10電磁懸浮熔煉

材料電磁加工技術

ElectromagneticProcessingofMaterials--EPM房燦峰fcf@847061141第十講電磁懸浮熔煉ElectromagneticLevitationandMelting2懸浮技術是一種無容器材料處理加工技術，即在加工、處理材料時，用某種手段使材料與容器壁不接觸。定義： 如果一個物體相對于地球是穩(wěn)定或隨機穩(wěn)定的，而且該物體和它周圍物體的接觸不是實質(zhì)性的，則稱該物體被懸浮。－－－波爾狄克懸浮技術主要包括電磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、靜電懸浮、粒子束懸浮等。懸浮技術3電磁懸浮當一個金屬樣品放置在一個通有高頻電流的線圈上時，隨時間變化的電磁場會在金屬材料表面產(chǎn)生一高頻渦流，這一高頻電流與外磁場相互作用，導致金屬制品產(chǎn)生一個洛侖茲力。在合適的空間配置下，該電磁力的方向與重力相反；同時，調(diào)整高頻電源的功率就可使電磁力與重力相等，實現(xiàn)電磁懸浮。 嚴格地說，電磁懸浮是在沒有接觸性的約束條件下，包括電磁場在內(nèi)的兩個或更多個場力的作用，而使物體在空間處于穩(wěn)定或似穩(wěn)定的一種狀態(tài)。4電磁懸浮技術的發(fā)展1923,Much首次提出用高頻磁場懸浮金屬的概念;1952,Okress(WestinghouseResearchLaboratory)首次實現(xiàn)懸浮實驗;1950年代末，Comenetz利用450kHz、10kW的高頻電源成功懸浮起幾十種10g左右的金屬球；1963，Brisley和Thornton分析計算同軸線圈懸浮固體金屬球；1966，Piggot和Nix通過理論計算和實驗對比發(fā)現(xiàn)懸浮力隨頻率增大，且加熱速率隨頻率增大；1975，Szekely等計算置于線圈中坩堝內(nèi)有湍流情況下懸浮金屬球的運動；1986，Marshall空間飛行中心，Ni-Ge合金的制備、固化；1991，NASA，EML爐，真空爐，固化實驗；1994，TEMPUS（德國），NASA，金屬樣品的熱物理性質(zhì)，金屬熔煉、冷卻、晶體固化、成核。5?ColdCrucibleMelting.?ElectromagneticSealsandValves.ElectromagneticLevitationApplications6電磁感應加熱技術是在鑄造中應用最早最廣的一項電磁技術,它包括真空或非真空,工頻、中頻、高頻感應熔化技術等。主要是利用電磁感應的熱效應熔化金屬,利用力效應在合金熔體內(nèi)產(chǎn)生強烈對流使成分和溫度均勻。電磁感應加熱技術Classicmeltingbydirectinduction7ProblemsbyusingclassiccruciblesThecruciblescanpollutematerials,suchassilicon,forwhichahighdegreeofpuritymustbemaintained;Thecruciblescanreactviolentlywiththemoltenmaterialbecauseofitschemicalaffinity,asinthecaseoftitaniumorzirconium;Thecruciblescanmeltthemselves,simultaneouslyorbeforethemeltingofthematerialthattheymustcontaininliquidstate.Thisisthecaseformakingofmaterialswithveryhighmeltingpoint,suchasoxides,glass,ceramics,orpurematerialssuchastungsten.Howtosolvetheseproblems?8Meltingwithoutrefractory

-------usingawater-cooledinductor-containerColdcrucible,withaskullCrucible-lesscoilorlevitationcoil9Schematicsketchofcoldcruciblewithskull10冷坩堝熔煉(ColdCrucibleInductionMelting-CCIM)CCIM就是在水冷銅坩堝與金屬熔體之間存在一層由金屬熔體因坩堝冷卻而形成的固體殼層,金屬就在這殼層內(nèi)熔煉,此時坩堝內(nèi)襯相當于用所熔金屬制成,因此又稱凝殼熔煉,坩堝內(nèi)表面與金屬熔體不直接接觸,避免了坩堝對熔體的污染。根據(jù)金屬熔化時熱量來源不同,CCIM爐型分自耗電極電弧爐、非自耗電極電弧爐、電子束爐,等離子弧爐以及感應熔煉爐等。11CCIM的發(fā)展歷史1923年，德國專利中就有過采用冷坩堝感應熔煉(CCIM,ColdCrucibleInductionMelting)高熔點、高活性金屬的闡述；1957年，美國BMI研究所的Schippereit提出專利,提出了用4塊弧形片組合成的銅坩堝,塊間以陶瓷絕緣

