真空感應(yīng)電磁懸浮熔煉（Vacuum Induction Electromagnetic Levitation Melting）技術(shù)是指在真空熔煉過程中利用電磁場使熔池呈懸浮狀態(tài)的技術(shù)。利用電磁線圈產(chǎn)生交變電磁場，交變電磁場在線圈內(nèi)的金屬中感生電流，感應(yīng)電流加熱熔化金屬，同時(shí)依靠電磁場和感應(yīng)電流之間相互作用形成的電磁力把金屬熔體懸浮起來，完全消除熔體與其他固體壁接觸而帶來的坩堝污染。
1.電磁懸浮熔煉特點(diǎn)
1.1 電磁懸浮熔煉優(yōu)點(diǎn)
（1）無坩堝污染，合金純凈；
（2）電磁攪拌，燒損較小，成分均勻準(zhǔn)確；
（3）熔煉溫度高，可超過3000°C ；
（4）適合活潑金屬熔煉。
1.2 電磁懸浮熔煉缺點(diǎn)
（1）單次熔煉量較??；
（2）熔煉溫度難以控制。
1.3 電磁懸浮熔煉應(yīng)用領(lǐng)域
（1）活潑金屬熔煉。如稀土金屬和合金，Ti及其合金，鈾土、堿土金屬和合金。
（2）高純金屬和合金制備。如高純靶材、鍍膜材料、太陽能級多晶硅、高純金屬等。
（3）高精度成分合金及化合物制備。如金屬間化合物、微合金化材料、含彌散相材料等。
（4）高熔點(diǎn)難熔金屬及合金制備。如Cr、Zr、V、Hf、Nb、Mo、Ta等難熔金屬和合金，Pt、Rh、Ir等貴金屬和合金。
（5）科研合金制備。對材料純度、成分精度和均勻性要求高，期望排除雜質(zhì)和其它元素干擾。
2.電磁懸浮熔煉原理
當(dāng)一個金屬樣品放置在通有高頻電流的線圈中時(shí)，交變電磁場會在金屬材料表面產(chǎn)生一個高頻渦流，高頻渦流與外磁場相互作用，導(dǎo)致金屬樣品產(chǎn)生一個洛侖茲力。在適當(dāng)?shù)目臻g配置下，該電磁力的方向與重力相反。改變高頻電源的功率就可以使電磁力與重力相等，實(shí)現(xiàn)電磁懸浮。同時(shí)，金屬上的渦流產(chǎn)生的焦耳熱可以使金屬體熔化，達(dá)到熔煉金屬的目的。
2.1 電磁感應(yīng)加熱原理
感應(yīng)加熱原理主要依據(jù)兩則電學(xué)基本定律：電磁感應(yīng)定律和焦耳楞茨定律。
（1）電磁感應(yīng)定律
電磁感應(yīng)定律，也叫法拉第電磁感應(yīng)定律，指穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流，產(chǎn)生的電動勢（電壓）稱為感應(yīng)電動勢。電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通變化率成正比。公式如下所示：
其中：
E：產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；
n：線圈匝數(shù)；
△?：磁通量變化量；
△t：發(fā)生變化所用時(shí)間。
（2）焦耳楞次定律
焦耳楞茨定律，又稱為電流熱效應(yīng)原理，當(dāng)電流在導(dǎo)體內(nèi)流動時(shí)，定向流動的電子要克服各種阻力，這種阻力用導(dǎo)體的電阻來描述，電流克服電阻所消耗的能量將以熱能的形式放出。
其中：
Q：熱量；
I2：電流強(qiáng)度；
R：導(dǎo)體電阻；
t：導(dǎo)體通電時(shí)間。
2.2 集膚效應(yīng)和透入深度
（1）集膚效應(yīng)
集膚效應(yīng)指交流電通過導(dǎo)體（冶煉中指爐料）時(shí)，在導(dǎo)體截面上出現(xiàn)電流分布不均勻現(xiàn)象，越靠導(dǎo)體表面電流密度越大，越向中心部位電流密度越小的現(xiàn)象。
集膚效應(yīng)（δ-電流密度分布；H-磁場強(qiáng)度分布）
膚效應(yīng)和導(dǎo)體半徑大小以及電流頻率有關(guān)。當(dāng)材料相同時(shí)，導(dǎo)體越粗、電流頻率越高，則集膚效應(yīng)越明顯。因?yàn)楦袘?yīng)電動勢取決于磁通變化速率d?/dt。當(dāng)導(dǎo)體半徑一定時(shí)，頻率越高，感應(yīng)電動勢越強(qiáng)，集膚效應(yīng)就越明顯。當(dāng)電流頻率一定時(shí)，通過導(dǎo)體半徑增加，則通過導(dǎo)體的磁通增大，導(dǎo)體外層的感應(yīng)電動勢差也就越大，所以集膚效應(yīng)也就越明顯。
（2）透入深度
透入深度是表征感應(yīng)電流趨膚效應(yīng)程度的一個物理量。當(dāng)一導(dǎo)體通以交流電后，產(chǎn)生集膚效應(yīng)，導(dǎo)體截面上的電流密度從表面向中心由最大到最小連續(xù)變化，在集膚效應(yīng)十分明顯時(shí)，其變化規(guī)律服從指數(shù)規(guī)律衰減。
