定向凝固法广泛应用于晶体生长和材料冶炼过程。例如,光伏行业大规模需求的硅晶体

、半导体行业常用的晶体材料

、钢铁行业急需的高品质钢材

、航空发动机的镍基高温合金部件材料

等均可通过定向凝固法获得。从工程热物理专业角度来看,定向凝固是一个包含固体导热、熔体/气体对流、高温辐射、固液相变等多种传热流动现象强烈耦合的复杂过程

。定向凝固过程中熔体的流动直接影响温度分布、凝固界面形状、杂质输运、甚至缺陷的形成

。因此,有必要对该过程中熔体的流动特性开展深入研究并实行有效控制。热场设计是改善定向凝固过程中温度与热浮力分布,进而影响熔体流动的传统方式

。然而,单一的热场设计作用有限,无法实现对熔体流动的主动与精确控制,这就需要寻找新的调控方法。

定向凝固法生长晶体或冶炼材料过程中,熔体大多具有导电性,这意味着可以采用外加磁场并通过感应生成的洛伦兹力主动控制导电熔体的流动。常用的外加磁场有静态磁场和动态磁场

,这些磁场由特制的装置产生,已被证明能够有效控制熔体流动并影响定向凝固过程

。除了外加磁场,还有一类磁场是固有存在的并且对熔体流动具有潜在影响,这就是加热器生成的固有磁场,即在加热器中接入交变电流提供加热功率的同时,基于电磁感应在导电熔体中生成磁场和洛伦兹力,进而影响熔体流动。这类磁场通常不是专门设计的,但是却是固有存在的,如果能够对其进行特别设计并有效应用,将克服传统外加磁场装置庞大、制作复杂与运行成本高昂等缺点。……