JP3338865B1 - 導電性流体への振動伝播方法及びこれを用いた溶融金属の凝固方法 - Google Patents
導電性流体への振動伝播方法及びこれを用いた溶融金属の凝固方法Info
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Abstract
金属への新規な振動伝播方法を提供する。 【解決手段】 導電性流体に対し、所定の磁場と所定の
波動とを、 2πf<(σ/ρ)B2 (1) (f:印加する波動の周波数(Hz)であり、前記波動
が非正弦波の場合はその波形をフーリエ変換した時の主
要周波数、σ:導電性流体の電気伝導度(S/m)、
ρ:導電性流体の密度(kg/m3)、B:印加する静
磁場の大きさ(T))なる条件を満足するように印加し
て、前記導電性流体内に所定の振動を生成させ、伝播さ
せる。
Description
動伝播方法、及びこれを用いた溶融金属の凝固方法に関
する。
ることにより凝固組織の制御や精錬の高効率化が可能と
なる。例えば、過冷液体金属に機械的衝撃を与えること
により凝固が開始する現象は良く知られている。また、
溶融状態にある液体金属の凝固中に振動を与えることに
よって微細な組織が得られることや、疎密波を印加する
ことによって脱ガス反応が促進されることも知られてい
る。
容れた容器全体に機械的な振動を付与すれば、前記液体
金属に所定の振動を簡易に付与することができるが、大
規模な工業プロセスにおいては巨大な容器全体を機械的
に振動させるのは困難を極める。そこで、磁歪振動子や
電歪振動子を液体金属内に配置し、前記液体金属のみに
振動を付与することが行われている。また、スピーカー
などで疎密波を発生させ、これを液体金属中に導入して
振動を付与する方法なども試みられている。
た電歪振動子や磁歪振動子を用いる方法では、これら振
動子の溶損による汚染や破壊の問題が生じるとともに、
振動子の出力限界などによって付与することのできる振
動の大きさに限界があった。また、スピーカーを用いる
方法においては、液体金属と外部の大気との間の音響抵
抗が大きくことなるために、前記スピーカーより発せら
れる疎密波はその界面においてほぼ全反射されてしま
い、前記液体金属内部に所望の振動を付与することがで
きないでいた。したがって、現状においては、工業的大
規模に実用化できるような、液体金属への振動伝播方法
が存在しないのが現状である。
可能な、液体金属への新規な振動伝播方法を提供するこ
とを目的とする。
本発明は、導電性流体に対し、所定の磁場と所定の波動
とを、 2πf<(σ/ρ)B2 (1) (f:印加する波動の周波数(Hz)であり、前記波動
が非正弦波の場合はその波形をフーリエ変換した時の主
要周波数、σ:導電性流体の電気伝導度(S/m)、
ρ:導電性流体の密度(kg/m3)、B:印加する静
磁場の大きさ(T))なる条件を満足するように印加し
て、前記導電性流体内にアルフベン波を生成及び伝播さ
せて、前記導電性流体内に前記アルフベン波に起因した
振動を生成及び伝播させるようにしたことを特徴とす
る、導電性流体への振動伝播方法に関する。
検討を実施した。そして、従来の機械的な振動、並びに
電歪振動子やスピーカーなどを用いる代わりに、溶融状
態にある液体金属などの導電性流体に対して電磁力を印
加し、これによって前記導電性流体中に所定の振動を発
生させ、これを伝播させることを想到した。
中には一般に疎密波しか伝播しないことが知られてい
る。これに対して、上述したような電磁力によって生じ
る振動は横波に起因するものであり、前記導電性流体中
に前記振動を生成させて伝播させるには、前記導電性流
体中に横波を生成させて伝播させる必要がある。このた
め、本発明者らは、導電性流体中に横波を生成及び伝播
させるべく種々検討を行った。
と、前記導電性流体内における磁場の擾乱が対流支配で
伝播するようになる。すなわち、磁場印加中において前
記導電性流体が運動すると、誘導電流が発生して前記磁
場分布が変化し、磁束線があたかも流体粒子に張り付い
ているようにして移動する。
において、ある特定の条件を満足するように磁場及び波
