CN100485063C - 一种强磁场下高温处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种强磁场下高温处理装置，主要由强磁场发生器、坩埚或结晶器、高频感应加热线圈或电阻加热元件、冷却室、加热室构成，还包括低熔点冷却剂冷却系统或抽真空系统，以及水冷套、保温层、热电偶、隔热板、夹头、支架、传动机构；利用该装置，可进行材料熔化过程的物理化学反应、净化、精炼等处理，获得洁净度更高的熔融液，可进行磁场约束下材料的单向凝固，制备组织定向的材料，可进行磁场约束下材料的热处理，可调控材料的相组成和结构，可进行磁场、高温耦合环境下材料的热加工过程模拟和力学性能的测试。
Description
技术领域
本发明涉及强磁场、高温环境下的材料熔炼、物理化学反应、净化、单向凝固、相组成调控，材料加工过程热模拟和力学性能的测试技术领域，具体涉及一种强磁场下高温处理装置。
背景技术
近些年来，超导技术的突破性发展，使得强磁场发生器的制造成为可能，特别是可配备高温加热炉、5特斯拉以上磁感应强度的强磁场装置的实现，为强磁场下材料的处理、制备和高温力学性能的测试提供了新的物理环境。
与常规磁场不同，超导强磁体具有显著磁化作用、增强的洛仑兹力作用和高磁能作用等特性。在常规磁场条件下只有铁磁性物质才表现出磁化效应，对非铁磁性物质的洛仑兹力效应只在宏观尺度上发挥作用。然而，在强磁场条件下不仅是洛仑兹力效应更加显著，更重要的是对非铁磁性物质也产生较强的磁化作用。并且强磁场的这些增强作用可达物质的原子和分子尺度，从而改变其基本物理性质，并使许多基本物理化学过程产生质的变化。
目前，在常规的高温条件下对熔融物料进行熔炼、物理化学反应、净化等技术，控制材料晶体生长、材料相组成的制备技术和高温耦合环境下的变形和力学性能测试技术等都已经得以实现。在强磁场、高温环境下的这些相关技术的研究也在探索之中。然而，目前还没有一种强磁场环境下兼具多功能的高温处理装置，特别是兼具金属液的物理化学反应、净化、精炼处理，在强磁场(5特斯拉以上)、真空环境下，高频感应加热的材料单向凝固技术、材料热处理、材料高温力学性能测试和材料加工过程热模拟技术，以及金属液的物理化学反应、净化、精炼技术的多功能及其处理装置方面还没有报道。
发明内容
针对现有强磁场条件下高温处理装置的不足之处，本发明提供一种强磁场下兼具多功能的高温处理装置。
该装置主要由强磁场发生器1、坩埚或结晶器5、高频感应加热线圈或电阻加热元件6、冷却室9、加热室17构成，还包括低熔点冷却剂冷却系统和抽真空系统，以及水冷套2、保温层16、热电偶或光学温度计7、隔热板10、低熔点冷却剂熔池18、吹气管11、夹头12和牵引头22、支架13、双传动机构14、传动机构20和电控柜21。加热室17和冷却室9通过法兰盘8连接，水冷套2用于防止强磁场发生器1受热，坩埚或结晶器5用于盛装物料3和保护渣4，热电偶或光学温度计7用于测量环境和物料3的温度，隔热板10用于隔离加热室17和冷却室9。双传动机构14既可以驱动整个装置上下移动，又可与牵引头22一起用于牵拉坩埚或结晶器5带动物料3进入冷却室9。传动机构20、双传动机构14、夹头12、牵引头22以及支架13一起可用于施加载荷。该装置的传动、加热、加载和数据采集等都由电控柜21来控制。
强磁场发生器1产生的磁场强度在1～25特斯拉，强磁场空间直径在100mm～1000mm。高频加热电源频率在10K～80KHz、功率在6KW～200KW，加热最高温度1750℃。电阻加热电源功率在10KW～30KW，加热最高温度1600℃。真空系统的极限真空度为6×10-4Pa。传动系统的抽拉速度在0.0005～300m/s。吹气系统的流量可达2m3/分钟。
