区域熔融应用

VAR 熔炼技术是否可以成功地熔炼易偏析合金取决于下面两个因素。

（1） 熔炼过程必需稳定只有这样才能保证向凝固区连续提供成分均匀的熔融金属。任何引起凝固区域熔融金属流场波动的凝固过程都会引起溶质成分的变化，造成宏观偏析。稳定的凝固过程决定于电弧行为，要求电弧稳定。稳定的电弧要求：原料纯净；电极与熔池间隙相对较小（真空下0.06~0.010 m）；不存在由非同轴供电、永磁体和其他设备引起的杂散磁场。值得指出的是，（5~10）×10- 4 T的横向磁场就可影响电弧，造成能量轴向不对称分布。稳定的凝固过程还决定于冷却速度。它不仅需要冷却速度稳定，而且还要随熔炼速度的变化而变化，从而根据所熔炼材料和铸锭直径形成最佳熔池形状。

（2） 水平方向的凝固过程它影响着水平方向产生偏析。水平方向偏析出现在晶粒生长方向垂直于铸锭轴向的区域。为使熔池较浅和深度恒定，必须保证从铸锭中心带走足够的热量。但如果熔池太浅，温度梯度太高，在铸锭边部产生溶质贫化现象。因此，对于一定的材料和铸锭尺寸，熔速和冷却速度必须相互匹配。事实上，直径大于0.6 m 的易偏析镍基合金是很难生产的，因为即使满足建立熔池的最小功率条件，也不能有效地从铸锭中心带走足够的热量。必须指出，对于每一炉次，起弧和补缩是最容易产生偏析缺陷、但又是极难避免的。

对于不易偏析的合金（如许多钛合金）则比易偏析合金容易熔炼。如果不存在通道偏析，就可以采用大熔速，提高生产效率，生产大直径铸锭。但必需保证电弧均匀地加热电极端部和熔池，以获得优良的铸锭表面，减少铸锭扒皮量。在大电流下熔炼大直径铸锭时，由于轴向对称磁场的存在，电弧被束缚在电极端部，电弧行为非常不理想，改善措施是增大电极间隙，采用换向搅拌磁场。可见，成功熔炼不易偏析合金的关键在于控制电弧，即控制电极间隙、搅拌磁场和磁场换向间隔。其它影响大电流钛合金熔炼的因素包括炉室气氛、坩埚涂层、炉体同轴性等。如果炉室漏气，不仅铸锭会被污染，而且还会引起电弧不稳定。

1 电极间隙控制

电极间隙（即两极间的距离）的精确控制是提高VAR 熔炼铸锭质量的重要技术保证。熔炼控制系统属于简单的单输入单输出型，假设仅需主动地、独立地闭环控制一个或两个参数就可以有效控制整个过程，简化了工艺参数与铸锭质量的关系。由于熔炼过程的复杂性，这一简化有时不能得到符合质量要求的铸锭。为解决这一问题，必须开发新一代VAR 熔炼控制系统。该系统应基于对熔炼、凝固过程动力学和不同控制参数对铸锭质量影响的更加深入理解，必须能够快速准确地测定熔炼状态和自动进行适当地反应。现代高性能计算机已经使提高系统反应速度、监测和测定多个工艺变量以及进行复杂运算成为可能。通常VAR 熔炼只是简单地控制电流恒定和电极下降速度（即电压）两个参数。电压恒定，则电极间隙恒定。但事实并非如此，电压对电极间隙不敏感，特别在低于20 kA 电流下，电压并非仅仅决定于电极间隙。因此，用电压控制电极间隙的方法通常只适用于大电流熔炼。然而，即使在35~40 kA 电流下，通过控制电压来控制电极间隙也经常失败。

