真空感应熔炼炉功率对铝锌合金熔池表面形貌及锌挥发影响的实验研究
作者及发表信息
本研究由波兰西里西亚工业大学的Albert Smalcerz（通讯作者）、Bartosz Węcki（来自认证测试机构“Zetom”）和Leszek Blacha合作完成，发表于Advances in Science and Technology Research Journal（2021年8月，第15卷第3期，DOI:10.12913/22998624/138245）。
学术背景
本研究属于材料冶金与电磁加工交叉领域，聚焦真空感应熔炼（Vacuum Induction Melting, VIM）技术中电磁场与熔融金属的相互作用机制。传统感应坩埚炉（ICF, Induction Crucible Furnace）和冷坩埚炉（CCF, Cold Crucible Furnace）在熔炼高活性金属（如钛、锆）时存在坩埚污染问题，而冷坩埚技术通过水冷铜坩埚分割设计可减少能量损耗。然而，熔池表面形貌（meniscus）的变化会显著影响合金成分的挥发效率（如锌的蒸发），但此前缺乏定量研究。因此，本研究旨在：
1. 建立熔池表面面积的量化方法；
2. 分析ICF与CCF功率对铝锌合金（Al-Zn）熔池形貌的影响；
3. 评估锌挥发损失与熔池表面的关联性。
实验方法与流程
1. 实验设备与材料
- 熔炼设备：
- ICF：SECO-WARWICK VIM-20真空感应炉（频率3.5 kHz），使用氧化镁陶瓷坩埚（Isopress 1126-MG951）。
- CCF：ISM 2-200冷坩埚炉（频率8 kHz），采用分瓣水冷铜坩埚。
- 研究对象：1 kg标准Al-Zn合金（成分：Zn 6.3%、Mg 2.5%、Cu 1.6%，其余为Al）。
2. 实验设计
实验分为两个阶段：
阶段一：熔池表面形貌量化
- 图像采集：使用高速相机（PSC PI 1M）和红外热像仪（FLIR）拍摄熔池动态表面。
- 几何建模：通过WebPlotDigitizer 4.1软件提取熔池轮廓坐标点，拟合曲线函数（图6）。
- 面积计算：
- 方法1：Wolfram Mathematica软件旋转曲线生成三维表面并计算面积（S1）。
- 方法2：MicroStation软件直接二维投影测量（S2）。
- 参数范围：
- ICF功率8–22 kW，CCF功率70–130 kW；
- 真空压力10–1000 Pa。
阶段二：锌挥发损失分析
- 熔炼流程：
- 抽真空至目标压力；
- 加热至953 K（ICF额外测试1013–1103 K）；
- 恒温600秒后取样；
- 原子吸收光谱（ASA Solar设备）分析锌含量。
- 数据记录：每组实验重复5次，记录锌质量损失（δm）和通量密度（n）。
主要结果
1. 熔池表面面积与功率的关系
- ICF：功率从8 kW增至22 kW时，熔池面积从88.1 cm²升至155 cm²（增幅76%），熔体高度（hv）从4.3 cm增至10 cm（图7a）。
- CCF：功率从70 kW增至130 kW时，面积从280 cm²升至330.3 cm²（增幅18%），但熔体悬浮高度（hi）变化较小（13–15 cm）（图7b）。
- 关键发现：ICF的面积增幅显著高于CCF，因CCF的电磁场分布更集中于坩埚侧壁，限制了熔体扩张。
2. 锌挥发动力学
- 压力影响：
- 10 Pa真空下，ICF（22 kW）锌损失60.69 g（96.3%），CCF（130 kW）损失50.78 g（80.3%）（表3、4）。
- 1000 Pa时，锌损失分别降至49.04 g（ICF）和28.5 g（CCF）。
- 功率影响：
- ICF中，功率增加导致锌挥发通量密度（n）从7.84×10⁻⁵ g/(cm²·s)升至6.53×10⁻⁴ g/(cm²·s)；
- CCF中，n从7.37×10⁻⁵ g/(cm²·s)升至2.56×10⁻⁴ g/(cm²·s）。
- 机制解释：CCF的熔体剧烈混合（图5c）加速了锌向表面的传质，但ICF因面积增幅更大，高功率下挥发更显著。
结论与价值
- 方法学贡献：首次结合图像分析与数学建模量化了熔池动态表面，为冶金过程模拟提供了新工具。
- 工艺优化：揭示了功率-表面形貌-成分挥发的非线性关系，建议高锌合金熔炼优先选用CCF以减少损失。
- 理论意义：验证了洛伦兹力（Lorentz force）对熔池形貌的主导作用（图3），补充了电磁流体力学模型。
研究亮点
- 技术创新：开发了基于Wolfram Mathematica的熔池表面实时计算方法，精度达±2%（表2）。
- 跨学科应用：成果可拓展至真空脱气、合金提纯等工艺的动力学分析。
- 工业价值：为冷坩埚设计（如分割宽度、频率优化）提供了实验依据（参考文献18）。
其他发现
- 温度影响：ICF中，温度从953 K升至1103 K时，锌挥发速率提高8倍，但CCF因冷却效应温度稳定性更优。
- 局限性：未探讨频率变化对熔池形貌的影响，未来可结合多物理场仿真深化研究（如COMSOL）。
本研究通过严谨的实验设计，为电磁冶金工艺的精准控制提供了理论和实践基础。