CN102519249A - 压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的方法和装置，属于材料无接触熔炼技术领域。包括密封箱、超声波发生器、超声波换能器、高频感应电源、高频感应器、底座、抽气充气设备、红外测温仪、压力表、超声波反射端及其调节装置。超声波悬浮力和电磁悬浮力一起作用在悬浮颗粒(金属)上，或者电磁悬浮力单独作用，悬浮颗粒在高频感应器产生的高频磁场中产生电磁感应，从而被加热直到熔化。然后减小高频电源的输出功率直至关闭，熔融状态的物体单独由超声波悬浮力作用，在悬浮的状态下冷却成固体。本发明对材料的熔炼完全是在无容器状态下完成的，可以制备高纯度无杂质的合金以及对化学性质活泼的金属进行无接触熔炼。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的方法和装置，属于材料无接触熔炼技术领域。
背景技术
随着凝聚态物理研究的不断深入，人们对实验环境的要求越来越高。空间环境便是这样的一种特殊环境，它的微重力和超高真空效应对研究材料非接触处理是非常理想的实验条件。20世纪70年代以来，航天技术的迅猛发展给人们提供了越来越多的空间实验机会。航天飞机中可以提供失重的环境，对各种材料进行非接触处理，可以得到高纯度的合金和对化学性质活泼的金属进行无污染处理。但航天飞机的使用成本太高，人们迄今所能利用的空间资源仍然十分有限。因此，模拟空间环境中各种效应的地面方法应运而生。包括自由落体方法和悬浮方法。自由落体方法只能获得短时间的失重状态，而悬浮方法可以获得持续的非接触状态。
电磁悬浮技术是近些年发展起来的一种非接触熔炼技术。电磁悬浮利用高频交变电磁场在导电样品中产生感应涡流，该涡流反过来与电磁场相互作用而产生悬浮力。样品中的感应涡流同时也会转化为焦耳热，使悬浮与加热一起进行。电磁悬浮技术可以实现对具有磁性金属物体的悬浮，并且在悬浮的同时对物体进行加热，可以把金属加热到熔化状态，达到非接触熔炼的目的。但此时面临一个问题：金属合金加热到熔化状态后，关掉高频电源，金属合金停止被加热的同时也丧失了悬浮力，由于金属合金从熔融状态到固态需要一定的冷却时间，金属合金掉下时还来不及冷却到固态，在本身温度很高时与其它物体进行接触发生化学反应，金属合金的纯度受到影响，从而达不到非接触熔炼的理想效果。
目前针对金属合金电磁悬浮加热后的冷却，主要措施有金属合金熔化后冲入冷却惰性气体、使用落管技术进行冷却和双频电磁悬浮熔炼技术。冲入惰性气体的方法，气体的流动带走部分热量，由于金属合金下落时间很短，冷却效果不明显；落管技术是使熔融的材料液滴在具有一定高度的落管管体中自由下落以完成快速凝固过程，无接触冷却效果比较好，但造价很高，申请号为03133621的专利描述了一个高19.9m的落管，美国的NASA有高达108m的落管(落塔)，造价极其昂贵；双频电磁悬浮熔炼技术采用较低的频率用于悬浮，较高的频率用于快速加热，设备复杂，成本极高，且较低频率悬浮时也伴随热量的产生，冷却效果也不明显。
真空悬浮熔炼技术(即冷坩埚真空感应熔炼技术)于上世纪90年代问世，是当代最先进的材料制备技术。如专利CN00102937.1所描述的，在真空感应熔炼技术的基础上，真空悬浮熔炼技术用水冷铜坩埚代替耐火材料坩埚，并使电磁场在加热炉料的同时产生悬浮力，使熔体呈悬浮或半悬浮态。这种技术不仅消除了加热源和气氛的污染，还消除了坩埚材料的污染，能得到纯度很高的熔炼材料。这种技术同样也有缺点，熔炼结束后，熔融状态的熔炼材料将与水冷铜坩埚壁接触，尽管铜坩埚一直有水冷却，1000℃以上的熔融材料与铜坩埚接触时，熔炼材料表面也会被铜坩埚污染。
