CN108183632A - 一种对电磁悬浮液态金属的形态进行调控的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对电磁悬浮液态金属的形态进行调控的方法，(1)根据球形悬浮合金的尺寸制作具有优化结构的电磁悬浮线圈；(2)将线圈安装在高频电源上，线圈内部采用水循环进行冷却。将合金置于该线圈中进行悬浮加热，通过调节线圈中的激励电流、频率，控制样品的加热功率与悬浮稳定性，直到样品熔化为液态；(3)通过调节线圈中的激励电流、频率，改变周围空间的电磁场，控制液态金属的悬浮位置和轮廓，达到对熔体形态进行无接触精细调控的目的。本发明通过特定的电磁悬浮线圈结构和线圈激励电流，对金属及合金熔体的形态进行无接触调控，可对直径5～50mm的熔体进行无接触调控。

Description

一种对电磁悬浮液态金属的形态进行调控的方法

技术领域

本发明属于新型材料制备、电磁悬浮技术领域，涉及一种对电磁悬浮液态金属的形态进行调控的方法，特别涉及一种基于电磁感应原理对悬浮状态下液态金属及合金形态进行无接触调控的方法。

背景技术

通过各种无容器处理技术研究液态物体时(如测定表面张力和预测液体轮廓等)，均会涉及到物体形态的调控。声悬浮无容器处理技术是借助声辐射压力使物体在空中悬浮，其特征是悬浮力较弱，稳定性较好，温度影响大。该技术可悬浮密度最大的金属铱，也作为新的药物运输方式用于生物或医药行业。利用声悬浮技术可对液体进行多种形态的调控，在单轴式声悬浮装置中通过调节声压可使直径约4mm的水滴从球形逐渐挤压为饼状液滴，见文献“Xie W J,Wei B.Dynamics of acoustically levitated disk samples[J].Physical Review E Statistical Nonlinear&Soft Matter Physics,2004,70(4):046611.”，也可以激发悬浮液滴的非轴对称大幅振荡，获得不同的扇谐振荡模态，不同模态的液滴呈现圆形、三角形等多种形态，见文献“沈昌乐,解文军,魏炳波.声悬浮液滴扇谐振荡的数字图像分析与表面张力测定[J].中国科学:物理学,力学,天文学,2010,40(10):1240-1246.“。但是由于悬浮力较弱，目前只能开展较小质量(毫克级)的液滴悬浮实验。静电悬浮技术是借助静电力使材料平衡重力，目前使用该技术悬浮液滴尺寸最大为6mm，质量不足1g，在此条件下液滴均呈近似球形，进一步增加质量，液态物体会在电场作用下被电场力拉伸呈竖直的椭球状，见文献“Song S P,Li B Q.A coupled boundary finite elementmethod for the computation of magnetically and electrostatically levitateddroplet shapes[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering,1999,44(8):1055-1077.”。该无容器处理技术中熔体形态主要呈球状，表面张力的大小阻碍了液滴质量的增加。纵观以上2种悬浮技术，悬浮技术的基本原理决定了悬浮液体质量增加更为困难，尤其是限制了液体形态的多样性调控。

电磁悬浮无容器处理技术广泛应用于新材料制备、高纯金属熔炼和材料凝固等领域，具有稳定性好、悬浮力强和悬浮与加热同时进行的特点。目前，电磁悬浮无容器处理技术所使用的样品质量在0.5～1g、直径约6mm的金属球体。Yasuda等人，见文献“Yasuda H,Ohnaka I,Ninomiya Y,et al.Levitation of metallic melt by using thesimultaneous imposition of the alternating and the static magnetic fields[J].J Cryst Growth, 2004,260(3–4):475-485.”针对质量1g液态铜在外加磁场下的振动模式进行系统地研究，从液态纯铜悬浮照片观察到形态多为球形，并且外加磁场可进一步改善悬浮状态的球形度；重庆大学石万元等人，见文献“Song Q H,Shi W Y.Influence ofhorizontal static magnetic field on the stability of electromagneticlevitated Cu molten droplet[J].Acta Phys Sin,2014,63(24):248504.”使用直径16mm、总匝数5匝的电磁悬浮线圈悬浮熔化质量约2g的纯铜，高速CCD图像清晰显示液态金属表面剧烈震动；Schmon等人，见文献“Schmon A,Aziz K,Pottlacher G.DensityDetermination of Liquid Copper and Liquid Nickel by Means of Fast ResistivePulse Heating and Electromagnetic Levitation[J]. Metallurgical and MaterialsTransactions A,2015,46(6):2674-2679.”利用电磁悬浮技术测量液态Cu和Ni的密度，所使用的线圈匝数约12匝，液态金属轮廓较前两者变形幅度略大。在此基础上，研究者依靠红外测温计、高速摄像机等多种检测设备对液态金属悬浮行为进行分析，测得了不同温度下液态金属的密度、比热等多种热物理性质。从上述案例可发现，悬浮实验均是针对小质量金属进行，依靠较小尺寸，液态金属在电磁力、表面张力、重力等多重因素作用下可依然保持良好的球形度，此类尺寸的液态金属稳定形态呈球形或者近似球形。同时说明电磁线圈是液态金属得以悬浮的技术支撑。

