用于10～100g金属材料悬浮无容器处理的电磁悬浮线圈的制作方法

本发明属于采用高频电输入的电磁悬浮装置，涉及一种用于10～100g金属材料悬浮无容器处理的电磁悬浮线圈，具体涉及一种用于金属材料无容器处理的电磁悬浮线圈。

背景技术：

在航空航天、热电、核电、海洋工程等领域，高性能金属材料扮演着极其关键的角色，而材料的制备过程与加工工艺对金属材料内部微观结构及宏观性能有着重要的作用，而常规制备方法往往难以满足极端工作条件的要求。另一方面，在材料物理领域的基础研究中，开展合金熔体快速凝固、晶体形核、金属熔体的物理性质等研究，实验条件要求十分苛刻。在传统实验条件下，金属的凝固受到坩埚铸型因素的影响，成分偏析、杂质堆积等现象十分严重，从而掩盖金属凝固的机理，影响材料的固有性能。无容器处理方法可有效地避免熔融金属材料受容器壁杂质污染，成为金属材料制备的新方法，电磁悬浮无容器处理技术作为研究金属材料的重要手段，该装置具有避免熔体与容器接触，消除器壁引起的污染和化学反应，悬浮与加热同时进行，可熔化高熔点金属材料等优点。电磁悬浮无容器处理技术的原理是利用通入线圈的高频交变电流在线圈附近的空间产生交变电磁场，交变电磁场在样品中产生涡流，涡流的热效应可熔化金属，涡流与特定分布的外界电磁场作用可悬浮金属，达到金属样品在悬浮状态下熔化和凝固并进行相关实验数据测定的目的。

电磁悬浮无容器处理技术作为研究金属材料的重要手段，国内外已采用该技术成功获得多种金属及合金不同过冷度下的热物理性质(如：表面张力、粘度、密度、比热)。但同时，受到现有实验技术的制约，大多数电磁悬浮实验能够悬浮的金属样品较小，形如豆粒，重量约1g或者能够悬浮大体积金属的方法，设计复杂，实现困难。为了提高悬浮稳定性或悬浮较大质量的金属样品，电磁悬浮线圈的设计十分重要。在已公开的国内外文献中，人们从不同途径尝试设计了多种线圈。“electromagneticlevitationmeltingoflargeconductionloads[j].industryapplications,ieeetransactionson,1977”设计可悬浮1kg铝，但是绕线复杂：线圈如竹篓状且底部封闭，双层正交叠加，对其施加多频电流。为避免熔体接触线圈，线圈设有耐火内衬。“高频电磁悬浮熔炼研究[j],电炉,1981”采用直径3mm、4mm的锥形线圈设计，再在底部盘状绕制两圈铜管。可悬浮铝、铜、铁、钛、铌、钼、锆等金属，样品质量均在3g以内。“aninvestigationonthetemperatureandstabilitybehaviorinthelevitationmeltingofnickel[j].metallurgicalandmaterialstransactionsb,2006”通过改变线圈匝数、角度、直径，尝试多种线圈设计、探讨金属的温度场与稳定性，但悬浮样品的质量均在1g左右。“newmethodanddevicesforelectromagneticdrip-andleakage-freelevitationmelting[j].isijinternational,2012”设计的装置成功悬浮39g铝合金，但是装置工艺复杂：设有前后左右四个不同方向的磁轭及缠绕磁轭的铜管、底部的铜螺线管，施加双频电流。

由此，现有技术存在以下几个方面不足：

(1)样品尺寸小，进行材料的力学、电学和磁学等性质研究十分困难，限制了材料理论研究的内容。

(2)小尺寸的样品多适用于基础理论研究，难以再加工，大大限制新材料的工业应用。

(3)针对10～100g金属的电磁悬浮实验，现有电磁悬浮线圈装置的设计较复杂、实现困难。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于10～100g金属材料悬浮无容器处理的电磁悬浮线圈。

