JP2010535106A5

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Publication number: JP2010535106A5
Application number: JP2010518495A
Authority: JP
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2011-08-04

Description

導電性流体を電磁撹拌するための方法およびデバイス

本発明は、水平面内で回転する磁場と、その磁場に対して垂直方向に進行する磁場とを使用することによって、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、高温金属溶融物または半導体溶融物を撹拌することができるという魅力的な可能性を開く。電磁力場は、磁場振幅および磁場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。

電磁撹拌は、とりわけ、金属合金または半導体溶融物の指向性凝固において、工業規模で使用される。この文脈での重要な問題は、前進する凝固前面の近辺での流れが、凝固される材料の偏析をもたらすことがあり、これが、得られる個体の機械的特性を著しく劣化させることである。液相または固相中の個々の成分の可溶性が異なるので、濃度境界層が凝固前面に生じる。流れは、富化溶融物を凝固前面から離れるように対流運搬することにより、拡がった濃度境界層の構築を妨げる。しかし、このとき溶融物が排他的に一方向で流れる場合、偏析区域が他の体積領域に生じる。

回転磁場または進行磁場は、鋼の連続鋳造など冶金プロセスで既に使用されている。例えば、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、ＤＥ１９６２３４１Ａ号明細書に記載されている。

連続鋳造中に鋼溶融物を撹拌するための別の方法が、米国特許出願公開第２００３／０１０６６６７Ａ１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つの磁気撹拌器を利用しなければならないことであり、すなわち、表面積に関して上側磁気撹拌器が利用され、体積に関して下側磁気撹拌器が利用される。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、はるかに弱く溶融物が回転されるので、上側で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費やさなければならない。

ＤＥ２４０１１４５Ａ号明細書およびＤＥ３７３０３００Ａ１号明細書に、連続鋳造モールドにおいて電磁撹拌するためのさらなる方法が記載されており、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。ＤＥ２４０１１４５Ａ号明細書には、周期的な変化によって、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。ＤＥ３７３０３００Ａ１号明細書は、溶融物の自由表面を沈静化させる方法を記載する。それと同時に、溶融物中に生じる磁場が強力な撹拌運動を保つことが前提とされている。上述した２つの特許文書では、流れの方向を変えることができ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。サイクル時間または期間、あるいは電流の符号の変化の周波数は、生じる流れに対して強い影響を有する重要なパラメータである。しかし、どちらの特許文書も、磁場強度、構成の幾何形状、または金属溶融物の材料特性に応じた期間に関するデータを指定していない。

円筒形容器内に含まれる溶融物の強力な撹拌のためのデバイスおよび方法であって、この場合に、回転磁場と進行磁場とが同時に使用されるデバイスおよび方法が、特開２００３２２０３２３ＡＡ号公報に記載されている。回転磁場は、容器を取り囲む半径方向コイルによって生成され、半径方向コイルの巻きは環状設計であり、進行磁場は、長手方向コイルによって生成され、長手方向のコイルの巻きは、側面の断面にわたって軸方向に延在し、容器の側面を環状に全体的に取り囲み、長手方向コイルが容器の側面と半径方向コイルとの間に配置される。半径方向コイルは、容器内の液体溶融物の回転運動を生み出し、長手方向コイルは、軸方向運動を生み出す。２つの場の同時重畳が、その結果得られる定常力を生成し、これは、特徴的な流れ構造を引き起こし、また、パラメータの選択によっては、いくつかの環境では非対称な流れ構造を引き起こす。これは、凝固に関して、時間平均で好ましい方向での質量移送をもたらす、したがって偏析をもたらす流れが、凝固前面に生じていることを意味する。

本発明の目的は、特に凝固開始時および凝固の経過中に、溶融物を充填された容器内の非対称な流れ構造を防止するように適切に設計された、導電性流体を電磁撹拌するための方法およびデバイスを規定することである。さらに、狙いは、凝固構造内での偏析区域の生成を防止することによって、流体の効果的な混合および／または金属合金の制御された凝固を実現することである。

