專利名稱：基于永磁螺旋磁場的驅(qū)動金屬熔體三維周期性流動的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于永磁螺旋磁場的驅(qū)動金屬熔體三維周期性流動的方法，屬于冶金工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
采用電磁的辦法驅(qū)動和控制金屬液流動是電磁冶金一個重要的研究方向，例如電磁攪拌、電磁制動等技術(shù)。目前，電磁冶金工藝中根據(jù)磁場運動形式可分為行波磁場和旋轉(zhuǎn)磁場。采用永磁體、多相交流電線圈均可實現(xiàn)上述兩種磁場運動形式。由于稀土永磁材料的磁性材料性能的不斷提高，采用永磁體提供磁場并在機械力驅(qū)動下運動成為提供運動磁場的另一種可倉泛。上述兩種產(chǎn)生磁場的形式原理上基本相同運動磁場在金屬液中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與磁場相互作用進而產(chǎn)生電磁體積力一洛侖茲力。洛侖茲力由于有著電磁設(shè)備和導(dǎo)電流體非直接接觸、表現(xiàn)為體積力、在導(dǎo)電流體中有一定的滲透深度、力密度大、對環(huán)境污染較小等諸多優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用在金屬凝固組織控制、金屬流體輸運、促進導(dǎo)電流體的顯著熱、質(zhì)傳輸上。電磁攪拌對改善金屬凝固過程中的微觀偏析具有明顯的作用，這已被大量實驗室實驗和工業(yè)實踐所證實，例如晶粒細化技術(shù)。但對濃度偏析(或稱成份偏析)的研究不是很深入。一般來說，由于施加行波磁場、旋轉(zhuǎn)磁場或螺旋磁場，作用于金屬凝固前沿的電磁力運動形式固定，熔質(zhì)析出過程會以一種固定模式進行，使凝固前沿熔質(zhì)的析出過程隨時間變化很小，這樣施加磁場不但不能改善濃度偏析，而且還有增大濃度偏析的趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于永磁螺旋磁場的驅(qū)動金屬熔體三維周期性流動的方法，利用永磁體堆砌產(chǎn)生螺旋磁場并使其做旋轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動、攪拌或分散金屬熔體及其第二相，以達到改善金屬凝固過程中的各種缺陷，控制金屬凝固組織的目的。本發(fā)明提出的基于螺旋磁場的驅(qū)動金屬熔體三維周期性流動的方法，包括以下步驟( I)制備一個螺旋磁場體，該螺旋磁場體由多個永磁體單元組成，多個永磁體單元同軸安裝，每個永磁體單元為一個圓環(huán)，圓環(huán)的名義半徑為R，圓環(huán)的厚度為h,每個永磁體單兀由多個永磁體與一個支撐架組成，多個永磁體均布鑲嵌在支撐架上，相鄰永磁體的磁化方向相反，相鄰兩個永磁體單元中的永磁體沿逆時針或順時針方向依次錯開一定的水平
角β (以弧度計)，使組成的螺旋磁場的升角為α (以弧度計)，則有《 = antan($);(2)使金屬熔體位于螺旋磁場體的空腔內(nèi)，螺旋磁場體以角速度ω旋轉(zhuǎn)，并使旋轉(zhuǎn)方向以周期P交替變化，周期P的倒數(shù)稱之為換向頻率frn。所驅(qū)動金屬熔體形成三維周期性螺旋流動。
本發(fā)明提出的基于永磁螺旋磁場的驅(qū)動金屬熔體三維周期性流動的方法，具有以下特點和優(yōu)點I、本發(fā)明的基于永磁螺旋磁場的驅(qū)動金屬熔體三維周期性流動的方法，其中的螺旋磁場在空間和時間上變化改變了磁場的分布形態(tài)，有效地改善金屬熔體在凝固時的熔質(zhì)再分配過程，使固、液凝固界面處與較遠的熔質(zhì)進行有效地對流，使熔質(zhì)充分混合。在適當?shù)哪Ｊ筋l率下，尤其能改善由單一形態(tài)的行波或旋轉(zhuǎn)磁場所不能改善甚至加重的濃度偏析。2、本發(fā)明提出的基于永磁螺旋磁場的驅(qū)動金屬熔體三維周期性流動的方法，有效地加強了金屬熔體的熱傳輸，周期性的、空間變化的受迫對流可使磁場作用區(qū)域的溫度分布更趨均勻。3、本發(fā)明的基于永磁螺旋磁場的驅(qū)動金屬熔體三維周期性流動的方法，由于螺旋磁場在空間分布的特點，本方法適用于不同的金屬熔體的形狀。本發(fā)明方法的上述特點和優(yōu)點，使本方法能有效減少金屬熔體凝固的各種缺陷，可用于改善金屬凝固工藝。


圖I是本發(fā)明方法中制備的螺旋磁場體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I所示的螺旋磁場體中永磁體單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是對圖I所示的螺旋磁場體施加旋轉(zhuǎn)方向周期性變化的驅(qū)動力時金屬熔體的周期性三維流動示意圖。圖4是所施加的換向頻率波形圖示意圖。圖I和圖2中，I是永磁體，2是支撐架，3是金屬熔體的流動方向。
