかに弱い溶融物の回転が使用者によって望まれるので、この種の措置では、上側での流れを制動させるために上側磁気撹拌器で追加のエネルギーを使う必要がある。

ＤＥ ２４０１１４５号明細書およびＤＥ ３７３０３００号明細書は、それぞれ、連続鋳造モールドにおいて電磁撹拌するための方法を記載しており、これらの方法では、コイル構成内で電流の周期的な変化が生じる。ＤＥ ２４０１１４５号明細書には、この処置モードを使用して、二次スズ・ストリップおよび二次デンドライトの生成を防止することができることが記載されている。

溶融物の自由表面の沈静化が、ＤＥ ３７３０３００号明細書に記載される方法によって実現される。それと同時に、生じる磁場が溶融物中で強力な撹拌運動を保つことが前提とされている。ここで挙げた２つの特許文献では、流れの方向が変えられるサイクル時間に関して、非常に広い範囲、具体的には１秒〜３０秒の間の範囲が指定される。サイクル時間（期間とも呼ばれる）、または電流の符号の変化の周波数は、生成する流れに対して強い影響をもつ重要なパラメータである。

問題は、どちらの特許文献も、磁場強度、誘導コイルの構成の幾何形状、または液体金属溶融物の材料特性に応じた規定可能な期間についての詳細を何ら記載していないことである。

本発明の目的は、導電性流体を電磁撹拌するための方法およびデバイスであって、液体状態での混合の目的で、流体中で、凝固前面の近辺に至るまで強力な３次元の流れが実現され、同時に擾乱されない流体自由表面が保証されるように適切に設計された方法およびデバイスを規定することである。

この目的は、特許請求項１〜９の特徴によって実現される。水平面内でローレンツ力Ｆ_Ｌを発生する回転磁場を使用することによって、流体の液体状態および／または凝固開始状態で導電性流体を電磁撹拌するための方法において、特許請求項１による特徴部では、
−水平面内で回転する磁場の回転方向が、期間Ｔ_Ｐの形での一定の時間間隔で変えられ、磁場ベクトルの移動方向の変化の周波数が、
−流体の混合の状態では、時間間隔ΔＴ_ＰＭでの２度の磁場方向変化の間の期間Ｔ_Ｐが、条件
（Ｉ）０．５・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_ＰＭ＜１．５・ｔ_ｉ．ａ．
で、初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．に応じて調節されるように設定され、かつ、
−流体の凝固状態開始時には、時間間隔ΔＴ_ＰＥでの２度の磁場方向変化の間の期間Ｔ_Ｐが、条件
（ＩＩ）０．８・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_ＰＥ＜４・ｔ_ｉ．ａ．
で、初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．に応じて調節されるように設定され、初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．が、式
によって与えられ、初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．中に、静止状態にあった流体中への回転磁場の印加後に子午線二次流の二重渦が生成され、σが、導電率として定義され、ρが、流体の密度として定義され、ωが、磁場の周波数として定義され、Ｂ_０が、磁場の振幅として定義され、Ｃ_ｇが、流体の体積の大きさおよび形状の影響に関する定数として定義される。

回転磁場を生成するために、流体を含む円筒形容器に配置された少なくとも３対の誘導コイルに、三相交流の形態での回転電流Ｉ_Ｄを加えることができる。

金属または半導体溶融物を、容器内に導電性流体として注入することができる。

その結果、低温溶融物の混合中には、溶融物が依然として完全に液体である限り、期間Ｔ_Ｐが、条件（Ｉ）に従って０．５・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_ＰＭ＜１．５・ｔ_ｉ．ａ．で選択され、一方、凝固状態開始時には、期間Ｔ_Ｐが、条件（ＩＩ）に従って０．８・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_ＰＥ＜４・ｔ_ｉ．ａ．が満たされるように延長される。

磁場の振幅Ｂ_０は、指向性凝固状態の経過中に減少する溶融物の体積の高さＨ_０に応じて修正することができる。

温度制御下での指向性凝固状態で、磁場の振幅Ｂ_０は、少なくとも、２つの値
の最大値に達するように増加させることができ、νは、溶融物の動粘度として定義され、Ｖ_ｓｏｌは、凝固の速度として定義され、Ｈ_０は、溶融物体積の高さとして定義され、Ｂ_１およびＢ_２は、磁場の振幅Ｂ_０の下限値として定義され、振幅Ｂ_０は、パラメータν、Ｖ_ｓｏｌ、およびＨ_０に応じて凝固の過程で変わることがある。

