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电磁悬浮熔炼金属合金的研究进展:应用和数值模拟

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材料导报 2022年第21期36卷 159-166页

作者：刘宇张桂芳漆鑫施哲严鹏姜琦昆明理工大学冶金与能源工程学院昆明650093 云南省高校复杂铁资源清洁冶金重点实验室昆明650093

工业制造的快速发展对多元合金材料的质量和性能提出了更高的要求,然而传统的合金熔炼方式难以处理高纯度、高活性、高熔点的合金材料。与传统的方法相比,电磁悬浮(EML)作为一种微重力条件下的新型无接触式的熔炼技术,在熔炼金属合金时... 详细信息

工业制造的快速发展对多元合金材料的质量和性能提出了更高的要求,然而传统的合金熔炼方式难以处理高纯度、高活性、高熔点的合金材料。与传统的方法相比,电磁悬浮(EML)作为一种微重力条件下的新型无接触式的熔炼技术,在熔炼金属合金时能够达到深过冷度和快速冷却,显著改变合金晶体的组织形貌,使晶体向质量高、性能优的合金状态发展。因此,近年来电磁悬浮技术熔炼金属合金技术受到了研究者们极大的关注。研究者们已经利用EML技术定量测量了多元合金的比热、密度、粘度、表面张力等性质;通过观测过冷悬浮熔滴,结合振荡液滴法、落滴式量热法、样品耦合电子法等可以测量较大温度范围内多元合金的热物理性质。研究表明:熔体内部的不可见流动现象和传输现象采用数值建模技术来进行模拟研究,可展现熔滴的流动和表面变形特征,并有助于揭示实验结果。国内外学者对电磁悬浮在多元合金熔炼应用和模拟进行了大量研究后发现:(1)合金熔炼过程中耐火材料不可避免会对液态合金造成污染;(2)过冷度、冷却速度对金属合金凝固过程具有较大影响,但缺少有效的研究方法;(3)热物理性质对合金的宏观性能有很大的影响,且能作为制造过程模拟优化输入参数,但相关文献资料较少。本文归纳了EML熔炼金属合金的研究进展,分别对其凝固过程和性质测量等的实验研究与悬浮熔滴形状和内部流动规律等的数值模拟进行了总结介绍,讨论了目前电磁悬浮熔炼技术存在的问题和未来的突破方向,为液态合金性质研究及其数值模拟提供了参考。

关键词：电磁悬浮凝固过程热物理性质数值模拟

电磁悬浮下氢还原气氛对硅铁合金脱磷的影响研究

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现代化工 2023年第2期43卷 133-136页

作者：张桂芳杨睿潇姜琦刘宇张培培潘哲儒昆明理工大学冶金与能源工程学院云南昆明650093 云南省高校复杂铁资源清洁冶金重点实验室云南昆明650093

磷杂质的去除是生产纯净度高的冶金级硅的关键。相对于传统方法,电磁悬浮精炼技术具有避免坩埚污染、使材料内部成分均匀、高温快速熔炼等特点,该方法可以实现硅铁合金中磷杂质的去除。通过控制悬浮氢还原气氛的浓度、悬浮时间及悬浮温... 详细信息

磷杂质的去除是生产纯净度高的冶金级硅的关键。相对于传统方法,电磁悬浮精炼技术具有避免坩埚污染、使材料内部成分均匀、高温快速熔炼等特点,该方法可以实现硅铁合金中磷杂质的去除。通过控制悬浮氢还原气氛的浓度、悬浮时间及悬浮温度,探索了脱除硅铁合金中磷杂质的机理及效果。结果表明,当氢还原气氛为50%Ar-50%H_(2)、气体流量为1000 mL/min、悬浮时间为2700 s、悬浮温度为1750℃时,硅铁合金的脱磷效果最好。

关键词：脱磷氢气还原气氛电磁悬浮硅铁合金

基于自抗扰技术的机械-电磁悬浮复合隔振控制

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西南交通大学学报 2022年第3期57卷 582-587,617页

