CN101594928A

CN101594928A - 电磁搅拌装置

Info

Publication number: CN101594928A
Application number: CNA2007800419386A
Authority: CN
Inventors: 谷口尚司; 安齐浩一; 上野和之; 板村正行; 嶋崎真一
Original assignee: Nano Cast Corp; Tohoku Techno Arch Co Ltd; Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Nano Cast Corp; Tohoku Techno Arch Co Ltd; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2009-12-02
Also published as: US20100044934A1; KR20090099052A; JPWO2008056809A1; WO2008056809A1; US8101119B2; JP5352236B2; DE112007002628T5

Abstract

以提供、可以供给比以往的要更加杰出的搅拌力的电磁搅拌装置为目的。装置是由下述结构所构成的：具有在容器5的外周、沿着垂直的方向设置有产生垂直方向移动磁场用的线圈1和在产生垂直方向移动磁场用的线圈1的外侧设置有产生旋转方向移动磁场用的线圈2；具有延伸到产生垂直方向移动磁场用的线圈1的内侧面为止的梳子的齿状部3a；将用磁气各方同性材料做成的铁芯3***到产生垂直方向移动磁场用的线圈1和产生旋转方向移动磁场用的线圈2的中间。

Description

电磁搅拌装置

技术领域

本发明涉及到电磁搅拌装置的技术领域，比较详细地说，本发明关系到一种二轴移动磁场搅拌装置，它不接触液体金属而可以强力并且均匀地搅拌该液体金属。

背景技术

二轴移动磁场搅拌装置是一种电磁搅拌装置，当它将两个磁场，即垂直方向的移动磁场和旋转方向的移动磁场重叠起来时，可以有效地将其两个方向的磁束传送到液体金属，促使该液体金属产生旋转运动和垂直方向的运动。

做为以往的二轴移动磁场搅拌装置，专利文献1以及专利文献2里所记载的技术是众所周知的。

这个技术如图8所示，在圆筒形的容器11的外侧面上，沿着垂直方向，设置上产生垂直方向移动磁场用的线圈13，同时，在容器11的外侧面上设置上产生旋转方向移动磁场用的线圈12。产生旋转方向移动磁场用的线圈12迫使被装到容器11里的液体金属产生旋转运动，而产生垂直方向移动磁场用的线圈13迫使前述液体金属产生垂直方向的运动。

但是，专利文献1和专利文献2所记载的技术存在着一个问题，即发生磁束外漏的问题，其结果是无法得到充分的搅拌力。

另一方面，做为防止磁束外漏以大幅度地提高搅拌力的技术，专利文献3揭示了，在产生旋转方向移动磁场用的线圈和产生垂直方向移动磁场用的线圈之间，***铁芯的技术，将专利文献3的“第2图”表示在图9里。

该图表示了：在内侧设置有垂直方向移动磁场用的线圈111，在外侧设置有旋转方向移动磁场用的线圈113的例子。也就是说：在液体金属用的容器103和、沿着该容器103的垂直方向而设置着的产生垂直方向移动磁场用的线圈111和、在产生垂直方向移动磁场用的线圈111的外周沿着圆周方向而设置上的产生旋转方向移动磁场用的线圈113和、往产生旋转方向移动磁场用的线圈113的中间***铁芯，而且还具备有延伸到产生垂直方向移动磁场用的线圈111的内侧面的具有梳子的齿的样子的铁芯109。

兹将专利文献3的“第3图”所表示的图用本专利的图10给予表示。该图表示了：在外侧设置有产生垂直方向移动磁场用的线圈111，在内侧设置有产生旋转方向用的线圈113的例子。

虽然专利文献3里所揭示的技术与没有设置铁芯的技术相比，磁束的外漏比较少。但是，一旦从针对容器内的液体金属的搅拌力的角度来看，与设置有铁芯的情况做比较，它并没有达到飞跃的进步。