この目的は、請求項１および１０の特徴によって実現される。

水平面内で回転する磁場ＲＭＦと、磁場ＲＭＦに対して垂直方向に進行する磁場ＷＭＦとを使用することによって導電性流体を電磁撹拌するための方法において、
請求項１の特徴部に従って、
回転磁場ＲＭＦと進行磁場ＷＭＦとの両方が、時間的に制限された調節可能な期間Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}およびＴ_{Ｐ，ＷＭＦ}の形で断続的に、関連の誘導コイルを通じて時間的に交互に印加される。

回転磁場ＲＭＦの持続期間Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}と、進行磁場ＷＭＦ（４７）の持続期間Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}とは、時間間隔
０．２・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＝Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜２・ｔ_ｉ．ａ．（Ｉ）
内にすることができ、初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．に関する定義
を伴い、変数σ、ρ、ω、およびＢ_０が、流体の導電率および密度、ならびに磁場ＲＭＦまたはＷＭＦの周波数および振幅を表し、定数Ｃ_ｇが、流体の体積の大きさおよび形状の影響を表し、３〜５の数値を取ることができる。初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．は、子午線流の体積平均運動エネルギーまたは体積平均子午線速度Ｕ_ｒｚが第１の最大値に達する瞬間を表す（Ｎｉｋｒｉｔｙｕｋ、Ｕｎｇａｒｉｓｈ、Ｅｃｋｅｒｔ、Ｇｒｕｎｄｍａｎｎによる文献：Ｓｐｉｎ−ｕｐｏｆａｌｉｑｕｉｄｍｅｔａｌｆｌｏｗｄｒｉｖｅｎｂｙａｒｏｔａｔｉｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｉｎａｆｉｎｉｔｅｃｙｌｉｎｄｅｒ：Ａｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎｄａｎａｎａｌｙｔｉｃａｌｓｔｕｄｙ，ＰｈｙｓＦｌｕｉｄｓ１７，０６７１０１−１〜０６７１０１−１６，２００５に記載されている）。この場合、式
が成り立つ。

回転磁場ＲＭＦの場合、いわゆる初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．は、事前に静止状態にあった溶融物中で回転磁場が突然印加された後に子午線二次流に典型的な二重渦が生じる時間尺度と同一である。

回転磁場および進行磁場に関する様々な期間Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}、Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}を、条件
０．５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＜Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ} （ＩＩ）
に従って調節することができる。

金属または半導体溶融物を、容器内に導電性流体として充填することができる。

温度制御下での指向性凝固の状態では、回転磁場ＲＭＦの振幅Ｂ_０ ^ＲＭＦ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、パラメータν、Ｖ_ｓｏｌ、およびＨ_０が、溶融物の動粘度、凝固の速度、および溶融物体積の高さを表す。Ｂ_１ ^ＲＭＦおよびＢ_２ ^ＲＭＦは、パラメータν、Ｖ_ｓｏｌ、およびＨ_０に応じた凝固の過程で変わることがある回転磁場の振幅の下限値である。

進行磁場ＷＭＦの振幅Ｂ_０ ^ＷＭＦは、前記回転磁場ＲＭＦの振幅Ｂ_０ ^ＲＭＦと全く同じであるか、または４倍までの大きさに設定することができ、すなわち、
Ｂ_０ ^ＷＭＦ＝１．．．４・Ｂ_０ ^ＲＭＦ（ＶＩＩＩ）
である。

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を実現することができ、磁場ＲＭＦまたはＷＭＦ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。

磁場ＲＭＦおよびＷＭＦの振幅Ｂ_０ ^ＲＭＦ、Ｂ_０ ^ＷＭＦは、観察対象のプロセスから導き出される要件に従って適合した形で、撹拌中に連続的に設定することができる。

磁場ＲＭＦまたはＷＭＦの一方が印加される個々の期間Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}およびＴ_{Ｐ，ＷＭＦ}は、２つの磁場ＲＭＦまたはＷＭＦのどちらも流体に作用しない休止持続期間Ｔ_{Ｐａｕｓｅ}によって中断することができ、Ｔ_{Ｐａｕｓｅ}≦０．５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}またはＴ_{Ｐａｕｓｅ}≦０．５・Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}に設定することが可能である。

