真空感應磁懸浮熔煉爐簡介
2020-03-31 來源：Goal Science
真空感應電磁懸浮熔煉（Vacuum Induction Electromagnetic Levitation Melting）技術是指在真空熔煉過程中利用電磁場使熔池呈懸浮狀態(tài)的技術。利用電磁線圈產生交變電磁場，交變電磁場在線圈內的金屬中感生電流，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。
1.電磁懸浮熔煉分類
電磁懸浮熔煉分為：
（1）全懸浮感應熔煉技術
（2）冷坩鍋感應熔煉技術
1.1全懸浮感應熔煉技術
無坩堝全懸浮熔煉，在熔煉過程中被熔材料處于完全懸浮狀態(tài)，最大熔煉量較小，一般不超過一百克。
1.2冷坩鍋感應熔煉技術
1.2.1冷坩鍋感應熔煉技術分類
（1）冷坩堝全懸浮熔煉
最大熔煉量約幾公斤，熔池與坩堝底幾乎完全不接觸。
（2）冷坩堝無凝殼熔煉
最大熔煉量約幾十公斤，熔池與坩堝底只發(fā)生偶然的接觸。
（3）冷坩堝有凝殼熔煉
最大熔煉量可達幾百公斤，在熔煉過程中在坩堝底部有凝固的金。
冷坩鍋熔煉示意圖
1.2.2冷坩鍋感應熔煉技術特點
（1）冷坩堝感應熔煉技術使用銅坩堝；
（2）坩堝沿軸向分成多個瓣片保證電磁場能進入坩堝內部；
（3）坩堝每個瓣片保證足夠冷卻水，防止坩堝熔化
冷坩鍋感應熔煉技術與現(xiàn)代材料技術結合，逐漸發(fā)展了冷坩鍋電磁連鑄技術、冷坩鍋定向凝固技術、噴霧沉積技術和激冷技術等，冷坩鍋感應熔煉技術目前使用更為廣泛。
2. 電磁懸浮熔煉爐結構及關鍵設計
2.1電磁懸浮熔煉爐結構
由于冷坩鍋感應熔煉技術熔煉能力更強，使用更廣泛，主要介紹冷坩鍋感應熔煉爐結構，分為：電器系統(tǒng)、熔煉系統(tǒng)和真空系統(tǒng)。
實驗室用小型真空感應磁懸浮熔煉爐結構示意圖（a：主視圖；b：左視圖）
（1）電器系統(tǒng)
利用三相調壓變壓器改變輸入電壓，改變淬火變壓器輸出功率，進而改變懸浮熔煉線圈輸出功率，控制被熔煉金屬和金屬液在線圈中的位置，調節(jié)懸浮功率和熔化功率的比例，保證金屬液的穩(wěn)定懸浮和控制澆注速度。
（2）熔煉系統(tǒng)
熔煉系統(tǒng)由熔煉真空室、懸浮熔煉線圈等組成。熔煉系統(tǒng)最關鍵部分為線圈。線圈繞制的均勻性和對稱性對懸浮熔煉有較大影響。線圈對稱性不良或線圈之間間隙不等將嚴重影響線圈內磁場的徑向對稱性及磁場梯度，從而引起樣品在懸浮熔煉過程中偏向線圈某一側，甚至不能懸浮。
（3）真空系統(tǒng)
真空系統(tǒng)由真空機組、真空閥門、符合真空計、真空室組成。采用抽真空堵漏的辦法解決流量計漏氣問題，從而使系統(tǒng)的真空度達到熔煉要求，并保證充氬時氬氣中混入的氧氣量降到最低，保證熔煉合金質量。
2.2電磁懸浮熔煉爐關鍵
2.2.1電磁懸浮線圈結構設計
線圈直接承擔電能的輸入及能量的轉換，其幾何參數(shù)直接關系到懸浮力和穩(wěn)定性。多數(shù)線圈為單層線圈，也有少數(shù)采用雙層線圈。懸浮線圈的主線圈大多數(shù)繞制成圓柱或圓錐螺線管，常用的圓錐形線圈及圓柱形線圈。
