磁悬浮熔炼及过程原理简介

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：悬浮熔炼特别适合于熔炼高纯钛合金、钛铝合金及其他高活性合金。磁悬浮熔炼的实施是感应加热熔化技术和弗莱明定理的结合产物。所以磁悬浮熔炼是在电炉的上线圈和下线圈的共同作用下完成的。图3-16 磁悬浮感应电炉的工作原理金属材料在熔化过程中与水冷铜坩埚处于完全非接触或部分接触状态。

熔融钛活性高是导致其熔炼困难的主要问题，最直接的问题是极易吸收杂质元素。即便选择水冷铜坩埚或高温惰性好的坩埚可以较好地解决这个问题，但不可避免带来了热损耗大、成本高的问题。与坩埚不接触熔炼无疑是最好的解决办法。科学家经过不懈努力，开发了磁悬浮熔炼技术。

磁悬浮熔炼技术是20世纪80年代发展起来的一项新的熔炼技术。磁悬浮熔炼是在被熔化的金属表面流过和线圈电流位相相反的感应电流，位相相反的电流之间存在的作用力和反作用力使熔融的金属上浮，或在熔炼过程中坩埚产生的磁场对被熔化的材料产生一个推向中心的作用力，使材料不与坩埚壁接触，也被称为无坩埚悬浮熔炼。因为材料不与坩埚接触，或仅与坩埚底部接触，加上铜坩埚本身的特点，所以这种熔炼方法基本不对材料产生污染。悬浮熔炼特别适合于熔炼高纯钛合金、钛铝合金及其他高活性合金。为了达到高纯熔炼，悬浮熔炼一般结合水冷铜坩埚（冷坩埚）感应熔炼技术，被称为冷坩埚悬浮熔炼。

悬浮熔炼在美国、俄罗斯、德国、日本、法国等先进国家发展起来。日本大同特殊钢公司和法国的TARAMM公司将悬浮熔炼与真空吸铸法、真空压铸法以及离心铸造工艺相结合，生产出了铸件壁厚最小可达0.5mm，外形轮廓非常好的钛铸件。

用悬浮熔炼工艺熔铸钛合金，无需制备作为原料的自耗电极，可使用回收的废料，大大降低了熔炼的原料成本。一次熔炼就可以得到成分均匀、无坩埚污染的高质量熔铸产品，而且设备投资少，生产效率高，钛合金的利用率也相应提高。目前，正在研制熔化能力更大，熔炼时间短的大型熔炼炉。经改进后的坩埚将实现完全悬浮熔炼，消除金属凝壳，进一步提高金属利用率，降低钛的熔炼成本。虽然悬浮熔炼方法是为钛及钛合金熔铸开发的，但对于活性较高的其他金属及金属间化合物也是适用的，是活性金属较为理想的熔铸方法，有着广阔的发展前景。

磁悬浮熔炼炉中通常设置两个感应线圈。根据法拉第定律，在相邻两个导体上流过逆向电流时，则产生相斥的电磁力。电磁力相斥，而使金属悬浮，如图3-16所示。磁悬浮熔炼的实施是感应加热熔化技术和弗莱明定理的结合产物。当下线圈通以高频电流时，在熔化金属与水冷坩埚中感应产生方向相反的涡流，当产生斥力和金属的重力达到平衡时，熔化的材料受涡流间相斥力的支持其重量而在坩埚中悬浮。磁悬浮感应电炉的上线圈是感应加热线圈，当线圈通以高频电流时，金属炉料被感应加热、升温、熔化完成熔炼操作。所以磁悬浮熔炼是在电炉的上线圈和下线圈的共同作用下完成的。

图3-16 磁悬浮感应电炉的工作原理

金属材料在熔化过程中与水冷铜坩埚处于完全非接触或部分接触状态。必须计算出金属材料需要多大的浮力才能悬浮。由于交变磁场沿金属表面变化，假定渗透层与金属厚度相比非常小，则设定功率为

式中 ω——角频率，ω=2πf，f是频率（Hz）；

μ——金属的磁导率（H/m）；

ρ——金属炉料电阻率（Ω·cm）；

H_m——沿金属表面的磁场强度（A/m）。

作用于金属材料的悬浮力F由下式求出：

进而可导出下式：

悬浮力是悬浮熔炼技术最关键的指标，目前很多研究数据都是基于理论计算而来的。事实上，很多研究人员都对悬浮力进行了研究，并提出了计算公式。Okress等首先发表了悬浮理论的基本方程式。他们所推导出的公式为

F=（3/50）π²I²₁G（x）A（Y）（R₂/R₁）³ （3-8）

其中

无量纲量x=2πR₂（γ/1000f）^1/2

无量纲量Y=a/R₁

A（y）=Y/（1+Y²）⁴

式中γ——悬浮样品的电阻率（Ω·m）；

f——悬浮炉的频率（Hz）；

R₁——感应器线圈半径（m）；

R₂——样品半径（m）；

I₁——高频电流（A）。

由上式可以看出，悬浮力与线圈电流的平方成正比，与参数x的复杂函数成正比。因此，x与频率f的平方根成反比，频率太高时浮力反而不足。

A.A.Φoгe_JIb也做了一些理论推导，其公式形式为

式中 F——电磁压力（即悬浮力）；

ρ——金属的电阻率（Ω·cm）；

f——高频炉的频率（Hz）；

μ——金属样品的磁导率（H/m）；

P₀——传给金属单位表面的功率，而

H_mc——半空间表面上磁场强度的振幅（m）。

从上述两个公式可以看出，当改变频率和高频电流或磁场强度时，可以改变作用在金属上的浮力。改变电磁场的频率，也可以调节传递给金属的功率。因而，在固定的热量损失条件下，可以调节被加热金属样品的温度。Φoгe_JIb公式的浮力与磁场强度的二次方成正比；Okress公式的浮力与感应器上高频电流的二次方成正比。二者在本质上也是一致的。

E.Promm和H.Jehn也对悬浮力进行了理论计算，推导出的公式为