(57)【要約】      （修正有）【課題】好適な導電性連続体に電磁的に影響を与えるシステムおよび方法を提供する。【解決手段】振幅および周波数変調螺旋状移動（回転および軸方向移動）電磁界を冶金および化学技術並びに鋳造に応用すると、ＭＨＤ設備の油圧効率を著しく向上させ、技術プラントにおける熱および質量の伝達を強化し、これらの生産性を相当に増加し、金属、合金、注型品および化学製品を製造するためのエネルギー消費量を著しく削減し、これらの品質を改善することが可能である。鉄および非鉄金属のインゴットおよび鋳物の結晶構造を制御する方法であって、溶融物が、螺旋交流のｍ位相系により励起された螺旋状移動磁界内で結晶化され、前記電流が階層的に周波数および振幅変調され、前記変調が、インタイムに周期的に反復する一定の持続時間を有するパルスの形態の前記ｍ位相系の電流上に重畳される方法。【選択図】図１
2010089162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本明細書に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願に対する相互参照）
本出願は、２００２年１２月１６日に出願された米国仮特許出願第６０／４３４，２３０号、および２００３年１１月４日に出願された米国仮特許出願第６０／５１７，３５９号から優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
本発明は、一般に、伝導媒体に対する電磁強制衝撃に関する方法、特に、冶金学的プロセスの重大な強化に応用可能な方法に関する。
【０００３】
回転、移動または螺旋状移動磁界を使用して、伝導媒体に強制的に影響を与える方法は公知であり、種々の冶金学的プロセス、たとえば融解、合金化、不利な不純物の精製、連続インゴットおよび鋳物などの結晶化の強化に十分に広く使用されている。しかし、公知の方法を使用して得られる冶金学的プロセスの速度および完成品の品質は、提案されている方法を使用すると、著しく増加させることができる。
【０００４】
回転または移動磁界を使用して連続および静止インゴットおよび鋳物の結晶構造を制御する方法は、かなり以前から公知である（クルト（Ｋｕｒｔ）の特許（１９１７年ドイツ特許第３０７２２５号）、ユンガンス（Ｊｕｎｇａｎｓ）およびシェイバー（Ｓｃｈａｂｅｒ）の特許（１９５４年ドイツ連邦共和国特許第９１１４２５号）、ペステル（Ｐｅｓｔｅｌ）等の特許（１９６０年の米国特許第２，９６３，７５８号）であり、これらの各特許は、引用することにより全体を本明細書に包含する。）この分野で蓄積された実験材料は、回転または移動磁界を適用すると、鋳造製品の柱状構造を排除し、機械的特性に肯定的な影響を与える等軸の微粒子状緻密構造を持つインゴットまたは鋳物を製造することが可能であることを示す。しかし、従来の方法により達成された液体金属の乱流は、冶金技術における磁気流体力学（ＭＨＤ）の応用範囲を制限する。
【０００５】
したがって、結晶化プロセスにおいて、溶融物に対するＭＨＤの影響方法の効率を著しく増加させることは、むしろ緊急課題である。
【０００６】
関連分野では、このために構築された設備内において、非変調三相電流により励起された回転磁界内で鋳鉄溶融物を連続処理する公知の方法がある。これらの設備は、収容漏斗および取鍋を有する傾斜裏張りチャネルの形態で製造され、取鍋の周囲には、溶融物中のＲＭＦを励起する明示的な極誘導子が配列される。
【０００７】
脱硫器の能力があるソーダ灰およびマグネシウム粉を使用して、この設備において達成される最大脱硫率は毎秒約１０相対％に達し、約５０％の硫黄が除去された。この設備では、毎時約１２０トンが達成され、電気エネルギー消費量は約２キロワット時／トンである。
【０００８】
こうした設備上で達成される技術的結果は比較的良好であるにも関わらず、絶対脱硫深さは比較的低く、十分な厚さの裏張りを上記設備に適用できないため、熱損失は非常に高い。
【０００９】
もう１つの関連分野では、代表的な溝形誘導炉内で、炉のシャフト内に配置された溶融物は、主に熱対流を犠牲にして攪拌される。なぜなら、溝内の溶融物は、シャフト内の溶融物と比較して常に過熱しているからである。さらに、溝の上部では、一定の圧力勾配がシャフト方向に方向付けられて、誘導電流の密度磁界の不均質性に関連するように思われる。シャフト内で拡販されている溶融物の強度は低いため、炉内における溶融物温度および組成の均質性に必要な時間分を増加させ、シャフト高さの増加を犠牲にして炉の容量の増加を防止する。攪拌している溶融物の強度を増加し、その結果、溶融物の処理に要する時間を短縮することは望ましいと思われる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（発明の概要）
したがって、本発明の目的は、振幅、周波数および位相変調電流のｍ−位相系を使用して（または、上記の変調タイプの様々な組合せによる電流により）、溶融物中で励起する１つまたは数個の螺旋状移動磁界を使用して、鉄および非鉄金属の連続および静止インゴットおよび鋳物の結晶構造を制御する方法を提供することである。概算から以下のとおり実証されるように、変調パラメーターのある選択肢では、電磁体積力（「ＥＭＢＦ」）磁界の非静止（つまり、時間依存）成分の振幅は、静止（つまり、時間非依存）成分の振幅に比べてはるかに大きく、乱流強度の増加により、従来の方法の場合よりインゴットおよび鋳物の液体コアを比較的効率的に攪拌することが可能である。さらに、変調パラメーターの一定の組合せでは、ＥＭＢＦは、周期的なパルス的方法で時間と共に変化することが可能であり、インゴットおよび鋳物の緻密な微細結晶等軸構造が得られる。３つ以上の制御可能なパラメーターを有する螺旋状移動磁界を適用すると、結晶溶融物に対する螺旋状移動磁界の力の影響を微細に制御し、個々の場合に最適な鋳造技術を提供することが可能になる。
【００１１】
電磁的な概算は、本発明による周波数および振幅変調ＲＭＦを適用すると、電磁体積力のピーク値は、非変調ＲＭＦと比べると、変調ＭＨＤを精製するために使用する追加のエネルギーにより決まる割合より過度に高い割合で増加する。ＥＭＢＦのピーク値の増加は、本発明によるＥＭＢＦ磁界の非静止成分が、熱および質量の伝達を強化する小規模な渦を励起する高周波高調波を含むために生じる。したがって、実験で実証されたように、この方法により変調された磁界を適用すると、鋳物の密度および硬度が増加する。プロセスの制御可能なパラメーターの数、たとえば振幅変調深さおよび周波数、周波数変調偏差および周波数、力衝撃持続時間などが増加すると、さらに、結晶化プロセス、並びに特定の各々の場合における技術的ニーズに必要な結晶構造を有するインゴットおよび鋳物の製造をより柔軟に制御することができる。
【００１２】
本発明は、鉄金属溶融物の流れの中で液体金属を連続炉外合金化して有害な不純物を精製する方法、およびこの方法を具現する設備であって、比較的低電力の誘導子で、比較的小型であり、裏張りの厚さを増加すると同時に、熱損失を低下させる設備における融解攪拌の強度を著しく増加することが可能な設備も提案する。
【００１３】
これらの利益を具現するため、周波数および振幅変調電流を設備内の誘導子の巻線に印加して、螺旋状移動変調磁界を励起し、その結果、溝を貫流する溶融物中の勢反射変調電流を励起する。これらの電流と磁界との相互作用は電磁体積力を生成し、ある期間における電磁体積力の静止成分は、非変調磁界により励起されるＥＭＢＦの静止成分を超え、電磁体積力の非静止成分が小規模な渦流構造を励起し、乱流強度を増加する。したがって、合金添加剤、有害な不純物の除去を意図する試薬を使用すると、融解攪拌強度が著しく増加される。
【００１４】