电弧接触坩埚壁造成坩埚打孔的问题促使小电极间隙控制系统的产生。1957 年Cooper 和Dilling（Titanium Metals Corporation）的专利建议电极下降速度略高于电极实际熔化速度，一旦电极与熔池接触，电极迅速提升预设高度。基于这一控制理论，又有许多进展。R.C.Buehl（Crucible Steel Companyof America）提出了瞬时短路法，通过监测电极端部熔滴与熔池的瞬时短路，可以知道电极已经与熔池非常接近。一旦监测到熔滴短路信号（持续0.1~0.3 s），电极被迅速提升一个预设高度。该方法的进一步优化措施是立即停止电极下降或降低电极下降速度。仍有许多VAR 熔炼控制系统采取这种控制原理或其发展理论。

以上控制方法对于生产优质合金来说仍然不能满足要求。为此，需要一种控制方法，能够在一定范围内保持电极间隙稳定。1958 年，E.W.Johnson（Westinghouse Electric Corporation）提出一项专利，可以保持电极间隙稳定，通过控制电极位置，使每秒内熔滴短路次数在一个预设的范围内。1965年，Murtland，Rebhun 和Jackson 提出一种类似的算法，称为哈希算法，它是通过监测熔滴短路后电弧重燃时的正电压尖峰信号来实现的。

R.J.Robert（Consarc Corporation）提出一种电极驱动速度控制系统。该系统采用熔速和电极电信号作为控制系统输入。其中熔速通过电极称重装置计算出来，电极下降基本速度以实际熔速确定，再由电信号进行修正。这种方法代表着VAR 熔炼控制技术的进步，因为它采用了基本速度控制方法和多点、独立数据流控制单个熔炼参数。

SMPC（Specialty Metals Processing Consortium）最新的研究目标是开发一种电极间隙控制技术，该技术充分利用现有的工艺知识、控制方法、感应器技术、建模技术和计算能力的最新进展，制作了控制器。控制器的输入是熔炼速度，输出是电极下降速度。炉子的输出信号，如熔炼电流、电弧电压、电极重量、电极位置等参数，用于对实际熔炼速度进行修正。该技术的创新之处在于采用了Kalman过滤算法，将多点、独立的电极间隙信号合成为一个优化的实际熔炼速度参考信号。Kalman 过滤算法负责消除噪声干扰和最小化变量实际值与修正值平方差。另外，Kalman 过滤算法还包括一个实验确定的模型，用于从监测数据中区别错误数据。该技术的另一个创新之处是采用了适应性增益修正算法。该算法根据炉子的输出信号修正Kalman 过滤器和控制器的增益值。SMPC 的电极间隙控制方法已经在Allvac Corporation 试验成功。

2 熔炼速度控制

稳定的熔炼速度，可以保证固/液凝固界面温度梯度稳定，使凝固过程连续平稳地进行，从而保证铸锭冶金质量，避免产生偏析缺陷。现代VAR 炉装备有称重系统，可以在线监测和记录自耗电极的重量，计算熔炼速度。由于测量数值的波动，采用简单的微分放大算法会产生非常大的偏差，为了解决此问题，所得到的称重数据需要经过过滤、缓存，然后用线性最小二乘回归等算法进行修正，这样计算所得的熔炼速度滞后于实际速度约5~10 min。

在熔炼过程稳定后的阶段，稳定的熔炼电流保证了熔炼速度的稳定。然而在熔炼开始阶段和熔炼结束的补缩阶段，以及如压力变化等外部因素引起熔炼速度变化时，上述模型不能很好地调整熔炼电流以控制熔炼速度，熔炼速度不稳定势必引起凝固速度的变化，有可能引起偏析缺陷。Williamson等开发了动态熔速控制模型，该模型考虑了电极热边界层、电极间隙、电极行程位置和电极重量等参数，电极间隙和熔炼速度设定值作为操作输入参数，熔炼电流和电极驱动信号作为输出参数。在CarpenterTechnology Corporation 的VAR 熔炼实验中表明，该模型可以在熔炼起始阶段，补缩阶段和电极尺寸发生变化时精确地控制熔炼速度。