作者：黄翠翠李晓龙杨洋龙志强国防科技大学智能科学学院湖南长沙410073

为了研究宽频带的隔振问题,以使系统具有较好的隔振效果,提出将电磁悬浮隔振与机械隔振相结合的复合隔振系统.首先,对所设计的隔振系统进行动力学建模,分析线性化后的模型控制特性;其次,针对系统振动控制问题,提出基于自抗扰技术的控制... 详细信息

为了研究宽频带的隔振问题,以使系统具有较好的隔振效果,提出将电磁悬浮隔振与机械隔振相结合的复合隔振系统.首先,对所设计的隔振系统进行动力学建模,分析线性化后的模型控制特性;其次,针对系统振动控制问题,提出基于自抗扰技术的控制器设计方案,并通过仿真实现了复合隔振系统的自抗扰控制;最后,在复合隔振平台上验证了该控制方案的可行性.研究结果表明:在0~10 Hz频段控制系统能实现较好的低频跟随效果,在10~100 Hz频段幅值衰减逐渐增大,在100~300 Hz频段的隔振效果超过-14.9 dB.本文所提出的控制方案为复合隔振系统控制提供了一种新思路.

关键词：复合隔振隔振控制电磁悬浮自抗扰控制

基于两相三桥臂开关功放的电磁悬浮系统差动位移估计

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电工技术学报 2023年第10期38卷 2698-2708页

作者：张友军于洁青岛大学电气工程学院青岛266071

自传感电磁悬浮系统利用线圈电感电流与定、动子间气隙的函数关系估计动子位移信息,减少位移传感器的使用,具有成本低、可靠性好和集成度高的优点。该文针对传统单线圈电流纹波变化率检测法估计误差大、易受干扰的问题,基于两相三桥臂... 详细信息

自传感电磁悬浮系统利用线圈电感电流与定、动子间气隙的函数关系估计动子位移信息,减少位移传感器的使用,具有成本低、可靠性好和集成度高的优点。该文针对传统单线圈电流纹波变化率检测法估计误差大、易受干扰的问题,基于两相三桥臂开关功率放大器的差动电流控制,建立了两相线圈电流纹波变化率检测的差动位移估计方法,提高了自传感控制精度。首先,阐述了两相三桥臂拓扑的工作原理和电流纹波的特性,明确了差动控制下电流纹波变化率与动子位移的函数关系,给出自传感差动位移估计的实现方法。然后,结合实验分析了线路电阻、偏置电流和母线电压等参数对电流纹波变化率的影响。最后,在单自由度电磁悬浮平衡梁实验平台上开展了自传感动态悬浮控制实验,验证了所提方法的有效性。

关键词：电磁悬浮共桥臂拓扑自传感电流纹波

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电磁悬浮条件下钛铝合金显微组织形态研究

电磁悬浮条件下钛铝合金显微组织形态研究

作者：刘宇昆明理工大学

学位级别：硕士

与传统凝固方式相比,采用电磁悬浮无容器处理技术,能够实现亚稳态金属合金的快速凝固。本研究从电磁悬浮原理出发,探索了电磁悬浮条件下钛铝合金显微组织形态结构特征的基础变化规律,为研究电磁悬浮条件下材料的微观结构变化提供参考。... 详细信息