回転磁場ＲＭＦおよび／または進行磁場ＷＭＦの方向は、２つのパルス間で逆転させることができる。

導電性流体を電磁撹拌するためのデバイスが、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、水平面内で回転し、ローレンツ力Ｆ_Ｌを発生する磁場ＲＭＦ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、
−容器を取り囲む構成であって、垂直方向に進行する磁場ＷＭＦを生成するために互いに層状に重ねて整列された少なくとも２つの誘導コイルを具備する構成と、
−容器内の流体の温度を測定し、制御／調整ユニットによって温度を制御するための少なくとも１つの温度センサと
を備え、
特許請求項１０に記載の特徴部に従って、
電源ユニットが、制御／調整ユニットによって誘導コイルに接続され、それぞれ関連付けられる誘導コイルへの給電が、所定の条件
０．２・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＝Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜２・ｔ_ｉ．ａ．（Ｉ）または
０．５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＜Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ} （ＩＩ）
によって設定された様式で行われる。

流体または液体溶融物を含む容器を、誘導コイル内部で同心状に配置することができる。

容器に、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。

容器の底部プレートは、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剤が流れる。

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させることができる。

低い伝達抵抗と共に適切な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。

溶融物が含まれる容器の底部プレート内および／または側壁内／上に、熱電対の形態での少なくとも１つの温度センサを位置決めすることができ、このセンサは、凝固開始の瞬間に関係する情報アイテムを供給し、流体の温度を制御するための制御／調整ユニットに接続される。

請求項１０〜１８のいずれか一項に記載の導電性流体を電磁撹拌するためのデバイスの使用は、請求項１〜９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プロセス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行うことができる。

導電性流体を電磁撹拌するための本発明の方法では、回転磁場ＲＭＦと、回転磁場ＲＭＦに垂直方向に進行する磁場ＷＭＦとがどちらも、時間的に制限されたパルスの形態で断続的に印加され、２つの磁場ＲＭＦおよびＷＭＦは、時間的に交互に印加される。それにより、三相交流電流を供給される誘導コイル対は、任意の時間に、１つの磁場ＲＭＦまたはＷＭＦが溶融物に作用するように駆動される。

回転磁場ＲＭＦの期間Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}と進行磁場ＷＭＦの期間Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}とを、等しい値に調節することができ、本発明によれば、条件
０．２・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＝Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜２・ｔ_ｉ．ａ．（Ｉ）
による調節が存在する。

回転磁場ＲＭＦの期間Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}と進行磁場ＷＭＦの期間Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}とが、互いに異なる値に調節される場合、調節は、条件
０．５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＜Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ} （ＩＩ）
に従って行われる。

好ましくは、強力な混合を実現するために、進行磁場ＷＭＦの期間Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}のほうが長い、または数倍長い。

垂直方向に進行する磁場ＷＭＦの振幅Ｂ_{Ｐ，ＷＭＦ}は、回転磁場ＲＭＦの振幅Ｂ_{Ｐ，ＲＭＦ}と少なくとも全く同じ大きさにすることができ、好ましくは数倍（最大で４倍）大きい。