日本专利文献1：特开2003-220323号公报。

日本专利文献2：特开2007-144501号公报。

日本专利文献3：特开昭54-163729号公报。

发明内容

发明所要解决的课题：

与以往的装置相比，本发明以提供可以发挥出更杰出的搅拌力的二轴移动磁场搅拌装置为目的。

解决问题的手段

本发明的液体金属用电磁搅拌装置的特征是：具有在液体金属用容器的外周沿着垂直方向设置有产生垂直方向移动磁场用的线圈、以及在该产生垂直方向移动磁场用的线圈的外侧设置有产生旋转方向移动磁场用的线圈、以及将延伸到该产生垂直方向移动磁场用的线圈的内侧的具有梳子的齿样构造；将由具有磁气各向同性的磁性材料所做成的铁芯***到产生垂直方向移动磁场用的线圈和产生该旋转方向移动磁场用的线圈的中间。

技术效果

兹将本发明的作用、效果和发明本发明的过程中所得到的知识和见识一起做个说明。

本发明的发明人就为了防止磁束外漏，即使是往线圈中间***了铁芯，也不一定能得到杰出的搅拌力这一现象的理由进行了深入的探讨和研究。

其结果是得到了以下的知识和见识。

在图9，内侧设置有垂直方向移动磁场用的铁芯109，外侧设置有旋转方向移动磁场用的铁芯108。铁芯108和109是用板做成的层压体而构成的。因而，垂直方向移动磁场用的铁芯109是以圆周方向为层压方向、设置旋转方向移动磁场用的铁芯108是以垂直方向为层压方向而设置的。也就是说，为了确确实实地将外漏的磁束封闭住，让铁芯108和109持有了磁气各方异性。

可是，因为铁芯108和109具有各方异性，所以，由垂直方向移动磁场的作用而引起涡动电流流到外侧的铁芯108，由旋转方向移动磁场的作用而引起涡动电流流到内侧铁芯109，从而发生磁束损失。

图10是表示、在外侧设置有垂直方向移动磁场用的铁芯，在内侧设置有旋转方向移动磁场的铁芯的例子。与图9相同，由涡动电流的流动而产生磁束损失的结果是一样的。

也就是说，发明人得到的见识是：在二轴移动磁场这一技术上，受到他轴的影响，在铁芯会引起涡动电流的发生，这就是搅拌力受到极限限制的主要原因。

由此知道，二轴移动磁场的情况下，防止来自他轴移动磁场的影响也是很重要的。基于这一见识，发明人尝试使用磁气各方同性的材料来做铁芯，其结果是可以得到很强的搅拌力。

还有，关于图10，做为上述理由以外的因素，因为产生垂直方向移动磁场用的线圈被设置在远离液体金属的位置上，几乎发挥不出垂直方向的搅拌能力，成了搅拌力小的原因。而在本发明产生垂直方向移动磁场用的线圈是被设置在内侧的。

还有，在图9和图10所发生的涡动电流的损失，不单局限于引起搅拌力的低下，而且还会带来铁芯温度的上升，特别是，在搅拌高温的液体金属时，必须对铁芯进行冷却处理。针对这一情况，在本申请的发明里，因为不存在由发生涡动电流而引起的温度上升，所以冷却处理并不是非做不可的。还有，即使是用磁气各方同性材料来做成铁芯的情况下，也可以防止磁束往电磁搅拌装置的外部泄漏。

(发明的效果)本发明为了对应二轴移动磁场搅拌的2个磁束的朝向，使用没有各方异性的无方向性(也就是说：各方同性的)的铁芯材料来做铁芯。这样，与以前的技术相比，可以在抑制涡动电流损失的状态下，进行非常强有力的二轴移动磁界搅拌。