发明内容
为了解决材料无接触冷却的问题，本发明设计出一种压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的方法和装置，利用高强度超声波悬浮技术来悬浮熔融状态的材料，解决无接触冷却的问题。超声波悬浮利用的是高强度超声驻波场产生的声辐射力。在线性声学中，声压随时间呈周期性变化，声压在一个周期的时间平均值为零，所以也不会产生声辐射力。在高强度条件下，声波的非线性效应变得越来越显著，会在声压中引入一个“直流项”，这一项的时间平均值具有固定的方向和大小，从而产生声辐射力。超声波产生的辐射力是惊人的，它可以使密度比空气大几百甚至几万倍的物体克服重力而悬浮在空气中，并且悬浮物体可以是任何材料。
本发明设计出一种压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的方法和装置，实现对金属合金材料的非接触熔炼。在金属合金颗粒由高频电磁悬浮加热到熔融状态时，关闭高频电源，此后由超声波悬浮方式对熔融状态的金属合金颗粒提供悬浮力，使其继续保持在悬浮状态，直到自然冷却到固态。
本发明压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的装置包括底座、抽气充气设备、红外测温仪、非接触位置传感器、压力表、密封箱、调节锁紧机构、超声波换能器、超声波发生器、高频感应器、悬浮颗粒、高频电源、超声波反射端和调节装置。
超声波换能器连接超声波发生器。超声波换能器的辐射端、超声波反射端和高频感应器均密闭在密封箱内，且处于同一轴线上。超声波换能器在调节锁紧机构的作用下固定在底座上，并且高度可以调节，以调节悬浮颗粒的位置。超声波反射端调节装置固联在超声波反射端的下面，用来调节辐射端与超声波反射端的距离，达到驻波条件，使物体可以稳定的悬浮起来。高频感应器一般由铜管绕制，接在高频电源上，工作时，铜管内应通冷却水。
本发明的工作过程：抽气充气设备抽掉密封箱内的空气，然后冲入密封箱惰性气体，抽气与充气的过程都可以通过压力表来读取密封箱内的压力变化。金属合金颗粒预先放置在超声波反射端表面，打开超声波发生器后，通过超声波反射端调节装置来调节超声波反射端与辐射端的距离，使金属合金颗粒悬浮起来，悬浮位置正好与电磁悬浮的位置大致重合，打开高频电源，高频感应器产生变化的磁场，与悬浮颗粒相互作用产生涡流，涡流反作用于高频磁场，在悬浮颗粒上产生电磁力，同时悬浮颗粒被加热，调大功率，悬浮颗粒在超声波悬浮力和电磁悬浮力的作用下直到熔融状态。之后，慢慢调小高频电源的功率，直到关闭高频电源，熔融状态的悬浮颗粒在反馈系统的控制下自适应到超声波悬浮的位置，由超声波悬浮方式单独提供悬浮力，熔融状态的金属颗粒在悬浮状态下自然冷却直到固态，关闭超声波发生器，经过悬浮熔炼的金属颗粒落在超声波反射端表面，材料的无接触熔炼完成。
本发明的有益效果：结构简单，制造成本低，彻底完全实现了金属合金的非接触熔炼。
附图说明
图1是本发明压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的装置结构示意图，包括底座(1)、抽气充气设备(2)、红外测温仪(3)、非接触位置传感器(21)、压力表(4)、密封箱(5)、调节锁紧机构(6)、超声波换能器(7)、超声波发生器(22)、高频感应器(8)、悬浮颗粒(9)、高频电源(10)、超声波反射端(11)和调节装置(12)、导线(23)、数据处理与反馈装置(24)。