本発明を、複数の図面によって例示的実施形態を用いてより詳細に説明する。

組み合わされた磁場を用いて導電性流体を電磁撹拌するためのデバイスの概略図である。それぞれ、相対回転磁場Ｂ／Ｂ_０ ^ＲＭＦ＝１および相対進行磁場Ｂ／Ｂ_０ ^ＷＭＦ＝３と、相対期間ｔ／Ｔ_Ｐとの間での（Ｂ／Ｂ_０）−（ｔ／Ｔ_Ｐ）図の形での磁場ＲＭＦとＷＭＦとの間の変調の概略図である。Ｂ_０ ^ＲＭＦ／Ｂ_０ ^ＷＭＦ＝１／１．６７、Ｔａ＝１．０６×１０^５、Ｔ_Ｐ＝８．６ｓ＝０．５×ｔ_ｉ．ａ．に関する流体流れの概略瞬時画像を含む図であって、が、テイラー数を表し、
図３ａ１が、回転磁場ＲＭＦが印加され、同時に進行磁場ＷＭＦが停止されたときの方位角流の瞬時画像を示す図であり、
図３ａ２が、回転磁場ＲＭＦが印加され、同時に進行磁場ＷＭＦが停止されたときのベクトル図としての子午線速度の瞬時画像を示す図であり、
図３ｂ１が、進行磁場ＷＭＦが印加され、同時に回転磁場ＲＭＦが停止されたときの方位角流の瞬時画像を示す図であり、
図３ｂ２が、進行磁場ＷＭＦが印加され、同時に回転磁場ＲＭＦが停止されたときのベクトル図としての子午線速度の瞬時画像を示す図である。
Ｂ_０ ^ＲＭＦ／Ｂ_０ ^ＷＭＦ＝１／３、Ｔａ＝１．０６×１０^５、Ｔ_Ｐ＝８．６ｓ＝０．５×ｔ_ｉ．ａ．に関する流体流れの概略瞬時画像を含む図であって、図４ａ１が、回転磁場ＲＭＦが印加され、同時に進行磁場ＷＭＦが停止されたときの方位角流の瞬時画像を示す図であり、図４ａ２が、回転磁場ＲＭＦが印加され、同時に進行磁場ＷＭＦが停止されたときのベクトル図としての子午線速度の瞬時画像を示す図であり、図４ｂ１が、進行磁場ＷＭＦが印加され、同時に回転磁場ＲＭＦが停止されたときの方位角流の瞬時画像を示す図であり、図４ｂ２が、進行磁場ＷＭＦが印加され、同時に回転磁場ＲＭＦが停止されたときのベクトル図としての子午線速度の瞬時画像を示す図である。磁場マクロ構造の影響下でのＡｌ−Ｓｉ合金の凝固の複数の概略図を示す図であって、適切な磁場が、凝固開始後に３０秒印加され、図５ａが、６ｍＴの連続的に作用する進行磁場ＷＭＦの影響下でのマクロ構造を示す図であり、図５ｂが、６．５ｍＴの連続的に作用する回転磁場ＲＭＦの影響下でのマクロ構造を示す図であり、図５ｃが、それぞれ６ｍＴでの、断続的に交互に作用する磁場ＲＭＦとＷＭＦとの影響下でのマクロ構造を示す図である。

図１は、導電性流体２を電磁撹拌するためのデバイス１の概略図を示し、デバイス１は、少なくとも、
−円筒形容器１４と、
−容器１４を取り囲む中心対称構成３であって、水平面内で回転し、ローレンツ力Ｆ_Ｌを発生する磁場ＲＭＦ３４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１４を取り囲む構成４であって、垂直方向に進行する磁場ＷＭＦ４７を生成するために、対称軸１５を同軸に取り囲み、互いに層状に重ねて整列された誘導コイル４１、４２、４３、４４、４５、４６を具備する構成４と、
−容器１４内での流体２の温度を測定し、制御／調整ユニット１０によって温度を制御するための少なくとも１つの温度センサ８と
を備える。

本発明によれば、電源ユニット９が、制御／調整ユニット１０によってそれぞれ関連の誘導コイル３１、３２、３３；４１、４２、４３、４４、４５、４６に接続され、誘導コイル３１、３２、３３；４１、４２、４３、４４、４５、４６への給電が、所定の条件
０．２・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＝Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜２・ｔ_ｉ．ａ．（Ｉ）または
０．５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＜Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ} （ＩＩ）
によって設定された様式で行われる。

容器１４は、回転磁場ＲＭＦ３４を生成するための誘導コイル対３１、３２、３３を具備する構成３と、進行磁場ＷＭＦ４７用の誘導コイル４１、４２、４３、４４、４５、４６を具備する構成４との内部に、中心対称様式で位置される。対称軸１５と同軸に互いに層状に重ねて整列された誘導コイル対３１、３２、３３および誘導コイル４１、４２、４３、４４、４５、４６は、それぞれ電源ユニット９に接続され、電源ユニット９から、三相交流の形態での電流Ｉ_Ｄを供給され、デバイス１の対称軸１５を中心として回転する水平方向に向けられた磁場ＲＭＦ３４、または対称軸１５に沿って向けられ、垂直方向に進行する磁場ＷＭＦ４７を生成する。電源ユニット９は、電子制御／調整ユニット１０に接続され、制御／調整ユニット１０は、所定の間隔で、三相交流電流Ｉ_Ｄの印加と停止とを切り替える。磁場ＲＭＦ３４およびＷＭＦ４７の印加と停止との切替えは、任意の時間にせいぜい１つの磁場ＲＭＦ３４またはＷＭＦ４７のみが溶融物２に作用するように、制御／調整ユニット１０によって制御される。