与传统凝固方式相比,采用电磁悬浮无容器处理技术,能够实现亚稳态金属合金的快速凝固。本研究从电磁悬浮原理出发,探索了电磁悬浮条件下钛铝合金显微组织形态结构特征的基础变化规律,为研究电磁悬浮条件下材料的微观结构变化提供参考。本研究采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方式,以Ti-48Al-2Cr合金为研究对象,研究了电磁悬浮对钛铝合金凝固组织影响的原理、电磁悬浮钛铝合金稳定性影响因素、钛铝合金悬浮及凝固控制条件的模拟、电磁悬浮条件对钛铝合金显微组织影响试验的研究,主要研究结果如下:(1)电磁悬浮对钛铝合金凝固组织影响的原理研究表明:试样上产生的洛伦兹力和焦耳热效应是实现悬浮和快速熔化的关键;悬浮线圈结构参数、悬浮电流大小、试样质量等因素会对悬浮力的大小产生影响;熔滴凝固过程中交变磁场、表面涡流、较高过冷度和冷却速率能够在一定程度上起到细化晶粒和减小枝晶间距的作用。(2)电磁悬浮钛铝合金稳定性影响因素研究表明:悬浮线圈结构、悬浮电流和试样质量对钛铝合金的悬浮稳定性有影响,悬浮线圈结构为内径20mm的“上二下三”型、悬浮电流为46.6A-52.5A、试样质量为1.2g-1.3g的条件下Ti-48Al-2Cr合金能够在电磁悬浮系统中实现稳定悬浮。(3)钛铝合金悬浮及凝固控制条件模拟研究表明:悬浮电流和试样质量增大时,熔滴温度、洛伦兹力和内部流速随之增大;增大悬浮电流会使熔滴表面形状、流场分布和最终悬浮位置发生改变,增大试样质量则几乎不变;当3.0L/min的He气作为冷却介质时,熔滴从2123K冷却至1757K仅需7.15s左右,He气流量上升为5.0L/min时只需6.53s完全转换成固态,具有较快的凝固速度,模拟结果表明4.5L/min的He气即可实现良好的冷却效果。(4)电磁悬浮条件下钛铝合金显微组织试验研究结果表明:不同He气流量和试样质量下获得的过冷度范围为221K-252K;无容器凝固的显微组织呈现出典型的α+γ全片层结构,晶粒形态随着气体流量的增加逐渐细化;有容器凝固的显微组织呈现中心向四周的放射状细密结构;无容器条件下Ti-48Al-2Cr合金片层组织晶粒尺寸随着He气流量上升而减小,通过霍尔-佩奇关系可以推算出Ti-48Al-2Cr合金维氏硬度与晶粒尺寸之间的关系;无容器凝固试样硬度为423.9Hv,相比原样提高了25.7%;有容器凝固试样硬度为544.13Hv,相比原样提高了61.3%。

关键词：电磁悬浮钛铝合金显微组织过冷度数值模拟

电磁悬浮下不同凝固方式对Ti-48Al-2Cr合金显微组织的影响

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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材料热处理学报 2023年第1期44卷 58-65页

作者：潘哲儒张桂芳严鹏刘宇张培培冯振华田楠昆明理工大学冶金与能源工程学院云南昆明650093 云南省高校复杂铁资源清洁冶金重点实验室云南昆明650093

钛铝基合金凝固组织是控制其性能的关键因素,电磁悬浮技术作为一种非接触式熔炼技术,能够显著改善合金凝固组织的形貌,从而改善其性能。采用电磁悬浮技术和不同的凝固条件对Ti-48Al-2Cr(at%)合金进行了处理,并研究了其显微组织形态结构... 详细信息

钛铝基合金凝固组织是控制其性能的关键因素,电磁悬浮技术作为一种非接触式熔炼技术,能够显著改善合金凝固组织的形貌,从而改善其性能。采用电磁悬浮技术和不同的凝固条件对Ti-48Al-2Cr(at%)合金进行了处理,并研究了其显微组织形态结构特征。结果表明:电磁悬浮后合金的凝固组织明显区别于原始合金的凝固组织;有容器凝固的显微组织呈现放射状细密结构,出现了粗大的枝状晶体形貌,无容器凝固的显微组织呈现出典型的片层结构,显著改善了凝固组织;电磁悬浮下无容器凝固方式的Ti-48Al-2Cr合金显微组织是不同方向分布的α_(2)+γ片层状组织,片层组织晶粒尺寸随着He气流量上升而减小,晶粒显著细化,当电磁悬浮气氛He气流量从3.0 L/min增加至5.0 L/min时,合金的晶粒尺寸从282.5μm减小至206.6μm,晶粒尺寸细化了26.9%。

关键词： Ti-48Al-2Cr合金电磁悬浮凝固条件微观结构表征

电磁悬浮条件下液态Fe_(50)Cu_(50)合金的对流和凝固规律研究

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物理学报 2017年第13期66卷 191-199页

作者：林茂杰常健吴宇昊徐山森魏炳波西北工业大学应用物理系西安710072

基于轴对称电磁悬浮模型,理论计算了二元Fe_(50)Cu_(50)合金熔体内部的磁感应强度和感应电流,分析了其时均洛伦兹力分布特征,进一步耦合Navier-Stokes方程组计算求解了合金熔体内部流场分布规律.计算结果表明,电磁悬浮状态下合金内部流... 详细信息