图2是本发明压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的装置所用超声换能器的示意图，包括底座(1)、调节锁紧机构(6)、压紧螺栓(13)、后盖(14)、压电片(15)、前盖(16)、变幅杆(17)、辐射端(18)、超声波反射端(11)和调节装置(12)。压电片(14)两端通超声频率的电压，压电片(15)在轴向上伸缩，经过变幅杆(17)将超声波振幅放大，通过辐射端(18)将超声波发射出去，在空气中形成超声波。超声波遇到超声波反射端(11)被反射回去与前进中的超声波相互作用，调节超声波反射端调节装置(12)使辐射端(18)和超声波反射端(11)的距离为超声半波长的整数倍，形成高强驻波，悬浮颗粒(9)克服重力悬浮起来。
图3是本发明压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的装置所用超声波换能器辐射端和超声波反射端的结构形状和产生的驻波声场的声势图。
一种实施方式：超声波换能器辐射端(18)和超声波反射端(11)均为平面结构，如图3(a)所示，声势图为辐射端(18)与超声波反射端(11)的距离大约为1.5倍波长的情况下声势的分布，悬浮颗粒可以稳定的悬浮在“+”位置。
一种实施方式：超声波换能器辐射端(18)为平面，超声波反射端(11)为曲面结构，如图3(b)所示，声势图为辐射端(18)与超声波反射端(11)的距离大约为1倍波长的情况下声势的分布，悬浮颗粒可以稳定的悬浮在“+”位置。
一种实施方式：超声波换能器辐射端(18)和超声波反射端(11)均为曲面结构，如图3(c)所示，声势图为辐射端(18)与超声波反射端(11)的距离大约为1.5倍波长的情况下声势的分布，悬浮颗粒可以稳定的悬浮在“+”位置。
图4是本发明所用的一种高频感应器的磁力线的示意图。下面的三圈线圈有一定的锥角，是悬浮线圈(20)，主要起提供悬浮力的作用；上面的一圈线圈是稳定线圈(19)，其电流方向与下面悬浮线圈(20)正好相反。稳定线圈(19)和悬浮线圈(20)电流方向相反，它们的磁场相互作用，在“×”产生势肼，悬浮颗粒可以稳定在“×”附近。
图5是本发明反馈系统对悬浮颗粒位置控制两种实施方式的示意图。
一种实施方式：如图5(a)，抽气充气设备(2)抽掉密封箱(5)内的空气，然后冲入密封箱(5)惰性气体，抽气与充气的过程都可以通过压力表(4)来读取密封箱(5)内的压力变化。悬浮颗粒(9)预先放置在超声波反射端(11)表面，打开超声波发生器后，通过超声波反射端调节装置(12)来调节超声波反射端(11)与辐射端(18)的距离，使金属合金颗粒悬浮起来，悬浮位置正好与电磁悬浮的位置大致重合，打开高频电源(10)，高频感应器(8)产生变化的磁场，与悬浮颗粒相互作用产生涡流，涡流反作用于高频磁场，在悬浮颗粒(9)上产生电磁力，同时悬浮颗粒(9)被加热。此时悬浮颗粒(9)由电磁力和声悬浮力共同作用，位置会稍向上移动，非接触位置传感器(21)捕捉到悬浮颗粒(9)位置的变化，将信号传递到数据处理与反馈装置(24)，经过处理后反馈信号传递给超声波发生器(22)，超声波发生器(22)的功率减小，使声悬浮力减小，悬浮颗粒(9)重新回到平衡位置。调大高频电源(10)的功率，作用在悬浮颗粒(9)上的电磁力继续增大，在反馈系统的控制下，超声波发生器(22)功率持续减小，悬浮颗粒(9)在超声波悬浮力和电磁悬浮力的共同作用下直到熔融状态。之后，慢慢调小高频电源(10)的功率，电磁力减小，在反馈系统的控制下，超声波发生器(22)的功率增大，声悬浮力逐渐增大，使熔融状态的悬浮颗粒(9)继续悬浮在原位置。关闭高频电源(10)，声悬浮力达到最大，此时由超声波悬浮方式单独提供悬浮力，熔融状态的金属颗粒在悬浮状态下自然冷却直到固态，关闭超声波发生器(22)，经过悬浮熔炼的悬浮颗粒(9)落在超声波反射端(11)表面，材料的无接触熔炼完成。