大量實驗表明，圓柱形線圈的懸浮力一般大于圓錐形線圈，但其橫向穩(wěn)定性不及后者。圓錐形懸浮線圈圓錐角為30度時，穩(wěn)定性最好；在45～55度間變化，對穩(wěn)定性無明顯影響；圓錐角增大到60度時，試樣很容易發(fā)生水平振動，很難穩(wěn)定懸浮。
穩(wěn)定控制線圈能起到良好的抑制試樣水平漂移的作用，其內圈直徑以接近主線圈底部初匝直徑為宜。主線圈初匝直徑過大或圈數(shù)少于兩圈時，容易產生懸浮不起試樣或者懸浮起試樣但在熔化過程中發(fā)生脫落現(xiàn)象。主懸浮線圈匝數(shù)與穩(wěn)定控制線圈匝數(shù)比例選在2～3之間比較合適，既能保證足夠的懸浮力，又能保持一定的穩(wěn)定性。
2.2.2 懸浮力控制
懸浮力的大小與高頻電源的功率和頻率、金屬樣品的物理性質以及懸浮系統(tǒng)的幾何參數(shù)有密切的關系。對于特定懸浮材料，當其它參數(shù)一定時，懸浮系統(tǒng)幾何參數(shù)對懸浮力系數(shù)的影響如圖所示。
2.2.3 穩(wěn)定性控制
線圈結構上部穩(wěn)定控制線圈，為反向繞組，使水平方向上的振動受到一定的回復力的約束，能夠比較有效的消除橫向移動，起到穩(wěn)定懸浮試樣水平漂移的作用。原因在于穩(wěn)定控制線圈在試樣懸浮區(qū)形成了一個由線圈軸線中心向外逐漸增強的水平磁場，使試樣受到指向中心軸線的回復力。豎直方向的振動則是由試樣放置的初始位置確定的，一般放在穩(wěn)定線圈的中上部，使豎直振動逐漸趨于穩(wěn)定，最后懸浮在場強較弱的A處，否則振動會越來越強，導致試樣脫離懸浮區(qū)域而落下。
2.2.4 溫度控制
溫度控制目前使用的方法有：（1）為了長時間在真空中懸浮金屬樣品，懸浮與加熱熔煉應分別進行控制。雙頻EML可實現(xiàn)此類控制，采用較低頻率來實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，采用較高頻率實現(xiàn)快速熔化試樣。（2）依靠調整樣品質量、能量輸入及噴氣冷卻來實現(xiàn)溫度控制。
目前使用的探測器有單色探測器、雙色探測器、紅外探測器、光學探測器等。
參考文獻：
[1] 劉喜海，徐成海，鄭險峰編著.真空冶煉[M]. 化學工業(yè)出版社，2013.
[2] 王濤. 真空感應磁懸浮精煉鈦鋁基多元合金研究[D]. 成都理工大學，2017.
[3] 王永清，李雷，周金香等. 電磁懸浮熔煉技術的發(fā)展及其在金屬中氣體分析領域的應用[J]. 冶金分析，2008.
[4] 鐘曉燕, 陳佳圭. 空間電磁懸浮技術的發(fā)展狀況[J]. 物理，1996.
[5] 魏炳波, 楊根倉. 高頻電磁懸浮熔煉的設計與實踐[J]，航空學報，，1988.
[6] 李碚, 張森. 真空懸浮熔煉技術簡介及其研究進展[J]. 軍民兩用技術與產品，2012.
[7] 李孝偉. 高頻電磁場懸浮熔煉研究[J]. 工業(yè)加熱，1981.
[8] 王曉冬, 商凱東, 巴德純等. 懸浮熔煉系統(tǒng)的結構及其懸浮力的研究[J]，真空，2006.
[9] 云月厚, 邰顯康, 李國棟等. 高頻圓電流磁場中導體環(huán)所受電磁懸浮力的實驗測量[J]. 物理實驗，2002.
聲明：轉載請注明來源，歡迎交流。