2 电磁搅拌1

上海光源
上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源，它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation facility，简称SSRF。它是我国迄今为止最大的大科学装置 和大科学平台，占地面积约20万平方米，总投资14.344亿元。光源能量位居世界 第四，是世界上性能最好的中能光源之一。“上海光源”具有建设60条以上光束 线和上百个实验站的能力，在科学界和工业界有着广泛的应用价值，每天能容纳 数百名来自全国或全世界不同学科、不同领域的科学家和工程师在这里进行基础 研究和技术开发。
电磁场控制凝固过程的研究1
直流电磁场对通电液态金属的作用模型
利用稳恒磁场对通电液态金属的电磁力作用，可以产生电 磁搅拌，从而细化晶粒，改善凝固组织和性能，通过磁极 的不同布置，可以获得不同的稳流搅拌。
电磁场控制凝固过程的研究2
交流磁场
（1）电磁搅拌：利用交变磁场产生的电磁力在铸锭的液相 区或固液两相区引起金属熔体强迫对流，从而达到控制 凝固组织的目的。这种电磁搅拌形式被广泛应用于连铸 中，用来改善铸坯组织和消除宏观偏析。按搅拌的形式 不同，可分为旋转搅拌和线性搅拌；电磁搅拌器位置不 同可分为结晶器搅拌、二冷区搅拌和凝固末端搅拌。 （2）电磁悬浮：利用交流磁场对熔滴产生的电磁压力，使 熔滴在悬浮状态下凝固。电磁悬浮技术可以用来模拟空 间微重力凝固环境，从而可以克服因重力导致的一些晶 体不完整性，如应力场、位错、空洞、晶界、生长条纹 及宏观偏析等。 （3）电磁连铸：在高频电磁场的作用下，与结晶器相结合 实现软接触凝固，提高连铸坯表面质量。
搅拌
a.机械搅拌；b.吹氩搅拌
搅拌
c.吸吐搅拌；d.电磁搅拌
电磁搅拌
电磁搅拌（Electromagnetic Stirring-EMS）， 是一种对金属凝固进行控制的有效手段， 它的工作原理是基于电磁感应和载流金属 液与磁场的相互作用产生电磁力这两个基 本定律，利用电磁力来强化液相穴中金属 液运动，从而影响金属液凝固过程中的流 动、传热和迁移过程，减少树枝晶，增加 等轴晶率，减小成分偏析，达到改善铸坯 质量的目的。
电磁搅拌扩大等轴晶区示意图
电磁搅拌原理
电磁搅拌引起的熔体强 烈流动可以打断或弯曲枝 初生枝晶 枝晶臂碎片 晶臂，部分枝晶碎片将作 为金属液凝固时的额外晶 枝晶重熔 核，另一部分富溶质枝晶 碎片将被液流带到远离枝 晶的液穴中重熔，更多形 核基底的出现和枝晶碎片 电磁力引起的紊流流动 重熔带来的温度均匀化将 促进更多等轴晶的形成， 新形核基底 从而实现提高铸坯等轴晶 率、减少中心偏析、中心 疏松和缩孔、改善铸坯凝 凝固前沿电磁搅拌细化晶粒示意图 固组织的目的。
电磁场控制凝固过程的研究2
电磁搅拌可通过流动金 属液对树枝晶前端的动 力折断及熔蚀作用造成 大量枝晶碎片供作晶核 ，同时强力流动可大大 加速液心的传热而使过 热度迅速消失、两相区 迅速扩大；强力流动还 可加速传质，使凝固前 沿扩散边界层减薄而浓 度梯度增大，两相区成 分过冷增加，有利于等 轴晶的发展。
同步辐射X射线成像技术
同步辐射光源出射口 热炉室（内有样品） 冷炉室
热炉室
成像样品
精密步进电机
同步辐射X射线
牵引杆
冷炉室
硅晶体
工作台 同步辐射衍射增强成像装置及凝固装置
精密步进电机 精密Bridgman定向凝固装置示意简图
同步辐射X射线成像技术
Sn－Pb枝晶生长
同步辐射X射线成像技术
Sn－Pb枝晶碎断
液态金属旋转运动的特点及运动规律
电磁搅拌液态金属运动速度分 布示意图 机械搅拌液态金属运动速度分 布示意图
搅拌速度，rad/min
离液态金属中心的距离，x/mm
搅拌速度，rad/min 离液态金属中心的距离，x/mm
液态金属旋转运动的特点及运动规律
在电磁力作用下，在铸坯内部从中心开始液态金属受 到的电磁力由零开始迅速增加，在凝固界面前液态金属 的运动速度达到最大值；
