[发明专利]一种有行波磁场发生器的定向凝固装置

说明书

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匀分布，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24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(B_max≈3.4mT)，主要使用在大气环境下对极低熔点的合金(GaInSn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行波磁场发生器的定向凝固装置。

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54～72mm；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匀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，沿丝杆的轴向均匀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。