摘要：磁流体密封具有无摩擦、无污染、寿命长等优势，在真空密封方面具有广阔的应用前景。结合工程应用实际，本文简述了磁流体密封技术的原理、特点，国内外磁流体密封技术研究现状及产品和磁流体密封在真空装备中的应用情况，介绍了超导线圈热处理装备和工艺发展现状以及现有磁流体密封

摘要：磁流体密封具有无摩擦、无污染、寿命长等优势，在真空密封方面具有广阔的应用前景。结合工程应用实际，本文简述了磁流体密封技术的原理、特点，国内外磁流体密封技术研究现状及产品和磁流体密封在真空装备中的应用情况，介绍了超导线圈热处理装备和工艺发展现状以及现有磁流体密封结构在超导线圈密封中存在的缺陷，并提出了一种基于超导线圈的真空热处理装备用水冷磁流体密封装置，该装置可以达到无间隙密封，只需足够的冷却水即可保证热平衡，能有效降低成本。

关键词： 超导线圈 真空 磁流体 密封

磁流体是20世纪60年代中期研制成功的一种可导磁的人工合成胶体系统。磁流体密封是目前比较成熟的密封技术之一，在真空密封方面发挥着越来越大的作用。磁流体密封技术有着天然的优势，无摩擦、无污染、寿命长。作为一种新型功能材料，磁流体是以液体形式存在的导磁材料，既具有液体的流动性，又具有良好的导磁性，因此在苛刻的工程环境下有着广阔的应用前景。

国内外大科学工程建设、高端医学装备制造和实验室用大型强磁设备的研制都离不开超导线圈。Nb3Sn 作为第二类实用化低温超导体，具有优异的超导性能，几乎专门用于 10 T 至 20 T 场强的超导磁体研制。大型 Nb3Sn 超导线圈的制备一般采用先绕制成型后反应成相的技术路线。

热处理是 Nb3Sn 线圈发生固态扩散反应而生成超导相的重要关键工艺环节，磁体的超导性能将完全由热处理工艺决定。出于温度均匀性和性价比考虑，通常采用保护气氛炉对大尺寸超导线圈进行热处理。确保炉内温度均匀性和炉内无氧环境是超导线圈热处理的关键技术要求[1]，为此，通常会在炉顶配备变频风机用于炉内热风循环。为满足炉内清洁度需求，还要保证热处理炉具有良好的密封性能，特别是对风机的动密封性能要求较高。

因此，将磁流体密封技术扩展应用到超导线圈真空热处理装备上意义重大。磁流体密封技术包括两个关键部分：一是适合密封使用条件的磁流体的制备；二是密封装置的结构和磁场的设计与制造。本文简要介绍了磁流体及其密封原理、特点，磁流体密封技术的研究现状及产品，超导线圈热处理工艺以及现有磁流体密封结构在超导线圈密封中存在的缺陷，同时针对现有技术缺陷，提出了一种基于超导线圈真空热处理装备用水冷磁流体密封装置，并进行了相关分析，介绍了此项装置带来的显著效果，以求更好地推动这一技术的应用，为真空设备发展助力[2-4]。

磁流体密封技术

在静态密封中，密封性能取决于磁流体的磁饱和程度而非其他物理参数；而在动态密封中，虽然磁饱和是主要因素，但磁流体的黏度也会影响密封性能。此外，高黏度磁流体具有系统较高的临界压力，而低黏度磁流体有助于提高密封的耐久性[5]。

1.1 磁流体密封技术原理

磁流体即磁性液体（也叫磁性流体或者铁磁性液体）是由磁性纳米颗粒均匀分散到基载液中形成的一种稳定的液体。在密封件内部由于只有导磁体与液体的接触密封，因此磁流体具有严格的密封性。磁流体密封原理[6] 如图1所示。

▲ 图1 磁流体密封原理

转轴之间的间隙称为密封间隙，注入密封间隙内的磁流体在磁场作用力下，其内纳米磁性粒子会按照一定的取向运动，紧紧包裹在磁极和转轴表面上，磁流体将密封间隙的空间充满并表现出很强的磁性。当密封结构处在非运动状态时，磁流体只受到磁场吸引力的作用而紧紧吸附包裹在磁场最强处。当密封结构处在非静止状态时，外界也会给定一个作用力，此时磁流体在两个力同时作用下产生压差，为了保持平衡，磁流体的几何形状以及吸附包裹的位置发生变化，在适应压差的变化后，磁流体会在一个新的平衡位置达到稳定，以保护被密封介质，从而实现良好的密封效果[6-8]。