抑制住涡动电流损失的结果是可以减低铁芯的发热。还有，这样的设计还可以将铁芯内侧的端面和液体金属之间的距离(间隙)缩小，可以让垂直方向电磁力充分发挥作用。

其结果是可以给予融体以更加强大的搅拌力。

附图说明

[图1]具有铁芯的二轴移动磁场搅拌装置的构成例子因为是可以对应垂直方向移动磁场和旋转方向移动磁场的二个方向的磁束的铁芯，所以没有由涡动电流而引起的损失。

[图2]在二轴移动磁场搅拌装置里的垂直方向移动磁场的磁力线图(有铁芯)。有铁芯的情况下的磁力线图的一个例子。

[图3]在二轴移动磁场搅拌装置里的垂直方向移动磁场的磁力线图(无铁芯)。没有铁芯的情况下的磁力线图的一个例子。

[图4]在二轴移动磁场搅拌装置里的垂直方向移动磁场的磁束密度(有铁芯)。有铁芯的情况下的磁束密度的一个例子。

[图5]在二轴移动磁场搅拌装置里的垂直方向移动磁场的磁束密度(无铁芯)。没有铁芯的情况下的磁束密度的一个例子。

[图6]在二轴移动磁场搅拌装置里的旋转方向移动磁场的磁力线图(有铁芯)。有铁芯的情况下的磁力缩图的一个例子。

[图7]由铁芯内侧端面和液体金属之间的距离(间隙)的大小而产生的电磁力的不同的示意图。

[图8]以前的二轴移动磁场搅拌装置的斜视图。

[图9]以前的二轴移动磁场搅拌装置，(a)是其竖断面图，(b)是其横断面图。

[图10]以前的二轴移动磁场搅拌装置，(a)是其竖断面图，(b)是其横断面图。

符号的说明

1、产生垂直方向移动磁场用的线圈。

2、产生旋转方向移动磁场用的线圈。

3、垂直以及旋转方向移动磁场用的铁芯。

4、旋转方向移动磁场用的磁轭。

5、容器。

11、容器。

12、产生旋转方向移动磁场用的线圈。

13、产生垂直方向移动磁场用的线圈。

S、液体金属。

108、旋转方向移动磁场用的铁芯。

109、垂直方向移动磁场用的铁芯。

111、产生垂直方向移动磁场用的线圈。

113、产生旋转方向移动磁场用的线圈。

具体实施方式

在本发明里，不取决于电流方向，上述铁芯的比电阻在0.1Ω·m以上是较理想的。

以未满0.1Ω·m为分界线，由流过铁芯的涡动电流而引起的损失急剧地增大了。因此，0.1Ω·m以上是较理想的。0.1-1000Ω·m是较理想的。

还有，做为材料，铁素体、绝缘涂层处理过的压粉磁心材料、非结晶铁类物质等也可以使用。

铁素体是磁气各方同性材料。做为可以用于做铁芯的软磁性材料来说，可以列举Ni-Zn类、Mn-Zn类、Cu-Zu类等为例。还有，铁素体以外，做为磁气各方同性软磁性材料，还可以列举无方向性的硅钢(Fe-Si合金)、镍铁导磁合金(Fe-Ni合金)、铝硅铁粉(Fe-Si-Al合金)、波明德高导磁合金(Fe-Co合金)、非结晶金属、其他的物质(如将金属粉末烧固起来的物质)等等。

就本发明而言，较为理想的是：将复数个前述铁芯按放射线状排列在同一个同心圆上，在产生旋转方向移动磁场用的线圈外侧用磁轭将其进行连接，将旋转方向移动磁束封闭在里面。

由此，可以更好地防止磁束的外漏，从而，可以更进一步地获得强大的搅拌能力。

就本发明来说，将前述铁芯的内侧的端面和液体金属用容器之间的距离保持在容器内径的30％之内是较为理想的。

在专利文献3里所记载的技术，由于涡动电流的产生而会招致铁芯的温度上升。为了防止温度的过度上升，将铁芯往高温的容器靠近之事(程度)是有其极限的。也就是说，在图9和图10所表示的装置存在着阻害将铁芯靠近容器的妨碍因素。因此，在图9和图10里，恰如其图所示，它保持有近约容器内径的100％的间隙。

然而，在本发明里，由涡动电流而产生的发热得到了控制，因此，可以让铁芯接近到容器的最近的距离。

与无间隙的情况相比，把铁芯与容器的距离设在液体金属用容器内径的30％以内的情况下，其电磁力变成40％左右。也就是说，将电磁力的大约40％以上有效地作用到容器里。基于这一理由可以认为30％以内是较为理想的。

