第8期 王成铎等：玻璃包覆铁基合金微丝制备微熔池的稳定性 。1039。 的力学、电学、磁学和高耐腐蚀等性能，在磁性 小由材料性质决定，可控性比较差：与此相反，电磁 传感器、敏感元件、电磁波吸收材料等方面具有较大 力FM大小主要受感应加热器结构参数、加热电流、 应用潜力69 微熔池的体积（质量）和位置等易于控制的因素影 玻璃包覆熔融纺丝过程中，保持微熔池温度及 响.因此通过改变感应加热器结构参数、加热电 力学稳定是实现微丝连续稳定制备的前提.感应加 流、微熔池的体积（质量）和位置来改变电磁力的大 热器结构参数、加热电流、微熔池的体积（质量）、微 小是控制微熔池稳定性的主要手段， 熔池在感应加热器中位置等，是影响微熔池稳定性 1.1整体感应加热器及微熔池的几何模型 的主要因素.相关报道较多采用铜管绕制的多匝螺 目前关于整体感应加热器中微熔池所受悬浮力 旋锥形线圈作为该技术的感应加热器10，这种感 和温度的理论计算未见文献报道，但关于多匝感应 应加热器所产生的磁场并非严格呈轴对称分布，从 线圈悬浮熔炼金属所受悬浮力和温度的理论计算则 而使微熔池形状和温度场不对称，影响连续纺丝的 比较成熟：因此在计算整体感应加热器中微熔池温 稳定性.整体锥形感应加热器所产生的磁场呈轴对 度和所受悬浮力时，可以参考多匝螺旋线圈现有的 称分布，可以避免螺旋锥形线圈的不利影响，但有关 理论分析结果. 整体感应加热器结构参数对微熔池稳定性的影响未 圆环形的导体通入高频交变电流时，由于环状 见文献报道， 效应的存在，电流主要分布在圆环内侧表面，因此圆 本文以铁基合金微丝制备为对象，采用理论计 环形的导体可以简化为圆环形多匝线圈.对于本文 算分析了高频整体感应加热器中铁基合金微熔池的 采用的整体锥形感应加热器，可以简化为多匝锥形 温度和所受悬浮力，讨论了感应加热器锥角、感应加 感应线圈（图2）.文献和前期研究结果表明，合适的 热器高度、下锥孔高度、下锥孔半径、加热电流、微熔 玻璃管直径为6~10mm12.本文以内径为8 池的体积（质量）以及微熔池在感应加热器中的位置 mm、壁厚为1mm的玻璃管为例，建立微熔池几何 (以下简称位置)对微熔池稳定性的影响，为实现铁 模型. 基合金微熔池的稳定性控制及微丝的连续制备提供 依据叠加原理，可将高度为h2的整体感应加热 理论依据 器划分为n匝螺旋感应线圈.为了便于计算，本文 将高度为2的整体感应加热器划分为匝间间隙为 1微熔池温度和所受悬浮力 1mm的(h2十1匝)螺旋感应线圈：同时，由于微熔 本文采用的整体锥形感应加热器示意图及微熔 池大小比交变电流的波长小很多，因此将微熔池视 池受力状态如图1所示.微熔池在感应加热器中的 为球形1目，如图2所示.图中，α为感应加热器的锥 受力包括重力G、电磁力FM、微熔池表面张力引起 角，r为下锥孔的半径ho为微熔池中心到下锥孔 的附加压力F·及玻璃管对微熔池的作用力F:·欲 上端面的距离，h1为下锥孔的高度，h2为感应加热 使其保持平衡，需满足： 器的高度，a为微熔池的半径. G+FM十F叶Fg=0 (1) 第h,+匝O d 0 玻璃管 感应加热器 0 微熔池 冷却水管 Q 第1匝 图2计算几何模型 Fig.2 Geometry model for calculation 图1整体感应加热器示意图及微熔池受力状态 1.2微熔池所受悬浮力 Fig.I Schematic draw ing of the integral induction heater and forced 将一个电阻率为P的金属球置于通有等效电 state of the micmo molten pool 流为I的交变单回路线圈上方时，交变磁场使金属 在合适的拉丝温度下，微熔池表面张力引起的 球的集肤层内产生感应涡流，在涡流效应及磁滞效 附加压力F·和玻璃管对微熔池的作用力Fg的大 应的作用下，金属球被加热，同时受到一定的悬浮的力学 、电学、磁学和高耐腐蚀等性能 [ 3-5] , 在磁性 传感器、敏感元件、电磁波吸收材料等方面具有较大 应用潜力[ 6-9] . 