10电磁悬浮熔炼

材料电磁加工技术

ElectromagneticProcessingofMaterials--EPM房灿峰fcf@847061141第十讲电磁悬浮熔炼ElectromagneticLevitationandMelting2悬浮技术是一种无容器材料处理加工技术，即在加工、处理材料时，用某种手段使材料与容器壁不接触。定义： 如果一个物体相对于地球是稳定或随机稳定的，而且该物体和它周围物体的接触不是实质性的，则称该物体被悬浮。－－－波尔狄克悬浮技术主要包括电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等。悬浮技术3电磁悬浮当一个金属样品放置在一个通有高频电流的线圈上时，随时间变化的电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频电流与外磁场相互作用，导致金属制品产生一个洛仑兹力。在合适的空间配置下，该电磁力的方向与重力相反；同时，调整高频电源的功率就可使电磁力与重力相等，实现电磁悬浮。 严格地说，电磁悬浮是在没有接触性的约束条件下，包括电磁场在内的两个或更多个场力的作用，而使物体在空间处于稳定或似稳定的一种状态。4电磁悬浮技术的发展1923,Much首次提出用高频磁场悬浮金属的概念;1952,Okress(WestinghouseResearchLaboratory)首次实现悬浮实验;1950年代末，Comenetz利用450kHz、10kW的高频电源成功悬浮起几十种10g左右的金属球；1963，Brisley和Thornton分析计算同轴线圈悬浮固体金属球；1966，Piggot和Nix通过理论计算和实验对比发现悬浮力随频率增大，且加热速率随频率增大；1975，Szekely等计算置于线圈中坩埚内有湍流情况下悬浮金属球的运动；1986，Marshall空间飞行中心，Ni-Ge合金的制备、固化；1991，NASA，EML炉，真空炉，固化实验；1994，TEMPUS（德国），NASA，金属样品的热物理性质，金属熔炼、冷却、晶体固化、成核。5•ColdCrucibleMelting.•ElectromagneticSealsandValves.ElectromagneticLevitationApplications6电磁感应加热技术是在铸造中应用最早最广的一项电磁技术,它包括真空或非真空,工频、中频、高频感应熔化技术等。主要是利用电磁感应的热效应熔化金属,利用力效应在合金熔体内产生强烈对流使成分和温度均匀。电磁感应加热技术Classicmeltingbydirectinduction7ProblemsbyusingclassiccruciblesThecruciblescanpollutematerials,suchassilicon,forwhichahighdegreeofpuritymustbemaintained;Thecruciblescanreactviolentlywiththemoltenmaterialbecauseofitschemicalaffinity,asinthecaseoftitaniumorzirconium;Thecruciblescanmeltthemselves,simultaneouslyorbeforethemeltingofthematerialthattheymustcontaininliquidstate.Thisisthecaseformakingofmaterialswithveryhighmeltingpoint,suchasoxides,glass,ceramics,orpurematerialssuchastungsten.Howtosolvetheseproblems?8Meltingwithoutrefractory

-------usingawater-cooledinductor-containerColdcrucible,withaskullCrucible-lesscoilorlevitationcoil9Schematicsketchofcoldcruciblewithskull10冷坩埚熔炼(ColdCrucibleInductionMelting-CCIM)CCIM就是在水冷铜坩埚与金属熔体之间存在一层由金属熔体因坩埚冷却而形成的固体壳层,金属就在这壳层内熔炼,此时坩埚内衬相当于用所熔金属制成,因此又称凝壳熔炼,坩埚内表面与金属熔体不直接接触,避免了坩埚对熔体的污染。根据金属熔化时热量来源不同,CCIM炉型分自耗电极电弧炉、非自耗电极电弧炉、电子束炉,等离子弧炉以及感应熔炼炉等。11CCIM的发展历史1923年，德国专利中就有过采用冷坩埚感应熔炼(CCIM,ColdCrucibleInductionMelting)高熔点、高活性金属的阐述；1957年，美国BMI研究所的Schippereit提出专利,提出了用4块弧形片组合成的铜坩埚,块间以陶瓷绝缘

