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1、金属电磁悬浮原理及应用上海交通大学古亮亮金属电磁悬浮原理及应用（上海交通大学材料科学与工程学院古亮亮5081619054）摘要：金属电磁悬浮是电磁感应及电磁力原理应用于材料加工中的一种工程化加工手段，在材料加工领域仍是一门比较新的技术。它最主要应用是在悬浮金属熔炼方面，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【1】。本文主要就其主要原理进行了简要分析，介绍了悬浮熔炼的优点，并列举了悬浮熔炼在材料加工中的主要应用，简单介绍了近几年悬浮熔炼在新材料制备方面取得的成果。关键词：悬浮熔炼电磁悬浮原理应用新材料制备1.引言与传统的材料制
2、备技术如铸造、定向凝固等相比，电磁悬浮(Electromagneticlevitation，EML)技术应该仍然算是材料制备领域中比较新型的技术，虽然其历史可以追溯到1923年（由Muck提出利用高频电磁场对金属进行悬浮，并申请了“悬浮融熔”专利【2】），但是真正进行有效的材料制备是在20世纪60年代之后，如此看来，这项技术甚至比如今仍然很热门的快速凝固技术还要“年轻”。如此“年轻”却能成为一种广受关注的技术，这项工艺自然有它与众不同的“武功”。与传统熔炼工艺相比，悬浮熔炼在新材料制备方面确是有很多突破，这种方法杜绝了坩埚对材料的污染,并且熔炼过程中，合金在
3、高频电流的作用下能被激烈地搅拌,这使得合金成分很均匀,防止了偏析。一般熔炼方法的工作温度要受到容器材料的限制，但悬浮熔炼不需要容器，显而易见，它的工作温度范围是非常广的,从几百度一直到三千度以上【3】。在实验室条件下,可以很方便地制备不同熔点的金属样品，较之电弧炉熔化有一定的优越性。同时悬浮熔炼对研究难熔金属、高纯金属、活泼金属和高温冶金物理化学等,是非常理想的一种手段。近年来,有些研究者利用这种新熔炼设备,制取了超导材料、非晶态材料和亚稳态金属材料,也有利用它制取供物理性能测试用的金属样品【3】。这项技术目前还广泛应用于微重力、无容器环境下晶体生长、制备放
4、射性材料、金属中气体分析等领域。以上诸多优点便是这项新技术敢于做“瓷器活”的“金刚钻”。2.电磁悬浮熔炼的原理电磁悬浮要靠高频电磁场在材料中产生的涡流进行工作，因而被悬浮材料必需得导电，至少目前该技术所应用的对象主要还是金属材料。电磁悬浮基本工作原理是电磁感应、及其大规模的工程化设计应用：在悬浮设备内，高频炉供给的高频电磁场,把金属或某些非金属试样悬在空中进行加热和熔化的，通常设备内是真空或保护气气氛。当一个悬浮感应器线圈通入交变电流以后,就会在线圈周围产生一个磁场。当把一个导体放人这个不均匀的、迅速变换的磁场内时,由于感应的作用,使导体表面发生集肤效应,会
5、有涡流产生。该涡流也会产生磁场,其方向与线圈产生的磁场方向相反,从而产生一个排斥力。当这个排斥力的垂直分力大于导体重量时,就可以把导体悬浮在空中。同时，金属上的涡流产生的焦耳热可以使金属体熔化，达到熔炼金属的目的。由于这种排斥力的垂直分力和液体试样的表面张力的综合作用,可使熔化后的液体试样悬浮在空中。当断开高频电源后,或逐渐降低高频电流时,液体试样就可以自由落下,铸成不同形状的小锭。5/5金属电磁悬浮原理及应用上海交通大学古亮亮【3】由以上分析可见，电磁悬浮熔炼主要关注点有二：第一关注点——电磁力抵消物体重力，达到悬浮目的。这其中涉及的原理包括电磁学（特别是
6、磁场设计）、力学（特别是振动力学）。第二关注点——控制涡流产生焦耳热对固体金属进行熔化。其中原理同样包括电磁学，还有材料学。1.1电磁悬浮设备的基本结构电磁悬浮的基本电路以及悬浮系统基本结构分别如下图1、图2所示【4】。电磁悬浮设备结构的好坏主要在于各种线圈的安排及搭配，以及由此生成的电磁场结构合理性。如左边两图所示，底部锥形线圈为主线圈，提供主悬浮力并加热物料，上部线圈为稳定控制线圈，其中的电流方向与主线圈电流方向相反，用于抑制悬浮物体水平方向的移动，对悬浮物体具有稳定作用。通过线圈的交变电流频率为几十到几百kHz。在这样的高频作用下，被悬浮的金属具有很强
7、的趋肤效应，产生的感应电流主要集中在金属表面。2.2悬浮熔炼技术中的几个关键问题由于悬浮熔炼是一项多学科交叉应用的技术，且设计仪器设计及磁场生成都比较复杂，属于学科交叉的大型应用工程，所以影响其使用效果的因素比较多，需要关注的问题也比较复杂。限于篇幅，以下对几个最主要的问题进行简要阐述。5/5金属电磁悬浮原理及应用上海交通大学古亮亮1.2.1悬浮力的计算（属于第一关注点范畴，即悬浮问题）一个导电体，处于有梯度的交变电磁场中，会由于导电体内感生涡流和外场的相互作用而受到一个平动力，这就是试样能悬浮的根本道理。力的方向和场的发散方向一致，其大小可由下式定量计算【
8、5】：显然,只要我们能提供一个由下而上逐渐减小的交变