当前的电磁悬浮技术针对液态金属形态的有效调控方法还十分欠缺。在悬浮质量为数克以上的金属中，多重因素作用下的金属悬浮行为会发生显著变化，质心位置不当可能会造成熔体滴流，而后续开展的实验(如凝固界面迁移监测、密度的测量和数字化图像的再分析或重构，见文献“Bakhtiyarov S,Dupac M,Overfelt R A.Shape recovery of alevitated aspherical droplet from 2D image information[J].Journal of FluidsEngineering-Transactions of the Asme,2006,128(3):463-466”等)需要具有特定的稳态形态特征的熔体作为前提。所以，高效地、快捷地调控电磁悬浮状态下液态金属的稳定形态成为该技术关键点。到目前为止，部分论文针对特定线圈中的金属形态进行了预测，针对液态金属形态进行调控的研究报告还十分少见。

目前针对金属的半悬浮电磁熔炼技术研究报道，见文献“Bojarevics V,HardingR A, Pericleous K,et al.The development and experimental validation of anumerical model of an induction skull melting furnace[J].Metallurgical andMaterials Transactions B-Process Metallurgy and Materials Processing Science,2004,35(4):785-803.”，熔体被器壁约束(如铜坩埚熔炼中材料与器壁存在软接触)只能调节与气体接触的液面轮廓，所以形态多为锥形或梯形，这是因为大多数洛伦兹力分布于侧面空间所致，而底部仍与坩埚壁相互接触。而在电磁悬浮无容器处理技术中，可对液态金属全表面实施调控。其原理如下：电磁悬浮线圈的匝数与空间布置策略对悬浮区域磁场分布有着直接作用，从而影响金属体中洛伦兹力分布，这是悬浮成功与否的关键所在，也是进一步调控金属熔体形态的前提。在本发明专利中通过适当的线圈构型、激励电流幅值和电流频率三个关键参数间的关系来调控金属熔体形态，使其在新的电磁压力、重力和表面张力共同作用下得以平衡。利用该方法可以设计金属熔体的悬浮形态，如球形、长锥形或菱形等形状。

为方便表征液态金属形态的变化，假设其形态呈竖直轴对称，提取其稳定形态的竖直方向高度h与水平方向宽度a，比值d＝h/a即为熔体相对于球形的形变量。可推断，当液态金属的形态为球形时其值为1，若两侧压力分布较强，液态金属趋向于上下拉伸状；若上下侧压力更强，液态金属存在压扁的趋势。所以电磁悬浮小质量金属时该值在1附近，但当悬浮较大体积或质量的金属时，该值存在较大的变化。如在实验中发现，悬浮质量约10g的金属铝球，铝球形态形变量在0.8～1.7之间，呈现多种不同的悬浮状态。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种对电磁悬浮液态金属的形态进行调控的方法,通过特定设计的电磁悬浮线圈进行悬浮、加热和熔化操作之后，调控液态金属形态至多种稳定形态，为后续进行的实验操作提供有力的技术保障。

技术方案

一种对电磁悬浮液态金属的形态进行调控的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据悬浮合金的尺寸制作电磁悬浮线圈；所述电磁悬浮线圈的内径为金属球直径的50％～200％；当合金直径为5～50mm时，电磁悬浮线圈的匝数为5～20 匝，匝间距为0.1～2mm；