動を印加することによって、前記導電性流体内に横波で
あるアルフベン波を生じさせることができるとともに、
このアルフベン波を伝播させることができることを見出
した。結果として、導電性流体中に電磁力によって、前
記アルフベン波に起因した所定の振動を生成し、伝播さ
せることができることを見出した。本発明は上述したよ
うな膨大な研究の結果としてなされたものである。
れば、磁場及び波動のみを用いた電磁力によって導電性
流体内に振動を発生させるようにしている。したがっ
て、大規模な装置を必要とすることなく、比較的簡易に
前記導電性流体内に前記振動を発生させることができ
る。このため、本発明の導電性流体への振動伝播方法は
工業化して大規模な生産を行う場合においても、好適に
用いることができる。
例えば、溶融状態にある液体金属の凝固方法などにおい
て好適に用いることができる。この場合、溶融金属を凝
固させる過程において、上述した条件を満足するように
磁場及び波動を前記溶融金属に印加する。すると、凝固
組織の大きさを自在に制御することができ、微細化した
凝固組織を簡易に得ることができる。
に基づいて詳細に説明する。本発明においては、上記
(1)式を満足するようにして所定の磁場と所定の波動
とを導電性流体に印加することが必要である。(1)式
を満足すれば、前記波動の種類は限定されず、如何なる
振動数の波動をも使用することができる。しかしなが
ら、液体金属の凝固などの実用においては、液体金属の
電気伝導度が10 5〜107S/mであり、密度が10
3〜104kg/m3であるため、数Tから数十Tの磁
場を印加すれば、数百Hzから数千Hzの振動数の波動
を印加することによって(1)式を満足する。
磁場に起因した磁場の擾乱が対流支配で伝播し、磁場分
布対流支配状態となっている。したがって、前記導電性
流体内に電磁力に起因した横波であるアフルベン波を生
成し、伝播させることができるようになる。この結果、
前記導電性流体内に前記アルフベン波に伴う振動を生成
し、伝播させることができる。
導磁石などを用いることによって得ることができる。ま
た、上記程度の振動数を有する波動は例えば、所定の外
部交流電源を用い、これから出力される交流電場を用い
ることができる。すなわち、上記(1)式を満足するよ
うな磁場及び電場は、超伝導磁石及び交流電源を用いる
のみで簡易に得ることができる。
ズマ工学の分野においては研究されているが、工業的な
分野においてはほとんど研究されておらず、したがっ
て、その利用方法に対する試みもあまりなされていない
のが現状である。このため、アルフベン波の工業的な利
用という観点からも、本発明は極めて重要である。
種々の工業的用途への応用が可能である。特に溶融状態
にある液体金属の凝固過程において用いることによって
その凝固組織を自在に制御することができ、微細な凝固
組織を得ることができる。また、脱ガス、精錬反応促
進、固液界面形態制御などの用途においても好適に用い
ることができる。以下、実施例において、本発明の導電
性流体への振動伝播方法を溶融金属の凝固に際して用い
た場合について詳述する。
うな装置を用い、Sn−10mol%Pb合金(以下、
「SnPb合金」という)の凝固を実施した。図1に示
す装置においては、ガラス製の円筒容器1(内径30m
m、高さ150mm)中に互いに対向した銅製電極2−
1及び2−2が配置されている。また、銅製電極2−1
及び2−2(各々幅10mm、厚さ2mm)の端には外
部交流電源3が接続されている。そして、銅製電極2−
1及び2−2を含めた円筒容器1の全体が図示しない超
伝導磁石内に配置されている。
おいて深さ120mmまで充填し、銅製電極2−1及び
2−2がそれぞれ20mm浸漬するようにした。そし
て、図示しない超伝導磁石から10Tの磁場を印加する
とともに、外部交流電源3より200Hz、100Aの
交流電場を印加した。SnPb合金4の電気伝導度σは
106〜107S/mであり、密度ρは104kg/m
3程度であるから、磁場及び電場を上記のように設定す
ることによって上記(1)式を満足していることが分か
る。このような状態を保持しながら、SnPb合金4を
0.1K/secなる冷却速度で凝固させた。