玻璃包覆熔融纺丝过程中, 保持微熔池温度及 力学稳定是实现微丝连续稳定制备的前提.感应加 热器结构参数、加热电流 、微熔池的体积( 质量) 、微 熔池在感应加热器中位置等, 是影响微熔池稳定性 的主要因素.相关报道较多采用铜管绕制的多匝螺 旋锥形线圈作为该技术的感应加热器[ 9-10] .这种感 应加热器所产生的磁场并非严格呈轴对称分布, 从 而使微熔池形状和温度场不对称, 影响连续纺丝的 稳定性.整体锥形感应加热器所产生的磁场呈轴对 称分布, 可以避免螺旋锥形线圈的不利影响, 但有关 整体感应加热器结构参数对微熔池稳定性的影响未 见文献报道. 本文以铁基合金微丝制备为对象, 采用理论计 算分析了高频整体感应加热器中铁基合金微熔池的 温度和所受悬浮力, 讨论了感应加热器锥角、感应加 热器高度 、下锥孔高度、下锥孔半径 、加热电流 、微熔 池的体积( 质量) 以及微熔池在感应加热器中的位置 ( 以下简称位置) 对微熔池稳定性的影响, 为实现铁 基合金微熔池的稳定性控制及微丝的连续制备提供 理论依据 . 1 微熔池温度和所受悬浮力 本文采用的整体锥形感应加热器示意图及微熔 池受力状态如图 1 所示.微熔池在感应加热器中的 受力包括重力 G 、电磁力 F M 、微熔池表面张力引起 的附加压力 Fψ及玻璃管对微熔池的作用力 F g .欲 使其保持平衡, 需满足: G +FM +Fψ+F g =0 ( 1) 图 1 整体感应加热器示意图及微熔池受力状态 Fig.1 Schemati c draw ing of the int egral induction heat er and f orced state of the micro molt en pool 在合适的拉丝温度下, 微熔池表面张力引起的 附加压力 F ψ和玻璃管对微熔池的作用力 F g 的大 小由材料性质决定, 可控性比较差 ;与此相反, 电磁 力 FM 大小主要受感应加热器结构参数、加热电流、 微熔池的体积(质量) 和位置等易于控制的因素影 响 .因此, 通过改变感应加热器结构参数 、加热电 流 、微熔池的体积(质量) 和位置来改变电磁力的大 小是控制微熔池稳定性的主要手段. 1.1 整体感应加热器及微熔池的几何模型 目前关于整体感应加热器中微熔池所受悬浮力 和温度的理论计算未见文献报道, 但关于多匝感应 线圈悬浮熔炼金属所受悬浮力和温度的理论计算则 比较成熟;因此, 在计算整体感应加热器中微熔池温 度和所受悬浮力时, 可以参考多匝螺旋线圈现有的 理论分析结果. 圆环形的导体通入高频交变电流时, 由于环状 效应的存在, 电流主要分布在圆环内侧表面, 因此圆 环形的导体可以简化为圆环形多匝线圈.对于本文 采用的整体锥形感应加热器, 可以简化为多匝锥形 感应线圈(图 2) .文献和前期研究结果表明, 合适的 玻璃管直径为 6 ～ 10 mm [ 11-12] .本文以内径为 8 mm 、壁厚为 1 mm 的玻璃管为例, 建立微熔池几何 模型. 依据叠加原理, 可将高度为 h 2 的整体感应加热 器划分为 n 匝螺旋感应线圈 .为了便于计算, 本文 将高度为 h 2 的整体感应加热器划分为匝间间隙为 1 mm 的( h2 +1 匝) 螺旋感应线圈;同时, 由于微熔 池大小比交变电流的波长小很多, 因此将微熔池视 为球形[ 13] , 如图2 所示.图中, α为感应加热器的锥 角, r 为下锥孔的半径, h0 为微熔池中心到下锥孔 上端面的距离, h1 为下锥孔的高度, h2 为感应加热 器的高度, a 为微熔池的半径. 图 2 计算几何模型 Fig.2 Geometry model for calculati on 1.2 微熔池所受悬浮力 将一个电阻率为 ρ的金属球置于通有等效电 流为 I 的交变单回路线圈上方时, 交变磁场使金属 球的集肤层内产生感应涡流, 在涡流效应及磁滞效 应的作用下, 金属球被加热, 同时受到一定的悬浮 第 8 期 王成铎等:玻璃包覆铁基合金微丝制备微熔池的稳定性 · 1039 ·