专利名称：一种有晶体生长控制器的定向凝固装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种磁场的装置，主要应用于晶体生长。
背景技术：
电磁学被广泛应用于生产和实践，特别在材料加工工程方面。电磁学之所以能在多种材料成形过程中得到广泛的应用和发展，一方面，是由于熔融金属为电的良导体，能通过磁场和电流的作用而产生电磁力，对熔融金属进行非接触性搅拌、输送和形状控制，获得比机械手段更有利的效果；另一方面又可减少污染、改善环境、提高产品质量。行波磁场(TMF)是一种由通有三相交流电的多匝线圈产生的随时间变化的移动磁场。行波磁场产生的洛仑兹力直接使导电熔体在整个试样中产生了对称的子午线方向的流动，这种流动有利于控制熔体中的温度场和浓度场。近十年来人们对行波磁场的研究主要集中在行波磁场对熔体流动的稳定性、晶体生长界面形貌、溶质分布和铸造充型能力及净化作用等方面。晶体生长过程中流动的稳定性、溶质分布和生长界面形貌与凝固组织关系密切，而行波磁场引起的子午线流可能有利于凝固界面前沿熔体流动的稳定性、生长界面的平整和溶质的均勻分布，也可能促进凝固界面前沿熔体流动的稳定向不稳定转变并影响生长界面的凹凸变化和溶质偏析，所以研究行波磁场对晶体生长过程中这几方面的影响是十分重要的。研究行波磁场的实验的前提条件是需要设计一个行波磁场发生器，该装置设计的最大难点是其散热问题，为了控制较大磁场对较高熔点甚至高熔点合金的凝固过程中流场，合理设计一种行波磁场发生器是必要的。目前，国内外主要有平板状和圆柱状两种形状的行波磁场发生器。平板状行波磁场发生器主要应用在铝合金的充型，圆柱状行波磁场发生器主要应用在垂直梯度凝固法(VGF)下的晶体生长。其中，平板状行波磁场发生器是由三相4级M槽双层短距无补偿叠绕组构成的直线电机，圆柱状行波磁场发生器是由六匝线圈垂直排布而成。但是，平板状行波磁场发生器通常用于铝合金充型，线圈电流较小，使用时间不宜过长，主要使用在大气环境下，且需要风扇冷却。圆柱状行波磁场发生器线圈内通有电流较小，产生磁场较小(Bmax 3. 4mT)，主要使用在大气环境下对极低熔点的合金(fe^nSn等) 的研究。
发明内容为了克服发生器的电流小、磁场弱和大气环境下极低熔点的合金的研究的不足， 本发明提出了一种有晶体生长控制器的定向凝固装置。本发明包括冷却装置、高频感应加热装置、抽拉装置、真空泵连接口和高频感应加热电源，其特征在于，还包括行波磁场发生器和行波磁场变频电源。其中，行波磁场发生器、 冷却装置中的行波磁场线圈冷却箱和高频感应加热装置均位于真空室内；抽拉装置位于真空室内底部中心处。行波磁场发生器位于行波磁场线圈冷却箱内；行波磁场发生器包括三个行波磁场线圈和线圈架；三个行波磁场线圈分别安装在线圈架上的三层线圈挡板上，并且相邻的行波磁场线圈的间距为讨 72mm ；行波磁场变频电源的频率变化范围为50 600Hz ；每个行波磁场线圈的匝数为30 180匝；每个行波磁场线圈的截面形状为方形，电流为5 60A ；三个行波磁场线圈的磁场强度为1 42. 5mT。高频感应加热装置位于圆环形行波磁场线圈冷却箱的内孔中，套装在抽拉装置的陶瓷管上；高频感应加热装置中的辐射隔热挡板位于线圈架下两个行波磁场线圈相邻表面之间间隙的中心处。在真空室的一侧壁上有真空泵连接口 ；在真空室底部中心有抽拉装置的水冷结晶器的安装孔。线圈架包括4根丝杆、12块线圈挡板和1个圆环形的底圈；其中，丝杆外圆表面带有螺纹；线圈挡板的一端有连接孔；该连接孔的直径与丝杆的外径相等。底圈为圆环状，外径小于外壁的内径并大于行波磁场线圈的外径，内径大于内壁的外径。在底圈表面边缘处圆周上均勻对称分布四个丝杆安装孔，4根丝杆的一端固定在该丝杆安装孔内；12块线圈挡板分为三层，沿丝杆的轴向均勻分布并套装在每个丝杆上，并且各层的四块线圈挡板处于同一高度；通过螺帽将线圈挡板固定在各丝杆上，组成了线圈架。