金属电磁悬浮原理及应用.docx

金属电磁悬浮原理及应用上海交通大学古亮亮金属电磁悬浮原理及应用（上海交通大学 材料科学与工程学院 古亮亮 5081619054）摘要：金属电磁悬浮是电磁感应及电磁力原理应用于材料加工中的一种工程化加工手段，在材料加工领域仍是一门比较新的技术。它最主要应用是在悬浮金属熔炼方面，具有无容器壁污染、熔体均匀、加热熔化速度快以及表面气液相平衡速度快等优点【1】。本文主要就其主要原理进行了简要分析，介绍了悬浮熔炼的优点，并列举了悬浮熔炼在材料加工中的主要应用，简单介绍了近几年悬浮熔炼在新材料制备方面取得的成果。关键词：悬浮熔炼 电磁悬浮 原理 应用 新材料制备 1. 引言与传统的材料制备技术如铸造、定向凝固等相比，电磁悬浮(Electromagnetic levitation，EML)技术应该仍然算是材料制备领域中比较新型的技术，虽然其历史可以追溯到1923年（由Muck提出利用高频电磁场对金属进行悬浮，并申请了“悬浮融熔”专利【2】），但是真正进行有效的材料制备是在20世纪60年代之后，如此看来，这项技术甚至比如今仍然很热门的快速凝固技术还要“年轻”。如此“年轻”却能成为一种广受关注的技术，这项工艺自然有它与众不同的“武功”。与传统熔炼工艺相比，悬浮熔炼在新材料制备方面确是有很多突破，这种方法杜绝了坩埚对材料的污染, 并且熔炼过程中，合金在高频电流的作用下能被激烈地搅拌, 这使得合金成分很均匀, 防止了偏析。一般熔炼方法的工作温度要受到容器材料的限制，但悬浮熔炼不需要容器，显而易见，它的工作温度范围是非常广的, 从几百度一直到三千度以上【3】。在实验室条件下, 可以很方便地制备不同熔点的金属样品，较之电弧炉熔化有一定的优越性。同时悬浮熔炼对研究难熔金属、高纯金属、活泼金属和高温冶金物理化学等, 是非常理想的一种手段。近年来, 有些研究者利用这种新熔炼设备, 制取了超导材料、非晶态材料和亚稳态金属材料, 也有利用它制取供物理性能测试用的金属样品【3】。这项技术目前还广泛应用于微重力、无容器环境下晶体生长、制备放射性材料、金属中气体分析等领域。以上诸多优点便是这项新技术敢于做“瓷器活”的“金刚钻”。2. 电磁悬浮熔炼的原理电磁悬浮要靠高频电磁场在材料中产生的涡流进行工作，因而被悬浮材料必需得导电，至少目前该技术所应用的对象主要还是金属材料。电磁悬浮基本工作原理是电磁感应、及其大规模的工程化设计应用：在悬浮设备内，高频炉供给的高频电磁场, 把金属或某些非金属试样悬在空中进行加热和熔化的，通常设备内是真空或保护气气氛。当一个悬浮感应器线圈通入交变电流以后, 就会在线圈周围产生一个磁场。当把一个导体放人这个不均匀的、迅速变换的磁场内时, 由于感应的作用, 使导体表面发生集肤效应, 会有涡流产生。该涡流也会产生磁场, 其方向与线圈产生的磁场方向相反, 从而产生一个排斥力。当这个排斥力的垂直分力大于导体重量时, 就可以把导体悬浮在空中。同时，金属上的涡流产生的焦耳热可以使金属体熔化，达到熔炼金属的目的。由于这种排斥力的垂直分力和液体试样的表面张力的综合作用, 可使熔化后的液体试样悬浮在空中。当断开高频电源后, 或逐渐降低高频电流时, 液体试样就可以自由落下, 铸成不同形状的小锭。【3】由以上分析可见，电磁悬浮熔炼主要关注点有二：第一关注点电磁力抵消物体重力，达到悬浮目的。这其中涉及的原理包括电磁学（特别是磁场设计）、力学（特别是振动力学）。第二关注点控制涡流产生焦耳热对固体金属进行熔化。其中原理同样包括电磁学，还有材料学。1.1 电磁悬浮设备的基本结构电磁悬浮的基本电路以及悬浮系统基本结构分别如下图1、图2所示【4】。电磁悬浮设备结构的好坏主要在于各种线圈的安排及搭配，以及由此生成的电磁场结构合理性。