如果将高温的金属融体靠近线圈和铁芯的话，就会给线圈和铁芯的温度带来影响。因为线圈和铁芯的耐热温度是有上限的，所以，必须按不超过该耐热温度的上限而进行热设计。

比如说，或者是进行线圈和铁芯的强制冷却(气冷、水冷)，或者是在金属融体和线圈及铁芯之间设置上断热结构。

比如说，也可以在离高温的金属融体很近的位置，让超传导线圈(因为用液体氦冷却，所以呈极低温)开动运转。使用这样子的断热装置的话，是可以将金属融体和线圈/铁芯接近到相当近的程度。

基于以上事由，端面和容器间的距离是没有下限的。

在本发明里，前述铁芯的材料特性是使用不具有方向性的磁性材料。做为相关材料来说，铁素体、绝缘涂层过压粉磁心材料是可以很适合地被使用的。

还有，做为铁素体，从比电阻低这一点来看，锰锌铁素体或者镍锌铁素体是较理想的。

在本发明里，将前述产生旋转方向移动磁场用的线圈和前述产生垂直方向移动磁场用的线圈设计为可以对其各自进行单独控制的式样是比较理想的。

通过实现对其进行单独控制，针对前述液体金属，可以对旋转方向运动和垂直方向的运动单独地进行控制和分别给予印加，自由地设定前述液体金属的搅拌的程度。还有，对旋转方向和垂直方向的两方向的电磁力同时给予印加的话，不会损坏旋转运动，会将旋转运动重叠到垂直方向的运动上去。如果可以任意地控制旋转方向的电磁力和前述垂直方向电磁力的比率的话，通过控制其比率也可以对旋转运动和垂直方向运动的比例进行控制。还有，在前述容器的垂直方向的，从直线搅拌到旋转搅拌，可以将搅拌方式自由地做变化调节。更进一步地说，通过这样子的单独控制，在前述液体金属的、前述容器内的外周部及中央部，可以简易地让其产生下降流及上升流，可以把前述液体金属的液面维持在平坦状态。

以金属精炼程序做为例子。比如说，在金属精炼程序里，以(1)反应速度的上升和、(2)温度和成分的均等化、(3)介在物凝聚的促进等为目的，可以使用各种各样的搅拌。基本上讲，搅拌强度越强越好，越强越合适于达成上述目的。

从另一方面讲，强力搅拌的话，很必然地，液面的波荡就会变大。在金属精炼程序里，将矿渣和粉漂浮到液面上的情况是很多的。还有，即使是不使用矿渣和粉末的情况下也会在液面出现有金属氧化物。一旦液面产生波荡，这些异物(介在物)就会被卷入液体里面，给制品的品质带来坏的影响。也就是说，虽然想要加强搅拌力，但是，做为液面来说，它要求必须将其维持在平坦而且平静的状态里。

实际上，为了解决这一对矛盾，采取一边对液体施加搅拌，一边在液面近旁施加上电磁制动以降低液体的速度等各种各样的窍门和方法被人们采用。而二轴移动磁场搅拌的最大特征是：将液面保持在平坦而稳静的状态下，可以对液体内部印加予强有力的搅拌。

实施例1

兹本着图1和图2对本发明的实施例进行说明。

本发明的装置是由下述结构所构成的：具有在容器5的外周、沿着垂直的方向设置有产生垂直方向移动磁场用的线圈1和、在产生垂直方向移动磁场用的线圈1的外侧设置有产生旋转方向移动磁场用的线圈2；具有延伸到产生垂直方向移动磁场用的线圈1的内侧面为止的梳子的齿状部3a；将用磁气各方同性材料做成的铁芯3***到产生垂直方向移动磁场用的线圈1和产生旋转方向移动磁场用的线圈2的中间。

以下，对本实施例做更详细的说明。

比如说，容器5可以是使用内经为55mm，高为150mm的金属容器。比如说，产生旋转方向移动磁场用的线圈2可以是使用矩形的线圈零件。比如说，产生垂直方向移动磁场用的线圈1可以是使用圆形的线圈零件。

比如说，可以往产生旋转方向移动磁场用的线圈2里从三相交流电源经过变压器给予通上电流；往产生垂直方向移动磁场用的线圈3里，经过频率可变的变换器，给予通上任意频率的三相交流电电流。

