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李貝，張森，張偉

深圳賽邁特懸浮冶金科技有限公司

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摘要：

關(guān)于懸浮熔煉技術(shù)，作者研究了懸浮熔煉技術(shù)與離心鑄造、連續(xù)錠、區(qū)域熔融凈化、氣霧化粉等現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，提高了懸浮熔煉的技術(shù)水平。

一、前 沿

眾所周知，真空懸浮熔煉技術(shù)是當(dāng)代最先進的材料制備技術(shù)之一[1、2]，它利用真空或惰性氣體環(huán)境消除氣體雜質(zhì)污染，利用電磁懸浮力，使熔池與坩堝內(nèi)壁無接觸，消除坩堝材料對熔池材料的干擾。

然而，多年來，懸浮熔煉技術(shù)的實際應(yīng)用基本上僅限于小型實驗室研究，其原因與該技術(shù)的發(fā)展不完善有關(guān)。為了擴大懸浮熔煉技術(shù)的應(yīng)用，作者進行了大量的研究工作，提高了懸浮熔煉的技術(shù)水平。

二、研究方法

在這項工作中，懸浮熔煉技術(shù)的核心裝置是水冷紫銅坩堝（圖1）。為了使電磁場進入金屬坩堝，坩堝必須沿其軸向分割成多個花瓣；為了確保金屬坩堝在高溫下不燃燒，坩堝的每個花瓣都必須有高冷卻效果的水。

感應(yīng)電源將高頻電流輸送到坩堝周圍的感應(yīng)圈，在坩堝中形成電磁場，其熱效應(yīng)熔化坩堝中的金屬材料；電磁場與熔池表面的渦流交互產(chǎn)生羅倫茨力，即熔化過程的懸浮力。

圖1、懸浮熔煉的核心裝置 圖2顯示了懸浮熔化熔池的駝峰

圖3、懸浮熔煉錠和薄殼

三、研究成果與討論

www.csjjb.com研究提高懸浮力

懸浮效果是懸浮熔煉技術(shù)最基本的技術(shù)指標。在以往的設(shè)備中，熔池底部基本不懸浮，在坩堝底部形成一個凝殼，占爐料重量的10~20%。難以保證合金材料成分的均勻性和準確性。

本工作采取以下技術(shù)措施，提高懸浮力：

1)將感應(yīng)電源的振蕩頻率從10開始kHz提高到20～30kHz；

2)將坩堝瓣的切割縫從坩堝頂部貫穿坩堝底部，增加坩堝對電磁場的透明度。過去的坩堝底部沒有完全切割；

3)在坩堝底部設(shè)置輔助感應(yīng)圈，以獲得額外的懸浮力。

經(jīng)過上述改進[3]，電磁懸浮力顯著增強-熔池駝峰的高/徑比從過去~www.csjjb.com提高到www.csjjb.com～www.csjjb.com(圖2)熔化過程中不形成凝殼，沿冷坩堝壁傾倒鑄造時只會形成一層厚度www.csjjb.com薄殼(圖3)重量小于熔煉量的5%。懸浮力的增加不僅提高了熔煉材料的質(zhì)量，而且降低了冷卻水從坩堝壁帶走的熱量，降低了熔煉過程中的能耗。

www.csjjb.com研究提高熔煉溫度

以往懸浮熔煉設(shè)備的最高熔煉溫度一般為1800℃。但許多科研工作都希望設(shè)備能達到更高的熔煉溫度。為此，作者做了以下工作：

1)改進電磁場設(shè)計，增加坩堝中磁線密度；

2)改進坩堝的水路設(shè)計，提高坩堝的冷卻能力。

經(jīng)過不斷的努力，作者在2012年使熔煉溫度超過2萬℃(圖4)解決了熔化金屬鉻和金屬釩的技術(shù)；微信年，作者逐漸將熔化溫度提高到2600、2800和3100℃(圖5)先后解決了熔煉金屬鈮、金屬鉬、金屬鉭的技術(shù)問題。目前，作者正在將熔煉溫度提高到3600℃計劃解決熔化金屬鎢的技術(shù)困難。

圖4，最高熔煉溫度升高趨勢圖

www.csjjb.com擴大規(guī)格范圍的研究

國內(nèi)懸浮熔煉設(shè)備的規(guī)格多為www.csjjb.com～5kg范圍。作者開發(fā)了50個，以滿足客戶的需求g級的MINI型設(shè)備(圖6)和10、20kg、50kg懸浮熔煉設(shè)備的規(guī)格范圍(圖7)大大擴大。

研制MINI型設(shè)備的重點是減小設(shè)備的尺寸(約1m2)使用小功率電源(25kW)，采用自來水作為冷卻裝置，實驗室直接采用懸浮熔煉技術(shù)，無需特殊裝修和改造；

作者的工作包括：

1)增加感應(yīng)電源的功率(如250、350和650kW)；

2)提高冷卻系統(tǒng)的冷卻能力。包括增加供水壓力和流量，設(shè)置冷卻器等；

3)改進坩堝的水路設(shè)計，使坩堝每個細節(jié)的表面都能強烈冷卻——研究發(fā)現(xiàn)，這項工作實際上是增加設(shè)備規(guī)格的最關(guān)鍵因素。