冷却装置包括行波磁场线圈冷却箱、冷却油箱和齿轮油泵；行波磁场线圈冷却箱为圆环形筒体，由圆环形底板、圆形内壁、圆形外壁、进油管、行波磁场线圈冷却箱盖和出油管组成；内壁和外壁分别焊接在底板表面的内边缘与外边缘上，形成了圆环形筒体，用于安放行波磁场发生器和冷却用的变压器油；圆环形行波磁场线圈冷却箱盖固定在行波磁场线圈冷却箱敞口端的法兰边上；行波磁场线圈冷却箱盖上有出油管；内壁与行波磁场线圈之间、外壁与行波磁场线圈之间有变压器油的循环流动通路；外壁底部有进油管的安装孔； 在外壁一侧上排布有行波磁场线圈接线的过孔。冷却油箱为有内层和外层的夹层结构；冷却油箱的内层箱体内用于盛放变压器油；在冷却油箱的内层箱体的两端分别有变压器油的进口和出口 ；冷却油箱的内层和外层之间为循环冷却水通路；冷却油箱的内层和外层之间的循环冷却水通路密封；冷却油箱的小箱体内还排布有冷却水管；该冷却水管的两端分别焊接在小箱体两端端板上的通孔上， 使小箱体内的冷却水管均与冷却油箱的内层和外层之间的循环冷却水通路连通。安装时将四根丝杆分别插入底圈的四个圆孔中，并用螺母和垫片固定，使底圈在线圈架的最底部。将四个线圈挡板安置在丝杆上，紧靠底圈，线圈挡板的方形端指向线圈架的中心，并用螺母和垫片固定，在最下层的线圈挡板上安置第一个行波磁场线圈。在丝杆的上部分按同样的方式安装第二层线圈挡板和第二个行波磁场线圈以及第三层线圈挡板和第三个行波磁场线圈，构成行波磁场发生器，三个行波磁场线圈垂直排布，线圈间距d = 54mm。 将三个行波磁场线圈按星型连接的方式连接并将行波磁场发生器装入行波磁场线圈冷却箱。将行波磁场发生器的4根接线分别从外壁一侧上的9/10高度处相邻的4个圆孔中接出，在圆孔处的线外皮上再包一层绝缘胶带，并用环氧树脂将接线在4个圆孔处固定并密封。将涂有高真空硅脂的氟橡胶0型密封圈装进行波磁场线圈冷却箱盖的槽内，行波磁场线圈冷却箱的箱体和箱盖以法兰的形式连接，且进油管和出油管分布在中心轴的两侧。将装有行波磁场发生器的行波磁场线圈冷却箱放入真空室，并保证辐射隔热挡板处于下面两个相邻行波磁场线圈间隙的中心处，线圈接线通过外壁上的圆孔与真空室一侧的壁上的接线柱连接，接线柱于真空室外的行波磁场变频电源相连。冷却装置中进油管与齿轮油泵的出油口通过管路连接，接口处密封。齿轮油泵的进油管和冷却油箱的出油口通过管道连接， 出油管与冷却油箱1的进油口通过管道连接，接口处密封。将辐射隔热挡板置于储有冷却用液态金属的水冷结晶器上，并安装高频感应加热线圈，使高频感应加热线圈下端面与辐射隔热挡板紧贴。将装有金属材料的陶瓷管穿过辐射隔热挡板的中心孔与下拉装置相连接，将石墨加热体和保温套置于辐射隔热挡板之上， 使高频感应加热线圈和保温套之间保有间隙，保温套和石墨加热体之间保有间隙，石墨加热体与陶瓷管之间保有间隙。以上行波磁场线圈冷却箱、行波磁场发生器、高频感应加热装置、陶瓷管、水冷结晶器和下拉系统同轴，并将以上各组件共同置于真空室中。本发明将三个行波磁场线圈垂直排布，并用循环变压器油进行冷却，循环变压器油顺利带走行波磁场线圈通电后产生的热量和石墨加热体的辐射热。同时，石墨加热体屏蔽了高频感应加热线圈的磁场，而低频的行波磁场能顺利通过。利用CT-3特斯拉计测量磁场，该装置正中心部位能够获得Bmax为42. 5mT的行波磁场，而且该磁场对装入陶瓷管中金属熔体的定向凝固过程发生作用，并能够研究真空条件下较强的行波磁场对易氧化合金、 较高熔点合金甚至高熔点合金的晶体生长过程的影响。与自然对流仅使溶质在糊状区传输相比，行波磁场引起的对称子午线流能够使溶质在整个试样中传输，这种流动有利于控制溶质和温度的分布，子午线流的方向由线圈中电流的相序来决定。利用本发明对直径为4mm试样的Sn-0. 65Cd合金初步进行了实验，其中温度梯度G = -l(^k/cm，抽拉速率V = 4μπιΛ。当B = OmT时，如图10 (a)所示，试样内自然对流导致溶质和温度的分布不均勻，使得试样界面呈现微弱不平整。当通入三个线圈4 的电流的相序是b/a/c且B = 3. 