还有，就产生旋转方向移动磁场用的线圈2以及产生垂直方向移动磁场用的线圈1的数量，没有受特别的限定，而是可以根据放入到容器5里给予搅拌的液体金属的种类及量、还有搅拌的形式以及搅拌的强度等的需要而给予任意设定。在图1所显示的例子里，产生旋转方向移动磁场用的线圈2和产生垂直方向移动磁场用的线圈1的数量各为6个。

还有，没有将线圈的数量限制在6个的必要。但是，使用三相交流电作为电源的情况下，线圈的数量为3的倍数。

产生旋转方向移动磁场用的线圈是以面对面的一对二个的线圈来产生贯通磁场的，因而，3×2＝6个是较理想的。3个的情况下，磁场是不贯通的，因而会出现搅拌力的低下。如果是12个的话，实际组装时有可能会出现空间位置不够的情况。因此，6个是最合适的。

同样地，关于产生垂直方向移动磁场用的线圈也可以是由3个、6个、12个、18个、24个来构成。只是，用3个来做的话，搅拌力太弱了，18个以上则变得浪费，整个装置会变得很大。因此说，6个是最合适的，其次12是较理想的。

从另一方面来说，在本例，与产生旋转方向移动磁场用的线圈以及产生垂直方向移动磁场用的线圈的个数相对应，在竖断面上设置了7个的梳子的齿状物3a。该齿状物3a延伸到容器5的内侧面，其先端部分延伸到产生垂直方向移动磁场用的线圈1的内侧面为止。在图1所示的例子里，与内侧面比还更进一步地向容器5一侧延伸，一直延伸到容器5外壁的最近的位置为止。

铁芯3是按圆周方向以相同的间隔设置了6个，各个铁芯被分别***到产生旋转方向移动磁场用的线圈2的中间。还有，用磁轭4将6个铁芯联结在产生旋转方向移动磁场用的线圈外侧。还有，作为铁芯以及磁轭4，不论哪一个，为了不被由二轴移动磁场搅拌装置所产生的磁束而造成饱和状态，将其设计得拥有足够大的断面是较理想的。

(实验1)

以下，具体地设定好如下数据进行了实验。

铁芯：

材料的性质：Ni？Zn铁素体

比电阻：3Ω·m

容器：

材料的性质：不锈钢(SUS304)

内径：140mm

厚度：8mm

液体金属的液体高度：690mm

间隙：21mm(间隙和容器内径的比：约为13％)

电流条件：

垂直方向移动磁场：

相间电压：400V

线电流：30A

旋转方向移动磁场：

相间电压：315V

线电流：30A

用上述条件测定了磁力线和磁束密度。

将在与本例相关的装置里的垂直方向移动磁场的磁力线图表示在图2，垂直方向移动磁场的磁束密度表示在图4，旋转方向移动磁场的磁力线图表示在图6。<比较例1>

在本例里，做了与实施例1相同的，但不使用铁芯的同样的试验。除了不使用铁芯以外，其他条件都与实施例1相同。将实验的结果表示在图3和图5里。

图4是有使用铁芯的情况下，图5是没有使用铁芯的情况下的磁力线图。可以看得出来，由铁芯的影响，磁束分布密度有很大的不同。

图6表示了有使用铁芯的情况下，图7表示了没有使用铁芯的情况下的磁束密度状况。使用同样的电源的情况下，由于铁芯的有无，其磁束密度差了2倍。

因为搅拌的电磁力是按磁束密度的平方而发生效果的，所以就结果而言，搅拌力约提高了4倍。

图8是有铁芯情况下的旋转方向移动磁场的磁力线图。从图中可以知道，与垂直方向同样，因为有了铁芯，磁束到达到了中间部分的液体金属为止。

实施例2

在本例里，按下述方法，对铁芯内侧的端面(也就是说，梳子的齿状构造部的端面)和液体金属之间的距离(间隙)(图2里用L表示的部分)及其和搅拌力之间的关系进行了调查研究。