如左边两图所示，底部锥形线圈为主线圈，提供主悬浮力并加热物料，上部线圈为稳定控制线圈，其中的电流方向与主线圈电流方向相反，用于抑制悬浮物体水平方向的移动，对悬浮物体具有稳定作用。通过线圈的交变电流频率为几十到几百kHz。在这样的高频作用下，被悬浮的金属具有很强的趋肤效应，产生的感应电流主要集中在金属表面。2.2 悬浮熔炼技术中的几个关键问题由于悬浮熔炼是一项多学科交叉应用的技术，且设计仪器设计及磁场生成都比较复杂，属于学科交叉的大型应用工程，所以影响其使用效果的因素比较多，需要关注的问题也比较复杂。限于篇幅，以下对几个最主要的问题进行简要阐述。2.2.1 悬浮力的计算（属于第一关注点范畴，即悬浮问题）一个导电体， 处于有梯度的交变电磁场中，会由于导电体内感生涡流和外场的相互作用而受到一个平动力，这就是试样能悬浮的根本道理。力的方向和场的发散方向一致，其大小可由下式定量计算【5】：显然, 只要我们能提供一个由下而上逐渐减小的交变磁场, 处于这样一个梯度场中的金属试样, 就会受到向上的托力【5】。当我们使上式中的右边做到使F/W 在数值上等于1 时, 试样便能自由悬浮于空间。值得注意的是，上式只是计算悬浮力的基础公式，根据不同的磁场结构、线圈匝数、线圈空间位置排布等影响因素，可推导出更为接近工程应用的公式，但由于推导过程过于复杂，笔者水平有限，且本文旨在介绍基本原理，所以对更加复杂的计算公式不再介绍。总之，计算悬浮情况，最根本的公式便是上式，这是基础，任何复杂情况都是该公式在具体工程条件下的演绎。2.2.2 稳定性控制（属于第一关注点范畴，悬浮）原则上讲，任何一个能提供梯度场的线圈，通以足够高频率的交流电流之后，总能满足悬浮试样所需要的悬浮力。虽然在轴线周围存在一个受横向干扰的很小稳定区，但要实现稳定悬浮，却不是一件容易的事，稳定问题仍是关系悬浮实验成败的关键问题。【1】电磁悬浮熔炼的不稳定性可以粗略的分为3种类型：(1)试样横向漂移，有时表现为水平方向的机械振动，严重时与线圈相碰引起放电；(2)垂直振动，这种振动有时会越来越强，导致试样脱离悬浮区而垂直落下；(3)试样表面波动，这种波动的加剧，会导致熔融液滴的破裂。【1】好在，以上几种不稳定因素可以通过合理的线圈结构设计而得到控制。比如，线圈结构设计中的上部稳定控制线圈，为反向绕组，使水平方向上的振动受到一定的回复力的约束，能够比较有效的消除横向移动，起到稳定悬浮试样水平漂移的作用【1】。所以，控制悬浮的稳定性，合理设计线圈结构是关键。这也正体现出该项技术的工程复杂性。2.2.3熔炼室的选择（属于第二关注点范畴，关于材料学原理）为了保证悬浮状态的液态金属不被氧化、氮化或被外来物质污染，悬浮熔炼一般都在真空或保护气氛下进行，根据不同用途, 人们发展了各种类型的装置，以保持真空或保护气氛，同时还能方便进行熔炼、铸造。一般把这种装置, 称作悬浮熔炼室。高纯金属的提纯和熔化, 新合金样品的制取等, 都希望铸成各种形状的锭形。所以, 许多研究者, 设计了各种形式的锭模, 放在熔炼室内。为了不破坏真空或保护气氛, 设计了能连续熔炼的装置。这方面比较典型的是所采用的熔炼室【3】。他所设计的设备可以连续在真空或惰性气氛中进行六个样品熔炼。熔炼室可在不破坏真空或保护气氛条件下, 用简易机械手把试样送人感应器中。在感应器下面有六个可以转换位置的铸锭模。由于试样脱气和熔化时放出大量气体, 熔炼室的压力会突然上升, 或者保护气氛受到污染。为了保持真空或纯净, 在邻近熔炼金属处安装有活性炭气体吸附装置。熔炼室的设计多种多样，并且随着其他科技的进步也在不断优化，限于篇幅有限，不再一一列举。