磁場が存在して印加される混合中の当該の期間Ｔ_ＰＭおよび凝固開始時の当該の期間Ｔ_ＰＥは、溶融物に磁場が存在しない休止期間Ｔ_{Ｐａｕｓｅ}での休止によって中断され、休止期間Ｔ_{Ｐａｕｓｅ}は、当該の期間Ｔ_Ｐに対して、Ｔ_{Ｐａｕｓｅ}≦０．５・Ｔ_Ｐで調節される。

電磁力Ｆ_Ｌのプロファイルを変調するときに、長方形関数の代わりに、例えば、正弦、三角形、または鋸歯など他のパルス形状を実現することができ、磁場の振幅Ｂ_０のプロファイルおよび最大値は、様々なパルス形状に関して同一のエネルギー入力が生じるように定義される。

本発明の方法によって、水平面内でローレンツ力Ｆ_Ｌを発生する回転磁場を使用することによって、かつ流体の温度プロファイルの制御下で、流体の液体状態および／または凝固開始状態で導電性流体を電磁撹拌するためのデバイスであって、少なくとも、
−円筒形容器と、
−容器を取り囲む中心対称構成であって、ローレンツ力Ｆ_Ｌを発生する回転磁場を生成するための少なくとも３対の誘導コイルを具備する中心対称構成と、
−容器内の流体の温度を測定するための少なくとも１つの温度センサと
を備え、ここで、特許請求項９の特徴部に従って、
誘導コイルの対が、制御および調整ユニットに接続され、制御および調整ユニットが、接続された電源ユニットを介して誘導コイルの対に回転電流Ｉ_Ｄを送り、誘導コイル対に給電する回転電流Ｉ_Ｄの位相角が、液体状態での混合に関する所定期間Ｔ_ＰＭまたは凝固開始以降の混合に関する所定期間Ｔ_ＰＥに応じた一定の時間間隔で１８０°だけ変位され、それにより、磁場の回転方向、および流れを引き起こすローレンツ力Ｆ_Ｌの回転方向の逆転が実現され、制御／調整ユニットが、温度センサに接続され、凝固開始の瞬間の温度センサの温度データが、Ｔ_ＰＭからＴ_ＰＥへの期間の切替えをトリガする。

回転電流Ｉ_Ｄは、三相交流であってよい。

特に溶融物であることがある導電性流体を含む容器は、好ましくは、誘導コイル内部に同心状に配置することができる。

容器には、永久的に設置された金属体に接続することができる加熱デバイスおよび／または冷却デバイスを設けることができる。

容器底部は、固体金属体と直接接触することができ、固体金属体の内部を通って冷却媒体が流れる。

容器の側壁を断熱することができる。

冷却体をサーモスタットに接続することができる。

低い伝達抵抗と共に安定した熱伝達を達成するために、冷却体と容器との間に液体金属被膜を位置させることができる。

液体金属被膜は、ガリウム合金からなっていてよい。

溶融物が内部に含まれる容器の底部プレートおよび／または側壁に、例えば熱電対の形態での少なくとも１つの温度センサが位置決めされることがあり、この温度センサが、凝固開始の瞬間に関する情報信号を供給し、制御および調整ユニットに接続される。

導電性流体を電磁撹拌するための本発明のデバイスの使用は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の本発明の方法によって金属材料の連続鋳造中または凝固中に金属溶融物を浄化するために、冶金プロセスにおいては金属溶融物の形態で、または結晶成長においては半導体溶融物の形態で、請求項９〜１８のいずれか一項に記載されるように行うことができる。

回転磁場の方向は、非常に特定的な一定の時間間隔で逆転される。逆転は、三相交流の位相を変位するための制御デバイスによって行われ、その結果、三相交流の回転位相の回転方向が逆転し、したがって回転磁場の回転方向が逆転する。

流れの方向が逆転する期間中に、強力な子午線二次流が生じ、それと同時に方位角回転運動がより弱く生じ、絶えず繰り返される方向変化が、強力な混合をもたらす。ここで、２度の方向変化の間での期間Ｔ_Ｐの持続時間の効率的な調節が決定的な役割を果たす。

本発明によれば、以下の規定が適用される。
低いエネルギー消費でありながら強力な溶融物の混合に関して、条件：
（Ｉ）０．５・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_Ｐ＜１．５・ｔ_ｉ．ａ．
が適用され、または、
凝固構造内での偏析区域の生成を防止しながらの制御された凝固に関して、条件：
（ＩＩ）０．８・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_Ｐ＜４・ｔ_ｉ．ａ．
が適用される。