この方法を具現するため、設備構造の基本的な変更は、誘導子の構造を変更することにより実施される。誘導子は、８００〜９００℃の範囲の温度で動作するように設計される。こうした温度で動作する能力は、たとえば、誘導子を設備の裏張りに取り付けることを可能にする。このため、本発明の方法により、鉄またはコバルト粉末に相当する充填剤を含む耐火材料（たとえば、シャモット、マグネサイト、クロモマグネサイト、または高温コンクリート）に相当するいわゆる鉄セラミックから、誘導子の磁気回路を製造することが可能である。この粉末の粒度は１ｍｍであり、たとえば、耐火材料中の粉末成分は、使用する耐火材料のタイプによって決まる。完全に攪拌した後、こうした材料は、個々の要素の形態で製造され、その形状は特定の炉の構造によって決まり、材料が焼成される。充填剤のキュリー温度以下では、材料は磁気特性を保ち、導電性ではなく、十分に低い熱伝導性を有し、誘導子の磁気回路および設備の裏張りの両方として同時に使用することができる。
【００１５】
ＲＭＦ誘導子のこうした構造により、ＲＭＦ源を最大限に溶融物に近く配置して、必要な誘導子の電力を減少させることができる。誘導子コイルも高温領域に位置するので、この誘導子コイルの構造も、冶金技術に従来応用されている誘導子コイルとは大きく異なる。
【００１６】
溝形誘導炉における技術的プロセスの強化に関して本発明が提案する方法、および溝形誘導炉に導入される変更は、技術プラントの改善に著しく貢献する。
【００１７】
本発明のさらにもう１つの目的は、炉内における融解攪拌を強化する方法であって、ｍ位相炉変圧器の一次巻線内の電流が、周期的でインタイムな機能により同期的または同相的に周波数および振幅変調される方法を提供することである。概算が以下のとおり示すように、変調パラメーターのある選択肢では、溶融物に対するＭＨＤ力は、変調に消費されるエネルギーより大幅に増加し、溝形誘導炉の溝内の溶融物温度を均質化する。さらに、炉のシャフト内に含まれる溶融物は、本発明の方法により変調される移動（回転）磁界により影響され、こうした磁界は、誘導炉およびアーク炉のシャフト内における溶融物の温度および化学組成を均質化する。裏張りに組み込まれ、前記ＭＨＤ衝撃の具現を意図された誘導およびアーク炉の構造も提案する。
【００１８】
本発明の目的は、螺旋状移動（特に、高調波的または非高調波的にインタイムで周期的に変化するｍ位相系の螺旋電流により励起される回転および軸方向移動磁界）を使用して、電磁伝導媒体に対する影響を強制する方法であって、電流が同相的にまたは同期的に電流を倍増し、一時的に周期的な関数により階層的に周波数および振幅変調される方法を提供する。
【００１９】
本発明のさらにもう１つの目的は、電流の一定の選択肢で、ＥＭＢＦの非静止成分の変調振幅、周波数および振幅を、非変調磁界により励起される静止および非静止ＥＭＢＦと比べて何倍も増加することである。ＥＭＢＦのウェーブパケットは比較的多くの周波数成分を含み、その結果、媒体の電磁反応は高度に非線形になることが可能である。液体媒体に対する力場の影響により、温度および濃度の迅速かつ完全な均質化が生じる。この方法は、エネルギー効率の点で従来の方法より有利であり、こうした磁界の励起を意図した標準電気システムを使用して具現することができる。
（項目１）
鉄および非鉄金属のインゴットおよび鋳物の結晶構造を制御する方法であって、溶融物が、螺旋交流のｍ位相系により励起された螺旋状移動磁界内で結晶化され、前記電流が階層的に周波数および振幅変調され、前記変調が、インタイムに周期的に反復する一定の持続時間を有するパルスの形態の前記ｍ位相系の電流上に重畳される方法。
（項目２）
前記方法により周波数および振幅変調される電流の前記システムが、一定の時間間隔で周期的に電源が入り、一定の時間間隔で電源が切れる、項目１に記載の結晶構造を制御する方法。
（項目３）
連続または半連続鋳造のプロセスにおいて、振幅変調深さおよび周波数偏差がインタイムに周期的に変化する、項目１または２に記載の結晶構造を制御する方法。
（項目４）
静止インゴットおよび鋳物を鋳造するプロセスにおいて、振幅変調深さおよび周波数偏差が、結晶化固体相の厚さを増加すると増加する、項目１または２に記載の結晶構造を制御する方法。
（項目５）
有害な不純物から鉄金属溶融物を連続的に炉外で精製する方法であって、長い裏張り管に沿って流れる前記溶融物が、ｍ位相系の螺旋電流により励起される螺旋状移動磁界の作用下で、合金添加剤または試薬と混合され、前記電流が、インタイムに周期的に変化する十分に任意の関数により、周波数および振幅変調され、前記振幅変調が管の軸に沿って周期的に変化する方法。
（項目６）
前記振幅変調深さが管の軸に沿って変化する、項目５に記載の方法。
（項目７）
周波数変調偏差が管の軸に沿って変化する、項目５または６に記載の方法。
（項目８）
有害な不純物から鉄金属溶融物を連続的に炉外で精製するための設備であって、収容円錐部および取鍋を有する裏張り管と、支持枠と、試薬を含むホッパーと、前記変調電流の発電機と、攪拌機内の別個のコイルの明示的な極システムと、前記方法により変調される螺旋状移動磁界を励起する誘導子とを備え、前記誘導子が、裏張り管の裏張り内に組み込まれ、前記誘導子の磁気回路が鉄セラミックから製造される設備。
（項目９）
前記誘導子の極が裏張り内に組み込まれ、一般的な積層変圧器から製造された磁気回路の後部が、前記管の本体の外側に配置される、項目８に記載の設備。
（項目１０）
コイルが、極上に固定された取外し式セラミックボックスの形態で製造され、螺旋状溝に、融解温度未満の温度、および周囲の裏張りの温度を超える沸騰温度を有する固体または液体金属が充填される、項目８または９に記載の設備。
（項目１１）
前記セラミックボックスが、磁気回路の極と共に成形されて焼成される一般的な耐火材料から製造される、項目８、９または１０に記載の設備。
（項目１２）
前記誘導子の前記極が、耐火層により溶融物から分離され、耐火層の厚さが鉄セラミックの溶融物の温度とキュリー温度との間の差により決定される、
項目８、９、１０または１１に記載の設備。
（項目１３）
鋼コアを有する誘導ｍ相炉内における融解攪拌を強化する方法であって、ｍ相炉の変圧器の電流供給一次巻線が階層的に周波数および振幅変調される方法。
（項目１４）
螺旋状に移動する磁界が、前記関数により同期的に周波数および／または振幅変調されるｍ位相系の電流により励起され、前記磁界が、シャフト内の最終溶融物高さの１／ｎの溶融物を充填した後に印加される、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記方法で変調された回転磁界（ＲＭＦ）が、アルミニウム合金を鋳造するための電気アーク炉および反射炉内で製造される溶融物に影響を与える、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
鋼コアを有する誘導炉であって、裏張りシャフトと、裏張り溝部分と、炉の変圧器と、変圧器巻線の空冷または水冷システムと、支持枠と、炉の回転機構とを含み、炉のシャフトに、全体的に動作可能に裏張り内に組み込まれる誘導子を装備され、誘導子の磁気回路が、高キュリー温度の鉄セラミックから製造される誘導炉。
（項目１７）
誘導子コイルが、螺旋状溝に金属が充填された取外し可能なセラミックボックスの形態で製造され、前記金属が、炉内の金属融解温度未満の融解温度、および炉内の熱融解温度を超える沸騰温度を有する、項目１６に記載の誘導炉。
（項目１８）
前記セラミックボックスが一般的な耐火材料から製造され、前記磁気回路と共に成形および焼成される、項目１７に記載の誘導炉。
（項目１９）
前記コイルを含む前記磁気回路の極が、炉のシャフトの裏張り内に配置され、磁気回路の後部が、積層変圧器鋼から製造されて、シャフトのジャケットに固定される、項目１７または１８に記載の誘導炉。
（項目２０）
前記誘導子の前記極が、耐火材料層により溶融物から分離され、耐火材料層の厚さが、前記鉄セラミックの溶融物温度とキュリー温度との差により決定される、項目１７、１８または１９に記載の誘導炉。
（項目２１）
ジャケット、裏張りシリンダ部分、床および屋根を含む電気アーク炉の融解チャンバであって、ＲＭＦ誘導子が床の裏張り内に配置され、前記誘導子の磁気回路が、高キュリー温度の鉄セラミックから製造される融解チャンバ。
（項目２２）