总之，能达到保护金属液不被污染、熔炼及后续制造不被熔炼室所限制，则这种设计便是合理的设计。3. 悬浮熔炼在材料加工领域的主要应用悬浮熔炼以其不需容器、液体金属易于操纵的优点在很多材料领域中都有应用，且在制备特殊金属材料方面有着不可替代的优势。3.1 制备易于坩埚发生反应的金属材料悬浮熔炼优点之一是它没有坩埚反应,这对活泼金属像钛、锆、镁、稀土金属、钙和铝等的基础研究是非常有用的。例如, 研究稀土金属对钢中的氧、硫和氢的作用规律, 就需要摆脱坩埚的影响, 使测得的数据可靠。有些研究者, 用它熔化一些稀有超纯金属， 也有人用这种方法研究难熔金属及其合金。【3】32 进行快速凝固，制备非晶由于悬浮熔炼的热量是靠感生电流产生，通过提高交变电流的强度、频率，可以实现材料的快速升温、融化，而且控制电流还可以实现液态金属的快速降温，这就为制备非晶提供了条件。目前已经有多项通过悬浮熔炼制备非晶的成功案例。3.3 熔炼高熔点金属因为悬浮熔炼不需容器，所以工作温度不受容器温度极限所限制，因而可以达到很高的温度，适合熔炼高熔点金属。悬浮熔炼设备可以熔炼熔点为几百至三千度以上的金属，目前钨也能在真空中进行浮熔【3】，也可以利用它来测量高熔点金属或合金的熔点, 也可以用它来标定温度, 特别是用来标定高温。3.4 制备超高均匀度的合金悬浮熔炼是在高频电磁场中,涡流变化频率高且强度大，液体金属得到很好的搅拌, 成分非常均匀。而传统方法，与之相比则逊色得多。如对自耗熔炼、特种水冷铜柑涡和滴定法熔炼等, 虽然也没有柑涡反应, 但熔炼后的合金很不均匀, 必须进行多次熔化。除此之外，利用悬浮熔炼还可以从事高温冶金物理化学的研究。例如, 气体与液体金属之间互相作用的热力学和动力学的研究,合金元素之间化学热力学平衡常数的测定, 元素之间交互作用系数和活度的测定等。4. 近年利用悬浮熔炼制备新材料的新成果新材料已经和能源、信息并列为21世纪人类发展的三大支柱，悬浮熔炼在制备新材料方面也有着很多成果。浙江大学姜广宇【6】等人利用悬浮熔炼制备了Half-Heusler 合金Zr1-xTixNiSn0.975Sb0.025 ，该方法可以大大缩短制备Half-Heusler 热电材料的时间。并且在相同热压条件下，Ti 取代Zr 在增加材料电导率的同时，降低了热导率。低致密度样品具有较低的热导率，但由于其电导率也较低，导致较高致密度样品的ZT 值高于低致密度的样品。这说明悬浮熔炼制备的材料还具有很好的电热性能。上海交通大学马伟增【7】等人利用电磁悬浮熔炼的方法研究了合金的藕合生长及合金的包晶凝固。兰州理工大学寇生中等，利用悬浮熔炼-铜模吸铸法制备Cu50 Zr42Al8块状金属玻璃，并且证明了悬浮熔炼法是一种适合于制备块状金属玻璃的方法。【8】5. 结论电磁悬浮技术在制备高纯材料、微重力熔炼研究方面有着独到的优势，研究其应用时把握住它最根本的两个特点即可得心应手：第一，不需容器；第二，以涡流运动来控制技术液体，如进行搅拌等。同时，随着微重力及悬浮科技的进步，悬浮熔炼不仅将在特殊材料制备方面大有作为，而且在研究材料科学的基础理论如凝固中结晶的形核及长大机制，也将有很好的前景。但是，电磁悬浮由于其高频发生器的频率过高及体积过大限制了其应用，降低其频率和功率，尽量做到电磁悬浮的小型化是今后的工作方向。6参考文献【1】王永清等，电磁悬浮熔炼技术的发展及其在金属中气体分析领域的应用，冶金分析，2008，28(11)：1623【2】MuckElectromagnetic levitation：German，422004 P1923【3】杨澄宇 李玉光，悬浮熔炼及其应用，稀有金属，1982-10-28【4】钟晓燕，陈佳圭空间电磁悬浮技术的发展状况EJ物理(Physic