10 电磁悬浮熔炼.ppt

材料电磁加工技术Electromagnetic Processing of Materials--EPM 第十讲 悬浮技术 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。 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。 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 (Westinghouse Research Laboratory) 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。 Problems by using classic crucibles The crucibles can pollute materials, such as silicon, for which a high degree of purity must be maintained; The crucibles can react violently with the molten material because of its chemical affinity, as in the case of titanium or zirconium; The crucibles can melt themselves, simultaneously or before the melting of the material that they must contain in liquid state. This is the case for making of materials with very high melting point, such as oxides, glass, ceramics, or pure materials such as tungsten. Melting without refractory -------using a water-cooled inductor-container Cold crucible, with a skull Crucible-less coil or levitation coil 冷坩埚熔炼(Cold Crucible Induction Melting-CCIM) CCIM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, Cold Crucible Induction Melting) 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