本节以最为常用的电磁感应水冷铜坩埚凝壳熔炼为例，介绍钛合金熔炼时的基本特征。由图可知，开始保温之后，随着保温时间的延长，凝壳质量分数fskull急剧减小，这是因为输入的能量大于熔体通过冷坩埚和热辐射损失的能量，使得之......
2023-06-22
悬浮熔炼炉：消除凝壳，避免污染和热能损失
【摘要】：电源和坩埚构成磁悬浮感应电炉的工作核心。磁悬浮感应电炉的坩埚也是采用数十个弧形瓣的水冷铜坩埚。图3-44 线圈式悬浮熔炼示意图近年来，全悬浮熔炼工艺得到了很大发展，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，避免了炉料与坩埚的接触。悬浮熔炼时，物料不与坩埚接触，彻底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。
早在1923年，德国的Otto Muck就提出了电磁悬浮理论并申请了专利。早期的电磁悬浮熔炼设备是螺线圈式的，如图3-44所示。这种悬浮熔炼设备的悬浮能力有限，仅适合于用作一种研究手段。改进后的线圈式设备，其熔炼能力可达1kg，但不是完全悬浮。线圈式悬浮熔炼电源一般为100～800 Hz，悬浮能力1～100g。
到20世纪80年代，组合水冷铜坩埚（冷坩埚）感应熔炼技术诞生并得到成功的应用。磁悬浮熔炼借助于冷坩埚感应熔炼技术才得到新的发展，开发出冷坩埚悬浮熔炼。这种悬浮技术称为感应壳熔炼或半悬浮熔炼。其特点在于物料不与坩埚壁接触，仅与坩埚底部接触，形成一个凝壳。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多的切缝。
图3-44 线圈式悬浮熔炼示意图
近年来，全悬浮熔炼工艺得到了很大发展，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，避免了炉料与坩埚的接触。这种坩埚取消了底部连通结构，坩埚从上到下形成连续的分瓣。坩埚内壁上部为桶状，下部为半球状。悬浮熔炼时，物料不与坩埚接触，彻底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。
表3-12 磁悬浮感应电炉技术参数
电源和坩埚构成磁悬浮感应电炉的工作核心。电源采用IGBT电路或晶匣管变频电路。上线圈用于加热和保温，电源的频率一般为数万赫兹。浮力大小和下线圈输入的功率成正比，和频率的平方根及炉料的电阻率的平方根成反比，电阻率又随温度的变化而变化。因此上下线圈的功率输入要精确计算，依据不同的熔化材料和熔化量，采用可编程序控制器进行高精度程序自动控制，使操作者介入影响减小到最低程度。重要的是整个熔化过程要始终确保电斥力与金属重力的平衡，为此，对坩埚内材料感应加热及冷却散热要进行精确的三维分析设计。
磁悬浮感应电炉的坩埚也是采用数十个弧形瓣的水冷铜坩埚。
磁悬浮感应电炉已成功用于钛、钛铝、铝、铸钢、不锈钢、钴、铬、钽、铂、金、锆合金、吸氢合金等的熔炼。由于能实现高纯度熔炼，制取了一些具有新功能和新特性的新材料。
除了研究较多的磁悬浮熔炼技术之外，科学家不断开发出了多种悬浮熔炼的新技术。美国Containerless Research Inc（CRI）已经研制出一种称之为AAL（Aero-Acoustic Levitator，即空中声悬浮炉）的装置，用于极高温条件下的材料研究和材料的无接触式加工处理[30]。据说，AAL可以把任何一种材料悬浮起来并将之加热到高温。可对陶瓷、半导体材料以及金属等进行无容器加工处理。
AAL仪器符合NASA微观重力科学程序所开发的声悬浮与定位技术。空气动力能把少量的材料悬浮起来，而且这种极易控制的空气动力又可将悬浮行为稳定住。利用激光束加热技术便可以极高的温度将悬浮物熔化并进行加工处理。CRI已用AAL仪器研制出了先进的氧化物基陶瓷以及玻璃材料，供NASA、NSF、美国空军以及能源部等进行研究使用。
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