パラメータｔ_ｉ．ａ．は、初期調節時間であり、初期調節時間中に、事前に静止状態にあった溶融物中での回転磁場の突然の印加後に子午線二次流に典型的な二重渦が生じる。

特徴的な初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．は、溶融物の導電率、溶融物の密度、ならびに磁場の周波数および振幅といった変数からなる公式を用いて計算される。関連の定数は、溶融物体積の大きさおよび形状の影響を考慮するものであり、３〜５の数値を取ることができる。したがって、従来技術、特にＤＥ ３７３０３００号明細書とは対照的に、回転方向の変化を設定することができる期間Ｔ_Ｐに関する規定の範囲が存在する。

本発明の本質的な特徴は、回転磁場の方向が一定の時間間隔で逆転され、方向変化の期間Ｔ_Ｐが、撹拌を強力にするために指定することができる重要なパラメータとなることである。この方法を正常に行うための重要な基準は、狙いを定めて二次流を制御できる可能性である。様々な目的のために、異なる流れ形態が有利となる。

本発明は、有利には、溶融物の効率的な撹拌のために、かつ多成分溶融物の指向性凝固の際に使用することができる。例えば溶融物の浄化または脱ガス中に、この場合に生じる混合効果を最大にするために、一次方位角回転運動に比べて、体積平均子午線二次流の強度を増幅する必要がある。この方法が金属合金の指向性凝固に適用されるとき、目標設定として、溶融物の熱的均質化に加えて、半径方向速度成分に関する時間平均値がほぼゼロとなるように時間経過の中で凝固前面の近辺での流れの方向を変えることも狙いとなる。

本発明は、明確で理解しやすい様式で、子午線二次流の速度場がパラメータＴ_Ｐの変化に依存することを示す。

撹拌のための方法の効率的な設計に関して決め手となるのは、当該の用途の目的設定に関する期間Ｔ_Ｐの適正な調整であることが明瞭になる。磁場の強度、溶融物体積の寸法および形状、ならびに溶融物の材料特性が、Ｔ_Ｐを指定するときに考慮に入れられなければならない。

以下、本発明を、複数の図面によって２つの例示的実施形態でより詳細に説明する。

本発明による方法に関連して液体溶融物を混合するための電磁撹拌用の本発明によるデバイスの概略図であって、 図１ａが、デバイスの概略設計の前面図であり、 図１ｂが、図１ａによるデバイスの平面図であり、 図１ｃが、水平面内で回転する磁場内でのいくつかのタイプの流れの概略図であり、 図１ｄが、液体状態、および凝固への転移中の、溶融物の期間（Ｔ_Ｐ）−温度（Ｔ）表現を示す図であり、Ｔ_ｓｏｌが、凝固開始時の容器底部の温度を示し、 図１ｅが、ローレンツ力（Ｆ_Ｌ／Ｆ_Ｌ０）−時間（ｔ）表現を示す図である。 液体金属溶融物を含む２つの概略的な円筒形容器を示す図であって、 図２ａが、金属の液体溶融物を示す図であり、 図２ｂが、互いに重なった、静止状態（分離された状態）での２つの異なる金属の２つの溶融物を示す図である。 実験的に求められた、子午線二次流の強度の、期間Ｔ_Ｐへの依存性を示す図である。 液体鉛（Ｐｂ）と液体スズ（Ｓｎ）との混合に関する数値シミュレーションの結果を示す図であって、混合の開始後、同じ時間（ｔ／ｔ_{ｓｐｉｎ−ｕｐ}＝１．９２）での混合挙動であり、 図４ａが、連続的なＲＭＦ、Ｔ_Ｐ＝∞を示す図であり、 図４ｂが、Ｔ_Ｐ／ｔ_ｉ．ａ．＝１．０３を示す図であり、 図４ｃが、Ｔ_Ｐ／ｔ_ｉ．ａ．＝２を示す図である。 容器下半分内でのスズ濃度の混合に関する数値シミュレーションの結果：様々なシナリオに関する下側容器体積内での体積平均Ｓｎ濃度の時間発展 を例示する図である。
磁場の影響下でのＡｌ−Ｓｉ合金の凝固を示す図であって、 Ｂ_０＝６．５ｍＴ（マクロ構造）であり、 図６ａが、連続的なＲＭＦ、Ｔ_Ｐ＝∞を示す図であり、 図６ｂが、Ｔ_Ｐ／ｔ_ｉ．ａ．＝１．６７を示す図であり、 図６ｃが、Ｔ_Ｐ／ｔ_ｉ．ａ．＝０．９５を示す図である。 磁場の影響下でのＡｌ−Ｓｉ合金の凝固（ミクロ構造）を示す図であって、 図７ａが、連続的なＲＭＦ、Ｔ_Ｐ＝∞を示す図であり、 図７ｂが、Ｔ_Ｐ／ｔ_ｉ．ａ．＝１．６７を示す図である。 パルス持続時間Ｔ_Ｐの変化を伴う磁場の影響下で凝固されたＡｌ−７重量％Ｓｉ試料（７重量％のＳｉ分率を有する）中での初晶の表面比率の半径方向分布を示す図である。