圖6，50～300g級MINI懸浮熔煉設(shè)備

圖7，20kg懸浮熔煉設(shè)備等級

www.csjjb.com研究提高熔池平均度

電磁場在懸浮熔煉技術(shù)中頻率較高，因此可以形成較高的電磁懸浮力。然而，高頻電磁場的電磁攪拌力相對較低，因此通常需要反復(fù)熔需要反復(fù)熔化三次才能獲得較高的均勻性。懸浮熔煉熔煉的合金通常是4元、5元甚至更復(fù)雜的合金，使其成分更加均勻。針對這一技術(shù)問題，本工作采取了以下技術(shù)措施：

?坩堝底部吹氬，用氬氣泡攪拌熔池；

?坩堝底部加輔助感應(yīng)圈，提高坩堝底部的溫度和攪拌力；

?鎢攪拌器設(shè)置在坩堝上方。合金熔化后，將攪拌器放入熔池中幾次，短時間攪拌。當(dāng)攪拌器加熱時，立即提高攪拌器以冷卻。

通過這些措施，合金的均勻性大大提高。kg的高熵合金WTaMoNbV(等原子比)為例，采用底吹技術(shù)和攪拌技術(shù)后，兩次重熔合金成分的均勻性達到要求(見表1):

表1，W20Ta20Mo20Nb20V經(jīng)過兩次懸浮熔煉后，20合金的成分分析數(shù)據(jù)，wt.%

www.csjjb.com研究縮短熔煉周期

懸浮熔化材料多為活性金屬。因此，熔化后，鑄錠應(yīng)在爐體內(nèi)冷卻1~2小時甚至更長時間，以保持保護性氣氛。以20kg例如，雖然熔化時間只有10分鐘，但加上真空www.csjjb.com小時（包括擴散泵的加熱時間為50~60分鐘）和冷卻時間，熔化1爐約4小時，再熔化8小時（見表2）。也就是說，一個生產(chǎn)班只能得到15k ** 品。這種效率完全不適合生產(chǎn)企業(yè)的要求。

本工作在爐體下設(shè)置了冷卻室，以縮短熔煉周期。在新的運行模式下，在熔化和鑄造過程中，將錠降低到冷卻室，然后關(guān)閉爐體和冷卻室的真空閥，使錠在充滿保護氣體的冷卻室冷卻。這樣，熔化后可以盡快打開爐門，開始下一爐的熔化工作。此外，由于間隔時間短，擴散泵可以繼續(xù)加熱以保持溫度。第二爐在前泵滿足預(yù)真空要求后打開高真空閥，擴散泵可以大大縮短抽真空時間。經(jīng)過這樣的改進，熔煉周期可以縮短到不到1小時(見表2)。

表2，20kg懸浮熔煉設(shè)備的熔煉周期，min.

www.csjjb.com結(jié)合其他現(xiàn)代技術(shù)的研究

為了提高懸浮熔煉設(shè)備的技術(shù)水平，作者還進行了一系列將懸浮熔煉技術(shù)與其他現(xiàn)代材料制備技術(shù)相結(jié)合的研究。這些研究包括：

1)結(jié)合離心鑄造技術(shù)的研究(圖8)。鈦合金精密鑄造元件采用帶離心鑄造機的懸浮熔煉設(shè)備制造；

2)結(jié)合連續(xù)拉錠技術(shù)的研究[4](圖9)。利用這一技術(shù)，可以大大提高懸浮熔煉設(shè)備的生產(chǎn)效率；

3)結(jié)合區(qū)域熔融凈化技術(shù)的研究[5](圖10)。冷坩堝條件下的區(qū)域熔化處理可以解決活性金屬凈化的困難，實現(xiàn)大直徑材料的高效凈化。

四、結(jié)論

關(guān)于提高懸浮熔煉技術(shù)水平的研究，下一步的重點是進一步提高設(shè)備規(guī)格，例如開發(fā)100kg等級設(shè)備。目前國外已有規(guī)格達數(shù)百公斤的設(shè)備，相比之下，我們還有很大的差距；

作者對懸浮熔煉技術(shù)與其他現(xiàn)代材料制備技術(shù)相結(jié)合的研究進行了與氣霧化粉末制備技術(shù)相結(jié)合的研究D優(yōu)質(zhì)鈦合金粉的印刷技術(shù)提供技術(shù)。另一項計劃是懸浮熔煉與冷卻技術(shù)和納米技術(shù)相結(jié)合。

參考文獻

[1]1993年02期，羅合力、李鳳忠、北京鋼鐵研究院、錦州變壓器電爐廠、冷坩堝懸浮熔煉、真空

[2]哈爾濱工業(yè)大學(xué)、電磁冷坩堝技術(shù)及其應(yīng)用、稀有金屬材料及工程、www.csjjb.com(2005),www.csjjb.com

[3]感應(yīng)熔煉技術(shù)高懸浮能力的冷坩堝李貝，www.csjjb.com，2011

[4]李貝，感應(yīng)熔煉鈦或鈦合金的冷坩堝拉錠法，www.csjjb.com，2012

[5]李貝，制備超純材料冷坩堝區(qū)熔化設(shè)備及方法，www.csjjb.com，2012

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