電流透入深度
由焦耳楞次定律可知，電流流經(jīng)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，因此功率密度由表面向中心的衰減速度較電流的衰減更為劇烈，即大部分能量分散在表層中。
2.3 鄰近效應(yīng)與圓環(huán)效應(yīng)
（1）鄰近效應(yīng)
當(dāng)兩根通以交流電的導(dǎo)體相互靠近時(shí)，或?qū)⒁桓妼?dǎo)體移向另一根通電導(dǎo)體時(shí)，在相互的影響下，兩根導(dǎo)體中的電流都要做重新分布，這種現(xiàn)象叫鄰近效應(yīng)。
兩根相靠近的導(dǎo)體中，通以相同方向的電流時(shí)，兩根導(dǎo)體外側(cè)的電流密度大于內(nèi)側(cè)；而當(dāng)兩根導(dǎo)體中通以相反方向的電流時(shí)，兩根導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的電流密度大于外側(cè)。鄰近效應(yīng)和導(dǎo)體間的距離有關(guān)，距離越近鄰近效應(yīng)越明顯。
鄰近效應(yīng)
（2）圓環(huán)效應(yīng)
當(dāng)圓環(huán)形導(dǎo)體通以交流電時(shí)，出現(xiàn)圓環(huán)內(nèi)側(cè)的電流密度高于外側(cè)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫圓環(huán)效應(yīng)，又稱線圈效應(yīng)。
圓環(huán)效應(yīng)
將一帶電導(dǎo)體放入磁場中，磁場對帶電導(dǎo)體產(chǎn)生作用力，使帶電導(dǎo)體運(yùn)動，這種力在物理學(xué)上叫電動力，這種現(xiàn)象叫電動力效應(yīng)。
受電動力作用金屬液產(chǎn)生運(yùn)動，運(yùn)動規(guī)律服從受力規(guī)律，形成金屬循環(huán)運(yùn)動，金屬液運(yùn)動帶來對自身的攪拌作用，叫做電磁攪拌。
3.電磁懸浮熔煉分類
電磁懸浮熔煉分為：
（1）全懸浮感應(yīng)熔煉技術(shù)
（2）冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)
3.1 全懸浮感應(yīng)熔煉技術(shù)
無坩堝全懸浮熔煉，在熔煉過程中被熔材料處于完全懸浮狀態(tài)，最大熔煉量較小，—般不超過一百克。
3.2 冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)
3.2.1 冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)分類
（1）冷坩堝全懸浮熔煉
最大熔煉量約幾公斤，熔池與坩堝底幾乎完全不接觸。
（2）冷坩堝無凝殼熔煉
最大熔煉量約幾十公斤，熔池與坩堝底只發(fā)生偶然的接觸。
（3）冷紺蝸有凝殼熔煉
最大熔煉量可達(dá)幾百公斤，在熔煉過程中在坩堝底部有凝固的金。
3.2.2 冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)特點(diǎn)
（1）冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)使用銅坩堝；
（2）坩堝沿軸向分成多個瓣片保證電磁場能進(jìn)入坩堝內(nèi)部；
（3）坩堝每個瓣片保證足夠冷卻水，防止坩堝熔化
冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)與現(xiàn)代材料技術(shù)結(jié)合，逐漸發(fā)展了冷坩堝電磁連鑄技術(shù)、冷坩堝定向凝固技術(shù)、噴霧沉積技術(shù)和激冷技術(shù)等。
4.電磁懸浮熔煉工藝
電磁懸浮熔煉工藝包括裝料、抽真空、熔化、精煉、冷卻等階段。
4.1 裝料
熔煉所用合金在制備過程中表面存在夾渣和氧、氮化皮等，為了減少雜質(zhì)，可對合金表面進(jìn)行打磨，后用無水乙醇清洗并稱重，放入真空感應(yīng)磁懸浮熔煉爐中，放料前將爐膛清理干凈，放入原料后，將真空感應(yīng)磁懸浮熔煉室密封。
裝料原則︰
（1）原料片狀較好，橫向放置，以便高頻磁場盡可能多的穿過原料，產(chǎn)生大的渦流；
（2）粉狀原料，應(yīng)預(yù)先壓制成塊，避免粉料漏出坩堝等；
（3）絲狀原料橫向放置，不可豎向，特別高熔點(diǎn)原料，豎放難以熔化。