1.2 磁流体密封技术特点

磁流体密封技术具有以下特点：

❶ 密封应用领域广泛：可以密封气体、液体以及气液两相混合物。

❷ 零泄漏：常温常压下，通过氦气质谱测量法测得泄漏率小于 10-12（Pa·m3）/s，基本可以达到密封结构内压力不变。

❸ 磨损少：密封结构中各个部件不直接接触，由磁流体充满密封间隙，因此几乎无摩擦，发热少。

❹ 可靠性优良：基于磁流体的溅射特性，密封件容易恢复原始形态，不容易被破坏。

❺ 密封承压无方向性：在对磁流体密封装置进行设计时，磁流体两边均可承受压力，改变密封的承压方向无需其他辅助元件。

❻ 无污染：磁流体形成的 O 型圈在密封时不会产生污染粒子，磁流体中基载液和磁性粒子性质稳定，挥发消耗量极低，同时磁流体具有很强的排斥性，在外磁场的作用下能排除其他杂质，从而杜绝了固体颗粒磨损的影响[9-11]。

国内外磁流体密封技术研究现状及产品

磁流体密封作为一种新型密封技术，是目前国内外对磁流体领域研究最深入的方向。20世纪60年代，美国首次将磁流体密封应用于航空航天领域，从此越来越多的学者开始投入到磁流体的相关研究中。Rosensweig 在磁流体基础理论研究方面，整理归纳发表著作 Ferrohydrodynamics。我国池长青、李德才等对相关理论也进行了总结和补充[12]。

经过多年的发展，国内外学者针对磁流体密封领域进行了大量的研究，目前已经设计制造了多种磁流体密封装置。国外研究主要集中在小轴径高转速设备密封结构设计以及磁流体的磁黏性效应两个方向，但对于大轴径高线速度下的磁流体密封结构优化研究较少；国内研究主要集中在小轴径磁流体密封结构优化、工作机理以及密封介质与磁流体反应等方面。国内外典型磁流体密封产品及应用[13]见表1。

▲ 表1 国内外典型磁流体密封产品及应用领域

通过表1可以看出，磁流体密封技术在中小直径真空密封领域广泛应用，并具有优异的密封效果，但在大直径、高转速真空密封时效果不佳。主要原因在于大轴径密封装置体积过大，径向跳动较大，所以密封间隙取值也较大，进而导致密封耐压值低；高转速导致磁流体离心力和黏性摩擦热较大，极大影响磁流体稳定性，降低密封耐压值。为了解决以上问题，目前主要的研究方向有两个：一是研制出饱和磁化强度更佳、更稳定的磁流体，二是改进磁流体密封装置结构[14-17]。

磁流体密封技术在真空装备中的应用

磁流体密封在真空密封方面的研究较多，而且应用最为成功。

磁流体密封技术的应用领域已经覆盖国内外多种类真空设备。鉴于真空设备对真空度的要求较高，因此在设计如真空钎焊炉传动轴等轴类磁流体密封件时，必须采取相应的措施。例如，磁流体密封件应带有冷却水结构，这是因为磁流体的工作温度一般不超过 80℃ ，即使工作过程中周围环境温度不高，由于轴径非常大、转速非常高，在运转过程中，磁流体本身也会随着工作时间的累积而发热，所以密封件自身也需要相应的水冷措施。有资料表明，当轴的线速度达 20 m/s 以上时需要采取相应的水冷措施，线速度在 20 m/s 以下时不需要采取水冷措施。也有研究证明，当轴的线速度超过 12 m/s 时，随着工作时间的延长，磁流体自身发热现象已经较为严重，应采取相应的水冷措施[18-20]。

超导线圈热处理装备及工艺发展现状

未经时效处理的超导线材具有良好的机械强度和韧性，适合绕制成各种形状的磁体，而热处理后的超导线材对应力应变极为敏感，在受到外力时非常容易造成性能的减退。从磁体制造的可靠性以及安全性角度考虑，大型超导磁体特别是大型超导线圈的主流制造工艺路线为先绕制成型，后反应成相。工艺路线的固化导致线圈热处理往往需要依据线圈的几何尺寸和热处理工艺技术要求来建造专用的线圈热处理设备。目前，国际通用的大型超导热处理系统主要是真空热处理系统和预抽真空保护气氛热处理系统，这两种系统均需要抽取真空，建造成本极其昂贵。

本节对国内外大型超导线圈热处理设备及其工艺发展现状进行简要介绍[21-22]。2002年，俄罗斯 Bochvar 研究所采用立式真空热处理设备完成了 ITER CICC 型超导线圈的热处理工作，真空炉中的 CICC Nb3Sn 线圈如图2所示。该线圈外径约 1.5 m，导体长度约 44 m，导体截面直径为 42.7 mm，最大磁场为 13 T。在热处理过程中为了保证线圈的清洁度，炉膛真空度始终小于10-3 Pa，热处理后的样品性能均可满足推荐的性能指标[23-24]。