步骤2：将线圈安装在高频电源上，线圈内部采用水循环进行冷却；将合金置于线圈中，计算初始激励电流，然后在20～3000A范围内调节线圈中的激励电流幅值，对合金进行悬浮加热呈现为悬浮状态并熔化为液态金属；调节电流的变化速度为1～ 30A/s，变化时间为1～50s，电流变化上下限值分别为在初始激励电流基础上增加或减小20％；

初始激励电流

式中，I为电流幅值，G_m为金属小球重力，μ₀为真空磁导率，R为金属球体样品半径，G(x)是与趋肤深度相关的无量纲函数，A(z)是与线圈结构相关的函数，ω为电流角频率，μ为相对磁导率，σ为样品电导率；

步骤3：当合金熔化为液态金属后，继续调节线圈中的激励电流幅值改变悬浮位置；

在调控位置时，调节电流的变化速度为1～40A/s，变化时间为1～5s，电流变化上下限值分别为在初始激励电流基础上增加或减小20％；

在形态调控时，所述电流调节速度为5～80A/s，历时1～10s，电流变化范围为初始激励电流的0.8倍～3倍，可使液态金属的轮廓连续变化，其典型形变量d＝h/a的变化范围在0.8～1.7之间。

所述步骤2或步骤3中，在10～1000kHz范围内调节线圈中的电流频率，对合金进行悬浮加热呈现为悬浮状态并熔化为液态金属，改变位置调控形态调控。

所述电磁悬浮线圈采用柱形或锥形结构。

所述电磁悬浮线圈采用单层或多层线圈结构。

所述电磁悬浮线圈的采空心铜导线，其壁厚在0.3～3mm，其外径3～10mm。

有益效果

本发明提出的一种对电磁悬浮液态金属的形态进行调控的方法，特别涉及一种基于电磁感应原理对悬浮状态下液态金属形态进行无接触调控的方法。包括以下工艺步骤：(1)根据球形悬浮合金的尺寸制作具有优化结构的电磁悬浮线圈；(2)将线圈安装在高频电源上，线圈内部采用水循环进行冷却。将合金置于该线圈中进行悬浮加热，通过调节线圈中的激励电流、频率，控制样品的加热功率与悬浮稳定性，直到样品熔化为液态；(3)通过调节线圈中的激励电流、频率，改变周围空间的电磁场，控制液态金属的悬浮位置和轮廓，达到对熔体形态进行无接触精细调控的目的。本发明通过特定的电磁悬浮线圈结构和线圈激励电流，对金属及合金熔体的形态进行无接触调控，可对直径5～50mm的熔体进行无接触调控。

针对当前液态金属形态无法有效调控的问题，本发明借助结构优化的电磁悬浮线圈，通过调节线圈的激励电流，对处于全悬浮状态的金属形态进行无接触调控，可改变液态金属至多种稳定形态，形变量在0.8～1.7之间(如球形、长锥形或菱形等其它形状)，为后续的相关实验操作提供有力保障。

附图说明

图1是电磁悬浮初始状态示意图。

图2是激励电流为I₁时液态金属“椭圆形”形态特征，其形变量d＝1.45。

图3是激励电流为I₂时液态金属“锥形”形态特征，其形变量d＝1.05。

图4是激励电流为I₃时液态金属“菱形”形态特征，其形变量d＝0.90。

图中1、2为线圈区域，3为悬浮试样初始形态。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明技术解决方案，包括以下工艺步骤：

步骤1：根据母合金尺寸，设计出相应的特定结构电磁悬浮线圈。

线圈悬浮电流近似计算公式为：

式中，I为电流幅值，G_m为金属小球重力，μ₀为真空磁导率，R为金属球体样品半径，G(x)是与趋肤深度相关的无量纲函数，A(z)是与线圈结构相关的函数，ω为电流角频率，μ为相对磁导率，σ为样品电导率。

线圈设计需要注意以下几点：

(1)线圈内径的选择。内径的大小关系到空间磁场的强弱，在满足线圈容纳悬浮金属样品的前提下，线圈内径为金属球直径的50％～200％；

(2)线圈匝数的选择。匝数是另一个决定磁场的因素，过多的匝数并不能有效提升悬浮空间的磁场强度，而太少会导致悬浮能力太弱，悬浮线圈组总体以5～20匝为宜，稳定线圈组1～5匝，间距约0.1～2mm。