図１、１ａ、１ｂは、水平面内でローレンツ力Ｆ_Ｌを発生する回転磁場を使用することによって金属溶融物２の形態での液体状態の流体を撹拌するための本発明のデバイス１の概略図を示し、デバイス１は、少なくとも、
−（図２ａに示されるように）液体溶融物２が内部に含まれる、または（図２ｂに示されるように）液体溶融物２１、２２が内部に含まれる円筒形容器１３と、
−容器１３を取り囲む中心対称構成３であって、ローレンツ力Ｆ_Ｌを発生する回転磁場を生成するための少なくとも３対の誘導コイル３１、３２、３３を具備する中心対称構成３と、
−容器１３内での流体２、２１、２２の温度を測定するための少なくとも１つの温度センサ１０と
を備える。

本発明によれば、誘導コイルの対３１、３２、３３は、制御／調整ユニット１２に接続され、制御／調整ユニット１２は、接続された電源ユニット１１を介して、誘導コイルの対３１、３２、３３に回転電流Ｉ_Ｄを送り、誘導コイルの対３１、３２、３３に給電する回転電流Ｉ_Ｄの位相角が、液体状態での混合に関する所定期間Ｔ_ＰＭまたは凝固開始以降の混合に関する所定期間Ｔ_ＰＥに応じた一定の時間間隔で１８０°だけ変位され、それにより、磁場の回転方向、および流れを引き起こすローレンツ力Ｆ_Ｌの回転方向の逆転が実現され、制御／調整ユニット１２が、温度センサ１０に接続され、凝固開始の瞬間の温度センサ１０の温度データが、Ｔ_ＰＭからＴ_ＰＥへの期間の切替えをトリガする。

円筒形容器１３は、液体であり導電性の第１の溶融物２を充填される。容器１３は、図１ｂに示されるように、誘導コイル対３１、３２、３３を具備する構成３の内部に中心対称で位置される。誘導コイル対３１、３２、３３は、電源ユニット１１によって、三相交流の形態での回転電流Ｉ_Ｄを供給されて磁場を発生し、この磁場は、容器１３の対称軸１４を中心として回転し、回転方向１５（矢印の方向）で、水平に向けられる。磁場強度の時間変化が、優勢な方位角成分を有するローレンツ力Ｆ_Ｌを発生し、このローレンツ力Ｆ_Ｌが、図２ａにおける溶融物２または図２ｂにおける溶融物２１、２２を回転運動させる。誘導コイル対３１、３２、３３の電源ユニット１１は、制御／調整ユニット１２に接続されており、制御／調整ユニット１２は、所定の時間間隔で、三相交流Ｉ_Ｄの位相の変位を行う。図１ｂに示されるように、位相変位の結果、位相変化中に、水平に向けられた磁場の回転方向１５が回転方向１６へと逆転される。

この方法は、例えば、図２ａに示されるように一成分溶融物２中の温度分布を均質化するために使用することができ、または図２ｂに示されるように分離された多成分溶融物２１、２２中の濃度均衡を得るために使用することができ、混合の開始前には、より高い密度を有する溶融物２２が容器１３の下側に含まれ、より軽い溶融物２１がその上に重なっている。

