电源频率及感应线圈结构对电磁悬浮熔炼的影响研究

论文摘要

电磁悬浮熔炼技术是一种无坩埚材料加工处理技术,在加工、处理材料时,使用某种技术使材料与容器壁不接触,是材料科学中研究、制备高纯材料不可缺少的技术,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。本文从感应线圈结构参数和电源频率参数两方面对电磁悬浮熔炼效果的影响进行了理论分析,并对分析结果进行了实验验证研究。首先,分析了感应线圈结构参数对电磁悬浮熔炼悬浮力、温度的影响。通过理论计算、分析得到了悬浮感应线圈的结构参数与悬浮力的关系。同时分析得到了感应线圈结构参数对悬浮样品温度的影响,为悬浮感应线圈的结构设计研究提供了一定的理论依据。其次,分析了高频电源频率对电磁悬浮熔炼悬浮力、样品吸收功率的影响。建立了样品所受悬浮力、样品的吸收功率与高频电源频率的关系。经计算分析得出了一般选取频率参数的原则,高频电源频率应尽量选择在吸收功率最小值频率f2和悬浮力增加变缓的频率f1之间,并且尽量靠近f1,对电磁悬浮熔炼实验中合理的选择高频电源的频率有一定的指导作用。最后,重点进行了电磁悬浮熔炼实验研究。实际制作了38种不同参数的感应线圈,使用三种高频电源,对质量0.8g~15g的柱形、球形的钢样做了近千次悬浮熔炼实验。实验结果与前面理论分析基本相符。实验发现球形样品和圆柱形样品对电磁悬浮熔炼影响不大。综合考虑悬浮力和稳定性,得到了悬浮效果最佳的感应线圈结构参数。在使用石英保护管氩气保护环境下,现在已能稳定悬浮熔炼1.49~14g圆柱形和球形钢样,稳定液态悬浮时间从几十秒到十几分钟不等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究概况
• 1.2.1 悬浮无容器材料加工处理技术
• 1.2.2 电磁悬浮熔炼的发展历史
• 1.2.3 悬浮熔炼技术分类
• 1.2.4 电磁悬浮熔炼技术的特点
• 1.3 电磁悬浮熔炼技术的应用
• 1.3.1 在金属中气体成分检测中的应用
• 1.3.2 在离心铸造技术中的应用
• 1.3.3 在金属深过冷技术中的应用
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 感应线圈结构参数对悬浮力和样品温度的影响
• 2.1 感应线圈结构参数与悬浮力的关系研究
• 2.1.1 单线圈结构对均匀球体产生的悬浮力
• 2.1.2 一对反接线圈结构对均匀球体产生的悬浮力
• 2.1.3 轴对称螺旋感应线圈悬浮力公式的推导
• 2.1.4 实际系统中感应线圈结构参数对悬浮力的影响
• 2.2 感应线圈结构参数对温度的影响
• 2.2.1 电磁悬浮熔炼样品温度计算数学模型
• 2.2.2 计算结果与分析
• 2.3 小结
• 第3章 高频电源频率对悬浮力和样品吸收功率的影响
• 3.1 高频电源频率对悬浮力的影响
• 3.1.1 算例
• 3.1.2 计算结果与分析
• 3.2 高频电源频率对样品吸收功率的影响
• 3.2.1 算例
• 3.2.2 计算结果与分析
• 3.3 小结
• 第4章 电磁悬浮熔炼实验研究
• 4.1 实验目的
• 4.2 实验方法
• 4.3 实验系统设计
• 4.3.1 高频电源选择
• 4.3.2 电磁感应线圈结构设计
• 4.4 实验材料准备
• 4.4.1 悬浮金属样品
• 4.4.2 制作感应线圈模具
• 4.4.3 实验用石英管
• 4.5 实验过程
• 4.5.1 初步实验阶段
• 4.5.2 系统实验阶段
• 4.5.3 改进实验阶段
• 4.6 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间取得的科研成果