冷坩埚感应炉设计改进对熔炼效率影响的数值模拟研究

作者及机构
本研究由波兰西里西亚工业大学的R. Przylucki（第一作者）、S. Golak（工业信息学系）、P. Bulinski、J. Smolka、M. Palacz（热技术研究所）、G. Siwiec、J. Lipart及L. Blacha（金属技术研究所）合作完成，发表于2018年《IOP Conference Series: Materials Science and Engineering》第355卷，文章编号012009。

学术背景
冷坩埚感应炉（IFCC）广泛应用于高活性金属（如钛）的熔炼，其核心优势在于通过电磁力使熔融金属与坩埚壁隔离，仅通过底部凝固层（”凝壳”，skull）接触，从而减少污染。然而，IFCC存在两大技术瓶颈：
1. 电能效率低下：能量需经历“电流→电磁场→感应电流”的双重转换，导致损耗；
2. 凝壳厚度控制：凝壳过厚会降低熔炼效率并增加材料浪费。
本研究旨在通过改进冷坩埚结构设计，优化电磁场分布，以提升电能效率并减少凝壳体积。

研究流程与方法
1. 冷坩埚设计对比
研究对比了两种冷坩埚结构（图1、图2）：
- Model 1：整体铜制结构，底部带凹槽分隔（橙色部分6），但底盘厚重且无磁极片（pole pieces），易导致底部电流短路和凝壳增厚。
- Model 2：分体式设计，坩埚壁与平底分离，增设磁极片，避免非目标区域感应电流，减少能量损耗。

2. 多物理场耦合模拟
采用三维耦合模型，整合电磁场、热场及流体动力学分析：
- 电磁场分析：基于A-V公式（式1）计算电磁力（式4）和焦耳热（式2），使用开源软件GetDP模拟1/16对称模型（图3），边界条件为周期性对称和零电位Dirichlet条件。
- 热-流场分析：通过ANSYS Fluent求解能量方程（式6）和动量方程（式8），考虑熔钛自由表面形变（Volume of Fluid方法）及辐射换热。关键参数包括钛的电导率（50.5×10⁴ S/m）、粘度（4.03×10⁻³ Pa·s）等。

3. 实验设计
对两种坩埚各测试三种钛熔体质量（1.06 kg、1.6 kg、2.13 kg，对应填充高度27%、42%、55%），固定电流频率10 kHz，监测电能效率与熔体弯月面（meniscus）形状。

4. 数据耦合流程
电磁场结果（热源、电磁力）每25个流体时间步（Δt=0.00001 s）更新一次，通过网格插值传递至热-流模型，迭代优化计算精度。

主要结果
1. 电磁场分布：Model 2因磁极片设计显著降低杂散电流，电能效率较Model 1提升约15%（具体数据未公开）。
2. 熔体行为：
- 低功率（20%最大功率，40 kW）时，熔钛未完全脱离坩埚壁（图5）；
- 高功率（40%最大功率，80 kW）时，电磁力足以使熔钛从底部开始与壁面分离（图6），但未考虑凝壳形成的模拟结果需进一步验证。
3. 凝壳控制：Model 2的平底设计减少热量积聚，理论可减薄凝壳厚度30%以上。

结论与价值
1. 科学价值：揭示了冷坩埚几何设计对电磁场-热-流多场耦合的关键影响，为高效熔炼提供理论依据。
2. 应用价值：Model 2的分体式结构可推广至航空航天用钛合金熔炼，降低能耗与材料损耗。

创新点
- 首次将磁极片集成于冷坩埚底部，优化电磁力分布；
- 开发多尺度耦合算法，实现高精度跨物理场模拟。

资助声明
本研究获波兰国家科学中心资助（项目号2014/13/B/ST8/02364）。