組織を調べたところ、円筒容器1の上側において凝固し
たSnPb合金、及び円筒容器1の下側において凝固し
たSnPb合金は、それぞれ1mm以下の大きさの組織
を有していることが判明した。
ンサによって、溶融したSnPb合金中を伝播する波の
圧力を測定したところ、前記波の圧力は外部交流電源3
から印加される交流電場の電流値にほぼ比例することが
判明した。したがって、上記のような凝固過程におい
て、溶融したSnPb合金内ではアルフベン波が生成さ
れ、このアルフベン波が伝播されたことが推察される。
したSnPb合金内に振動を伝播させなかった以外は、
実施例と同様にして前記溶融SnPn合金を凝固させ
た。このようにして得たSnPb合金の凝固組織を調べ
たところ、円筒容器1の上側において凝固したSnPb
合金の凝固組織、及び円筒容器1の下側において凝固し
たSnPb合金の凝固組織はそれぞれ粗大化されている
ことが判明した、そして、特に円筒容器1の下側におい
て凝固したSnPb合金は、数mm程度までその凝固組
織が拡大していることが判明した。
態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は
上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸
脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能であ
る。
磁場と波動とを所定の条件を満足するように印加するの
みで、大規模かつ複雑な装置を用いることなく導電性流
体に振動を生成し、伝播させることができる。したがっ
て、本発明の導電性流体への振動伝播方法によれば、種
々の工業的用途への応用が可能であり、例えば、溶融し
て得た液体金属などの凝固組織制御法などとして好適に
用いることができる。
て、SnPb合金を凝固させる場合に用いた装置図であ
る。
Claims (6)
- 【請求項1】 導電性流体に対し、所定の磁場と所定の
波動とを、 2πf<(σ/ρ)B2 (1) (f:印加する波動の周波数(Hz)であり、前記波動
が非正弦波の場合はその波形をフーリエ変換した時の主
要周波数、σ:導電性流体の電気伝導度(S/m)、
ρ:導電性流体の密度(kg/m3)、B:印加する静
磁場の大きさ(T))なる条件を満足するように印加し
て、前記導電性流体内にアルフベン波を生成及び伝播さ
せて、前記導電性流体内に前記アルフベン波に起因した
振動を生成及び伝播させるようにしたことを特徴とす
る、導電性流体への振動伝播方法。 - 【請求項2】 前記導電性流体に対する前記波動の印加
は、外部交流電源より所定の交流電界を印加することに
よって実施することを特徴とする、請求項1に記載の導
電性流体への振動伝播方法。 - 【請求項3】 前記導電性流体内において、前記静磁場
に起因した磁場の擾乱が対流支配によって伝播すること
を特徴とする、請求項1又は2に記載の導電性流体への
振動伝播方法。 - 【請求項4】 溶融金属を冷却して凝固させる過程にお
いて、所定の静磁場と所定の波動とを、 2πf<(σ/ρ)B2 (1) (f:印加する波動の周波数(Hz)であり、前記波動
が非正弦波の場合はその波形をフーリエ変換した時の主
要周波数、σ:導電性流体の電気伝導度(S/m)、
ρ:導電性流体の密度(kg/m3)、B:印加する静
磁場の大きさ(T))なる条件を満足するように、前記
溶融金属に印加して、前記溶融金属内にアルフベン波を
生成及び伝播させて、前記溶融金属内に前記アルフベン
波に起因した振動を生成及び伝播させるようにしたこと
を特徴とする、溶融金属の凝固方法。 - 【請求項5】 前記溶融金属に対する前記波動の印加
は、外部交流電源より所定の交流電界を印加することに
よって実施することを特徴とする、請求項4に記載の溶
融金属の凝固方法。 - 【請求項6】 前記溶融金属内において、前記静磁場に
起因した磁場の擾乱が対流支配によって伝播することを
特徴とする、請求項4又は5に記載の溶融金属の凝固方
法。
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