前記誘導子コイルが、金属を充填されたセラミックボックスの形態で製造され、前記金属の融解温度が炉内の溶融物の温度より低く、沸騰温度が炉内の溶融物の温度より高い、項目２１に記載の融解チャンバ。
（項目２３）
アルミニウム合金を製造するための反射炉であって、前記誘導子の磁気コアが鉄セラミックから製造されて、炉の裏張り内に配置され、コイルがセラミックボックスの形態で製造され、項目２２に記載の特性を有する金属が螺旋状溝に充填される反射炉。
（項目２４）
ｍ位相系の螺旋電流により励起される螺旋状移動磁界を使用して、導電性媒体に強制的に影響を与える方法であって、電流が、連続しているか、または第１種の平滑または非平滑な有限数の不連続部分を特定の点に有する一時的に周期的な関数により、同相的かつ階層的に周波数および振幅変調されるか、または、振幅および初期位相により変調され、その結果、第１相では、電流が以下の方程式により記述され：
【数１】
2010089162.tif 000003
第２相では  −
【数２】
2010089162.tif 000004
ｎ番目の相では  −
【数３】
2010089162.tif 000005
ただし、
【数４】
2010089162.tif 000006
【数５】
2010089162.tif 000007
Ａ１０は、非変調電流の振幅、
ｎは位相番号、
ｐは、誘導子の極の対の数、
ε２ｎ０は、様々なレベルの振幅変調の相対的偏差、
ε２ｎ＋１は、様々なレベルの周波数変調の相対的偏差、
ω２ｎは、様々な階層レベルの振幅変調の周波数、
ω２ｎ＋１は、様々な階層レベルの周波数変調の周波数であり、
【数６】
2010089162.tif 000008
Ω０は、変調または非変調電流の搬送周波数、
Ｆ、ｆ２ｎ、ｆ２ｎ＋１は、時間の周期的関数、
γ２ｎ、γ２ｎ＋１は初期位相である。
（項目２５）
ｍ位相系の螺旋電流により励起される螺旋状移動磁界を使用して、導電性媒体に強制的に影響を与える方法であって、電流が、連続しているか、または第１次の有限数の不連続部分を有する一時的に周期的な関数により、同期的かつ階層的に周波数および振幅変調され、その結果、ｎ番目の位相の電流について、項目２４の方程式により記述する：ただし
【数７】
2010089162.tif 000009
および
【数８】
2010089162.tif 000010
（項目２６）
電流システムの搬送周波数が一定であり、つまりΩ（ｔ）＝Ω０＝定数である、項目２４または２５に記載の方法。
（項目２７）
前記方法により変調された回転磁界のみが応用される、項目２４、２５または２６に記載の方法。
（項目２８）
前記方法により変調された軸方向移動磁界のみが応用される、項目２４、２５または２６に記載の方法。
（項目２９）
導電性媒体が、前記方法により変調され、同じかまたは異なる方向に伝播する２つ以上の同じかまたは異なる磁界により影響を与えられる、項目２４、２５、２６、２７または２８に記載の方法。
（項目３０）
ｋｍ電極（ただし、ｋは、おそらく電極の数）のシステムを使用して、前記方法により変調された追加のｍ相電流密度磁界が、導電性媒体内に導入される、項目２４、２５、２６、２７、２８または２９に記載の方法。
（項目３１）
鉄金属溶融物の流れの中で、有害な不純物から液体金属を連続的に炉外で合金化する方法であって、長い裏張り管に沿って流れる前記溶融物が、ｍ位相系の螺旋電流により励起される螺旋状移動磁界の作用下で、合金添加剤または試薬と混合され、前記電流が、インタイムに周期的に変化すことにより周波数および振幅変調され、前記振幅変調が、管の軸に沿って周期的に変化する方法。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、超波動の波動減少を示す。
【図２】図２は、超波動の波動減少を示す。
【図３】図３は、無次元時間に対する無次元周波数および振幅変調の振幅の依存を示し（以下の値は、単に、図示のチャートの例示的な実施態様を表す：ω１＝１；ω２＝７；ε１＝０．１；ε２＝０．６；ｒ＝０．５；ｐ＝１；γ＝０）：曲線１は周波数および振幅変調ＥＭＢＦに相当し、曲線２は非変調ＲＭＦに相当する。
【図４】図４は、変調しない場合の無次元時間に対する無次元ＥＭＢＦの振幅の依存を示し（以下の値は、単に、図示のチャートの例示的な実施態様を表す：ｒ＝０．５；ｐ＝１）：曲線１は周波数および振幅変調ＲＭＦに相当し；曲線２は非変調ＲＭＦに相当する）。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明による炉の足断面図である。
【図５】図５は、鉄金属を連続精製または合金化するための第１バージョンの磁気流体力学的設備の垂直長手方向断面図である。
【図６】図６は、図５の線６−６に沿って切った図５の鉄金属を連続精製または合金化するための第１バージョンのＭＨＤ設備の垂直断面図である。
【図７】図７は、鉄金属を連続精製および合金化するための第２バージョンのＭＨＤ設備であって、磁気回路の裏面が積層電気工学鋼から製造されるＭＨＤ設備の垂直長手方向断面である。
【図８】図８は、図７の線８−８に沿って切った図７の鉄金属を連続精製および合金化するための第２バージョンのＭＨＤ設備の垂直断面図である。
【図９】図９は、図５および図６の設備の誘導子コイルの第１バージョンの構造であり、４分の１を切り取った等角投影法で示されている。
【図１０】図１０は、図７および図８に示す設備の誘導子コイルの第２バージョンの構造であり、４分の１を切り取った等角投影法で示されている。
【図１１】図１１は、ＲＭＦを励起する誘導子の第１実施態様を有する単相単一溝形誘導炉の垂直断面図である。
【図１２】図１２は、図１１の線１２−１２に沿って切った図１１のＲＭＦ励起誘導子の第１実施態様を有する単相単一溝形誘導炉の水平断面図である。
【図１３】図１３は、ＲＭＦ励起誘導子の第２実施態様を有する単相単一溝形誘導炉の垂直断面図である。
【図１４】図１４は、図１３の線１４−１４に沿って切った図１３のＲＭＦ励起誘導子の第２実施態様を有する単相単一溝形誘導炉の水平断面図である。
【図１５】図１５は、図１１の単相単一溝形誘導炉であって、延長シャフトと、螺旋状移動磁界を励起するための３相誘導子とを有する溝形誘導炉の垂直断面図である。
【図１６】図１６は、ＲＭＦ誘導子を有する電気アーク炉の高容量融解チャンバの垂直断面図である。
【図１７】図１７は、図１６の線１７−１７に沿って切った図１６のＲＭＦ誘導子を有する電気アーク炉の高容量融解チャンバの水平断面図である。
【図１８】図１８は、螺旋状に移動する磁界を励起するｍ位相系の螺旋電流の略図である。
【図１９】図１９は、ＲＭＦを励起する軸方向電流のｍ位相系の略図である。
【図２０】図２０は、軸方向に移動する磁界を励起する環状電流のｍ位相系の略図である。
【図２１】図２１は、無次元時間に対する無次元ＥＭＢＦの振幅の依存を示し：曲線１は周波数および振幅変調ＲＭＦに相当し；曲線２は非変調ＲＭＦに相当する。
【図２２】図２２は、ＳｕｐｅｒＷａｖｅが存在しない場合の異なる平均流速における、周波数に対する乱流の通常の波動エネルギー密度の依存を示す。
【図２３】図２３は、ＳｕｐｅｒＷａｖｅが存在する場合の流速における、周波数に対する乱流のエネルギー密度の依存を示す。
【図２４】図２４は、ＭＨＤプロセスパラメーターに基づいて構成された世界標準における、磁界の角速度に対する平均乱流速度の比率の依存を示す。
【図２５】図２５は、融解質量の増加に対するＥＭＳにおけるＳｕｐｅｒＷａｖｅに関連する融解速度の依存を示す：１−ＳｕｐｅｒＷａｖｅが存在する場合；２−ＳｕｐｅｒＷａｖｅが存在しない場合。
【図２６】図２６は、インゴットの中心線からの距離に対するインゴットの密度の依存を示す：１−ＳｕｐｅｒＷａｖｅが存在する場合；２−ＳｕｐｅｒＷａｖｅが存在しない場合。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（発明の詳細な説明）
（概要）