導電性溶融物２で充填された円筒形容器１４を有するデバイス１には、金属溶融物２の凝固のために冷却デバイス１１を補うことができる。冷却デバイス１１は、金属ブロック５を備え、その内部に冷却チャネル６が存在する。容器１４は、その底部プレート１２で、金属ブロック５に載置する。凝固プロセス中、冷却剤が、金属ブロック５の内部にある冷却チャネル６を通って流れる。冷却デバイス１１によって、溶融物２から熱が下方向に引き出される。容器１４の断熱材７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８が、例えば温度を監視するために熱電対の形態で、容器１４の底部プレート１２上および／または側壁１３内／上に取り付けられる。温度測定により、液体状態、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１０によって制御される電源ユニット９によって磁場パラメータ、例えばＢ_０ ^ＲＭＦ、Ｂ_０ ^ＷＭＦ、および期間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。

溶融物２を含む容器１４は、誘導コイル３１、３２、３３；４１、４２、４３、４４、４５、４６内部に同心状に配置される。

容器１４には、加熱デバイスおよび／または冷却デバイス１１を設けることができる。

底部プレート１２が、固体金属体５と直接接触し、固体金属体５の内部を通って冷却剤が流れる。

容器１４の側壁１３が、断熱ジャケット７によって断熱される。

冷却体５が、サーモスタット（図示せず）に接続される。

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５と容器１４との間に液体金属被膜（図示せず）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ることがある。

内部に溶融物２が含まれた容器１４の底部プレート１２内および／または側壁１３内／上に、熱電対の形態での温度センサ８が位置決めされ、温度センサ８は、凝固開始の瞬間に関する情報アイテムを供給し、制御／調整ユニット１０に接続される。

図２は、相対回転磁場Ｂ／Ｂ_０ ^ＲＭＦ＝１および相対進行磁場Ｂ／Ｂ_０ ^ＷＭＦ＝３と、相対期間ｔ／Ｔ_Ｐとの間での、グラフ形式での変調ＲＭＦ−ＷＭＦに関する概略を示す。この例は、それぞれ、ＲＭＦおよびＷＭＦの時間的推移を例示し、進行磁場の振幅Ｂ_０ ^ＷＭＦは、回転磁場の振幅Ｂ_０ ^ＲＭＦの３倍であり、等しい期間Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}とＴ_{Ｐ，ＷＭＦ}とが選択される。

図２に示されるように、本発明によれば、水平面内で回転する磁場ＲＭＦ３４と垂直方向で進行する磁場ＷＭＦ４７とを使用することによって導電性流体２を電磁撹拌するための方法が、回転磁場ＲＭＦ３４と進行磁場ＷＭＦ４７との両方を、時間的に制限された調節可能な期間Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}およびＴ_{Ｐ，ＷＭＦ}の形態で断続的に、時間的に交互に生成する。

回転磁場ＲＭＦ３４の持続期間Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}と、進行磁場ＷＭＦ４７の持続期間Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}とは、時間間隔
０．２・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＝Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜２・ｔ_ｉ．ａ．（Ｉ）
内にすることができ、特徴的な初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．に関する定義
を伴い、変数σ、ρ、ω、およびＢ_０が、流体の導電率および密度、ならびに磁場ＲＭＦおよびＷＭＦの周波数および振幅を表し、定数Ｃ_ｇが、流体の体積の大きさおよび形状の影響を表し、３〜５の数値を取ることができる。初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．は、子午線流の体積平均運動エネルギーまたは体積平均子午線速度Ｕ_ｒｚが第１の最大値に達する瞬間を表す。

回転磁場ＲＭＦ３４および進行磁場ＷＭＦ４７に関して異なる期間Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}、Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}が存在すると仮定すると、条件
０．５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＜Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ} （ＩＩ）
に従って設定を行うことができる。

温度制御下での指向性凝固の状態では、回転磁場ＲＭＦ３４の振幅Ｂ_０ ^ＲＭＦ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、パラメータν、Ｖ_ｓｏｌ、およびＨ_０が、溶融物２の動粘度、凝固の速度、および溶融物体積の高さを表す。