図１および図２ａ、２ｂに従って、デバイス１の動作モードをより詳細に説明する。

電磁撹拌のための方法は、流れを引き起こすローレンツ力Ｆ_Ｌの方向の周期的な逆転に基づく。流れの特性は、磁場Ｂ_０の回転方向の周期的変化１５−１６、１６−１５によって決定される。方向が逆転する瞬間に、流れが制動され、溶融物２；２１、２２が逆方向に加速される。ローレンツ力Ｆ_Ｌは、関連の力成分が軸方向で異なっており、容器１３の中心面１７で最大値を有する。磁場の回転方向１５が極性反転されるとき、溶融物２；２１、２２は、容器１３の底部４および自由表面５の近傍よりも中心面１７の周辺で強く制動され、逆方向１６に加速される。流れの方向の逆転１５−１６、１６−１５が同時でないことにより、対称軸１４の軸方向で、回転運動に大きい勾配が生じる。図１ｃに示されるように、そのような勾配の発生が、子午線二次流１８を誘発させる。したがって、流れの方向が逆転する期間中、強力な二次流１８が生じ、それと同時に回転運動１９が弱く生じる。したがって、溶融物２；２１、２２の混合は、一次方位角回転運動１９の強度と子午線方向二次流１８の強度とが互いに良く近似すればするほど、より効率的になる。これは、比較的長期にわたって絶えず繰り返される磁場Ｂ_０の方向変化によって実現することができる。図１ｄ、１ｅに示されるように、この文脈で、期間Ｔ_Ｐの調節が決定的な役割を果たす。期間Ｔ_Ｐが長すぎる場合、一次方位角回転運動１９は、子午線二次流１８に比べて強度が大幅に増加する。比較的頻繁な方向変化１５−１６、１６−１５が二次流１８を強めるので、比較的短い期間Ｔ_Ｐが有利である。しかし、期間Ｔ_Ｐが短すぎる場合、溶融物２；２１、２２を十分に加速することができず、一次回転運動１９と二次流１８とが共に強度を失う。したがって、図１ｅに示されるように、磁場強度Ｂ_０と、溶融物２；２１、２２の体積の大きさおよび形状と、溶融物２；２１、２２の材料特性とに応じた、期間Ｔ_Ｐの特定の最適値が存在する。

液体溶融物２；２１、２２の効率的な撹拌、すなわちできるだけ小さいエネルギー消費でありながら最大の撹拌作用は、図１ｄに従って、期間Ｔ_Ｐが以下のように定義されるときに実現される。
０．５・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_Ｐ＜１．５・ｔ_ｉ．ａ． （Ｉ）

パラメータｔ_ｉ．ａ．は、いわゆる初期調節時間であり、事前に静止状態にあった溶融物２；２１、２２中への回転磁場の突然の印加後に起こる、子午線二次流１８に典型的な二重渦の生成の時間尺度を表す。初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．は、式
によって定義される。変数σ、ρ、ω、およびＢ_０は、溶融物の導電率および密度、ならびに磁場の周波数および振幅を表し、定数Ｃ_ｇは、溶融物体積の大きさおよび形状の影響を表し、３〜５の間の数値を取ることができる。

直径２ｒおよび高さ各６０ｍｍを有するプレキシガラス・シリンダ１３内で、ＧａＩｎＳｎ溶融物２１、２２の流れが、超音波ドップラー法を用いて測定された。図３は、ｒ＝１８ｍｍに関して軸線に沿って測定された、期間Ｔ_Ｐに応じた垂直速度の根二乗平均Ｕ_ｚ ^２を示す。実験結果は、子午線二次流１８の強度が最大値に達する特定の期間Ｔ_Ｐの存在を実証する。最大値Ｕ_ｚｍａｘ ^２の位置は、磁場強度と共に変化し、当該の初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．に対応する。

図２ｂに示されるように、本発明は、様々な溶融物２１、２２を混和するために使用することができる。例えば、液体鉛２２と液体スズ２１とを、それぞれ半分ずつ円筒形容器１３内に入れることができる。鉛２２は、はるかに重く、混合の開始前には容器１３の下半分にある。規定の瞬間に、回転磁場Ｂ_０が印加され、その回転方向は、一定の時間間隔で逆転される。図４および図４ａ、４ｂ、４ｃに、１ｍＴの磁場において、特定時間２０秒の後のｒ−ｚ半平面内での鉛（黒）２２とスズ（白）２１との濃度分布について、数値シミュレーションの結果が示され、ここで、
図４ａでは、Ｔ_Ｐ＝０
図４ｂでは、Ｔ_Ｐ＝１．０３ｔ_ｉ．ａ．
図４ｃでは、Ｔ_Ｐ＝２ｔ_ｉ．ａ．
である。