本明細書には、技術プロセスを迅速化し、冶金、鋳造および化学業界における製品の品質を改善するための方法を記載する。この方法は、超波動のパターンをたどる移動磁界を応用することにより技術プロセス、特に混合の強化に基づく。このパターンは、アーヴィングＩ（Ｉｒｖｉｎｇ  Ｉ）で進展した理論に記載されているように、超波動に従う。「Ｃｙｃｌｅｓ」ジャーナルの刊行物１９９４年３月／４月号（第４４巻５号）に記載されているダルディック（Ｄａｒｄｉｋ）の記事「宇宙の偉大な法則」（Ｔｈｅ  Ｇｒｅａｔ
Ｌａｗ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｅ）。アーヴィングＩ（Ｉｒｖｉｎｇ  Ｉ）も参照。「Ｃｙｃｌｅｓ」ジャーナルの刊行物１９９５年月？／月？号（第４５巻３号）に記載されているダルディックの記事「波動の法則」（Ｔｈｅ  Ｌａｗ  ｏｆ  Ｗａｖｅｓ）、および２００２年のウェブサイトｗｗｗ．ｄａｒｄｉｋｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．ｏｒｇに記載されている「超波動：存在の実態」（Ｓｕｐｅｒｗａｖｅｓ：Ｔｈｅ  Ｒｅａｌｉｔｙ  ｔｈａｔ  ｉｓ  Ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ）。これらの記事は、引用することにより本明細書に全体を援用する。
【００２２】
ダルディックの記事で指摘されているように、自然界のすべての事物は、永久運動で周囲を移動する原子から構成され、原子は、それぞれの原子が互いにある程度離れている場合に互いに引き付け、互いに詰め込まれると反発することは、一般に科学的に認められている。対比上、ダルディックの仮説は、宇宙におけるすべての事物は波動する波から構成されるということであり、この活動は「超波動」と呼ばれている。超波動は発生して、移動する要素である（つまり、共に変化して、要素−空間−時間を画定する）。
【００２３】
したがって、必然的に、波動の周波数および振幅の変化は、互いに依存せずに異なるが、同時に同一物であり、２つの異なる階層レベルを同時に表現する。波動周波数が同時に増加すると、新しい波動パターンが生じ、すべての波が比較的小さい波を含み、周波数が変化し、ある波動は他の波動が存在しなければ存在することはできない。
【００２４】
すべての波は比較的小さい波を含み、比較的大きい波により包含される。したがって、各々の高振幅低周波数の主要波は、多くの比較的高周波数低振幅の小波により変調される。超波動は、互いの内部で波動する波の進行プロセスであり、互いに対してフラクタイルな関係を共有することが好ましい。
【００２５】
図１（ダルディックの記事の図から採用）は、超波動波減少を大まかに示す。図１は、たとえば小波１２および１３により変調される低周波数の大波を示す。小波１２および１３は、徐々に高い周波数（大波１１に比べて）を有する。さらに高い周波数のその他の小波は、大波１１を変調する場合があるが、分かりやすくするために図示しない。こうした同じ超波動波現象を図２の時間領域に示す。
【００２６】
波動波のこの新しい原理は、波動周波数および波動強度（二乗振幅）は同時かつ連続していることを実証する。２種類のエネルギー（つまり、周波数に比例する波により伝達されるエネルギー、および強度に比例するエネルギー）も同時かつ連続している。したがって、エネルギーは波動波または「波動／エネルギー」である。
【００２７】
この現象は、電気力学および流体力学の方程式、並びに実験的な磁気流体力学で確立された実験に基づく多くの結果を用いて、理論的に研究することができる。したがって、冶金、鋳造および化学業界における超波動の研究結果は、超波動現象の全体的な理解を促進する。
【００２８】
冶金、鋳造および化学業界は、先進国の中で最もエネルギーを消費する部門に含まれる。したがって、たとえば、アーク炉での合金鋼の製造における電気エネルギー消費量は、約４００〜５００キロワット時／トンに達する（これらの数は、鋼製造プロセスにのみ関連し、鋳鉄製造および鋼圧延のための電気エネルギー消費量は含まない。）電気抵抗炉における１トンのマグネシウム合金製造、および溝形誘導炉における１トンの銅合金の製造に消費される電気エネルギーも、約４００キロワット時に近い。
【００２９】
鋳造時における溶融金属の集中混合は、高品質鋼の製造に重要である。以下のとおり、振幅および周波数変調した非線形超波動による混合力の導入は混合を強化すると同時に、電気エネルギー消費量を著しく減少させ、その結果、経済効率を著しく増加する。
【００３０】
以下の単純な計算は、潜在的な節約レベルに関する一般的な構想を与えることが可能である。米国における電気エネルギーの価格付けは、むしろ複雑である。こうした価格付けは、様々な国で異なる。価格付けは、消費電力のピーク値に著しく依存し、キロワット時当たり平均で少なくとも１５セントになる。したがって、上記の４００〜５００キロワット時／トンのコストは、１トンの金属に付き６０〜７５ドルである。鋼板およびプロファイル鋼の合計コストは、１トン当たり約３００ドルである。炉内における鋼の製造に消費される電気エネルギーのコスト（つまり、超波動を使用して攪拌することにより実質的に削減可能な費用の部分）は、合計や禁制品コストの約２０〜２５％の範囲である。
【００３１】
溶融物または電解質溶液を製造および処理するための冶金および化学プラントの生産性は、溶融物または溶液に添加される融解または溶解プロセスの速度、並びに溶融物または電解質溶液中における化学反応速度により決まる。上記のプロセス速度は、その他の条件が等しい場合、技術プラント内における溶解物（または溶液）の攪拌強度によって決まる。同じ要素は、溶融物の結晶化、並びに連続および静止インゴットおよび鋳物の製造プロセスにおける溶融物の構造、ひいてはこれらの機械的特性を決定する。溶融物および溶液の攪拌強度は、冶金および化学プラントの生産性、金属製品および様々な化学物質を製造するためのエネルギー消費量、並びにこれらの品質を決定する主な要素である。
【００３２】
したがって、冶金、鋳造および化学業界において、攪拌強度に関心が払われるのは、きわめて自然であると思われる。乱流回転ＭＨＤ流の平均速度の概算は、速度は電磁体積力の大きさの二乗根に比例し、その結果、滑り（つまり、差ω／ｐ−Ω、ただし、ω／ｐはＲＭＦ回転の角速度、ｐは極の対の数、Ωは融解回転の角速度）に比例することを示す。したがって、乱流擬似固体コアの回転の平均角速度は、２００２年９月１６〜２０日、フランス、ラマチュエレでのＰｒｏｃ．５ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ、ＰＡＭＩＲ  Ｃｏｎｆ．におけるＥ．ゴルブレイク（Ｅ．Ｇｏｌｂｒａｉｋｈ）、Ａ．カプスタ（Ａ．Ｋａｐｕｓｔａ）およびＢ．ミカイロフ（Ｂ．Ｍｉｋｈａｉｌｏｖｉｃｈ）のプレゼンテーション「乱流回転ＭＨＤ流の半経験的モデル」（Ｓｅｍｉｅｍｐｉｒｉｃａｌ  Ｍｏｄｅｌ  ｏｆ  Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ  Ｒｏｔａｔｉｎｇ  ＭＨＤ  Ｆｌｏｗｓ）、Ｉ−２２７−Ｉ−２３０から、以下の単純な式により決定される（これも、引用することにより本明細書に全体を援用する）：
Ω≒（Ｑ／２）（√１＋４／Ｑ−１）ω、
ただし、Ｑ  ＝  Ｈａ２・δＺ／  Ｒｅω・Ｃ０；ただし、Ｈａ＝Ｂ０Ｒ０√σ／η；δＺ＝  Ｚ０／Ｒ０；Ｚ０は溶融物の高さ；Ｒ０は溶融物を含む容器の半径；Ｒｅω＝ωＲ０２／ν；νは溶融物の運動エネルギー；σは溶融物の導電性；およびＣ０＝０．０１８は実験的定数である。
【００３３】
（鋼製造における超波動−変調磁界の効果の概算：）
溶融物の完全な均質化に要する時間、または電解質溶液の温度、および乱流攪拌時の組成は、流動回転の角速度に反比例する。したがって、回転速度が約１．５倍増加すると、均質化時間は同じ割合だけ減少する。均質化時間は、全体の鋳造時間の約５０％に達するため、電気炉内における融解持続時間は約２０％減少し、炉外処理のためのＭＨＤ設備における脱硫および脱燐反応は約５０％加速することが可能である。
【００３４】