進行磁場ＷＭＦ４７の振幅Ｂ_０ ^ＷＭＦは、回転磁場ＲＭＦ３４の振幅Ｂ_０ ^ＲＭＦと全く同じか、または４倍までの大きさに設定することができ、すなわち、
Ｂ_０ ^ＷＭＦ＝１．．．４・Ｂ_０ ^ＲＭＦ（ＶＩＩＩ）
である。

磁場ＲＭＦ３４およびＷＭＦ４７の振幅Ｂ_０ ^ＲＭＦ、Ｂ_０ ^ＷＭＦは、観察対象のプロセスから導き出される要件に従って、撹拌中に継続的に適合させることができる。

磁場ＲＭＦ３４またはＷＭＦ４７の一方が印加される個々の期間Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}、Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}は、２つの磁場のどちらも流体２に作用しない休止持続期間Ｔ_{Ｐａｕｓｅ}によって中断することができ、
Ｔ_{Ｐａｕｓｅ}≦０．５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}またはＴ_{Ｐａｕｓｅ}≦０．５・Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}
である。

回転磁場ＲＭＦ３４および／または進行磁場ＷＭＦ４７の方向は、２つのパルス間で逆転させることができる。

図３は、Ｂ_０ ^ＲＭＦ／Ｂ_０ ^ＷＭＦ＝１／１．６７、テイラー数Ｔａ＝１．０６×１０^５、Ｔ_Ｐ＝８．６ｓ＝０．５×ｔ_ｉ．ａ．に関する流体流れの概略瞬時画像を示し、
図３ａ１は、回転磁場ＲＭＦ３４が印加され、同時に進行磁場ＷＭＦ４７が停止されたときの方位角流の瞬時画像を示し、
図３ａ２は、回転磁場ＲＭＦ３４が印加され、同時に進行磁場ＷＭＦ４７が停止されたときのベクトル図としての子午線速度の瞬時画像を示し、
図３ｂ１は、進行磁場ＷＭＦ４７が印加され、同時に回転磁場ＲＭＦ３４が停止されたときの方位角流の瞬時画像を示し、
図３ｂ２は、進行磁場ＷＭＦ４７が印加され、回転磁場ＲＭＦ３４が停止されたときのベクトル図としての子午線速度の瞬時画像を示す。

比較から、円筒体の底部での子午線流は、ＷＭＦ４７が印加された状態では弱められ、これが偏析の減少をもたらすことが示される。

図４は、Ｂ_０ ^ＲＭＦ／Ｂ_０ ^ＷＭＦ＝１／３、Ｔａ＝１．０６×１０^５、Ｔ_Ｐ＝８．６ｓ＝０．５×ｔ_ｉ．ａ．に関する流体流れの瞬時画像の形での概略図を示し、
図４ａ１は、回転磁場ＲＭＦ３４が印加され、同時に進行磁場ＷＭＦ４７が停止されたときの方位角流の瞬時画像であり、
図４ａ２は、回転磁場ＲＭＦ３４が印加され、同時に進行磁場ＷＭＦ４７が停止されたときのベクトル図としての子午線速度の瞬時画像であり、
図４ｂ１は、進行磁場ＷＭＦ４７が印加され、同時に回転磁場ＲＭＦ３４が停止されたときの方位角流の瞬時画像であり、
図４ｂ２は、進行磁場ＷＭＦ４７が印加され、同時に回転磁場ＲＭＦ３４が停止されたときのベクトル図としての子午線速度の瞬時画像である。

図５は、垂直断面で、マクロ構造の形で、磁場の影響下でのＡｌ−Ｓｉ合金の凝固の複数の概略図を示し、
図５ａは、６ｍＴの連続的に作用する進行磁場ＷＭＦ４７の影響下でのマクロ構造を示し、
図５ｂは、６．５ｍＴの連続的に作用する回転磁場ＲＭＦ３４の影響下でのマクロ構造を示し、
図５ｃは、それぞれ６ｍＴでの、断続的に交互に作用する磁場ＲＭＦ３４とＷＭＦ４７との影響下でのマクロ構造を例示する。