図４ａ、４ｂ、４ｃにおける流れの様々なシナリオについて、容器の下側体積内での体積平均Ｓｎ濃度の時間発展に関して、容器下半分におけるスズ濃度Ｃ_Ｓｎの数値的混合シミュレーションの結果の比較が図５に示される。期間Ｔ_Ｐの様々な調節値に関する
から、期間Ｔ_Ｐ≒ｔ_ｉ．ａ．の場合に混合が最も迅速に進捗することが示される。このことは、図４ｂに示される容器下半分におけるスズ濃度２１の時間発展によって確認される（Ｒ０は容器の半径であり、Ｈ_０は容器の高さである）。この文脈で、特に、期間Ｔ_Ｐが不適切な値に調節されたときには、溶融物体積の均質化に関して、連続的に回転する磁場を加えた場合よりも悪い結果が生じることを把握することができる。

図１、１ａ、１ｂに示されるように誘導コイル対３１、３２、３３を具備する構成３内に導電性溶融物２を充填された円筒形容器１３が配置された様式の図２に例示されるデバイス１には、金属溶融物２の凝固のために冷却デバイス２３を補うことができる。冷却デバイス２３は、金属ブロック６を含み、その内部に冷却チャネル７が存在する。容器１３は、金属ブロック６の上に位置する。凝固プロセス中、冷却剤が、金属ブロック６の内部にある冷却チャネル７を通って流れる。冷却デバイス２３によって、溶融物２から熱が下方向に引き出される。容器１３の断熱材８が、半径方向での熱損失を防止する。少なくとも１つの温度センサ１０が、例えば熱電対の形態で、容器１３の底部４および側壁２０に取り付けられる。温度測定により、凝固開始および凝固状態の経過を監視することができるようになり、かつ制御／調整ユニット１２によって制御される電源ユニット１１によって磁場パラメータ（例えば、Ｂ_０およびＴ_Ｐ）を凝固プロセスの個別の段階に即時に適合させることができるようになる。

流れを引き起こすローレンツ力Ｆ_Ｌの方向の周期的な逆転は、引き続き凝固溶融物２を撹拌するために継続される。図１ｄに示されるように、期間Ｔ_ＰＥは、溶融物２が効果的に混合されるように、かつ子午線二次流１８の方向が凝固前面の周辺で一定の方向変化を受けるように設定される。

図１、２ｂによる本発明のデバイス１において、Ａｌ−Ｓｉ合金２１、２２を、温度制御下で指向性凝固させることができる。図６ａ、６ｂ、６ｃ、７ａ、７ｂ、および８によって、得られる構造的特性を、柱状デンドライトの生成、結晶粒微細化および偏析に関してより詳細に説明する。

図６は、例えば直径５０ｍｍおよび高さ６０ｍｍを仮定して、Ａｌ−７重量％Ｓｉ合金の円柱形ブロックの長手方向断面でのマクロ構造を示し、この合金は、６．５ｍＴの磁場強度Ｂ_０で、回転磁場の影響下で指向性凝固されたものである。この場合には、容器底部での凝固開始後、３０秒の時間遅延で磁場が印加された。電磁的に引き起こされる流れの開始までの期間中、粗い柱状構造が、容器の対称軸に平行に成長する。図７ａに示されるように、連続的に作用する回転磁場の場合には、改善された柱状構造が初めに生じ、すなわち柱状結晶粒がより微細になり、側方へ傾いて成長する。柱状結晶粒成長から等軸結晶粒成長への形態転移を、試料の中央で観察することができる。凝固前面では、二次流が、対称軸１４に向けてＳｉ富化溶融物を運ぶ。これは、縁部区域での共晶相の寡少化と、対称軸１４の領域での集中とを示す典型的な偏析パターンをもたらす。これは、側壁付近での初晶の割合の増加、および試料の中心での初晶の割合の減少と同義である。

図８は、パルス期間Ｔ_Ｐの変化を伴う磁場の影響下で凝固されたＡｌ−７重量％Ｓｉ試料（７重量％のＳｉ分率を有する）中での初晶の表面比率の半径方向分布である。

図６〜８は、磁場の方向の変化および磁場の印加を用いた電磁撹拌の場合に、等軸結晶粒成長への直接の転移を実現することができることを示す。磁場の回転方向の周期的な変化は、いずれにせよ偏析を減少し、パルス期間Ｔ_Ｐの適切な選択を仮定すれば、図７ｂに示されるように偏析をほぼ完全になくすことさえできる。

