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

电磁悬浮熔炼技术是一种无容器材料处理加工技术,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。本文结合业以报道的电磁悬浮技术,概要叙述了近几十年来电磁悬浮技术发展概况,简要阐述了电磁悬浮基本原理,讨论了悬浮线圈的结构设计,对悬浮中的关键问题进行了分析,总结了近年来电磁悬浮技术在金属中气体分析的应用,并展望了电磁悬浮技术的应用前景及发展趋势。

电磁悬浮熔炼离心铸造设备的研制

电磁悬浮熔炼离心铸造（ＥＬＣＣ）技术是大幅度降低太阳电池硅片成本的一条新途径。报道了该设备的研制及总体设计方案，介绍了炉体、电源系统、机械系统、辅助系统及其相互配合。该设备已应用于ＥＬＣＣ技术及其相关工艺的研究。

电磁悬浮熔炼试样的最低温度计算分析

根据Clemente R A计算电磁悬浮熔炼最低温度的方法,导出在考虑辐射散热和保护性气体自然对流散热联合作用情况下,球形试样电磁悬浮熔炼最低温度的计算模型。利用该模型计算了不考虑气体散热、氩气自然对流散热、氦气自然对流散热3种情况下电磁悬浮熔炼球形试样的最低温度范围。通过对比,发现对于冷却能力差的氩气,温度计算时可以不考虑气体散热;而对于冷却能力较大的氦气,对于高密度、高电阻率、低辐射率试样只考虑辐射散热计算球形试样最低电磁悬浮熔炼温度可行;而对于低密度、低电阻率、高辐射率试样,则必须考虑氦气散热与辐射散热联合作用计算球形试样最低电磁悬浮熔炼温度。不存在外部强制冷却的情况下,高熔点、低电阻率、低密度、高辐射率的试样,保护性气体冷却能力较强,试样易于在重力环境下实现悬浮过冷;而低熔点、高电阻率、高密度、低辐射率的试样,保护性气体冷却能力较差,试样难以在重力环境下实现悬浮过冷。

电磁悬浮熔炼对A356铝合金显微组织的影响

电磁悬浮熔炼是在依靠电磁力悬浮、加热合金的同时又搅拌熔液的一种材料熔炼技术。通过调节功率使A356铝合金分别在50A、70A、90A 3个不同输出电流下进行电磁悬浮熔炼,将所得试样与常规熔炼A356铝合金锭进行对比,分析该熔炼技术对A356铝合金显微组织和密度、硬度的影响。结果表明,电磁悬浮熔炼可以明显细化合金的微观组织,提高密度、硬度等性能,并且当输出电流为70A时,合金质量改善的效果最好。

电磁悬浮熔炼的温度特性

利用一般电磁悬浮熔炼感应器 ,球形试样悬浮情况下 ,悬浮力和悬浮试样输入功率表达式 ,建立了不含悬浮感应器电流的悬浮试样输入功率表达式 .利用这些表达式 ,结合自然对流情况下 ,球形试样在气体介质中的功率耗散模型 ,建立了悬浮熔炼工艺参量与悬浮熔炼试样温度之间的关系 .以 (TbDy)Fe2 合金在Ar气保护情况下 ,在一定工艺条件下的电磁悬浮熔炼为例 ,得到了电磁悬浮熔炼各种工艺参量与悬浮试样温度的关系 .通过对计算结果的分析 ,结合实际电磁悬浮熔炼特点 ,得到了降低电磁悬浮熔炼试样最低温度的措施 :减小悬浮试样的半径 ;在能够实现悬浮的情况下 ,采用较低的电源频率 ;通过调整电源功率 ,使试样悬浮于温度最低的位置 ;减小下悬浮绕组参量Rd;增大上稳定控制绕组与下悬浮绕组的间距Sm ;增大上稳定控制绕组参量Ru;

低成本太阳电池硅片ELCC技术(Ⅰ)探索性研究

利用自行研制的离心铸片机，本文对硅片离心铸造的各主要工艺环节进行了探索性研究。通过对硅片凝固过程的控制，制得２０ｍｍ×２０ｍｍ×１，２ｍｍ具有柱状晶组织的多晶硅片，表面平整，晶粒平均尺寸０．５ｍｍ，最大尺寸１．５ｍｍ。

太阳电池硅片ELCC技术模具温场的计算机模拟

运用有限元法对太阳电池硅片电磁悬浮熔炼离心铸造（ＥＬＣＣ）技术中成形模具的稳态温度场进行了计算机模拟。模拟结果表明：当炉膛温度为１４５０℃时，在模具型腔内，中心浇口处温度最高，达到１３９０℃，边缘处温度较低，也有１３５０℃，接近硅的熔点温度；在所关心的模具型腔尺寸范围内，径向温度梯度大于３．５℃／ｍｍ，且中心浇口温度高于边缘温度，这种温度梯度分布特征有利于硅片凝固应力的及时释放，避免硅片的破裂；轴向温度梯度大于８℃／ｍｍ，这种温度梯度分布特征有利于实现硅晶粒在厚度方向上的定向生长，提高硅片的光电转换效率。