2mT, I = IOA时，如图10(b)所示，由于行波磁场产生的子午线流和自然对流作用，径向溶质分布均勻，界面前沿溶质较少，凝固界面为平界面，且整个凝固界面较平整。当通入三个线圈4的电流的相序是a/b/c且B = 3. 2mT, I = IOA时， 如图10(c)所示，行波磁场产生的子午线流与相序为b/a/c时产生的子午线流方向相反，这种子午线流与自然对流相互作用后，使得界面前沿的溶质较多，从而出现胞状界面，而且径向溶质分布不均勻，导致凝固界面不平整。另外，为了检测该发明能否应用于高温合金的研究，于是以熔点为1350°C左右的 DZ125高温合金为研究对象，在本发明下进行定向凝固实验，磁场B = 10. 3mT, I = 40A，加热和抽拉时间保持为5小时。如图11所示，进入冷却油箱的最高油温达到57°C，经过细长的冷却油箱的冷却后由齿轮油泵抽出的变压器油的温度为36°C，而25#变压器油的闪点为 168°C，所以最高油温57°C为安全温度，即本发明可以应用于高温合金的研究。
图1是有晶体生长控制器的定向凝固装置的结构示意图；图2是行波磁场发生器的主视图；图3是行波磁场发生器的俯视图；图4是行波磁场线圈和行波磁场变频电源的连接图；图5是行波磁场线圈冷却箱的主视图；图6是行波磁场线圈冷却箱的俯视图；图7是行波磁场线圈冷却箱的左视图；[0024]图8是冷却油箱的俯视图；图9是冷却油箱的左视图；图10是不同条件下凝固界面的宏观组织；其中a.自然对流，b.B = 3. 2mT(b/a/ c), c. B = 3. 2mT (a/b/c)；图11是DZ125高温合金，B = 10. 3mT时的冷却效果。1.冷却油箱2.齿轮油泵3.进油管4.行波磁场线圈5.丝杆6.真空泵连接口 7.密封圈8.高频感应加热线圈9.保温套10.石墨加热体11.陶瓷管12.行波磁场线圈冷却箱盖 13.出油管 14.高频感应加热电源15.行波磁场线圈冷却箱 16.线圈挡板17.真空室18.底圈19.辐射隔热挡板20.冷却用液态金属21.水冷结晶器22.下拉装置23.外壁24.内壁25.底板26.行波磁场变频电源
具体实施方式
本实施例涉及一种有行波磁场发生器的布里奇曼定向凝固装置。该定向凝固装置的高频感应加热电源14的频率为200KHz。本实施例包括行波磁场发生器、冷却装置、高频感应加热装置、抽拉装置、真空泵连接口 6、高频感应加热电源14和行波磁场变频电源沈。其中，行波磁场发生器、冷却装置中的行波磁场线圈冷却箱15和高频感应加热装置均位于真空室17内。行波磁场发生器包括三个行波磁场线圈4和线圈架；三个行波磁场线圈4分别安装在线圈架上的三层线圈挡板16上；行波磁场发生器位于行波磁场线圈冷却箱15内。高频感应加热装置位于圆环形行波磁场线圈冷却箱15的内孔中，套装在抽拉装置的陶瓷管11上；高频感应加热装置中的辐射隔热挡板19位于线圈架下两个行波磁场线圈4相邻表面之间间隙的中心处。高频感应加热装置通过导线与高频感应加热电源14连接；行波磁场线圈与行波磁场变频电源沈之间的接线采用星型连接方式连接。在真空室17的一侧壁上有真空泵连接口 6 ；在真空室底部中心有抽拉装置的水冷结晶器21的安装孔。由陶瓷管11、水冷结晶器21和下拉装置 22组成的抽拉装置位于真空室17内底部中心处。如附图2和附图3所示，行波磁场发生器包括环形的行波磁场线圈4和线圈架，行波磁场线圈4有三个，均用1. 8X4mm2的缩醛漆包铜扁线绕制而成。本实施例中，通过调整行波磁场发生器的参数，实现在不同参数条件下定向凝固装置中磁场的调整。本实施例中行波磁场发生器的参数如表所示