攪拌ＭＨＤ設備の電力は、一般に、炉の変圧器の電力の約１〜１．５％に達し、融解持続時間の減少は、著しい電気エネルギーの節約につながる。アーク炉における融解持続時間が１．５倍減少すると、特定の電気エネルギー消費量は、約２７０〜３３０キロワット時／トンまで減少する（つまり、特定の電気エネルギーの節約は、約１３０〜１７０キロワット時／トン、したがって２０〜２６ドル／トンに達する）。
【００３５】
（超波動効果の概算  −  鋳物結晶化プロセスにおける変調磁界の適用）
引用することにより全体を本明細書に援用するペステル（Ｐｅｓｔｅｌ）等の米国特許第２，９６３，７５８号により実証されるとおり、鋼インゴットの最適な結晶構造は、以下の条件で得られる：
ωＢ２Ｒ２≒５×１０−３−ｌｌ．３×１０−３  Ｔ２ｍ２／ｓ      （３）、
ただし、ωは磁界回転の角速度、ｒａｄ／ｓ；Ｂは磁気誘導、Ｔ；Ｒは液体漏斗孔の半径、ｍである。したがって、磁気誘導に必要な値は以下のとおりである：
Ｂ〜０．０４−０．０６  Ｔ                            （４）
連続鋳造設備（「ＣＣＦ」）で導入される誘導子は、溶融物中に磁界を生成する。回転（移動）磁界は電流を誘発し、電流と前記磁界との相互作用は、溶融物に影響を与える電磁力の出現を生じる。誘導子の公称電力は、ＣＣＦのタイプおよび生産性に応じて、特定の電気エネルギー消費量で約１５０〜３００キロワット（つまり、約１０〜１２キロワット時／トン）。誘導子の同程度の電力で振幅および周波数変調を使用する場合、インゴット結晶化プロセスは著しく加速し、その結果、ＣＣＦの生産性を増加させる。その上、鋳造金属の強度特性が改善され、その孔隙率が減少する。
【００３６】
さらに、予備実験が示すように、振幅および周波数変調電流を使用する場合、溶融物に対する出磁界の力衝撃の特性は著しく変化する。なぜなら、平均江ＥＭＢＦ値（平均流量を増加させる）が増加する並列ＥＭＢＦは、強力なパルスを生じさせる溶融物の振動を伴うからである。これらの要素の結合作用は、連続インゴットの品質の著しい改善につながる。
【００３７】
（化学技術における超波動  −  変調磁界の潜在的な用途について：）
化学業界では、攪拌は、熱および質量交換を強化し、化学反応を促進するために行われる。液体を攪拌するには、原則として、乱流タイプおよび羽根車混合機を応用する。この場合、混合される相の濃度および温度を一様にすることは、循環および乱流拡散により達成される。乱流モードの機械式攪拌機を有するプラントにおける合計均質化時間γの大よその計算は、以下の公式を使用して行われ、この公式は、タッターソン，Ｇ．Ｂ．（Ｔａｔｔｅｒｓｏｎ，Ｇ．Ｂ．）、キャブレーゼ，Ｒ．Ｖ．（Ｃａｌａｂｒｅｓｅ，Ｒ．Ｖ．）およびペニー，Ｗ．Ｒ．（Ｐｅｎｎｅｙ，Ｗ．Ｒ．）による１９９４年の「工業混合技術：化学および生物学的応用」（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｍｉｘｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）、ＡＩ  Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇｎｇ．Ｐｕｂｌ．に見られ、これは、引用することにより本明細書に全体を援用する：
γ≒５Ｖ／ｎｄ３                                      （５）
ただし、Ｖは装置の容積、ｍ３；ｎは攪拌機の回転数；ｄは攪拌機の直径である。
【００３８】
v＝μ０σωＲ０２の場合、相対周波数に対する無次元ＥＭＢＦの依存は、v値が非常に低い場合、ＥＭＢＦはきわめて小さいことを示す。
【００３９】
周波数ω＝３１４ｒａｄ／ｓのＲＭＦにより影響を受ける直径１ｍの容器内の強力電解質溶液の場合、vの大きさは、約０．００１に達する。半径０．４ｍを上の相対ＥＭＢＦ
値は、ｆ≒vｒ／２〜０．０００２に等しい。したがって、電解質（たとえば硫黄酸）を
、誘導が約０．０７Ｔの十分に強力なＲＭＦ内に配置する場合、回転は観察されず、したがって、低周波数電流によ利励起されるＲＭＦは、実際上電解質溶液に影響しない。しかし、電流密度の回転磁界が電解質中に導電的に導入される場合、この流体とＲＭＦとの相互作用は、高角速度で電解質を回転させる十分に強力なＥＭＢＦ磁界を励起させることが可能である。ＲＭＦおよび電流密度磁界変調は、電磁攪拌デバイスの効率を著しく増加し、この電磁攪拌デバイスは、濃酸およびアルカリなどの攻撃的な物質を製造する場合、従来利用されてきた機械式攪拌機の代わりに、化学業界において有利に使用することができる。
【００４０】
（周波数および振幅超波動の力衝撃の物理学的メカニズム  −  変調磁界：）
次に、導電性流体を含む容器の軸周囲で、一定の角速度で回転する永久磁石により励起される非変調ＲＭＦの力衝撃について説明する。静止している液体に対して同じ角速度で回転する磁界Ｂは、導電性流体内において同じ速度で回転する軸方向電流を励起する。誘導電流と磁界との相互作用は、磁石の回転と整列するＥＭＢＦを生成する。これらの力は、静止成分および非静止成分を有し、これらの成分は、二重周波数２ω、および静止成分の振幅に等しい振幅で周期的に変化する。これらの力の作用下では、流体は、誘導電流の密度は滑り−（ω−Ω）の差に比例するため、一定の角速度Ω＜ωで回転を開始する。
【００４１】
磁石の角速度が非静止である場合（つまり、時間と共に周期的に変動する場合）、この追加の運動は追加の電流を含み、追加の電流と変調磁界との相互作用により、流体に作用する追加の力を生じる。こうした衝撃の結果として、流体回転の平均角速度が増加し、２次元振動が生じ、その結果、流体を能動的に攪拌する。必然的に、磁石回転の角速度が非静止である場合、同じ主角速度ωでの磁石の回転を達成するには、一定量の追加の仕事が必要である。
【００４２】
提案されている方法は、以下のとおり実現される。
【００４３】
溶融物が注入される型は、前記方法により変調された電流がコイル内に印加されるｍ相誘導子の非磁気クリアランス内に配置される。電流は、螺旋状に移動（特に、回転および軸方向移動）する溶融物中に、周波数および振幅変調磁界を生成し、その結果、溶融物中において前記方法により変調されるｍ位相系電流を誘発する。
【００４４】
前記電流と磁界との相互作用の結果として、一般的な例では、３次元ＥＭＢＦ磁界が生じる。この磁界の各々の成分は、安定した成分と、様々な振幅、周波数および初期相を含む脈動および振動の複雑集合とを含む。
【００４５】
無次元ＥＭＢＦの方位角成分の振幅が無次元時間に依存する状態を図３に示す：１−振幅および周波数変調電流により励起される；および２−変調が存在しない場合。無次元ＥＭＢＦの振幅の半径方向成分が無次元時間に依存する状態を図４に示す：１−振幅および周波数変調電流により励起される；および２−変調が存在しない場合。
【００４６】
ＥＭＢＦ磁界の作用下では、複雑な空間構造を有する乱流、および周波数がＥＭＢＦ磁界周波数スペクトルに依存する強制振動は、溶融物中で維持され、必然的に結晶化の前面付近に存在する。本発明によるこうした流れは、柱状結晶の成長を全体的に抑制し、こうした条件下で凝固するインゴット（鋳物）は、好ましくは等軸微粒子状の緻密な構造を有する。
【００４７】
連続鋳造プラントでは、ｍ相誘導子は、晶析装置（図４Ａ参照）の下に配置されるか（鋼鋳造の場合）、または晶析装置内に組み込まれる。本発明の好ましい実施態様では、鋳型は、磁界を最小限スクリーンする材料から製造するべきである。
【００４８】
図５および図６に示す提案されている設備は、裏張り溝２１を含む収容漏斗２２、取鍋リップ２３、試薬用のホッパー２４および枠２５を備える。融解温度が、処理される溶融物の融解温度よりはるかに低く、沸騰温度が、処理される溶融物の沸騰温度よりはるかに高い液体金属（たとえば、こうした金属として錫を使用することができる）を充填された螺旋状溝２９を含むセラミックボックスの形態の鉄セラミックおよびコイル２８（たとえば、図９および図１０参照）から製造される磁器回路２７を備える誘導子は、溝の裏張り内側に配置する。電解質３０は、一方が乱流、他方が固体であり、コイル内に電流を供給し、金属を溝２９内に注入するために使用される。