基于轴对称电磁悬浮模型,理论计算了二元Fe_(50)Cu_(50)合金熔体内部的磁感应强度和感应电流,分析了其时均洛伦兹力分布特征,进一步耦合Navier-Stokes方程组计算求解了合金熔体内部流场分布规律.计算结果表明,电磁悬浮状态下合金内部流场呈现环形管状分布,并且电流强度、电流频率或合金过冷度的增加,均会导致熔体内部流动速率峰值减小,平均流动速率增大,并使流动速率大于100 mm·s^(-1)区域显著增大.通过与静态凝固实验对比发现,电磁悬浮条件下熔体中强制对流使得合金内部富Fe和富Cu区的相界面呈波浪状起伏形貌,并且富Cu相颗粒在熔体上部分出现的概率增加.

关键词：电磁悬浮对流深过冷相分离

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电磁悬浮静电驱动旋转微镜控制系统设计

光学精密工程 2019年第9期27卷 1935-1942页

作者：肖奇军罗忠辉肇庆学院电子与电气工程学院广东肇庆526061 广东技术师范大学机电学院广东广州510665

为了实现对电磁悬浮微镜绕轴向-180°到+180°角度的旋转控制.对该系统所采用的电磁悬浮、静电驱动、转角闭环控制等进行研究。首先,设计和制造了电磁悬浮微镜的定子和转子结构。接着,对通过线圈的电流频率、电流大小与悬浮高度的关系... 详细信息

为了实现对电磁悬浮微镜绕轴向-180°到+180°角度的旋转控制.对该系统所采用的电磁悬浮、静电驱动、转角闭环控制等进行研究。首先,设计和制造了电磁悬浮微镜的定子和转子结构。接着,对通过线圈的电流频率、电流大小与悬浮高度的关系进行仿真和实验,实验结果和仿真结果基本一致。然后,在分析变电容驱动原理的基础上,进行旋转控制实验,说明在按相序通电情况下,转子能实现旋转。最后,介绍了采用高精度的电容检测的转角闭环控制系统。实验结果表明:在激励电流峰-峰值是0.5 A,激励频率为20 MHz时,转子悬浮到100μm高度,能够实现指定角度的控制,基本满足电磁悬浮微镜的控制要求。

关键词：电磁悬浮静电驱动微镜控制系统

静磁场对电磁悬浮熔融液滴表面张力测量影响的研究

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工程热物理学报 2021年第7期42卷 1791-1797页

作者：冯林石万元重庆大学能源与动力工程学院低品位能源利用技术及系统实验室重庆400044

基于电磁悬浮技术的振荡液滴法是测量高温熔体表面张力的重要手段。地面条件下,熔体在重力和电磁力作用下呈倒锥形,熔体存在多个振荡模式,增加了表面张力测量的不确定性。本文通过叠加静磁场抑制熔体的内部对流和振荡变形,分析熔体振荡... 详细信息

基于电磁悬浮技术的振荡液滴法是测量高温熔体表面张力的重要手段。地面条件下,熔体在重力和电磁力作用下呈倒锥形,熔体存在多个振荡模式,增加了表面张力测量的不确定性。本文通过叠加静磁场抑制熔体的内部对流和振荡变形,分析熔体振荡模式的变化和静磁场对熔体表面张力测量的影响。研究发现:当磁场强度为0.2 T时,熔体R^(+)、R^(-)、D_(max)和Area的振幅分别减小了52%、54.3%、45.9%和54.2%。当磁场强度超过0.3 T时,m=0、±1振荡模式被明显抑制,熔体仅存在m=±2振荡。在未叠加静磁场时,实验测量得到的表面张力平均值为1.276 N·m^(-1),相对误差为1.31%。在1 T静磁场下为1.304N·m^(-1),相对误差下降至0.46%。因此,静磁场能有效抑制熔体内对流和振荡变形,有利于提升高温熔体表面张力的测量精度。

关键词：电磁悬浮高温熔体静磁场振荡变形表面张力测量