具體實施例方式本發(fā)明提出的基于螺旋磁場的驅(qū)動金屬熔體三維周期性流動的方法，包括以下步驟( I)制備一個螺旋磁場體，如圖I和圖2所示，該螺旋磁場體由多個永磁體單元組成，多個永磁體單元同軸安裝，每個永磁體單元為一個圓環(huán)，圓環(huán)的名義半徑為R，圓環(huán)的厚度為h，每個永磁體單元由多個永磁體I與一個支撐架2組成，多個永磁體均布鑲嵌在支撐架上，相鄰永磁體的磁化方向相反，相鄰兩個永磁體單元中的永磁體沿逆時針或順時針方向依次錯開一個水平角β (以弧度計)，使組成的螺旋磁場的升角為α (以弧度計)，則有a = arctan (~);(2)使金屬熔體位于螺旋磁場體的空腔內(nèi)，使螺旋磁場體以角速度ω旋轉(zhuǎn)，并使旋轉(zhuǎn)方向以周期p(= I/O交替變化，驅(qū)動金屬熔體形成三維周期性螺旋流動。本發(fā)明方法中，被驅(qū)動的金屬熔體位于支撐架2圍成的圓柱形腔體的心部，并在電機的帶動下，支撐架圍成的圓柱形腔體以一定角速度ω轉(zhuǎn)動；金屬熔體被驅(qū)動后作三維周期性流動，流動方向如圖3中所示，其中(a)是金屬熔體作逆時針流動，(b)是金屬熔體作順時針流動。該電磁驅(qū)動的原理為運動的螺旋磁場在金屬熔體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與運動的螺旋磁場相互作用在金屬熔體內(nèi)產(chǎn)生電磁體積力，即洛侖茲力，在該螺旋磁場引起的洛侖茲力的驅(qū)動下金屬熔體的運動為三維復(fù)雜流動。在螺旋磁場尺寸、強度與金屬熔體尺寸適當匹配下，金屬熔體可形成螺旋狀流動。通過一個換向裝置使驅(qū)動螺旋磁場運動的電機的產(chǎn)生換向頻率為fm的周期性正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運動，即螺旋磁場實現(xiàn)換向頻率為fm的周期性正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運動，如圖4中實線所示的矩形波，橫坐標表示時間，縱坐標A表示螺旋磁場旋轉(zhuǎn)的速度和方向。考慮到機械運動的安全性，每半個周期之間設(shè)有一定的換向時間(2TP)，有(2ΤΡ) <Ρ,如圖4中虛線所示。其中換向的矩形波函數(shù)m(t)可表示為
權(quán)利要求
1.一種基于螺旋磁場的驅(qū)動金屬熔體三維周期性流動的方法，該方法包括以下步驟(1)制備一個螺旋磁場體，該螺旋磁場體由多個永磁體單元組成，多個永磁體單元同軸安裝，每個永磁體單元為一個圓環(huán)，圓環(huán)的名義半徑為R，圓環(huán)的厚度為h,每個永磁體單元由多個永磁體與一個支撐架組成，多個永磁體均布鑲嵌在支撐架上，相鄰永磁體的磁化方向相反，相鄰兩個永磁體單元中的永磁體沿逆時針或順時針方向依次錯開一個水平角β，使組成的螺旋磁場的升角為a，a = arctan (*);(2)使金屬熔體位于螺旋磁場體的空腔內(nèi)，使螺旋磁場體以角速度ω旋轉(zhuǎn)，并使旋轉(zhuǎn)方向以周期P(= l/fm)交替變化，驅(qū)動金屬熔體形成三維周期性螺旋流動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于永磁螺旋磁場的驅(qū)動金屬熔體三維周期性流動的方法，屬于冶金工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。首先制備一個螺旋磁場體，該螺旋磁場體由多個永磁體單元組成，多個永磁體單元同軸安裝，每個永磁體單元為一個圓環(huán)，每個永磁體單元由多個永磁體與一個支撐架組成，多個永磁體均布鑲嵌在支撐架上，相鄰永磁體的磁化方向相反，相鄰兩個永磁體單元中的永磁體沿逆時針或順時針方向依次錯開一定的水平角β，使組成的螺旋磁場的升角為α，使金屬熔體位于螺旋磁場體的空腔內(nèi)，螺旋磁場體以一定角速度旋轉(zhuǎn)，并使旋轉(zhuǎn)方向以一定周期交替變化，驅(qū)動金屬熔體形成三維周期性螺旋流動。本發(fā)明方法能有效減少金屬熔體凝固的各種缺陷，可用于改善金屬凝固工藝。
文檔編號B01F13/08GK102944123SQ20121047372
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者王曉東, 那賢昭, 王松偉 申請人:中國科學(xué)院研究生院, 鋼鐵研究總院