本发明装置的加热室17和冷却室9采用分体结构，两者通过密封法兰盘8的螺栓相连接。加热室的加热方式可以是高频感应加热或电阻加热方式，分别形成高频感应加热室和电阻加热室。使用时，可根据需求选择将含有高频感应加热线圈或电阻加热元件6的一种加热室与冷却室相连接即形成高温处理装置。在强磁场作用下，当采用高频感应加热室时，可大大缩短金属的熔化时间，同时可以熔化较大尺寸或重量的金属，解决在强磁场下采用电阻加热方式熔化金属时间过长的不足。在强磁场作用下，当采用电阻加热室时，可以满足试样长时间保温、均热的热处理要求。加热时的气氛环境可通过真空循环风机15和吹气管11，形成真空环境或惰性气体环境。
本发明装置的冷却室安装有低熔点冷却剂熔池18和吹气管11。冷却室的冷却方式除自然冷却外，还可实现气体冷却和低熔点冷却剂熔池18的快速冷却，可实现对物料3的快淬。低熔点冷却剂熔池18周围预留有空间，当采用气体冷却时，通过真空循环风机15和吹气管11吹入氩气、氦气、氮气等气体。同时吹气管11也可以通过多向阀切换与其他辅助设备连接吹入其他气体。
本发明装置的整体，可通过双传动机构14驱动，使得加热室和冷却室连接后的整体可以上下自由移动和锁定，使得其整体能够停留在磁场的任意高度处。
本发明装置的夹头12和牵引头22可以依据加载方式(拉伸或压缩)、试样的结构采用方、圆、扁、槽、楔等多种形式。
利用本发明装置可进行磁场作用下材料熔化过程的物理化学反应、净化、精炼等处理。实施过程中，当物料3被高频感应加热线圈或电阻加热元件6熔化以后，可向物料3中添加保护渣4，使两者之间发生作用，对物料3进行物理化学反应、净化、精炼等处理，施加强磁场可控制和影响物料3和保护渣4间的相互作用以及物料3内部的物质迁移和化学反应，从而获得洁净度更高的物料3，如此也可提高物料3的过冷度。
利用本发明装置可进行磁场约束下的物料3的真空单向凝固。实施过程中，当物料3被高频感应加热线圈或电阻加热元件6熔化以后，可选择性地向物料3中添加保护渣4(或不添加)，以提高物料3的洁净度和过冷度。然后，通过双传动机构14以一定速度将物料3牵拉到冷却室9的低熔点冷却剂熔池18中，在真空环境下进行液淬或冷却，或通过双传动机构14将物料3牵拉到冷却室9的预留空间，并通过真空循环风机15和吹气管11吹入气体对物料进行气淬。由于物料3是以一定速度浸入到低熔点冷却剂熔池18中，使其传热沿单向进行，物料3内部的液固界面沿传热的反方向推进，形成真空单向凝固。施加强磁场可控制和影响液固界面前沿的物理和化学行为，由此可制备组织定向的材料。
利用本发明装置可进行磁场约束下物料3的热处理。实施过程中，当物料3被高频感应加热线圈或电阻加热元件6加热到一定温度并经保温以后，通过双传动机构14以一定速度将物料3牵拉到冷却室9的低熔点冷却剂熔池18中进行液淬，或通过双传动机构14将物料3牵拉到冷却室9的预留空间，并通过真空循环风机15和吹气管11吹入气体对物料进行气淬。通过强磁场的作用，以及控制物料的冷却强度来调控材料的相组成和结构。
利用本发明装置可进行磁场、高温耦合环境下材料力学性能的测试以及材料加工过程的热模拟。实施过程中，当物料3被高频感应加热线圈或电阻加热元件6加热到一定并经保温以后。通过双传动机构14、传动机构20、夹头12和牵引头22对物料施加压力载荷或拉伸载荷，使其在高温、力场和强磁场的作用下产生变形，对材料加工过程进行模拟，测量其力学性能和内部相组织的演变。有关热工参数、力学参数等通过电控柜21记录和控制。
因此，本发明装置具备强磁场下高温处理的多功能性，能实现强磁场、高温环境下的材料熔炼、物理化学反应、净化、单向凝固或相组成调控，以及变形和力学性能的测试。利用该装置既可进行各种单一工艺条件的使用，也可依据具体的工况条件和要求，选择性地进行以上几种功能的组合使用。
附图说明
附图为本发明装置的结构示意图。
图中：1 强磁场发生器，2 水冷套，3 物料，4 保护渣，5 坩埚或结晶器，6 高频感应加热线圈或电阻加热元件，7 热电偶或光学温度计，8 连接法兰盘，9 冷却室，10 隔热板，11 吹气管，12 夹头，13 支架，14 双传动机构，15 真空循环风机，16 保温层，17 加热室，18 低熔点冷却剂熔池，19 冷却剂循环系统，20 传动机构，21 电控柜，22 牵引头。