対応する磁場ＲＭＦ３４およびＷＭＦ４７は、容器底部での凝固開始後、それぞれ３０秒印加される。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５ａにおける進行磁場ＷＭＦ４７の場合には、非常に粗い構造が見られる。進行磁場ＷＭＦ４７が印加された後、初めに、柱状結晶粒が、試料のほぼ中央で柱状成長から等軸成長への転移が生じるまでほぼ変化なく成長し続ける。図５ｂにおける連続的に作用する回転磁場ＲＭＦ３４の場合には、改善された柱状構造が初めに形成され、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の転移を、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１５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と、対称軸１５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。図５ｃに示されるように、回転磁場ＲＭＦ３４と進行磁場ＷＭＦ４７とが断続的に交互に使用される場合、粗い結晶粒の柱状成長から微細な結晶粒の等軸成長への転移を、電磁撹拌の作動直後に観察することができる。偏析は見られない。

本発明によって、以下の利点が実現される。
−指向性凝固では、凝固前面で優勢な流れが存在せず、これは、時間平均で好ましい方向への物質運搬をもたらす。
−その結果、機械的特性を劣化させる望ましくない偏析区域が生成されない。
−偏析を生じずに、金属または半導体溶融物の非常に良好な混合を実証することができる。
−撹拌および混合プロセスに関する経済的なエネルギー入力が実現される。
−実現可能な結果は、水平面内で回転する磁場ＲＭＦ３４と垂直方向に進行する磁場ＷＭＦ４７とに関する本発明で定義した期間において得られる。

１デバイス
２流体
３誘導コイル対の構成
３１第１の対
３２第２の対
３３第３の対
３４回転磁場ＲＭＦ
４互いに同軸に整列された誘導コイルの構成
４１第１の誘導コイル
４２第２の誘導コイル
４３第３の誘導コイル
４４第４の誘導コイル
４５第５の誘導コイル
４６第６の誘導コイル
４７進行磁場ＷＭＦ
５金属ブロック
６冷却チャネル
７断熱ジャケット
８温度センサ
９電源ユニット
１０制御／調整ユニット
１１冷却デバイス
１２底部プレート
１３側壁
１４容器
１５対称軸