技术方案

一种用于10～100g金属材料悬浮无容器处理的电磁悬浮线圈，其特征在于包括上端线圈和下端线圈；下端线圈与上端线圈为反向串联绕制，绕匝间距为0.3～4mm；所述上端线圈为1～3.5匝，内径为8～50mm；；所述下端线圈为3～8匝，内径为8～50mm；所述两个线圈之间的间距为10～40mm；所述绕制线圈的材料采用直径为2～5mm的空心铜导管，外侧包裹绝缘层。

所述上端线圈为上小下大的锥形，锥形倾角在小于45°；所述下端线圈下部的初始数匝线圈内径保持不变，上部为向上开口的喇叭状，开口角度为小于45°。

所述上端线圈的外径为40～47mm，锥形倾角为10～30°；所述下端线圈外径为40～55mm，开口角度为20～40°。

有益效果

本发明提出的一种用于10～100g金属材料悬浮无容器处理的电磁悬浮线圈，绕制的线圈通以高频交流电，金属样品中感应出涡流，涡流与电磁场作用产生电磁力得以克服金属样品的重力，从而实现悬浮无容器状态，涡流的欧姆耗散加热金属样品。该发明特别适用于高真空电磁悬浮无容器处理设备，悬浮10～100g范围的金属材料及合金，实现无容器加工，进行材料的亚稳深过冷实验、快速凝固和高温熔融金属物性参数测定等领域的研究。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

(1)在金属材料电磁悬浮实验过程中，高频电流在设计的电磁悬浮线圈周围产生的特定空间分布的高频电磁场，利用高频电磁场对金属样品产生的电磁力、涡流感应加热等原理对金属材料进行作用，实现10～100g较大质量金属材料的无容器处理。

(2)较大体积的样品不仅可以满足新材料制备基础理论的研究，进行更多物理性能表征及测试，还可以拓宽工业应用，进一步检验、探索材料的各种服役性能。

实验表明，本发明可以稳定悬浮10～100g的金属样品。为加以佐证，附图给出了质量58g的金属铝、84.04g的金属钛和90.45g、99.32g的金属铜悬浮的实物图。

附图说明

图1为悬浮10～100g金属材料的电磁悬浮线圈、上端线圈呈上小下大的锥形结构示意图

图中：1为上端线圈，2为下端线圈，3为电流和水冷装置接口端。

图2为悬浮10～100g金属材料的电磁悬浮线圈的结构示意图

图中：4为上端线圈，5为下端线圈，6为电流和水冷装置接口端。

图3为图1的电磁悬浮线圈的正视图

图中：1为上端线圈，2为下端线圈，3为电流和水冷装置接口端。

图4为实现悬浮84.04g钛的实物图。

图5为实现悬浮99.32g铜的实物图。

图6为实现悬浮58.5g铝的实物图。

图7为实现悬浮90.45g铜的实物图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

图3为实施例的悬浮10～100g金属材料的电磁悬浮线圈的具体结构，用于10～100g金属材料的无容器处理，采用直径为5mm的空心紫铜导管绕制，壁厚为1mm。电磁悬浮线圈的具体结构分为上端线圈与下端线圈两部分，下端线圈与上端线圈的反向串联绕制。下端线圈与上端线圈之间存在26mm的空隙用于悬浮实验样品。线圈绕匝间距为2mm，下端线圈8匝，上端线圈2匝。上端线圈总长为17mm且呈上小下大的锥形，两匝线圈的外径为：小线圈为40mm，大线圈为47mm，锥形倾角为16°。下端线圈总长为52mm，线圈下部的初始数匝线圈内径保持不变，1～5匝线圈的外径为40mm，下端线圈上部呈向上开口的喇叭状第6匝线圈的外径为44mm，第7匝线圈的外径为49mm，第8匝线圈的外径为55mm，开口角度为30°。

当采用本发明对金属样品进行无容器处理时，用支架将金属样品放入电磁悬浮线圈的空隙，调节高频电流，当电磁力足够平衡样品重力时，撤下支架。达到悬浮熔炼较大体积金属的目的。