(3)线圈的空间分布关系到悬浮的稳定性、加热效率和液态金属形态等方面。针对密度较小或电导率较高的金属体(如：铝、铜)，采用柱形或锥形结构；若悬浮质量较高和电导率较低的金属体(如金属钛)，可采用双层线圈结构；若悬浮金属尺寸较小 (r<5mm)，采用单层柱形线圈一般可满足悬浮熔炼要求；若尺寸较大(r>5mm)，采用双层线圈可显著提高悬浮能力。若轮廓形变量d的变化范围要求在0.9～1.3之间，单层圆柱与双层锥形结构均可实现；若进一步获取大形变量的液态金属，可使用悬浮性能较好的双层线圈结构。

步骤2：将线圈与高频电源的输出端口连接，将合金置于该线圈之中：所述线圈直径大于合金直径，线圈内部采用水循环进行冷却，通过高频电源的电流调节旋钮，线圈的激励电流从0以5～80A/s的增速调节至电流I₁。

样品的吸收功率通过以下公式近似^[9]计算。

式中，F₁(x)是与趋肤深度相关的函数，B(z)是与线圈结构相关的函数。从公式(4)和(5)可知，在给定悬浮线圈结构条件下，样品的吸收功率与电流频率成近似的正相关，这意味着频率越高达到同样的加热效果用时越短，一般设定电流频率f在10～1000 kHz之间。

初始电流幅值I₁的选择。在确定了线圈结构和电流频率的前提下，针对目标悬浮位置z，假设样品重量为G_m，当悬浮力与重力平衡时，通过公式(1)确定悬浮电流 I₁，随着样品悬浮加热熔化过程的进行，对其状态进行进一步调节。

随着悬浮加热的时间增加，悬浮体温度逐渐上升，由于电导率与温度之间存在特定的变化关系。所以施加的电流I₁会使悬浮样品位置会发生偏移。为了消除偏移引起样品的振动，需要重新调节悬浮电流。如果样品悬浮位置下降，说明初始电流I₁所产生的悬浮力变小，此时可适当增加悬浮电流使样品上升至目标位置；如果样品悬浮位置较目标位置高，则通过减小悬浮电流实现目的。调节电流的变化速度为1～40A/s，变化时间为1～5s，电流变化上下限为I₁±20％I₁。

步骤3：在初始电流的基础上，使得合金在电磁悬浮线圈中呈现为悬浮状态并熔化为液态金属。

针对不同类型的样品，悬浮加热阶段的时间经历约1分钟至半小时不等，若电流频率f的加热时间过长(过短)，可根据(4)式适当增加(减小)电流频率，提高(降低)样品的吸收功率。值得注意的是，此时增加电流频率主要存在两方面的作用：一是，增加了吸收功率，而样品热量向外的耗散功率几乎不变，所以提高了升温速率；二是，根据公式(1)，频率增加会引起悬浮力增加，此时样品的悬浮位置会发生相应变化。反之亦然。经过长时间反复调节电流悬浮加热金属，固态样品逐渐熔化成液态，且液体所有表面与器壁无任何接触，均通过电磁力约束悬浮在电磁线圈之中，从而实现液态金属的电磁悬浮。

步骤4：微量调节高频电源的电流和频率，控制液态金属的悬浮位置和轮廓。

根据目标金属形态与当前金属形态的关系，通过高频电源的电流调节旋钮来调节线圈激励电流，电流调节速度为5～80A/s，历时1～10s，电流变化范围约0.8I₁～3I₁。若目标金属形态为长锥形，降低电流至I₂，减弱空间的磁场分布，液态样品的悬浮位置也相应的降低，调节金属轮廓至长锥形；若目标金属形态截面为菱形，此时稳定线圈组与悬浮线圈组对样品表面存在强度几乎一样的作用力，通过提高线圈激励电流至 I₃，增加的空间磁场使样品整体升高，此时样品下表面受到较强洛伦兹力，同时样品上表面与稳定线圈距离十分接近，也存在较强洛伦兹力，调控液态金属轮廓截面至菱形状。