ALD悬浮熔铸新进展——FastCast

金属材料的电磁悬浮熔炼是一种加热快、热损失少、生产效率高、节能环保的感应加热技术。其利用精确设计的电磁场产生洛伦兹力抵消金属样品的重力,使之实现悬浮。熔体的无接触熔化可防止来自陶瓷坩埚材料的污染,有效避免传统冶炼过程中氧化产物、熔渣颗粒、气泡等由于重力在熔体中流动而形成的铸造缺陷。但传统的轴对称悬浮熔炼单次熔炼量过少,无法满足工业生产的大规模需求。

高频感应加热设备双频输出的设计与实践

提出并初步尝试了高频感应加热设备双频输出的设计，实现了单台电源分立双频输出；开展了单台电源连续双频输出的探索性研究，为发展单线圈双频电磁悬浮熔炼技术奠定了基础．高阻抗同轴电缆的成功研制和振荡回路的优化设计，解决了振荡回路与主振电路的连接和匹配问题，使高频感应加热设备具有最佳功率输出．

过冷度对LaFe_(10.9)Co_(0.6)Si_(1.5)合金相的形成及显微组织的影响

采用电磁悬浮熔炼的方法研究了LaFe10.9Co0.6Si1.5合金的凝固行为。应用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析了合金组织结构和相组成。结果表明:La(Fe,Si,Co)13相是包晶反应生成的,过冷度变化对合金的凝固行为有很大的影响,当ΔT≤10 K时,LaFe10.9Co0.6Si1.5合金显微组织由-α(Fe,Si)相和La(Fe,Co)Si相组成,-α(Fe,Si)相为主要相;当ΔT≥40 K时,LaFe10.9Co0.6Si1.5合金显微组织中出现La(Fe,Si,Co)13相,随过冷度增加La(Fe,Si,Co)13相增多。应用经典形核理论对此进行了解释。

大体积液态铝合金的净化和深过冷

采用无机盐类净化剂,在高频电磁悬浮熔炼装置上对大体积Al83Y10Ni7合金进行净化处理,获得了78.1℃的大过冷度;使用DSC技术和常规金相方法分析了深过冷熔体中的晶体形核和凝固组织。实验结果表明,在熔体的强制对流条件下,适当配比的无机盐净化剂有较强的微观净化效果,并使其微观组织明显细化。在自由凝固条件下,深过冷液态金属的细化效果仅受控于形核过冷度,与其体积的大小无关。

废弃脱硝催化剂铝热还原—真空磁悬浮精炼制备钛铝基合金试验研究

采用铝热还原-真空电磁悬浮熔炼法,对废弃的选择性催化还原(SCR)钛基脱硝催化剂制备Ti-Al基金属间化合物进行了试验研究。通过SEM和XRD分析,发现合金中所观察到的相主要由TiAl2,Ti5Si3和TiAl相组成,而杂质相主要以氧化物和碳化物的形式存在。随着合金的精炼,钛铝化合物的组成由富钛钛铝化合物相转变为富铝钛铝化合物相,杂质含量逐渐减少,三次精炼后的总杂质去除率可达85%以上。硬度测试表明,随着精炼次数增加,硬度呈上升趋势。这是由于高硬度的TiAl2相增加和低硬度的TiAl相减少所导致的。

熔炼难熔金属的新技术——真空悬浮熔炼技术

利用真空悬浮熔炼技术熔炼了V和V-Ta合金、Nb和Nb-Ti、Nb-Zr合金、Mo和Mo-Ti合金、Ta和Ta-Ti合金以及Co-Cr-W合金等多种难熔金属及其合金。研究发现,采用真空悬浮熔炼技术熔炼难熔金属及其合金的优点是对原料的形态没有严格的要求,炉料整体熔化并且能得到充分的电磁搅拌,合金的成分和组织均匀;合金料可以随主料一起加入坩埚,也可以在熔炼过程中或熔炼结束前加入,使合金含量的精确性得到保证;真空熔炼的条件可以有效排除杂质元素;熔炼后可以根据需要直接铸造成形状和尺寸符合要求的产品。

真空悬浮熔炼技术

悬浮熔炼技术是当代最先进的材料制备技术之一,它通过排除坩埚材料的污染,对活泼金属和合金、难熔金属和合金,以及超纯金属和合金的制备有重要意义。在悬浮熔炼技术中,冷坩埚感应熔炼技术已经得到了较多应用。介绍了对这种技术发展,包括在提高熔体悬浮能力,改进坩埚水路结构,增加设备的规格和功能等方面进行的工作,研制的设备,最大规格达到了50kg。