2013-9-1 11:04:15 allanceyang 看来电影《环太平洋》有望成为现实！ 2013-8-31 16:06:52 liuximing 真的？神话或迷信里的附体现象快 实现了吧！也许很快会彻底解密了！ 2013-8-31 14:34:25 yandao2879 挺有意思的。期待不用通过电极刺激而实现的脑控制。 2013-8-31 10:54:02 qyhu 人类恐怕已走火入魔，加速自己的灭亡。 2013-8-30 19:26:37 hkcpvli 把人脑视为电脑来研究，可能不会成功，二者有本质上的差异。
凝固过程控制的基本途径
非 晶 及 其 成 形 加 工
凝固过程控制的基本途径
只为了宝贵的20秒:法国用A300客机开展失重模拟实验
搅拌
搅拌是在间歇操作条件下加速冶金反应,促 进金属熔体成分和温度均匀化的重要手段。 在一定的条件下，搅拌还有利于排除金属熔 体中气体和夹杂物，对提高金属熔体的品质 有重要作用。 用于冶金过程的搅拌方法大体可分为：机械 搅拌，吹氩搅拌，吸吐搅拌和电磁搅拌。
液态金属旋转运动的特点及运动规律
N
gy 2l
N-the revolution in rps; g-the acceleration of gravity; y-the depth of meniscus; l-the radius of the crucible
电磁场控制凝固过程的研究1
直流磁场
电磁搅拌的发展历史
1917年，有人提出利用电磁场搅拌液态金属来改善 铸件质量的设想。 1922年，美国人J. Kenel设计世界上第一台电磁搅 拌器。 1952年，电磁搅拌装置开始在连铸机上实验。 1966年，Poppmeier等人在奥地利的Bohler钢厂进行 了连铸结晶器内电磁搅拌实验。 1973年，工业生产用电磁搅拌器在法国SAFE钢厂 诞生。 1970’s年代末，日本在连铸机上大量使用EMS。 1980’s 年代，德国等发达国家相继使用EMS。 1990’s年代，电磁搅拌技术成为世界各国提高连铸 坯质量的重要手段。
机械搅拌引起铸坯内部液态金属的旋转运动是由安放 在液态金属中心的搅拌棒高速旋转带动引起的。搅拌棒 附近的液态金属速度最高，逐渐衰减，凝固前沿的轴向 速度变得较小;
运动对液态金属的凝固过程的影响主要体现在对凝固 界面前沿的冲刷，这种冲刷作用影响了液态金属凝固百度文库 程的传热、传质及最终的凝固组织。电磁搅拌所引起的 界面前沿的运动速度分布特点，特别是它的速度在凝固 界面前是最大值，对冲刷作用而言是最为有利的状态。
人类脑对脑接口实验首获成功 脑信号可遥控同伴
拉奥看着计算机屏幕，不动手而在心里 玩一个简单的视频游戏。当他要向目标 发射炮弹时，他想象着自己移动了右手， 让光标点“开火”按钮。斯托克戴着除 噪音耳塞，看不到计算机屏幕，几乎是 立刻地、无意识地用右手食指按了键盘 上的空格键，好像是在“开火”。 有人可能会担忧这项技术的安全运用， 但拉奥说，这一技术只能读取特定的简 单脑信号，并不能读取人类思想，也不 能使任何人违背你的意志来控制你的行 动。“这次只是基本的单向信息流，下 一步将在两个大脑之间，直接进行更加 对等的双向交流。”拉奥说。
材料电磁加工技术
Electromagnetic Processing of Materials--EPM
房灿峰
fcf@dlut.edu.cn 84706114
新型凝胶可滤出纯净水
【美国《大众科学》月刊网站8月22日报道】 紧急情况下，清洁的饮用水可能难以找到。洪水、 地震和飓风可能让通常的水源不再安全。 2004年发生的印度洋海啸使很多人用不上清洁的 水。在这之后，新加坡南洋理工大学和博尔德科 罗拉多大学的研究人员决定研制一种净水系统， 无需电源就可迅速灭菌。他们设计出一种海绵式 的灭菌聚合物凝胶，可以吸收水分，挤压时释放 出净水。 这可能成为一种确保人们用上净水的极其迅捷方 便的方式。把污染的水煮开可以去除像贾第虫一 类的可怕寄生虫。但是，自然灾害过后，不是每 个人都有条件把需要的水烧开，也不是每个人都 愿意从自己的汗液中挤出饮用水。 一块4克重的圆柱形凝胶每挤一次可净化半升水，可重复使用超过20次而不会失去灭菌 能力。这种材料的发明者之一胡晓（音）估计，一块可置于衣兜内的凝胶的制造成本约 为50美分，可在自然灾害发生后由紧急援助人员从直升机上投放。研究人员计划于不久 的将来在缅甸实地试验他们的发明。
