学术研究报告：电磁冷坩埚优化及其在熔融钛发射率测量中的应用

作者及机构
本研究的通讯作者为河南师范大学物理学院的Longfei Li和Kun Yu，合作单位包括河南省科学院物理研究所。研究成果发表于《Case Studies in Thermal Engineering》2025年第68卷，文章编号105898，采用开放获取（CC BY-NC 4.0许可）。

学术背景

研究领域与动机
钛（Ti）合金因其高强度、低密度和优异的高温性能，成为航空发动机涡轮叶片的关键材料。然而，其性能高度依赖纯度和制备工艺的精确性。光谱发射率（spectral emissivity）作为表征材料表面热辐射能力的参数，直接影响高温环境下的散热效率。传统熔炼技术（如Kroll法、真空自耗电极电弧熔炼）存在污染风险且能耗高，而电磁冷坩埚（electromagnetic cold crucible）技术能实现无污染熔炼，但电磁能利用率（electromagnetic utilization）和温度均匀性仍需优化。

研究目标
1. 通过数值模拟优化冷坩埚结构，提升电磁能利用率和熔体温度均匀性；
2. 开发高精度熔融钛光谱发射率测量装置。

研究流程与方法

1. 电磁冷坩埚的数值模拟与优化

模型构建
- 软件工具：采用ANSYS Maxwell和Fluent 2021R1进行多物理场耦合模拟，包括电磁场、温度场和流场。
- 网格独立性验证：通过四组自由度（313万至1198万）测试，确定585万网格（平均质量0.5948）为最优方案（图2c）。
- 关键参数：坩埚形状（圆柱形球底、圆柱形、梯形）、电流（500–1300 A）、频率（30–70 kHz）、样品尺寸（半径4–16 mm）。

实验设计
- 电磁场分析：通过有限元模拟评估磁通密度（magnetic flux density）分布，发现球底圆柱形坩埚的磁场均匀性最佳（图5d–5i），涡流损耗（eddy current loss）降至89.82 W（表3）。
- 样品位置优化：磁通密度峰值位于坩埚底部上方22 mm处，样品中心定位于此区域以最大化加热效率（图3a）。
- 电流与频率优化：1300 A和30 kHz为最佳参数，使钛样品温度稳定超过熔点（1943 K），同时避免能源浪费（图4c–4d）。

2. 光学系统设计与发射率测量

光学路径优化
- 仿真工具：TracePro软件进行蒙特卡洛光线追迹（Monte Carlo ray tracing），优化光路组件（如Thorlabs IDA12-P5孔径光阑、ZnSe分束器），确保3–5 μm波段信号接收效率（图6a–6d）。
- 温度场验证：红外相机实测熔体表面温度分布与模拟结果偏差仅3 K，证实模型可靠性（图7d）。

发射率测量
- 装置：在氩气保护下，通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）测量1944 K熔融钛的发射率，结果显示其随波长增加而降低（图9b），与CO₂吸收峰（4.3 μm）的模拟结果一致。

主要结果

1. 坩埚结构优化：球底圆柱形坩埚的电磁力分布均匀性优于传统形状，涡流损耗降低10%以上（表3）。
   
2. 工艺参数：样品半径16 mm、电流1300 A、频率30 kHz时，熔体温度梯度最小（ΔT≈10 K），电磁能利用率最高。
   
3. 发射率数据：熔融钛在3–5 μm波段的发射率呈单调递减趋势，为航空材料设计提供了关键热物性参数。
   

结论与价值

科学价值
- 提出了一种基于数值模拟的冷坩埚优化方法，揭示了电磁场-温度场-流场的耦合机制。
- 开发的发射率测量装置填补了熔融金属高温光学特性的实验数据空白。

应用价值
- 优化后的冷坩埚技术可推广至其他高活性金属（如锆、钽）的纯净熔炼。
- 发射率数据为航空发动机叶片的热管理设计提供了理论依据。

研究亮点

1. 方法创新：首次将电磁场优化与光学测量结合，实现熔融钛发射率的高精度原位测量。
   
2. 跨学科融合：综合电磁学、流体力学和热力学模拟，为多物理场耦合问题提供解决方案。
   
3. 工程指导性：明确的工艺参数（如电流频率与样品尺寸的定量关系）可直接用于工业生产。
   

其他发现
- 熔体弯月面（molten meniscus）的形成机制（图8）揭示了电磁力、表面张力与重力的动态平衡，为后续界面稳定性研究奠定基础。

（报告字数：约1800字）