Claims

水平面内で回転する磁場ＲＭＦ（３４）と、前記磁場ＲＭＦ（３４）に対して垂直方向に進行する磁場ＷＭＦ（４７）とを使用することによって導電性流体（２）を電磁撹拌するための方法であって、前記回転磁場ＲＭＦ（３４）と前記進行磁場ＷＭＦ（４７）との両方が、関連の誘導コイル（３１、３２、３３；４１、４２、４３、４４、４５、４６）によって、時間的に制限された調節可能な期間（Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}、Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}）の形で断続的に、時間的に交互に印加されることを特徴とする方法。
前記回転磁場ＲＭＦ（３４）の持続期間（Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}）と、前記進行磁場ＷＭＦ（４７）の持続期間（Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}）とが、時間間隔
０．２・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＝Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜２・ｔ_ｉ．ａ．（Ｉ）
内にあり、初期調節時間ｔ_ｉ．ａ．に関する定義
を伴い、変数σ、ρ、ω、およびＢ_０が、流体の導電率および密度、ならびに前記磁場ＲＭＦ（３４）またはＷＭＦ（４７）の周波数および振幅を表し、定数Ｃ_ｇが、流体（２）の体積の大きさおよび形状の影響を表し、初期調節時間（ｔ_ｉ．ａ．）が、子午線流の体積平均運動エネルギーまたは体積平均子午線速度Ｕ_ｒｚが第１の最大値に達する瞬間を表すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記回転磁場ＲＭＦ（３４）と前記進行磁場ＷＭＦ（４７）とに関する様々な期間Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}、Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}が、条件
０．５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＜Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ} （ＩＩ）
に従って調節されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記回転磁場ＲＭＦ（３４）の振幅（Ｂ_０ ^ＲＭＦ）が、２つの値
を上回り、パラメータν、Ｖ_ｓｏｌ、およびＨ_０が、溶融物の動粘度、凝固の速度、および溶融物体積の高さを表し、Ｂ_１ ^ＲＭＦおよびＢ_２ ^ＲＭＦが、前記回転磁場ＲＭＦ（３４）の振幅の下限値であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記進行磁場ＷＭＦ（４７）の振幅（Ｂ_０ ^ＷＭＦ）が、前記回転磁場ＲＭＦ（３４）の振幅（Ｂ_０ ^ＲＭＦ）と全く同じか、または４倍までの大きさであるように設定される、すなわち、
Ｂ_０ ^ＷＭＦ＝１．．．４・Ｂ_０ ^ＲＭＦ（ＶＩＩＩ）
であることを特徴とする請求項１または３に記載の方法。
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、正弦、三角形、または鋸歯など他のパルス形状が実現され、当該の磁場ＲＭＦ（３４）またはＷＭＦ（４７）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に記載の方法。
前記磁場ＲＭＦ（３４）およびＷＭＦ（４７）の前記振幅（Ｂ_０ ^ＲＭＦ、Ｂ_０ ^ＷＭＦ）が、観察対象のプロセスから導き出される要件に従って適合した形で、撹拌中に連続的に設定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記磁場ＲＭＦ（３４）またはＷＭＦ（４７）の一方が印加される個々の期間（Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}、Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}）が、２つの磁場ＲＭＦ（３４）またはＷＭＦ（４７）のどちらも前記流体（２）に作用しない休止持続期間Ｔ_{Ｐａｕｓｅ}によって中断され、Ｔ_{Ｐａｕｓｅ}≦０．５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}またはＴ_{Ｐａｕｓｅ}≦０．５・Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記回転磁場ＲＭＦ（３４）および／または前記進行磁場ＷＭＦ（４７）の方向が、２つのパルス間で逆転されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
水平面内で回転する磁場ＲＭＦ（３４）と、垂直方向に進行する磁場ＷＭＦ（４７）とを使用することによって、導電性流体（２）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（１４）と、
−前記容器（１４）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ＲＭＦ（３４）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（１４）を取り囲む構成（４）であって、垂直方向に進行する前記磁場ＷＭＦ（４７）を生成するために対称軸（１５）と同軸に互いに層状に重ねて整列された少なくとも２つの誘導コイル（４１、４２、４３、４４、４５、４６）を具備する構成（４）と、
−前記容器（１４）内の前記流体（２）の温度を測定し、制御／調整ユニット（１０）によって温度を制御するための少なくとも１つの温度センサ（８）と
を備え、
電源ユニット（９）が、制御／調整ユニット（１０）によって前記誘導コイル（３１、３２、３３；４１、４２、４３、４４、４５、４６）に接続され、前記誘導コイル（３１、３２、３３；４１、４２、４３、４４、４５、４６）への給電が、所定の条件
０．２・ｔ_ｉ．ａ．＜Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＝Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜２・ｔ_ｉ．ａ．（Ｉ）または
０．５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ}＜Ｔ_{Ｐ，ＷＭＦ}＜５・Ｔ_{Ｐ，ＲＭＦ} （ＩＩ）
によって設定された様式で行われることを特徴とするデバイス（１）。
前記溶融物（２）を含む前記容器（１４）が、前記誘導コイル（３１、３２、３３；４１、４２、４３、４４、４５、４６）内部に同心状に配置されることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
前記容器（１４）に、加熱デバイスおよび／または冷却デバイス（１１）が設けられることを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
前記容器（１４）の前記底部プレート（１２）が、固体金属ブロック（５）と直接接触し、前記固体金属ブロック（５）の内部を通して冷却剤が流れることを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。
前記容器（１４）の側壁（１３）が断熱されることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
前記金属ブロック（５）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１３に記載のデバイス。
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、前記金属ブロック（５）と前記容器（１４）との間に位置されることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
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１６に記載のデバイス。
前記溶融物（２）が含まれる前記容器（１４）の前記底部プレート（１２）および／または前記側壁（１３）に、熱電対の形態での少なくとも１つの温度センサ（８）が位置決めされ、前記温度センサ（８）が、凝固開始の瞬間に関係する情報アイテムを供給し、前記流体（２）の温度を制御するための制御／調整ユニット（１０）に接続されることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
請求項１〜９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の、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１０〜１８のいずれか一項に記載の導電性流体（２）を電磁撹拌するためのデバイス（１）の使用。