,奠定了現(xiàn)代冷坩堝的雛形；1970年后,美國礦山局(USBM)的Clites等人發(fā)展了采用CaF2作絕緣層的感應渣熔煉工藝,成功地用于Ti、Zr等活性金屬熔煉。通過控制坩堝和感應器的參數(shù),可完全取消隔絕渣CaF2,金屬熔體和坩堝瓣間不會起弧,無渣CCIM取得了成功；隨后USBM先后試驗了由15根和24根銅管組合成的坩堝,隨著組合塊數(shù)的增多,熔煉效率提高；1989年美國Consarc公司采用50根矩形銅管組合成了直徑107mm的水冷銅坩堝,使用表明,電流損耗很小,熔煉效率比真空電弧熔煉爐提高115倍；目前美國已建成CCIM爐容量達200kg的中間實驗設備；

俄羅斯冷坩堝最大直徑達1m,用于澆注鑄件和鑄錠。12感應殼式熔煉：物料不與坩堝壁接觸，僅與坩堝底部接觸，形成了一個凝殼。實現(xiàn)這一技術的條件是采用較高的感應頻率和較大的功率，坩堝采用合理的尺寸和足夠的切縫。對分瓣式水冷坩堝而言，當切縫和外感應電流頻率增加時，磁場對物料作用更加均勻，表面集膚效應增加，電磁力增加。如圖在每分瓣區(qū)域的四周邊將產(chǎn)生感應電流，它們在整個水冷坩堝內(nèi)側(cè)形成集膚電流群，從而和物料表面的感應渦流相互作用，對物料產(chǎn)生了推斥力，避免了物料和坩堝的直接接觸。感應殼熔煉坩堝底部不分瓣，為一個整體結(jié)構(gòu)，因此不對爐料產(chǎn)生推斥力，熔化時與坩堝底部接觸，形成了較厚的凝殼，一方面?zhèn)鲗p失了大量的熱量，另一方面凝殼往往超過總?cè)莘e的三分之一。因此用于小批量多品種合金生產(chǎn)和實驗研究時不理想。冷坩堝熔煉13MetallicmatrixcompositefibercoatingLevitationoftitaniumincoldcrucible14電磁懸浮熔煉ELM－ElectromagneticLevitationMelting

利用電磁線圈產(chǎn)生交變電磁場,交變電磁場在線圈內(nèi)的金屬中感生電流,感應電流加熱熔化金屬,同時依靠電磁場和感應電流之間相互作用形成的電磁力把金屬熔體懸浮起來,完全消除熔體與其他固體壁接觸而帶來的坩堝污染。

ELM由于是無污染熔煉,在物理化學研究和超純材料研制中有獨到之處;但正因為是無坩堝熔煉,熔煉物料重量受到限制,一般僅幾十克,特別是含密度較大的活性金屬元素與難熔金屬元素時,實現(xiàn)均勻熔煉更難。電磁懸浮熔煉原理15電磁懸浮熔煉的特點爐料與坩堝無接觸或部分接觸，可以獲得較高純度、無夾雜的金屬錠；可以對物料進行充分的過熱，有利于難熔金屬的澆注；電磁力引起的強烈攪拌保證了化學成分的均勻；熔煉過程中可進行合金添料，保證了化學成分的比例；熔化速度快，操作方便；熔煉試樣可以是任意形狀，不必壓制電極；可以在任何保護氣體和真空中工作。16線圈式熔煉設備的優(yōu)點金屬在冶煉和排放過程中不接觸坩堝；由于位于適當?shù)臍怏w或真空中，熔化的試樣可得到保護；易揮發(fā)的雜質(zhì)能被蒸餾或抽出；熔化的金屬能被逐漸排除，作為一個整體滴出或在懸浮中凝固；通過電磁作用，熔化物能被徹底的混合；可以由金屬粉和合金元素混合燒結(jié)成制品；當熔化物被懸浮時，可以添加合金劑；懸浮線圈制備簡單經(jīng)濟，可以大大減少整機的投資，非常適用于大學及科研機構(gòu)實驗室前期工作的實際情況。17完全懸浮冷坩堝熔煉技術完全懸浮冷坩堝熔煉技術：即爐料在冷坩堝中處于懸浮狀態(tài)進行熔煉，從而消除了凝殼，在熔煉過程中避免了與坩堝的接觸（如圖）。杜絕了坩堝對物料的污染和因為坩堝與物料接觸造成的熱能損失。因此可以得到成分均勻、過熱度高的熔融液體。18傾轉(zhuǎn)式冷坩堝懸浮熔煉設備--北京鋼鐵研究總院完全懸浮冷坩堝熔煉技術19漏鑄式懸浮熔煉設備--日本，安藤建治、巖井一彥等以上幾種設備在澆注過程中，不能避免物料與坩堝的接觸，因此上述懸浮熔煉技術嚴格上說不是真正意義上的無接觸熔煉。完全懸浮冷坩堝熔煉技術20

熔煉過程中熔體的溫度

懸浮熔煉技術的冷坩堝

熔煉和鑄造過程中熔體的形態(tài)實例21實例帶有感應圈和冷卻管路的冷坩堝22不同結(jié)構(gòu)的冷坩堝和坩堝底實例無坩堝懸浮熔煉23CrazyPCHoverMouse是全球首款100%無摩擦鼠標。通過采用Cr