3 同轴供电

实践证明，流过坩埚的电流不对称，供电线路及附近设备磁场的影响都会引起熔池的瞬时转动，进一步影响铸锭的结晶凝固并降低冶金质量，特别是大型铸锭尤为明显。消除杂散磁场对熔化过程的影响，关键在于如何尽可能合理地设计与制造炉子的结构，优化配置炉子的支撑结构件，合理选择制造炉子各部件的金属材料，正确设计与安装从整流器到炉子内部的整个电流回路，最终达到炉子及熔化区域电磁环境的“洁净”配置。同轴供电系统就

是基于以上要求建立的供电系统。通过控制导体周围的磁场提供绝对对称的电流分布及电流流动、保持整流器和炉子之间的电缆与母排形成的回路引线平行、尽可能减少外部磁场作用范围、缩小感应回路、尽量避免坩埚顶部附近电缆的过度下垂等措施，达到消除杂散磁场的目的。

4 X -Y 对中

在电极焊接和熔炼过程中，电极与坩埚不对中一方面影响液态熔池中的热量分布，从而引起铸锭的凝固偏析和铸锭的表面质量，另一方面会因为电极离坩埚太近发生击穿坩埚和爆炸的危险。X- Y 对中系统可以灵活地调节电极在坩埚中的位置，保证电极与坩埚同轴，避免以上问题的发生。

可由铝土矿或闪锌矿中提取。最后经电解制得纯净镓。

主要从炼锌废渣和炼铝废渣中回收提取。

工业生产以工业级金属镓为原料，用电解法、减压蒸馏法、分步结晶法、区域熔融法进一步提纯，制得高纯镓。 电解法 以99.99%的工业级金属镓为原料，经电解精炼等工艺，制得高纯镓的纯度≥99.999%。以≥99.999%的高纯镓为原料，经拉制单晶或其他提纯工艺进一步提纯，制得高纯镓的纯度≥99.99999%。

光纤合束器是在熔融拉锥光纤束（Taper Fused Fiber Bundle，TFB）的基础上制备的光纤器件。它是将一束光纤剥去涂覆层，然后以一定方式排列在一起，在高温中加热使之熔化，同时向相反方向拉伸光纤束，光纤加热区域熔融成为熔锥光纤束。从锥腰切断后，将锥区输出端与一根输出光纤熔接。TFB 最初的提出是将泵浦光纤和信号光纤熔锥合束到一根双包层增益光纤中，应用在高功率掺饵光纤放大器（EDFA）上。在后来的发展中，这种全光纤的合束器有了多种形变。

光纤合束器光纤合束器的分类

根据使用功能分类，光纤合束器可以分为两大类：功率合束器和泵浦合束器。功率合束器就是将多路单模激光合束到一根光纤中输出，用来提高激光的输出功率（也称单模-多模光纤合束器）。泵浦合束器主要是将多路泵浦光合束到一根光纤中输出，主要用来提高泵浦功率（也称多模-多模光纤合束器）。光纤合束器按照其构成方式又可以分成两类，不包含信号光纤的 N1 光纤合束器和包含信号光纤的（N 1）光纤合束器。

光纤合束器的 N 根输入光纤是相同的，这种器件主要用在光纤激光器系统中。光纤合束器既可以用作泵浦合束，也可以用作功率合束。如果 N1 光纤合束器的 N 路输入光纤与多个泵浦源相连，用来提高多模泵浦光输入功率，则是泵浦合束器；如果 N 路输入光纤与激光器连接，用来提高激光合成功率，则是功率合束器。和 N1 光纤合束器不同，（N 1）1 光纤合束器中心的一根光纤是信号光纤。在制作过程中，N 根多模光纤必须紧密对称地排列信号光纤周围，中间的信号光纤用于信号光的输入，这种光纤合束器主要用于光纤放大器。

光纤合束器在光纤激光系统中的应用

通过改变光纤合束器的输入光纤类型，就可以实现不同功能的合束器。光纤合束器在拉锥前输入光纤端面排布示意图，图中的普通光纤可以是多模光纤，也可以是单模光纤，还可以是大模场光纤等。