在液体金属的表面(r＝D/2，这里的D是指容器内径)，由垂直方向移动磁场而产生的垂直方向的电磁力，F_z|_r＝D/2一般来说，可以用以下的公式给予表示(社团法人日本铁钢协会材料电磁处理研究组编：材料电磁处理，东北大学出版会，(1999)。)。

F_{z} |_{r = D / 2} = \frac{σω}{2 K} {(B_{r} |_{r = D / 2})}^{2}

在这里，ω是液体金属的导电率(S/m)，σ是印加电流的角频率(rad/s)，K是垂直方向移动磁场的波数(1/m)，

B_r|_r＝D/2

是在液体金属表面的磁束的半径方向成分(T)。

B_r|_r＝D/2

通过实验性地用磁强计来测定，可以对F_z|_r＝D/2进行评价。这个电磁力是驱动液体金属的力量，是与搅拌力直接相关的参数。

将把容器内径D做了变化后的电磁力的计算结果表示在图7里。

图7表示了使用同一个的产生垂直方向移动磁场用的线圈，但改变了容器内径时的，作用于液体金属表面的垂直方向的电磁力的大小。横轴是间隙与容器内径的比(L/D)，纵轴是在没有间隙的情况下做了规格化的垂直方向电磁力。

从图7里可以看得出来，间隙和容器内径的比(L/D)越大，垂直方向的电磁力就变得越小。

把L/D渐渐地缩小，以30％为界线，电磁力急剧地开始上升。也就是说，在L/D＝30％上存在有临界点。因此，把L/D设在30％以下是较理想的。

于是，在本发明，为了将由产生垂直方向移动磁场用的线圈所发生出来的磁束高效率地引导到液体金属里，把铁芯的形状设计成：将铁芯内侧的端面延长到比产生垂直方向移动磁场用的线圈还要内侧的式样(参看图1)。通过尽可能地缩小铁芯内侧的端面和液体金属间的距离(间隙)，从而把效率很好的搅拌化为可能。

产业上利用的可能性

本发明主要是应用于金属制造领域方面。因为可以给液体金属带来比以往更加强有力的搅拌，所以是很适合于用来做成分浓度和温度的均等化、以及液体金属中的介在物粒子的凝聚以及肥大化等等。

以上，按照发明的实施形态对本发明做了说明，但是，本发明的内容不受上述内容的限制，只要不超越脱离出本发明的范畴，所有的变形或变更都是可以的。

Claims

1、一种电磁搅拌装置，其特征在于：具有在容器的外周，沿着垂直方向设置有产生垂直方向移动磁场用的线圈和在该产生垂直方向移动磁场用的线圈的外侧设置有旋转方向移动磁场用的线圈；具有延伸到该产生垂直方向移动磁场用的线圈的内部或者其内侧为止梳子的齿状构造；具有用磁气方向同性的磁性材料做成的铁芯。

2、如权利要求1所述的电磁搅拌装置，其特征在于：不取决于电流方向，前述铁芯的比电阻在0.1Ω·m以上。

3、如权利要求1所述的电磁搅拌装置，其特征在于：将复数个前述铁芯按放射状排列在同一个同心圆上，在产生旋转方向移动磁场用的线圈的外侧用磁轭给予连接，把旋转方向移动磁场的磁束封闭住。

4、如权利要求1所述的电磁搅拌装置，其特征在于：前述铁芯的内侧的端面和容器之间的距离设计成在该容器内径的30％以内。

5、如权利要求1所述的电磁搅拌装置，其特征在于：前述磁性材料是铁素体或者是经过绝缘涂层的压粉磁心材料。

6、如权利要求1所述的电磁搅拌装置，其特征在于：前述铁素体是锰锌铁素体或者是镍锌铁素体。

7、如权利要求1所述的电磁搅拌装置，其特征在于：前述产生旋转方向移动磁场用的线圈和前述产生垂直方向移动磁场用的线圈是可以分别单独地对印加电流进行设定或者是控制的。

8、如权利要求7所述的电磁搅拌装置，其特征在于：可以随意地控制前述旋转方向电磁力和前述垂直方向电磁力的比率。