【００４９】
図７および図８は、裏張り２１’を含む第２バージョンの設備構造を示し、鉄セラミックから製造された極２６’は、炉の裏張り内に配置され、磁気回路の裏側２７’は、積層電気工学的鋼シートから製造され、シャフトのジャケット２３’上の環状溝内に取り付けられる。磁気回路の極２６’は、セラミック管３１’により溶融物から保護され、セラミック管３１’の厚さは、管の外面上の温度が、鉄セラミックのキュリー温度を超えないように選択する。
【００５０】
提案されている設備は、以下のように動作する。液体金属は、取鍋、溶鉱炉または溶銑炉から漏斗２２内に供給される。必要な試薬は、ホッパー２４から連続的に供給される。溶融物は溝２１を通って流れ、溝内では、本発明によりＥＭＢＦにより影響されて、溶融物は試薬と集中的に混合される。処理された溶融物は、取鍋内に連続的に排出される。特定の試薬（ソーダ、石灰またはＭｇ粉末）による溶融物の精製では、試薬も融解され、有害な不純物を添加されたスラグを形成し、スラグは、金属を取鍋から排出する前に、溶融物から除去される。
【００５１】
したがって、有害な不純物から鉄金属溶融物を連続的に炉外合金化または精製する方法であって、螺旋状に移動する（つまり、溝２１の長手方向軸に沿って軸方向移動しつつ、溶融物が回転するように、ねじ状運動で移動する）磁界で、振幅および周波数変調電流のｍ位相系により励起され、振幅変調深さおよび周波数変調偏差が、長い裏張り管の軸に沿って変化する磁界の作用により行われる方法を提供する。概算によると、この場合、電磁体積力のピーク値は、変調が存在せず、強力な融解攪拌が保証される場合より高くなる可能性があり、温度および組成の全体的な均質化に必要な時間を短縮し、合金化添加物の溶解、および有害な不純物をスラグ内に排出する化学反応速度を著しく加速することが分かる。高温溶融物のための前記方法を実現する設備の構造も提供する。
【００５２】
本発明により提案されているさらにもう１つの方法は、融解および融解攪拌の強化に関する。本発明の方法により、炉のシャフト内における溶融物攪拌強度が著しく増加し、融解時間が短縮し、金属−スラグ境界における反応の強化により、金属および合金の品質が改善する。さらに、この方法は、シャフトの高さを増加させ、炉の変圧器の電力を増加させずに、溝形誘導炉の生産量を増加させる。
【００５３】
融解時間の著しい短縮（たとえば、２０％まで）は、ＲＭＦ励起に追加のエネルギー消費があるにも関わらず、溝形誘導炉内の金属および合金を製造するプロセスのエネルギー消費量を著しく減少させる。原則として、現在のアーク炉は、スウェーデンの会社であるＡＳＥＡが製造するアーク固定子が装備され、これは炉の底の下に設置される。固定子の巻線は、炉の容量に応じて周波数約０．３５〜１．５０ヘルツの電流が供給される。固定子の電力は、一般に炉の変圧器の電力の約２％に達し、大容量の炉の場合、約０．５ＭＶＡに達する可能性がある。
【００５４】
電気アーク炉の融解および融解攪拌に関して本発明が提案する方法は、ＲＭＦ誘導子の新奇な構造と結合して、融解攪拌の電気エネルギー消費量を削減し、融解プロセスを著しく強化することが可能であり、その結果、融解時間の短縮、炉の出力の増加、消費電気エネルギーの減少、および金属の浪費の減少につながる。
【００５５】
ＲＭＦ誘導子の構造は、冶金および鋳造に使用されている公知の構造とは著しく異なる。このため、本発明の方法により、鉄またはコバルト粉末に相当する充填剤を含む耐火材料（たとえば、シャモット、マグネサイト、クロモマグネサイト、または高温コンクリート）に相当するいわゆる鉄セラミックから、誘導子の磁気回路を製造する。粉末の粒度は、たとえば１ｍｍで良く、耐火材料中の粉末成分は、使用する耐火材料のタイプによって決まる。完全に攪拌した後、こうした材料は個々の要素の形態で製造され、要素の形状は特定の炉の構造に応じて決まり、次に材料が焼成される。充填剤のキュリー温度以下では、材料はその磁気特性を維持し、導電性ではなく、十分に低い熱伝導性を有し、同時に磁気回路の誘導子および設備の裏張りの両方として使用することができる。ＲＭＦ誘導子のこうした構造は、ＲＭＦ源を溶融物に最大限近く配置し、必要な誘導子の電力を減少させる。さらに、こうした構造は、液体金属と誘導子との間の非磁気隙間の大きさを著しく減少させ、炉のジャケットにより弱体化する磁界を排除する。誘導子コイルも高温領域に配置されるため、コイルの構造も、冶金技術で従来使用されている誘導子コイルとは大きく異なる。
【００５６】
溝形誘導炉における技術プロセスの強化、および溝形誘導炉の構造の変更に関して提案されている本発明の方法は、技術プラントの改善に著しく貢献する。
【００５７】
一例として、これらの図面は、提案されている構造の変化が、本発明の上記の利益を可能にする単相単一溝形誘導炉の構造を示す。
【００５８】
図１１および図１２は、本発明の第１実施態様の炉の垂直および水平断面を示す。この炉は、裏張りシャフト４１、溝部分４２、炉の変圧器４３、変圧器の一次巻線４４、溝４５および枠４６を含む。鉄セラミック要素から製造された磁気回路４７は、シャフト４１の裏張り内に組み込まれる。螺旋状の溝（図９および図１０の溝２９参照）を含むセラミックボックスの形態で製造されるコイル４８は、シャフト４１の極上に取り付けられる。溝２９には液体金属が充填され、液体金属の融解温度は、炉内の溶融物の融解温度よりはるかに低く、液体金属の沸騰温度は、溶融物の沸騰温度よりはるかに低い（たとえば、こうした金属として錫を使用することができる）。
【００５９】
比較的低温のコイル４８の後部には、図９の固体電極３０が導入され、電極の一方は管状で、もう一方は中実であり、電流はこれらの電極を通して液体金属巻線に印加され、金属が溝２９内に注入される。磁気回路４７の極は、裏張り層５１により溶融物から分離され、裏張り層５１の厚さは、層５１の外面が鉄セラミックのキュリー温度より低くなるように選択する。
【００６０】
図１３および図１４は、本発明による第２実施態様の炉を示し、コイル４８’を含む鉄セラミックから製造された極４７ｃは、炉の裏張りに配置され、ＲＭＦ誘導子の磁気回路の後部４７ｂは、積層変圧器の鋼から製造され、シャフトのジャケットに取り付けられる。
【００６１】
図１５は、図１１および図１２に示す本発明の第１実施態様による炉で、延長シャフトおよび３相誘導子を備える炉を示す。垂直および水平プラント内に配置されたコイルの相の変化に応じて、こうした誘導子は、炉の軸に沿って移動する螺旋状磁界、ＲＭＦまたは磁界を励起することが可能である。こうした磁界の振幅および周波数変調では、それぞれ螺旋状、回転または垂直流の平均速度、および溶融物振動の強制的な高度に強力な乱流を確保する脈動速度成分は、著しく増加すする（好ましくは、少なくとも１桁）。したがって、特に大きい容量の炉内における融解時間は減少する（たとえば、２０％）。
【００６２】
炉の変圧器の一次巻線に供給する電流の変調では、溝の電流も周波数および振幅変調される。こうした電流と固有の磁界との相互作用により、追加の渦巻状の非静止ＥＭＢＦ磁界が生じ、溝内の流れを乱流化し、シャフト内の金属との熱交換を強化する。さらに、溝内のジュール熱の放出も、炉の変圧器の電力のある程度の増加で増大する。
【００６３】
図１６および図１７は、鋼ジャケット６１ａ、円筒状部分裏張り６２ａ、床裏張り６３ａ、および屋根６４ａを含む本発明の電気アーク炉の高容量（たとえば、２００トンの容量）の融解チャンバを示す。コバルト充填剤を含む鉄セラミックから製造された後部６５ａおよび極６６ａを含むｍ相ＲＭＦ誘導子は、床の裏張り６３ａ内に埋め込まれる。セラミックのキュリー温度は、たとえば１０００℃である。コイル６７ａの構造は、上記の溝型炉誘導子のコイル２８（図９）の構造と同じである。鉄セラミックは低い熱伝導性を有し、コイルは、たとえば３００〜４００℃の温度で動作するため、誘導子の極は、最大限溶融物に近く配置して、誘導子の電力を著しく減少させ、周波数および振幅変調電流の使用を可能にする。