4.2 抽真空
真空感應(yīng)磁懸浮熔煉爐一般采用兩級泵，先開啟機(jī)械泵抽真空，真空度達(dá)到10Pa以下后啟動分子泵抽真空，待真空度達(dá)到1×103Pa時(shí)進(jìn)行預(yù)加熱，為了除去合金中的氣體及易揮發(fā)雜質(zhì)。
4.3 熔煉
熔化期的主要任務(wù)是使合金熔化、脫氣、去除低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)和夾渣，并使合金熔成一團(tuán)，為精煉創(chuàng)造條件。
電流通過感應(yīng)線圈在合金中產(chǎn)生渦電流，因集膚效應(yīng)使得合金截面上的電流密度從合金表面最大向中心最小連續(xù)變化。加熱時(shí)每個小塊合金表面先變紅，隨著加熱功率的增大，每塊合金表面開始熔化，當(dāng)加熱功率進(jìn)一步增大時(shí)，每塊合金完全熔成一團(tuán)并在電磁力作用下，合金熔體表面趨向于球面。
送電工藝，開始小功率，待爐料變紅后加大功率至爐料熔化，使金屬液成分均勻。嚴(yán)禁在沒通冷卻水情況下進(jìn)行加熱，容易造成坩堝燒毀。
4.4 精煉
精煉期的主要任務(wù)是進(jìn)一步凈化合金（脫氧、除雜），在電磁場作用下，伴隨電磁攪拌作用使合金熔體中的夾雜物遷移至熔體表面，同時(shí)使合金熔體的成分和受熱均勻。
進(jìn)入精煉期后在電磁攪拌作用下，合金熔體產(chǎn)生對流并產(chǎn)生大量揮發(fā)物，同時(shí)球面上部浮出一些雜質(zhì)（呈黑點(diǎn)或白點(diǎn)）和氣泡，這些雜質(zhì)在表面張力作用下運(yùn)動至熔體球面邊緣，隨著精煉時(shí)間的延長，合金熔體球面變得越來越圓，且很光滑，沒有雜質(zhì)和氣泡浮出。
4.5 冷卻
冷卻過程通過緩慢降低加熱功率進(jìn)行冷卻，由于坩堝、感應(yīng)線圈、爐壁和爐蓋中都通有冷卻水，合金的冷卻速度相對很快。
精煉結(jié)束后，開始降低功率進(jìn)行降溫，隨著加熱功率的減小，熔體表面不再產(chǎn)生對流，并逐漸凝固，直到加熱功率降為零，熔體完全凝固，在通有冷卻水的真空爐內(nèi)冷卻繼續(xù)冷卻，冷卻后取出合金。
冷卻的鑄造方式還包括︰傾鑄，也可按底鑄、吸鑄、離心鑄造、擠壓鑄造、連續(xù)加料和拉錠等其它方式。
4.6 熔煉關(guān)鍵因素
在熔煉過程中，影響熔煉效果的因素主要有：
（1）加熱功率
加熱功率主要影響合金在精煉過程中脫氣、除雜、去渣的效率，加熱功率越高，合金熔體的黏度越小，越有利于原子的遷移，從而使合金熔體的成分越均勻，有利于夾渣及雜質(zhì)的去除和氣體的脫除。但如果加熱功率過高，則會引起合金有效成分中低熔點(diǎn)組元的富集和揮發(fā)，且對精煉設(shè)備不利。而如果加熱功率偏低，則除雜、去渣的效果不好。
（2）精煉氣氛
精煉時(shí)爐內(nèi)氣氛主要分為充保護(hù)氣（一般充惰性氣體，如氬氣）和真空狀態(tài)，充保護(hù)氣氣氛又包括不同的充氣壓力，而真空狀態(tài)又包括不同的真空度。充保護(hù)氣主要是防止合金中有效成分的揮發(fā)，但充保護(hù)氣又影響合金熔體中雜質(zhì)氣體的脫除以及除雜、去渣的效果。而真空條件下有利于脫氣、除雜及去渣，但導(dǎo)致合金中有效成分的揮發(fā)，而且，真空度越高，越有利于脫氣、除雜及去渣，但合金元素?fù)]發(fā)量也越大。因此，精煉合金時(shí)選擇合適的爐內(nèi)氣氛至關(guān)重要。
( 3）熔煉次數(shù)
一般在熔煉合金時(shí)需反復(fù)熔煉幾次才能使合金成分達(dá)到均勻化，目的既要脫氣、除雜及去夾渣，還要使合金成分均勻化，所以，熔煉一次可能無法達(dá)到所需效果。為了在熔煉過程中使合金熔體內(nèi)的氣體、雜質(zhì)及夾渣等能有效去除，且使合金成分均勻化，則需通過不同熔煉次數(shù)后對合金進(jìn)行對比，以確定最佳熔煉次數(shù)。
（4）精煉時(shí)間
在精煉過程中，氣體及夾雜物從熔體內(nèi)部運(yùn)動至熔體表面需要時(shí)間，而精煉時(shí)間的長短直接影響熔體內(nèi)部氣體及夾雜物的遷出率。如果精煉時(shí)間過短，則大部分氣體及夾雜物未移動至熔體表面，仍殘留在熔體中，即精煉效果不好。如果精煉時(shí)間過長，雖然能使氣體及夾雜物充分移動到熔體表面，從而脫除，但也會引起合金元素的大量揮發(fā)，同時(shí)對設(shè)備有害。因此，精煉時(shí)間的長短對雜質(zhì)的去除也很重要。
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