,奠定了现代冷坩埚的雏形；1970年后,美国矿山局(USBM)的Clites等人发展了采用CaF2作绝缘层的感应渣熔炼工艺,成功地用于Ti、Zr等活性金属熔炼。通过控制坩埚和感应器的参数,可完全取消隔绝渣CaF2,金属熔体和坩埚瓣间不会起弧,无渣CCIM取得了成功；随后USBM先后试验了由15根和24根铜管组合成的坩埚,随着组合块数的增多,熔炼效率提高；1989年美国Consarc公司采用50根矩形铜管组合成了直径107mm的水冷铜坩埚,使用表明,电流损耗很小,熔炼效率比真空电弧熔炼炉提高115倍；目前美国已建成CCIM炉容量达200kg的中间实验设备；

俄罗斯冷坩埚最大直径达1m,用于浇注铸件和铸锭。12感应壳式熔炼：物料不与坩埚壁接触，仅与坩埚底部接触，形成了一个凝壳。实现这一技术的条件是采用较高的感应频率和较大的功率，坩埚采用合理的尺寸和足够的切缝。对分瓣式水冷坩埚而言，当切缝和外感应电流频率增加时，磁场对物料作用更加均匀，表面集肤效应增加，电磁力增加。如图在每分瓣区域的四周边将产生感应电流，它们在整个水冷坩埚内侧形成集肤电流群，从而和物料表面的感应涡流相互作用，对物料产生了推斥力，避免了物料和坩埚的直接接触。感应壳熔炼坩埚底部不分瓣，为一个整体结构，因此不对炉料产生推斥力，熔化时与坩埚底部接触，形成了较厚的凝壳，一方面传导损失了大量的热量，另一方面凝壳往往超过总容积的三分之一。因此用于小批量多品种合金生产和实验研究时不理想。冷坩埚熔炼13MetallicmatrixcompositefibercoatingLevitationoftitaniumincoldcrucible14电磁悬浮熔炼ELM－ElectromagneticLevitationMelting

利用电磁线圈产生交变电磁场,交变电磁场在线圈内的金属中感生电流,感应电流加热熔化金属,同时依靠电磁场和感应电流之间相互作用形成的电磁力把金属熔体悬浮起来,完全消除熔体与其他固体壁接触而带来的坩埚污染。

ELM由于是无污染熔炼,在物理化学研究和超纯材料研制中有独到之处;但正因为是无坩埚熔炼,熔炼物料重量受到限制,一般仅几十克,特别是含密度较大的活性金属元素与难熔金属元素时,实现均匀熔炼更难。电磁悬浮熔炼原理15电磁悬浮熔炼的特点炉料与坩埚无接触或部分接触，可以获得较高纯度、无夹杂的金属锭；可以对物料进行充分的过热，有利于难熔金属的浇注；电磁力引起的强烈搅拌保证了化学成分的均匀；熔炼过程中可进行合金添料，保证了化学成分的比例；熔化速度快，操作方便；熔炼试样可以是任意形状，不必压制电极；可以在任何保护气体和真空中工作。16线圈式熔炼设备的优点金属在冶炼和排放过程中不接触坩埚；由于位于适当的气体或真空中，熔化的试样可得到保护；易挥发的杂质能被蒸馏或抽出；熔化的金属能被逐渐排除，作为一个整体滴出或在悬浮中凝固；通过电磁作用，熔化物能被彻底的混合；可以由金属粉和合金元素混合烧结成制品；当熔化物被悬浮时，可以添加合金剂；悬浮线圈制备简单经济，可以大大减少整机的投资，非常适用于大学及科研机构实验室前期工作的实际情况。17完全悬浮冷坩埚熔炼技术完全悬浮冷坩埚熔炼技术：即炉料在冷坩埚中处于悬浮状态进行熔炼，从而消除了凝壳，在熔炼过程中避免了与坩埚的接触（如图）。杜绝了坩埚对物料的污染和因为坩埚与物料接触造成的热能损失。因此可以得到成分均匀、过热度高的熔融液体。18倾转式冷坩埚悬浮熔炼设备--北京钢铁研究总院完全悬浮冷坩埚熔炼技术19漏铸式悬浮熔炼设备--日本，安藤建治、岩井一彦等以上几种设备在浇注过程中，不能避免物料与坩埚的接触，因此上述悬浮熔炼技术严格上说不是真正意义上的无接触熔炼。完全悬浮冷坩埚熔炼技术20

熔炼过程中熔体的温度

悬浮熔炼技术的冷坩埚

熔炼和铸造过程中熔体的形态实例21实例带有感应圈和冷却管路的冷坩埚22不同结构的冷坩埚和坩埚底实例无坩埚悬浮熔炼23CrazyPCHoverMouse是全球首款100%无摩擦鼠标。通过采用Cr