一种实施方式：如图5(b)，抽气充气设备(2)抽掉密封箱(5)内的空气，然后冲入密封箱(5)惰性气体，抽气与充气的过程都可以通过压力表(4)来读取密封箱(5)内的压力变化。悬浮颗粒(9)预先放置在超声波反射端(11)表面，打开超声波发生器(22)后，通过超声波反射端调节装置(12)来调节超声波反射端(11)与辐射端(18)的距离，使悬浮颗粒(9)悬浮起来，悬浮位置正好与电磁悬浮的位置大致重合，打开高频电源(10)，高频感应器(8)产生变化的磁场，与悬浮颗粒(9)相互作用产生涡流，涡流反作用于高频磁场，在悬浮颗粒上产生电磁力，同时悬浮颗粒(9)被加热。此时悬浮颗粒(9)由电磁力和声悬浮力共同作用，位置会稍向上移动，非接触位置传感器1(21)捕捉到悬浮颗粒(9)位置的变化，将信号传递到数据处理与反馈装置(24)，经过处理后将反馈信号传递给超声波发生器(22)，超声波发生器(22)的功率减小，使声悬浮力减小，悬浮颗粒(9)重新回到平衡位置。此时慢慢减小超声波发生器(22)的功率直至关闭，作用在悬浮颗粒(9)上的外力减小，位置下降，非接触位置传感器2(21)捕捉到悬浮颗粒(9)位置的变化，将信号传递到数据处理与反馈装置(24)，经过处理后将反馈信号传递给高频电源(10)，增大高频电源(10)的功率，直到作用在悬浮颗粒(9)上的电磁力和悬浮颗粒(9)的重力相平衡，电磁悬浮单独作用于悬浮颗粒(9)。悬浮颗粒(9)在电磁悬浮力的作用下稳定悬浮，同时被加热直到熔融状态。之后，慢慢调小高频电源(10)的功率，同时打开超声波发生器(22)，在反馈系统的控制下，电磁悬浮力减小的同时，超声波发生器(22)的功率得到了增大，作用在熔融状态的悬浮颗粒(9)上超声波悬浮力逐渐增大，关闭高频电源(10)后，声悬浮力达到最大，熔融状态的悬浮颗粒(9)在超声波悬浮力的作用下继续悬浮在原位置，自然冷却直到固态，关闭超声波发生器(22)，经过悬浮熔炼的金属颗粒落在超声波反射端(11)表面，材料的无接触熔炼完成。
具体实施方式
本发明的一种实施方式是：抽气充气设备抽掉密封箱内的空气，然后冲入密封箱惰性气体，抽气与充气的过程都可以通过压力表来读取密封箱内的压力变化。金属合金颗粒预先放置在超声波反射端表面，打开超声波发生器后，通过超声波反射端调节装置来调节超声波反射端与辐射端的距离，使金属合金颗粒悬浮起来，悬浮位置正好与电磁悬浮的位置大致重合，打开高频电源，高频感应器产生变化的磁场，与悬浮颗粒相互作用产生涡流，涡流反作用于高频磁场，在悬浮颗粒上产生电磁力，同时悬浮颗粒被加热，调大功率，悬浮颗粒在超声波悬浮力和电磁悬浮力的作用下直到熔融状态。之后，慢慢调小高频电源的功率，直到关闭高频电源，熔融状态的悬浮颗粒在反馈系统的控制下自适应到超声波悬浮的位置，由超声波悬浮方式单独提供悬浮力，熔融状态的金属颗粒在悬浮状态下自然冷却直到固态，关闭超声波发生器，经过悬浮熔炼的金属颗粒落在超声波反射端表面，材料的无接触熔炼完成。