【００６４】
螺旋状移動する（特に、回転および軸方向移動する）磁界で、インタイムで高調波的にまたは非高調波的に周期的に変化する螺旋状（特に、軸方向、つまり方位角）電流のｍ位相系により励起される磁界を使用して、導電性媒体に対して強制的に影響を与える方法であって、電流が同相的にまたは同期的であり、一時的に周期的な関数により階層的に周波数および振幅変調される方法も提供する。電流変調振幅および周波数のある選択肢では、電流変調振幅および周波数のある選択肢では、ＥＭＢＦの非静止成分は、非変調磁界により励起される静止および非静止ＥＭＢＦ成分と比較して、好ましくは何十倍も増加する。ＥＭＢＦのウェーブパケットは、比較的多くの周波数成分を含み、その結果、媒体の電磁反応は高度に非線形になる可能性がある。液体媒体に対するこうした力場の影響により、液体媒体の温度および濃度が、迅速かつ完全に均質化する。この方法は、公知の方法に比べて非常に有利であり、こうした磁界を励起するために使用される標準電気システムを使用して具現できる。
【００６５】
提案されている強制的に影響を与える方法は、攪拌効率を１桁程度増加させ、その結果、溶融物はより強力かつ迅速に均質化される。一例として、前記の振幅および周波数変調ＲＭＦの作用による導電性シリンダ内における電気力学的プロセスは、数学的に以下のように考察される。
【００６６】
比率Ｂ＝ｒｏｔＡによる誘導に関連する磁気誘導のベクトルポテンシャルを使用して、座標ｒ、ψ、ｚのシリンダシステム内におけるこうしたプロセスを説明すると好都合である。この場合、電流密度の軸方向成分は：
【００６７】
【数９】
2010089162.tif 000011
ただし、誘導の半径方向および方位角成分は、以下のとおり：
【００６８】
【数１０】
2010089162.tif 000012
ＥＭＢＦの方位角成分は、以下のように決定される：
【００６９】
【数１１】
2010089162.tif 000013
および、半径方向成分は、以下のように決定される：
【００７０】
【数１２】
2010089162.tif 000014
Ｒｅは、複素変数の実数部である。
ベクトルポテンシャルＡｚは、以下の式により表される：
【００７１】
【数１３】
2010089162.tif 000015
ただし、
【００７２】
【数１４】
2010089162.tif 000016
；Ｖφは媒体の速度；μ０＝４π１０−７Ｈｎ／ｍは媒体の導電性；σは、媒体の導電性；およびｔは時間である。
【００７３】
方程式（１０）は、境界条件で解かれる：
【００７４】
【数１５】
2010089162.tif 000017
ただし、ＮＩは線形電流負荷；ω２（ｔ）＝ω２［１＋ε１  ｓｉｎ（ω１ｔ＋γ）］；ｐは極の対の数である。
【００７５】
ベクトルポテンシャル、時間、座標ｒおよび角度φの特性値を使用すると、以下のとおりである：
Ａ０＝μ０ＮＩＲ０，Ｔ０＝２π／Ω０，Ｒ０，ψ０＝２π、
問題（１０）、（１１）は無次元になり、Ｖφ＝０の条件下では、以下の形式を取る：
【００７６】
【数１６】
2010089162.tif 000018
ただし、v＝μ０σΩ０Ｒ０２は、相対周波数；v１＝ω１／Ω０，ω２＝ω２／Ω０，v
２（τ）＝ω２［１＋ε１ｓｉｎ２π（v１τ＋γ）］，αＺは、無次元ベクトルポテン
シャルのｚ−成分；τは無次元の時間；ｒは以下、無次元座標である。
【００７７】
問題（１２）の解は、無次元基準周波数＝１のＲＭＦと変調ＲＭＦとの重畳の形態で得られる：
【００７８】
【数１７】
2010089162.tif 000019
（１３）を（１２）に代入すると、以下が得られる：
【００７９】
【数１８】
2010089162.tif 000020
問題（１４）、（１５）は正確な解を有する：
【００８０】
【数１９】
2010089162.tif 000021
ただし、χ＝ｉ√ｉω，Ｊｐ（χτ）は第１種、複合領域のベッセル関数である。
【００８１】
αｚ１を以下の形式で書くと好都合である：
αｚ１＝（α１１＋ｉα１２）（ｃｏｓ２πφ１＋ｉｓｉｎ２πφ１）  （１８）
ただし、φ１＝τ−ｐψ，αｉｋ＝αｉｋ（ｒ）。
【００８２】
問題（１４）（１６）は半解析解、αｚ２は、以下の形式で書くことができる：
αｚ２＝（α２１＋ｉα２２）（ｃｏｓ２πφ２＋ｉｓｉｎ２πφ２）  （１９）
ただし
【００８３】
【数２０】
2010089162.tif 000022
Ｉｍは複合関数の虚数部である。
【００８４】
明らかに
【００８５】
【数２１】
2010089162.tif 000023
ただし
【００８６】
【数２２】
2010089162.tif 000024
ＥＭＢＦの方位角成分は、以下のとおりである：
【００８７】
【数２３】
2010089162.tif 000025
ただし
【００８８】
【数２４】
2010089162.tif 000026
ＥＭＢＦの半径方向成分は、以下のとおりである：
【００８９】
【数２５】
2010089162.tif 000027
方程式（２１）および（２２）の最初の４項は、非変調ＲＭＦの強制的な影響を記述する。ε２２に比例する項は、ＲＭＦの変調部分の強制的な影響を記述し、ε２に比例する項は、ＲＭＦの変調部分と非変調部分との間の相互作用の結果として生じるＥＭＢＦの振動および波を記述する。明らかに、振幅および周波数変調は、１桁を超えて静止ＥＭＢＦ成分を増加させ、媒体の平均回転速度を増加させ、４つのＥＭＢＦ波、周波数が異なる２つの振動、および方位角方向および半径方向に作用する初期位相を追加し、媒体混合をさらに強化する。
【００９０】
上記の分析は、導電性シリンダ（固体または液体）の側面付近における電流および磁界の減衰現象、いわゆる表皮効果が、振幅および周波数変調電流により生成されるＥＭＢＦの大きさおよび空間的分布に影響することを完全に考慮している。特定領域の電磁パラメーター、寸法および媒体の導電性の最適な比率を選択することが可能である。
【００９１】
提案されている方法の効率に関する概算は、以下の単純な公式により記述できるＲＭＦにより励起される乱流回転流の擬似固体コアの角速度を計算する方法論に基づく：
【００９２】
【数２６】
2010089162.tif 000028
ただし、Ｑ＝Ｈａａ２・δｚ／Ｒｅω・Ｃ０；Ｈａａ＝Ｂａ・Ｒ０√σ／ηは、ハートマン数の有効値；Ｒｅω＝ωＲ０２／υはレイノルズ数であり、溶融物を含む容器の壁部上におけるＲＭＦの回転速度により決定される；δｚ＝Ｚ０／Ｒ０；Ｃ０はＲＭＦ変調の効果を考慮に入れた経験的定数（非変調ＲＭＦＣ０＝０．０１６４の場合であり、変調ＲＭＦの場合は比較的高い）；Ｂａは容器内の磁気誘導の平均作用値；Ｒ０は容器壁部の内径；ηは溶融物の動的粘度；υは運動粘度；およびＺ０は液体相コラムの高さである。
【００９３】
回転流Ｅｋｉｎ＝ＪΩ２／２；Ｊは慣性の回転流体モーメント；および油圧効率は、回転運動を駆動および維持するために消費される電気エネルギーに対する運動の比率として決定される：
ηｈｙｄｒ≒Ｅｋｉｎ／Ｅｅｌ
変調ＲＭＦの場合の電気エネルギー消費量は、非変調ＲＭＦの場合に比べて多少多い。
【００９４】
変調ｍ位相系の螺旋電流は、導電性媒体における螺旋に沿って移動する（つまり、軸方向移動時に回転する）磁界を生成し、同方向に移動する電流のミラーシステムを誘導する。誘導電流と磁界との相互作用により、移動する磁界の方向および垂直方向の両方に作用するＥＭＢＦを生じ、磁界は、静止成分および非静止成分を含む。
【００９５】
静止ＥＭＢＦ成分の作用下では、一般に、導電性流体の螺旋流が生じ（特に、回転および軸方向流）、こうしら螺旋流は、原則として乱流構造を有する。非静止成分の作用下では、様々な周波数および方向の波および振動が媒体中で励起され、流れの構造を大きく乱流化する。こうした成分の乱流のエネルギーは、平均流量エネルギーではなく、流れに作用する非静止力により達成される仕事から導かれる。その結果、液体の攪拌深さは大幅に増加し、温度および不純物の濃度の迅速な均質化につながる。
【００９６】