▲ 图2 俄罗斯 CICC Nb3Sn 线圈真空热处理炉

日本 ITER CS 模型线圈的设计与制造项目立项于1992年。ITER CS 模型线圈采用全尺寸 Nb3Sn 导体设计，由10层内模组线圈和8层外模组线圈构成，内径为 1.58 m，外径为 3.6 m，高 2.78 m。为了保证线圈热处理温度均匀性，ITER CS 模型线圈采用预抽真空保护气氛热处理系统，模型示意图如图3所示。预抽真空保护气氛热处理系统中热处理设备在冷态下抽取真空，热态下回填氩气[25-27]，这样既可以精确控制炉内杂质气体含量，确保线圈表面质量，又能在热风循环系统的作用下使炉内惰性气体强对流传热，保证线圈的温度均匀性。

▲ 图3 日本 ITER CS 模型线圈热处理炉

中科院强磁场中心建立了有效工作直径 2 m，高 2.5 m 的线圈真空热处理炉[28]，完成了 45 T 混合磁体外 Nb3Sn 超导线圈热处理，如图4所示。

▲ 图4 强磁场超导线圈热处理设备

水冷磁流体密封装置在超导线圈热处理装备上的应用

现有的磁流体密封结构，利用磁流体在导磁回路间隙中形成的液体“O”型圈及对磁场的响应特性实现密封。磁流体受压差作用时会在非均匀磁场中移动，这时不均匀的磁场就会使磁流体产生对抗压差的磁力进而达到新的平衡，从而起到密封作用。但该结构存在以下缺陷：磁流体密封应用的材料需要耐高温，目前所用材料寿命比较短，致使应用于超导线圈热处理炉的磁流体密封装置不能长时间运行；无法解决超导线圈热处理炉长周期运转（连续运转超过1个月）风机组件局部过热的情况；转轴在旋转过程中会产生大量热，致使转轴的寿命降低[29-30]。

针对现有技术缺陷，本文介绍了一种基于超导线圈真空热处理炉的专用水冷磁流体密封装置，按一实施方案来阐述其具体结构，如图5所示。该磁流体密封结构包括环形磁铁、高导磁极靴、轴承、转轴、非导磁壳体和O型密封圈。转轴为水冷结构，故增设水冷孔和水嘴，非导磁壳体亦为水冷结构，故增设了水冷槽和壳体水嘴。其中，转轴外套有非导磁壳体，两者通过轴承装配连接；转轴上、非导磁壳体内套有环形磁铁，环形磁铁两侧和转轴上各套有一环形高导磁极靴；高导磁极靴与非导磁壳体之间用O型密封圈进行密封。

▲ 图5 水冷磁流体密封装置：1.非导磁壳体；2.转轴；3.轴承；4.高导磁极靴；5.环形磁铁；6.O型密封圈；7.水冷孔；8.水嘴；9.水冷槽；10.壳体水嘴

高导磁极靴与转轴之间为间隙配合，间隙中填充有磁流体，形成磁流体密封结构。环形磁铁、极靴和转轴所构成的磁性回路，在磁铁产生的磁场作用下，将转轴与极靴顶端缝隙间的磁流体加以集中，使其形成一个“O”形环，将缝隙通道堵死而达到密封目的。转轴冷却主要实现方式为在转轴内开设有沿其长度方向布置的腔体，该腔体第一端贯通转轴长度方向，第二端通过转轴侧壁开设的水冷孔与外界相连通，使用时，冷水源由腔体第一端注入至腔体内，经腔体第二端后由冷水孔流出，从而实现转轴的降温。在水冷孔外设置有水冷孔水嘴，在非导磁壳体上设置有水冷槽，在水冷槽外设置有水冷槽水嘴，水冷槽通过路径至少环绕非导磁壳体径向一周，并且水冷槽在非导磁壳体长度方向上延伸一定距离。

结 论

与现有技术相比，本文所介绍的水冷磁流体密封装置采用转轴空腔（腔室或腔体）设计，只需要提供足够的冷却水就可以保证磁流体装置的热平衡。并且轴和非导磁壳体的设计可以降低磁流体装置的使用温度，无需特殊的耐高温材料，从而提高了磁流体装置零部件的使用寿命，降低了磁流体装置的成本，还可以保证超导线圈热处理清洁度的要求。基于超导线圈热处理炉用水冷磁流体密封装置，可以达到无间隙密封，能解决热处理过程中因炉内微正压对风机密封的扰动而无法密封的问题。磁流体密封技术是一项不断发展创造、不断进步而逐步走向成熟的技术，这项技术的应用领域将不断地被拓宽，也必将给用户和生产厂家带来可观的经济效益。

来源：iVacuum真空聚焦