电流在连续调节过程中从电流较低时(I₂)的长锥形截面至电流较高时(I₃)菱形截面，这是液态金属轮廓的两种极端情况。在电流连续变化过程中，轮廓可以出现多种不同的过渡状态。若金属尺寸较小(r<5mm)，在洛伦兹力、表面张力和重力作用下，可调控其为近似球形、椭圆形。

在悬浮密度较大(>4.5g/cm³)和尺寸较大的(r>5mm)金属体时，上述柱形线圈产生的悬浮力不足以使样品上升至较高位置，所以不能显著地调控金属形态。此时，可针对该金属样品特性设计悬浮性能更强大的电磁线圈，如向下锥形结构的单层线圈、双层线圈结构等，同时改变电流频率与幅值实现大形变的调控目的。

利用本发明提供的电磁悬浮条件下调控液态金属形态的方法，用金属铝获得悬浮状态下长锥形熔体稳定形态的具体实施例：

(1)电磁悬浮线圈的设计：所悬浮的铝球质量约11g，其直径为20mm，考虑铝球密度较小，导电率较高，设计出一种内径为30mm的圆柱形线圈，其匝数为10匝。

(2)合金的悬浮和熔化：根据悬浮力计算公式(1)，在200～300A之间，通过高频电源的电流调节旋钮调节激励电流值，使合金在电磁悬浮线圈中稳定地悬浮。借助涡流加热悬浮试样，在频率约54kHz的电流作用下，约5分钟后，悬浮固态金属铝熔化成液态。

(3)液态金属形态的调控：电流幅值在200～500A，电流频率为100～200kHz，调节激励电流改变空间磁场的分布。借助磁场分布的改变，使电磁感应产生的洛伦兹力在液态金属表面重新分布。在重力、表面张力与洛伦兹力的共同作用下，液态金属的质心会发生移动同时产生多种新的稳定形态：“长锥形”→“球形”→“菱形”。

Claims (5)

1.一种对电磁悬浮液态金属的形态进行调控的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据悬浮合金的尺寸制作电磁悬浮线圈；所述电磁悬浮线圈的内径为金属球直径的50％～200％；当合金直径为5～50mm时，电磁悬浮线圈的匝数为5～20匝，匝间距为0.1～2mm；

步骤2：将线圈安装在高频电源上，线圈内部采用水循环进行冷却；将合金置于线圈中，计算初始激励电流，然后在20～3000A范围内调节线圈中的激励电流幅值，对合金进行悬浮加热呈现为悬浮状态并熔化为液态金属；调节电流的变化速度为1～30A/s，变化时间为1～50s，电流变化上下限值分别为在初始激励电流基础上增加或减小20％；

初始激励电流

式中，I为电流幅值，G_m为金属小球重力，μ₀为真空磁导率，R为金属球体样品半径，G(x)是与趋肤深度相关的无量纲函数，A(z)是与线圈结构相关的函数，ω为电流角频率，μ为相对磁导率，σ为样品电导率；

步骤3：当合金熔化为液态金属后，继续调节线圈中的激励电流幅值改变悬浮位置；

在调控位置时，调节电流的变化速度为1～40A/s，变化时间为1～5s，电流变化上下限值分别为在初始激励电流基础上增加或减小20％；

在形态调控时，所述电流调节速度为5～80A/s，历时1～10s，电流变化范围为初始激励电流的0.8倍～3倍，可使液态金属的轮廓连续变化，其典型形变量d＝h/a的变化范围在0.8～1.7之间。

2.根据权利要求1或2所述对悬浮状态下高温液态金属的形态进行无接触调控的方法，其特征在于：所述步骤2或步骤3中，在10～1000kHz范围内调节线圈中的电流频率，对合金进行悬浮加热呈现为悬浮状态并熔化为液态金属，改变位置调控形态调控。

3.根据权利要求1或2所述对悬浮状态下高温液态金属的形态进行无接触调控的方法，其特征在于：所述电磁悬浮线圈采用柱形或锥形结构。

4.根据权利要求1或2所述对悬浮状态下高温液态金属的形态进行无接触调控的方法，其特征在于：所述电磁悬浮线圈采用单层或多层线圈结构。

5.根据权利要求1所述对悬浮状态下高温液态金属的形态进行无接触调控的方法，其特征在于：所述电磁悬浮线圈的采空心铜导线，其壁厚在0.3～3mm，其外径3～10mm。