本发明的一种实施方式是：抽气充气设备抽掉密封箱内的空气，然后冲入密封箱惰性气体，抽气与充气的过程都可以通过压力表来读取密封箱内的压力变化。金属合金颗粒预先放置在超声波反射端表面，打开超声波发生器后，通过超声波反射端调节装置来调节超声波反射端与辐射端的距离，使金属合金颗粒悬浮起来，悬浮位置正好与电磁悬浮的位置大致重合，打开高频电源，高频感应器产生变化的磁场，与悬浮颗粒相互作用产生涡流，涡流反作用于高频磁场，在悬浮颗粒上产生电磁力。此时关闭超声波发生器，由电磁悬浮单独作用于悬浮颗粒。悬浮颗粒在电磁悬浮力的作用下稳定悬浮，同时悬浮颗粒被加热，调大功率，悬浮颗粒在电磁悬浮力的作用下直到熔融状态。之后，慢慢调小高频电源的功率，再反馈系统的控制下，超声波发生器的功率逐渐调大，这样在电磁悬浮力减小的同时，超声波悬浮力逐渐增大，作用在熔融状态的悬浮颗粒上，关闭高频电源后，熔融状态的悬浮颗粒在超声波悬浮力的作用下继续悬浮在原位置，自然冷却直到固态，关闭超声波发生器，经过悬浮熔炼的金属颗粒落在超声波反射端表面，材料的无接触熔炼完成。
Claims (5)
1.一种压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的方法和装置，包括底座(1)、抽气充气设备(2)、红外测温仪(3)、压力表(4)、密封箱(5)、调节锁紧机构(6)、超声波换能器(7)、高频感应器(8)、悬浮颗粒(9)、高频电源(10)、超声波反射端(11)和调节装置(12)，其特征在于超声波换能器(7)的辐射端(18)、高频感应器(8)和超声波反射端(11)在同一轴线，且都密闭在密封箱(5)内，高频感应器(8)置于超声波换能器(7)的辐射端(18)和超声波反射端(11)的中间。
2.根据权利要求1所述的压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的方法和装置，其特征在于超声波换能器(7)在调节锁紧机构(6)的作用下固定在底座上，并且高度可以调节；当超声波换能器(7)固定后，超声波反射端(11)与辐射端(18)的距离可以通过超声波反射端(11)的调节装置(12)进行调节。
3.根据权利要求1所述的压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的方法和装置，其特征在于超声波换能器(7)的辐射端(18)和超声波反射端(11)之间产生高强度驻波，悬浮颗粒(9)在驻波声场中受到超声波悬浮力的作用；高频感应器(8)中产生高频磁场，与悬浮颗粒(9)相互作用产生电磁力，悬浮颗粒(9)在电磁力和声悬浮力共同作用下，克服重力悬浮，且电磁悬浮对悬浮颗粒(9)有强烈的热效应。
4.根据权利要求3所述的压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的方法和装置，其特征在于悬浮颗粒(9)由高频感应器(8)产生的高频磁场对悬浮颗粒(9)进行电磁感应加热，由电磁悬浮力和超声换能器(7)产生的超声波悬浮力共同悬浮或者单独由电磁悬浮力作用，冷却时，关闭高频电源(10)，熔融状态的悬浮颗粒(9)在反馈系统的控制下自适应到声悬浮的位置，单独由超声波悬浮力作用。
5.根据权利要求4所述的压电超声波/高频电磁混合悬浮非接触熔炼的方法和装置，其特征在于抽气充气设备(2)将密封箱(5)内的空气抽完，冲入Ar气等惰性气体，压力表(4)显示密封箱(5)内的压力变化；悬浮颗粒(9)加热和冷却的过程是在充满惰性气体的氛围下进行的；红外测温仪(3)显示悬浮颗粒(9)加热和冷却时的温度变化。
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