本発明の利点は、以下のことを含む。
−金属溶融物２；２１、２２の内部での、強力な３次元の流れの生成。
−強力な子午線二次流１８による金属溶融物２；２１、２２の非常に良好な混合。
−連続して回転する磁場に比べて低いエネルギー消費。なぜなら、方位角回転流を維持するために消費エネルギーの大半を用いる必要がなく、混合のためにより効果的な子午線二次流１８に、より多くのエネルギー部分が使用されるからである。
−本発明で定義した子午線二次流１８の方向の周期的な逆転の周波数が、混合または指向性凝固に関する特定可能な値を実現する。
−スラグ巻込みなど望ましくない効果による、溶融物２；２１、２２の自由表面５（図１、２ａ、２ｂに例示される）の擾乱および歪みが防止される。
−指向性凝固中、機械的特性を劣化させる凝固構造内での偏析区域の発生を防止することができる。
−互いに重ねて配置された逆方向に回転するシステムとは対照的に、ただ１つの磁気システムを必要とし、したがって装置および調整に関して、より低費用で済む。

本発明の用法は、とりわけ、混合金属合金の指向性凝固および半導体溶融物の指向性凝固に関わる連続鋳造のために金属溶融物２；２１、２２を混合するために採用することができる。

１ デバイス
２ 第１の溶融物
３ 誘導コイルの構成
３１ 第１の誘導コイル対
３２ 第２の誘導コイル対
３３ 第３の誘導コイル対
４ 底部プレート
５ 表面
６ 金属ブロック
７ 冷却チャネル
８ 断熱材
９ 冷却体
１０ 温度センサ
１１ 電源ユニット
１２ 制御／調節ユニット
１３ 容器
１４ 対称軸
１５ 第１の回転方向
１６ 第２の回転方向
１７ 中心面
１８ 子午線二次流
１９ 方位角回転流
２０ 側壁
２１ 第２の溶融物
２２ 第３の溶融物
２３ 冷却デバイス
Ｔ_Ｐ 期間
Ｔ_ＰＭ 混合に関する期間
Ｔ_ＰＥ 凝固開始時の期間
Ｔ_{Ｐａｕｓｅ} 休止期間
ｔ_ｉ．ａ． 初期調節時間

Claims (18)