具体实施方式
以下具体说明本发明的实施结构。
本发明的装置主要由强磁场发生器1、水冷套2、坩埚或结晶器5、高频感应加热线圈或电阻加热元件6、冷却室9、加热室17构成，另外还包括低熔点冷却剂冷却系统、抽真空系统，以及热电偶或光学温度计7、连接法兰盘8、隔热板10、夹头12、牵引头22、支架13、双传动机构14、保温层16、传动机构20和电控柜21。在强磁场发生器1的内侧由上至下依次设置加热室17、冷却室9，加热室17和冷却室9通过连接法兰盘8连接。在加热室17内部设置坩埚或结晶器5，其内部能够盛装物料3和保护渣4。加热室17有采用高频线圈加热物料的高频感应加热室和采用电阻加热物料的电阻加热室两种形式，与冷却室9相连接构成高温处理装置的主体。高频感应加热线圈或电阻加热元件6安装在坩埚或结晶器5的外壁，实现对其内部物料的感应加热或电阻加热。水冷套2以及水冷套2内壁的保温层16构成加热室17的侧壁，在加热室17的底部安装有隔热板10。用于测量加热室17室温或物料温度的热电偶或光学温度计7插入加热室17中。在强磁场发生器1外侧设置支架13，夹头12通过传动机构20与支架13顶部连接，夹头12伸入加热室17内、坩埚或结晶器5内物料3的上方。在装置下部设置双传动机构14，其内缸传动杆穿过冷却室9和加热室17，顶部与坩埚或结晶器5底部连接，可牵引坩埚或结晶器5进入冷却室9。该装置还设有抽真空系统和低熔点冷却剂冷却系统。抽真空系统由真空循环风机15、吹气管11构成，真空循环风机15的出口管线即吹气管11插入冷却室9中。低熔点冷却剂冷却系统由低熔点冷却剂熔池18、冷却剂循环系统19构成，冷却剂循环系统19的进、出口管线与冷却剂熔池18连接，冷却剂熔池18安装在冷却室9内底部。双传动机构14的外缸传动杆与加热室17、冷却室9构成的整体相连接，能驱动整体上下移动，使得物料3进行实验的物理位置能够位于强磁场发生器1的特定位置，以满足实验对强磁场参数的要求。
该装置的运作方法根据不同的用途举例如下：
1、利用该装置可进行磁场作用下材料熔化过程的物理化学反应、净化或精炼处理。实施过程中，物料3被高频感应加热线圈或电阻加热元件6熔化以后，向物料3中添加保护渣4，施加强磁场，磁场强度在1～25特斯拉，使两者之间发生作用，对物料3进行物理化学反应、净化或精炼处理。施加强磁场可控制和影响物料3和保护渣4间的相互作用以及物料3内部的物质迁移和化学反应，从而获得洁净度更高的物料3，如此也可提高物料3的过冷度。
例：Φ8×10mm的Cu-25％Co合金的净化处理。首先将合金和作为保护渣的专用玻璃放入洁净的石英试管中。通过真空循环风机15对系统抽真空、并吹入氩气。再通过双传动机构14将装置提升，使得合金试样位于强磁场发生器1的磁化力最大的位置区域。施加强磁场，磁场强度10特斯拉。采用高频加热室17将合金和玻璃熔化。过程中，玻璃与合金中的杂质发生反应，形成不溶于合金液体的固体，强磁场的作用促进两者间的反应，同时也促进杂质颗粒向表面迁移，使合金液体得到净化。合金和玻璃熔体过热至1750℃后，切断电源，自然冷却凝固。过程中，通过光学温度计7记录冷却曲线，合金的再辉过冷度达100～150℃。
2、利用该装置进行磁场约束下的物料3单向凝固。实施过程中，当物料3被高频感应加热线圈或电阻加热元件6熔化以后，向物料3中添加保护渣4，以提高物料3的过冷度，施加强磁场，磁场强度在1～25特斯拉。然后，通过双传动机构14以一定速度将物料3牵拉到冷却室9的低熔点冷却剂熔池18中进行液淬，或通过真空循环风机15和吹气管11吹入气体对物料进行气淬。由于物料3是以一定速度浸入到低熔点冷却剂熔池18中，使其传热沿单向进行，物料3内部的液固界面沿传热的反方向推进，形成单向凝固。施加强磁场可控制和影响液固界面前沿的物理和化学行为，由此可制备组织定向的材料。