ｋｍ電極を使用して励起される周波数および振幅変調電流の密度磁界を使用する場合（ただし、ｍは位相の数、ｋは位相当たりの電極の数）、追加のＥＭＢＦ磁界成分が出現し、これは、電流の密度磁界と磁界との相互作用により生じ、強制的な影響をさらに強化し、イオン導電性を有する媒体（たとえば、電解質、塩およびスラグ溶融物など）に前記方法を応用する範囲が拡張される。
【００９７】
図１８〜図２０は、本発明の方法により変更される螺旋状、回転および軸方向移動磁界をそれぞれ励起する最も単純な電流システムの空間的構成を表す。
【００９８】
図２１は、それぞれ変調および非変調ＲＭＦにより、オンタイムに励起される無次元ＥＭＢＦの依存性を示す。明らかに、パラメーターの指示値では、変調ＲＭＦにより励起されるピークＥＭＢＦ値は、非変調ＲＭＦの場合に比べて約１０倍高い。
【００９９】
以下のパラグラフは、冶金、および本明細書に開示する関連科学に関する超波動の基本的示唆について再度述べる。
【０１００】
超波動の技術  −  励起ＭＨＤは、独自に変調された電流の応用であり、回転磁界を生成する時の励起電流が、攪拌される液体中の乱流を増加し、その結果、液体の融解および混合速度を増加し、鋳造金属の特性を改善する。
【０１０１】
上記のとおり、超波動は、振幅、周波数および／または位相が変調された搬送波であると考えられる。振動変調は、時間を含む振動パラメーターの周期的な規則による変化である。ベース変調波（または振動）は搬送波と呼ばれ、その周波数は搬送周波数と呼ばれる。
【０１０２】
数学的には、超波動は、液体の流れの中で混合することが特に重要であることが分かる。冶金学的プロセスに応用すると、非常に小規模な乱流変動強度の増加は、溶融物の熱および化学的均質化に関連してきわめて重要である。
【０１０３】
回転磁界における液体金属の回転は、実際上、常にある程度乱流である。液体溶融物の弱い回転でも、渦巻状変動が形成されるため、液体溶融物の特性を改善する。しかし、単純な回転は（流動コア内の一定の角速度において）、最初の近似の結果として、従来のコロモゴロワ（Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ）の乱流を生じる（図２２参照）。この場合、乱流エネルギーは、乱流渦の寸法、Ｅ＝ε２／３ｒ２／３によって決まるか、または周波数領域、Ｅ（ω）〜ω−５／３によって決まり、ただしεは、単位質量当たりのスペクトル上のエネルギー束、ωは周波数、Ｅ（ω）は空間エネルギー密度である。
【０１０４】
単純な回転の場合、
Ｅ（ω）〜Ｅ０（ω０）（ω０／ω）５／３              （２８）
ただし、Ｅ０（ω０）は、システム中に射出されるエネルギーであり、特性スケール値Ｌ０に相当する。したがって、この場合、熱および化学的均質化に要する渦を得るため、スケールＬ０においてシステムにエネルギーを導入しなければならず、エネルギーがスペクトル上をカスケードした後、周波数ωにおいて以下の渦度が得られる：Ｅ（ω）〜Ｅ０（ω）（ω０／ω）５／３。Δω＝ω／ω０が十分に高い場合、個々の渦度は小さい。
【０１０５】
平均回転と密接に関連して、ω０を超える周波数ωにおける外力の変動がシステム内に生じる場合、この周波数における渦度の数の増加が予測される。この状況は、カルマン渦列の出現に類似し、主渦の周波数倍数がスペクトル内に生じる。この場合、指定周波数ωにおいて生じる渦度は、以下のように概算することができる。Ｅ０〜α１（Ｆ０／ω０）２は、周波数ω０の渦に対する変動を含まない平均流量により供給される乱流エネルギーであると仮定する。変動が、周波数ωを含む外力によりシステム内で生じる場合、それぞれのエネルギー寄与は以下のとおりである：
Ｅ’（ω）〜α２［Ｆ（ω）／（ω）］２                    （２９）
したがって、周波数ωでは、相対渦度の大きさは以下のとおりである：
Ｅ’（ω）／Ｅ（ω）〜（α２／α１）（Ｆ／Ｆ０）２（ω０／ω）１／３        （３０）
パラメーターα１およびα２は、外力作用に対する媒体の反応を特徴付ける。力ＦおよびＦ０が同じ性質である場合、α１およびα２は大きく異なるべきではなく、これらの比率は１に近い（図２２）。この大きさは、実験的により正確に決定することが可能である。
【０１０６】
超波動を使用して電流を変調する場合、この周波数および振幅変調電流により励起される電磁力の計算は、追加の乱流力が液体中で生成されることを示している（たとえば、図２３参照）。振幅ω０〜５０ヘルツで変動する平均力Ｆ０のほかに、振幅Ｆ〜７÷８および周波数ω〜２．３÷２．５ω０のパルス化された影響が生じる。
［０１２１］  （３０）によると、こうしたシステムでは、周波数ωの乱流変動は、以下に従って増加することが分かる：
Ｅ’（ω）／Ｅ（ω）〜（α２／α１）（７÷８）２（２．３÷２．５）−１／３〜（３６÷４８）（α２／α１）                        （３１）
したがって、溶融金属上の変調外力の影響により、非変調力の影響より強力な均質化が生じる。したがって、乱流媒体を均質化するには、図２２のように誘導子出力（およびＲｅ）を増加することにより、平均回転速度を増加させ、図２３のように比較的低い回転速度でＳｕｐｅｒＷａｖｅｓ（著作権）を使用して乱流力を増加させるか、または両方の影響を使用する。
【０１０７】
実験的に、ＳｕｐｅｒＷａｖｅｓは、液体溶融物に添加される固体の融解速度を増加し、ＲＭＦ内で凝固する金属の密度を増加し、上記の数学に従って予測どおりに挙動する。
【０１０８】
図２４は、ＲＭＦのＳｕｐｅｒＷａｖｅｓ（著作権）励起に関連する乱流に関する最初の実験結果である。平均角速度対磁界の角速度の比率、Ω／ωは、Ｈａ２（電磁力対粘度力との間の比率を表す）を含むプロセス条件の集合を現すパラメーター、Ｑに対して示される。Ｑも、攪拌ユニットのコイル内で二乗された電流に比例する。コイル上の電流が増加すると（Ｈａを増加）、角速度が増加する。実線は、角速度とパラメーターＱとの間の普遍的な理論的関係である。比較的上のデータ点は、非変調ＲＭＦの場合であり、（比較的下の）点はＳｕｐｅｒＷａｖｅｓ変調ＲＭＦである。
【０１０９】
図２４に示す上記の普遍的曲線により、電流振幅および周波数の任意の組合せで、必要な速度体系（所定のレイノルズ数）を選択することが可能である。
【０１１０】
ＳｕｐｅｒＷａｖｅｓにより生じた増加乱流は、攪拌速度の前進抵抗状に作用し、攪拌速度の平均値を減少させる。図２５のデータに見られる速度の差は、攪拌時にＳｕｐｅｒＷａｖｅｓにより生じる増加乱流から生じる追加の前進抵抗力と一致する。したがって、ＳｕｐｅｒＷａｖｅｓは、望ましくない高価な比較的高度の攪拌速度に関する諸経費を必要とせずに、混合速度を増加させる能力を有する。
【０１１１】
ＳｕｐｅｒＷａｖｅｓによる変調ＲＭＦの効果は、溶融アルミニウム合金に関して実験的に調査した。
【０１１２】
融解速度の実験結果を図２５に示す。この結果は、攪拌速度に関係なく増加する。明らかに、ＳｕｐｅｒＷａｖｅｓの使用は、その他の条件が等しければ、融解速度を約２２％増加させる。したがって、融解実験は、乱流を生成し、乱流を効果的に利用して、冶金学的プロセスにおける混合速度を増加させるＳｕｐｅｒＷａｖｅｓの能力の本質的な検証である。
【０１１３】
アルミニウム合金２０１は、融解実験に類似する攪拌条件下で凝固した。相違は、溶融物が、ＲＭＦの作用下で完全に凝固することが可能だったことである。凝固インゴットの実験により、ＳｕｐｅｒＷａｖｅｓ励起ＲＭＦは、非変調ＲＭＦを使用して凝固したインゴットに比べて、著しく緻密なインゴットを製造することが明らかになった。こうした密度の増加は、鋳造金属の１立方センチメートル当たり５７億個の微小孔を除去することに相当する。これは、ＳｕｐｅｒＷａｖｅｓに関して数学的に予測される乱流混合作用が生じ、金属処理に有益であったことを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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