权利要求1.一种有晶体生长控制器的定向凝固装置，包括冷却装置、高频感应加热装置和抽拉装置，其特征在于，还包括行波磁场发生器和行波磁场变频电源06)；其中，a.行波磁场发生器、冷却装置中的行波磁场线圈冷却箱(1 和高频感应加热装置均位于真空室(17)内；抽拉装置位于真空室(17)内底部中心处；b.行波磁场发生器位于行波磁场线圈冷却箱(1 内；行波磁场发生器包括三个行波磁场线圈⑷和线圈架；三个行波磁场线圈⑷分别安装在线圈架上的三层线圈挡板(16) 上，并且相邻的行波磁场线圈的间距为M 72mm;行波磁场变频电源Q6)的频率变化范围为50-600HZ ；每个行波磁场线圈(4)的线圈为30 180匝；每个行波磁场线圈(4) 的截面形状为方形，电流为5 60A ；三个行波磁场线圈(4)的磁场强度为1 42. 5mT ；c.高频感应加热装置位于圆环形行波磁场线圈冷却箱(1 的内孔中，套装在抽拉装置的陶瓷管(11)上；高频感应加热装置中的辐射隔热挡板(19)位于线圈架下两个行波磁场线圈⑷相邻表面之间间隙的中心处；d.在真空室(17)的一侧壁上有真空泵连接口(6)；在真空室底部中心有抽拉装置的水冷结晶器的安装孔。
2.如权利要求1所述一种有晶体生长控制器的定向凝固装置，其特征在于，线圈架包括4根丝杆(5)、12块线圈挡板(16)和1个圆环形的底圈(18)；其中，丝杆(5)外圆表面带有螺纹；线圈挡板(16)的一端有连接孔；该连接孔的直径与丝杆(5)的外径相等；在底圈(18)表面边缘处圆周上均勻对称分布四个丝杆安装孔，4根丝杆(5)的一端固定在该丝杆安装孔内；12块线圈挡板(16)分为三层，沿丝杆(5)的轴向均勻分布并套装在每根丝杆 (5)上，并且各层的四块线圈挡板(16)处于同一高度；通过螺帽将线圈挡板(16)固定在各丝杆(5)上，组成了线圈架。
3.如权利要求1所述一种有晶体生长控制器的定向凝固装置，其特征在于，冷却装置包括行波磁场线圈冷却箱(15)、冷却油箱⑴和齿轮油泵(2)；行波磁场线圈冷却箱(15) 为圆环形筒体，由底板05)、内壁04)、外壁03)、进油管(3)、行波磁场线圈冷却箱盖(12) 和出油管(13)组成；内壁04)和外壁03)分别焊接在底板05)表面的内边缘与外边缘上，形成了圆环形筒体，用于安放行波磁场发生器和冷却用的变压器油；圆环形冷却箱盖 (12)固定在行波磁场线圈冷却箱(1 敞口端的法兰边上；行波磁场线圈冷却箱盖(15)上有出油管(13)；内壁04)与行波磁场线圈⑷之间、外壁03)与行波磁场线圈⑷之间有变压器油的循环流动通路；外壁03)底部有进油管(3)的安装孔；在外壁03) —侧上排布有行波磁场线圈(4)接线的圆孔。
4.如权利要求1所述一种有晶体生长控制器的定向凝固装置，其特征在于，冷却油箱 ⑴为有内层和外层的夹层结构；冷却油箱⑴的内层箱体内用于盛放变压器油；在冷却油箱(1)的内层箱体的两端分别有变压器油的进口和出口 ；冷却油箱(1)的内层和外层之间为循环冷却水通路；冷却油箱(1)的内层和外层之间的循环冷却水通路密封；冷却油箱(1) 的小箱体内还排布有冷却水管；该冷却水管的两端分别焊接在小箱体两端端板上的通孔上，使小箱体内的冷却水管均与冷却油箱(1)的内层和外层之间的循环冷却水通路连通。
5.如权利要求2所述一种有晶体生长控制器的定向凝固装置，其特征在于，底圈(18) 为圆环状，外径小于外壁03)的内径并大于行波磁场线圈(4)的外径，内径大于内壁04) 的外径。
专利摘要一种有晶体生长控制器的定向凝固装置，包括冷却装置、高频感应加热装置、抽拉装置、高频感应加热电源、行波磁场发生器和行波磁场变频电源。行波磁场发生器、冷却装置中的行波磁场线圈冷却箱和高频感应加热装置均位于真空室内。抽拉装置位于真空室内底部中心处。行波磁场发生器位于行波磁场线圈冷却箱内。三个行波磁场线圈分别安装在线圈架上的三层线圈挡板上。高频感应加热装置中的辐射隔热挡板位于线圈架下两个行波磁场线圈相邻表面之间间隙的中心处。在真空室的一侧壁上有真空泵连接口；在真空室底部中心有抽拉装置的水冷结晶器的安装孔。本实用新型可以通入大电流来研究真空条件下较强磁场对易氧化合金、较高熔点合金甚至高熔点合金的晶体生长过程的影响。
文档编号C30B11/00GK202000026SQ20112001037
公开日2011年10月5日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者沈军, 王伟, 王灵水, 王雷 申请人:西北工业大学