1. 水平面内でローレンツ力（Ｆ_Ｌ）を発生する回転磁場を使用することによって、流体（２、２１、２２）の液体状態および／または凝固開始状態で導電性流体（２、２１、２２）を電磁撹拌するための方法であって、水平面内で回転する磁場の回転方向（１５、１６）が、期間（Ｔ_Ｐ）の形での一定の時間間隔で変えられ、磁場ベクトルの移動方向の変化の周波数が、液状流体（２、２１、２２）の混合の状態では、時間間隔（ΔＴ_ＰＭ）での２度の磁場方向変化の間の期間（Ｔ_Ｐ）が、条件
   （Ｉ）０．５・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_ＰＭ＜１．５・ｔ_ｉ．ａ．
   で、初期調節時間（ｔ_ｉ．ａ．）に応じて提供されるように設定され、かつ、流体（２、２１、２２）の凝固状態開始時には、時間間隔（ΔＴ_ＰＥ）での２度の磁場方向変化の間の期間（Ｔ_Ｐ）が、条件
   （ＩＩ）０．８・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_ＰＥ＜４・ｔ_ｉ．ａ．
   で、初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．に応じて調節されるように設定され、前記初期調節時間（ｔ_ｉ．ａ．）が、式
   によって与えられ、前記初期調節時間（ｔ_ｉ．ａ．）中に、静止状態にあった流体（２；２１、２２）中への回転磁場の印加後に子午線二次流（１８）の二重渦が生成され、σが、導電率として定義され、ρが、流体（２、２１、２２）の密度として定義され、ωが、磁場の周波数として定義され、Ｂ_０が、磁場の振幅として定義され、Ｃ_ｇが、前記流体（２、２１、２２）の体積の大きさおよび形状の影響に関する定数として定義されることを特徴とする方法。
2. 回転磁場を生成するために、前記流体（２、２１、２２）を含む円筒形容器（１３）に配置された少なくとも３対の誘導コイル（３１、３２、３３）に、三相交流の形態での回転電流（Ｉ_Ｄ）が加えられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 金属または半導体溶融物（２、２１、２２）が、前記容器（１３）内に導電性流体として注入されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 磁場の振幅（Ｂ_０）が、指向性凝固状態の経過中に減少する前記溶融物（２；２１、２２）の体積の高さ（Ｈ_０）に応じて修正されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 温度制御下での指向性凝固状態で、磁場の振幅（Ｂ_０）が、プロセスの過程に従って、２つの値
   のそれぞれの最大値に対応するように増加され、νが、前記溶融物（２、２１、２２）の動粘度として定義され、Ｖ_ｓｏｌが、凝固の速度として定義され、Ｈ_０が、溶融物体積の高さとして定義され、Ｂ_１およびＢ_２が、磁場の振幅Ｂ_０の下限値として定義されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 磁場が存在して印加される混合中の当該の期間（Ｔ_ＰＭ）および凝固開始時の当該の期間（Ｔ_ＰＥ）が、前記溶融物（２、２１、２２）に磁場が存在しない休止期間（Ｔ_{Ｐａｕｓｅ}）での休止によって中断され、前記休止期間（Ｔ_{Ｐａｕｓｅ}）が、当該の期間（Ｔ_Ｐ）に対して、Ｔ_{Ｐａｕｓｅ}≦０．５・Ｔ_Ｐで調節されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
7. ローレンツ力（Ｆ_Ｌ）のプロファイルを変調するときに、長方形関数の代わりに、例えば、正弦、三角形、または鋸歯など他のパルス形状が実現され、磁場の振幅（Ｂ_０）のプロファイルおよび最大値が、様々なパルス形状に関して同一のエネルギー入力が生じるように定義されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法によって、水平面内でローレンツ力（Ｆ_Ｌ）を発生する回転磁場を使用することによって、流体（２、２１、２２）の液体状態および／または凝固開始状態で導電性流体（２、２１、２２）を電磁撹拌するためのデバイス（１）であって、少なくとも、
   −円筒形容器（１３）と、
   −前記容器（１３）を取り囲む中心対称構成（３）であって、ローレンツ力（Ｆ_Ｌ）を発生する回転磁場を生成するための少なくとも３対の誘導コイル（３１、３２、３３）を具備する中心対称構成（３）と、
   −前記容器（１３）内の前記流体（２、２１、２２）の温度を測定するための少なくとも１つの温度センサ（１０）と
   を備え、
   前記誘導コイルの対（３１、３２、３３）が、制御および調整ユニット（１２）に接続され、前記制御および調整ユニット（１２）が、接続された電源ユニット（１１）を介して誘導コイルの対（３１、３２、３３）に回転電流（Ｉ_Ｄ）を送り、前記誘導コイル対（３１、３２、３３）に給電する回転電流（Ｉ_Ｄ）の位相角が、液体状態での混合に関する所定期間（Ｔ_ＰＭ）または凝固開始以降の混合に関する所定期間（Ｔ_ＰＥ）に応じた一定の時間間隔で１８０°だけ変位され、それにより、磁場の回転方向、および流れを引き起こすローレンツ力（Ｆ_Ｌ）の回転方向の逆転が実現され、制御／調整ユニット（１２）が、温度センサ（１０）に接続され、凝固開始の瞬間の温度センサ（１０）の温度データが、Ｔ_ＰＭからＴ_ＰＥへの期間の切替えをトリガすることを特徴とするデバイス（１）。
9. 前記回転電流（Ｉ_Ｄ）が、三相交流として生成されることを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
10. 前記溶融物（２；２１、２２）の形態での流体を含む前記容器（１３）が、前記誘導コイル（３１、３２、３３）の内部に同心状に配置されることを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
11. 前記容器（１３）に、加熱デバイスおよび／または冷却デバイス（２３）が設けられることを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
12. 前記容器（１３）に属する底部プレート（４）が、固体金属体（９）と直接接触し、前記固体金属体（９）の内部を通って冷却媒体が流れることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載のデバイス。
13. 前記容器（１３）の前記側壁（２０）が断熱されることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載のデバイス。
14. 前記冷却体（９）が、サーモスタットに接続されることを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。
15. 低い伝達抵抗と共に安定した熱伝達を達成するために、液体金属被膜が、前記冷却体（９）と前記容器（１３）との間に位置されることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項に記載のデバイス。
16. 前記液体金属被膜が、ガリウム合金からなることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
17. 前記溶融物（２；２１、２２）が内部に含まれる前記容器（１３）の前記底部プレート（４）および／または前記側壁（２０）に、好ましくは熱電対の形態での少なくとも１つの温度センサ（１０）が位置決めされ、前記温度センサ（１０）が、凝固開始の瞬間に関係する情報信号を供給し、制御／調整ユニット（１２）に接続されていることを特徴とする請求項８〜１６のいずれか一項に記載のデバイス。
18. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法によって金属材料の連続鋳造中または凝固中に金属溶融物を浄化するために、冶金プロセスにおいては金属溶融物の形態で、または結晶成長においては半導体溶融物の形態で、請求項９〜１７のいずれか一項に記載の導電性流体（２、２１、２２）を電磁撹拌するためのデバイス（１）の使用。