气凝胶
人类脑对脑接口实验首获成功 脑信号可遥控同伴
据物理学家组织网8月28日（北京时间）报道，最近，美国华盛顿大学科学家首次 进行了一项人类之间非侵入式脑对脑接口实验，一个研究员能通过互联网发送脑信 号，控制远在校园另一边的同伴的手部运动。 该实验由华盛顿大学计算机科学与工程教授拉加什· 拉奥和学习与脑科学研究所心 理学副教授安德烈· 斯托克等人在8月12日进行，整个过程均有视频记录，并遵守一 套严格的国际人类试验准则。 实验通过脑电记录EEG和一种磁刺激技术TMC在两端记录和发出脑信号，用 Skype设备（一种网络语音沟通工具）将两个实验室仪器连接起来，而拉奥和斯托 克都看不到Skype屏幕。拉奥坐在他的实验室里，戴一顶连满了电极的帽子，电极 与脑电图仪相连；斯托克坐在校园另一边的实验室里，戴一顶游泳帽，上面标记着 磁刺激位点——左运动皮层部，这里控制着他右手的运动。
第二讲
电磁搅拌(1)
Electromagnetic Stirring-Part I
凝固过程控制的基本途径
控制冷却速度：如快速凝固、近快速凝固等。 孕育和变质处理：通过加入能够促进形核（孕 育）和控制长大（变质）的添加剂来达到控制 凝固组织的目的。 强化对流：利用机械搅拌、 电磁搅拌 、各种振 动等手段促进枝晶折断和重熔来达到细化晶粒 的目的。 特殊外场的作用：在凝固过程中给予特殊的外 场，如压力场、微重力场、超微重力场、离心 力场、电场、磁场等，通过外场对液态金属的 控制得到预定的凝固组织。
（1）电磁制动: 利用导电金属熔体在直流磁场中运动时， 在其内部将产生感应电流，从而引起电磁力作用于金 属熔体的原理，来达到抑制金属熔体的目的。电磁制 动应用于连铸中，可以提高铸坯表面、皮下及内部质 量，并为提高铸速或生产率提供可能。 （2）电磁搅拌: 利用直流磁场与电流或运动的金属相互 作用产生一定方向的电磁力，引起液态金属流动或振 动，从而影响金属的凝固过程。可以改善金属组织和 提高材料性能。 （3）电磁输送、电磁封闭、电磁净化。
电磁搅拌器的基本组成
电源
低电压高电流的供电器； 电源频率多为50Hz以下的低频。
搅拌器本体
铁芯、线圈、水冷系统等。
控制系统
在工作过程中能可靠地、稳定地实现自动控制、改变 搅拌电流强度、供电频率和搅拌方式等。
电磁搅拌器的主要形式
（1）按电磁搅拌原理或供电方式划分
感应式电磁搅拌器 搅拌器本体铁芯上的线圈通入交流电，使搅拌器本体工作表 面产生运动的磁场，如线性磁场和旋转磁场等。这种运动的 磁场在液态金属内产生感生电流，从而使液态金属变成载流 导体，该电流与外加运动磁场作用产生电磁力，该电磁力驱 使液态金属运动。 传导式电磁搅拌器 在被搅拌的液态金属外部设置一对稳恒磁场（N-S），让磁力 线穿过被搅拌的液态金属。同时在液态金属中安放一对电极， 通过这对电极向液态金属中通入直流电，直流电的方向与磁 力线方向正交，因此载有直流电的液态金属与稳恒磁场作用 产生电磁力，该力起到对液态金属的搅拌作用。 永磁式电磁搅拌器 用永磁块N-S组装成一个周向的N-S磁极组，该磁极组靠机械 系统使其旋转运动，这时N-S磁极组就完全相当于一个旋转磁 场，从而使处于其中的液态金属产生感应电流，成为载流导 体的液态金属与旋转运动的磁极组作用产生电磁力，使液态 金属旋转运动。
3位华人学者当选英国皇家工程院院士
中国驻英国大使馆科技处8月31日晚举行招待会，向3位新当选英国 皇家工程院院士的华人学者表示祝贺。 英国皇家工程院院士名单今年增添了3位华人学者，他们是：曼彻斯 特大学激光加工研究中心主任李林教授、伦敦帝国理工学院材料力学 领域负责人林建国教授和牛津大学组织工程与生物工艺中心主任崔占 峰教授。 牛津大学教授、大连理工大学长江学者讲座教授在生物反应器的研发 方面处于世界领先地位，并在生物分离、生物加工方向的膜过滤过程 技术领域同样享有国际盛名； 李林本科毕业于大连理工大学电子系自动控制专业，现任英国曼彻斯 特大学机械、航天与土木工程学院教授。