例1：Φ10×100mm的Ni-16％Cr合金的单向凝固，首先通过真空循环风机15对系统抽真空。再通过双传动机构14将装置提升，使得以镓铟合金为低熔点冷却剂的熔池18的液面位于强磁场发生器1的磁感应强度最大的位置区域。施加强磁场，磁场强度6特斯拉。采用高频加热室17将合金加热，2～3分钟后合金试样熔化、保温。通过双传动机构14和牵引头22使得试样快速抽拉到冷却室9，再以0.001～0.2mm/s的速度进行液淬，获得枝晶定向排列的凝固组织。
例2：Φ20×100mm的Al-10％In合金的单向凝固，首先通过真空循环风机15对系统抽真空。再通过双传动机构14将装置提升，使得以镓铟合金为低熔点冷却剂的熔池18的液面位于强磁场发生器1的磁化力最大的位置区域。施加强磁场，磁场强度12特斯拉。采用电阻加热室17将合金加热，20～30分钟后合金试样熔化。通过双传动机构14和牵引头22使得试样快速抽拉到冷却室9，再以0.0005～0.01mm/s的速度进行液淬，获得枝晶定向排列的凝固组织。
3、利用该装置进行磁场约束下的物料3热处理。实施过程中，当物料3被高频感应加热线圈或电阻加热元件6到一定温度并经保温以后，施加强磁场，磁场强度在1～25特斯拉。通过传动机构14以一定速度将物料3牵拉到冷却室9的低熔点冷却剂熔池18中进行液淬，或通过真空循环风机15和吹气管11吹入气体对物料进行气淬。通过强磁场的作用，以及控制物料的冷却强度来调控材料的相组成和结构。
例：Φ30×130mm的Fe-0.45％C合金的热处理。首先通过真空循环风机15对系统抽真空。通过双传动机构14将装置提升，使得合金试样位于强磁场发生器1的磁化力最大的位置区域。施加强磁场，磁场强度6特斯拉。采用电阻加热室17将合金加热到1100℃，保温1小时后，通过双传动机构14和牵引头22使得试样快速抽拉到冷却室9，一种冷却方式是使试样以100mm/s的速度直接进入以镓铟合金为低熔点冷却剂的熔池18进行快速液淬，另一种冷却方式是通过真空循环风机15和吹气管11以1.5m3/分钟的流量通入氩气，使得试样快速冷却。均可获得组织细小的合金组织。
4、利用该装置可进行磁场、高温耦合环境下材料力学性能的测试和材料加工过程的热模拟。实施过程中，施加强磁场1～25特斯拉，当物料3被高频感应加热线圈或电阻加热元件6加热到一定温度并经保温以后。通过双传动机构14和夹头12对物料施加压力或拉伸载荷，使其在高温和强磁场的作用下产生变形，测量其力学性能或进行材料加工过程的热模拟。
例1：Φ10×130mm的12CrMoV合金的定速率拉伸实验。首先通过真空循环风机15对系统抽真空。通过夹头12和牵引头及双传动机构14和传动机构20夹紧试样，再通过双传动机构14将装置提升，使得合金试样的中心位于强磁场发生器1的磁感应强度最大的位置区域。施加强磁场，磁场强度12特斯拉。采用电阻加热室17将合金加热到1100℃，保温1小时后，通过电控柜21对试样施加1×10-2/s的定速率拉伸，过程中通过电控柜21记录试样所受拉力和位移数据，直至试样被拉断，测试合金在高温、强磁场和力场作用下的应力-应变曲线、拉伸率和断面收缩率等。
例2：Φ10×130mm的HSLA钢的加工变形热模拟。首先通过真空循环风机15对系统抽真空。通过夹头12和牵引头及双传动机构14和传动机构20夹紧试样，再通过双传动机构14将装置提升，使得合金试样的中心位于强磁场发生器1的磁感应强度最大的位置区域。施加强磁场，磁场强度6特斯拉。采用电阻加热室17将合金加热到1150℃，保温5分钟，然后以10℃/s的速率冷却到变形温度(如，1100℃、900℃、800℃)，保温10分钟。施加变形速率为0.05s-1、1s-1或5s-1的压缩变形，变形量为40％。通过电控柜21记录合金在高温、强磁场和力场作用下的应力-应变曲线，测试合金试样的再结晶行为。
Claims (7)
1、一种强磁场下高温处理装置，包括强磁场发生器(1)、水冷套(2)、坩埚或结晶器(5)、高频感应加热线圈或电阻加热元件(6)、冷却室(9)、加热室(17)、电控柜(21)，其特征在于在强磁场发生器(1)的内侧由上至下依次设置加热室(17)、冷却室(9)，加热室(17)和冷却室(9)通过连接法兰盘(8)连接，在加热室(17)内部设置坩埚或结晶器(5)，高频感应加热线圈或电阻加热元件(6)安装在坩埚或结晶器(5)的外壁，水冷套(2)以及水冷套内壁的保温层(16)构成加热室(17)的侧壁，在加热室(17)的底部安装有隔热板(10)，热电偶或光学温度计(7)插入加热室(17)中，在强磁场发生器(1)外侧设置支架(13)，夹头(12)通过传动机构(20)与支架(13)顶部连接，夹头(12)伸入加热室(17)内、坩埚或结晶器(5)内物料(3)的上方，在装置下部设置双传动机构(14)，其内缸传动杆穿过冷却室(9)和加热室(17)，顶部与坩埚或结晶器(5)底部连接，外缸传动杆与加热室(17)、冷却室(9)构成的整体相连接，该装置还设有抽真空系统和低熔点冷却剂冷却系统。
2、按照权利要求1所述的强磁场下高温处理装置，其特征在于抽真空系统由真空循环风机(15)、吹气管(11)构成，真空循环风机(15)的出口管线即吹气管(11)插入冷却室(9)中；低熔点冷却剂冷却系统由低熔点冷却剂熔池(18)、冷却剂循环系统(19)构成，冷却剂循环系统(19)的进、出口管线与冷却剂熔池(18)连接，冷却剂熔池(18)安装在冷却室(9)内底部。
3、按照权利要求1所述的强磁场下高温处理装置，其特征在于加热室(17)和冷却室(9)采用分体结构，两者通过连接法兰盘(8)相连接，加热室(17)有采用高频线圈加热物料的高频感应加热室和采用电阻加热物料的电阻加热室两种形式，与冷却室(9)相连接构成高温处理装置的主体。
4、权利要求1所述的强磁场下高温处理装置的应用，其特征在于用于磁场作用下材料熔化过程的物理化学反应、净化或精炼处理，实施过程中，当物料(3)被高频感应加热线圈或电阻加热元件(6)熔化以后，向物料(3)中添加保护渣(4)，使两者之间发生作用，在强磁场的作用下对熔融物料(3)进行物理化学反应、净化或精炼处理，获得高洁净度的物料(3)，或提高物料(3)的过冷度。
5、权利要求1所述的强磁场下高温处理装置的应用，其特征在于用于磁场约束下的熔融物料(3)的真空单向凝固，实施过程中，当物料(3)被高频感应加热线圈或电阻加热元件(6)熔化以后，向物料(3)中添加保护渣(4)，提高熔融物料(3)的洁净度和过冷度，或不添加保护渣(4)，然后，通过双传动机构(14)将物料(3)牵拉到冷却室(9)的低熔点冷却剂熔池(18)中，在真空环境下进行液淬或冷却，或通过双传动机构(14)将物料(3)牵拉到冷却室(9)的预留空间，并通过真空循环风机(15)和吹气管(11)吹入气体对物料进行气淬，通过强磁场的作用，制备组织定向的材料。
6、权利要求1所述的强磁场下高温处理装置的应用，其特征在于用于磁场约束下物料(3)的热处理，实施过程中，当物料(3)被高频感应加热线圈或电阻加热元件(6)加热到一定温度并经保温以后，通过双传动机构(14)将物料(3)牵拉到冷却室(9)的低熔点冷却剂熔池(18)中进行液淬，或通过双传动机构(14)将物料(3)牵拉到冷却室(9)的预留空间，并通过真空循环风机(15)和吹气管(11)吹入气体对物料进行气淬，通过强磁场的作用，以及控制物料的冷却强度来调控材料的相组成和结构。
7、权利要求1所述的强磁场下高温处理装置的应用，其特征在于用于磁场、高温耦合环境下材料力学性能的测试以及材料加工过程的热模拟，实施过程中，当物料(3)被高频感应加热线圈或电阻加热元件(6)加热到一定并经保温以后，通过双传动机构(14)、传动机构(20)、夹头(12)和牵引头(22)对物料施加压力载荷或拉伸载荷，使其在高温、力场和强磁场的作用下产生变形，对材料加工过程进行模拟，测量其力学性能和内部相组织的演变，有关热工参数、力学参数通过电控柜(21)记录和控制。
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