哈尔滨工业大学陈瑞润团队在《China Foundry》发表电磁冷坩埚磁场优化研究

作者及发表信息
本研究由哈尔滨工业大学材料科学与工程学院陈瑞润（Chen Ruirun）副教授团队主导，合作者包括杨杰仁、丁宏升、黄峰、苏彦庆、郭景杰和傅恒志。论文《Effect of power parameter and induction coil on magnetic field in cold crucible during continuous melting and directional solidification》发表于2012年2月的《China Foundry》期刊（Vol.9 No.1），属于金属材料加工领域的原创性研究。

学术背景
电磁冷坩埚（Electromagnetic Cold Crucible, EMCC）技术因其低污染特性，在高温合金和多晶硅定向凝固（Directional Solidification, DS）中具有重要应用价值。传统研究聚焦于坩埚结构参数（如狭缝数量、高径比）对磁场分布的影响，但针对电源参数（电流强度、频率）和感应线圈设计的系统性研究仍存空白。本研究旨在通过三维有限元（3D FE）模拟结合实验验证，优化EMCC系统的磁场分布效率，为工业级连续熔炼与定向凝固提供理论依据。

研究方法与流程
1. 模型构建与验证
- 三维有限元模型：基于自主设计的8瓣式无底EMCC（图1），采用ANSYS软件（含自开发代码）建立三维模型（图2），计算磁通密度（Bz）。模型几何参数包括坩埚高度（h=150mm）、内径（d1=60mm）、狭缝宽度（d=1mm）等（表1）。
- 实验验证：通过对比二维、三维模拟与实测磁场数据（图3），证实三维模型可精确预测磁场分布（误差%），而二维模型因忽略屏蔽效应导致高估Bz值。

1. 关键参数分析
   
   • 电源参数：
     
     • *电流强度*：在50kHz固定频率下，Bz随电流（80-200A）线性增长（图4c）。140A时，狭缝处Bz达峰值（60mm高度处），为段中点1.5倍（图4a-b）。
       
     • *频率*：140A电流下，低频（50Hz-50kHz）显著提升Bz穿透性（图5）。但低于临界频率（10kHz）时熔体稳定性下降，需权衡穿透性与熔池形态。
       
   • 感应线圈设计：
     
     • *位置优化*：增大线圈与屏蔽环间距（h4=3→18mm）使Bz提升25%（图6c），降低能量损耗。
       
     • *截面形状*：跑道形（racetrack）线圈诱导的Bz最高，较圆形截面提升约30%（图7），方形与单匝矩形次之。
       

主要结果与逻辑关联
1. 磁场分布规律：高频（>50kHz）导致铜坩埚段电磁屏蔽增强，而低频和高压电流可协同提升Bz均匀性（图5c）。这一发现解释了工业中熔体形状从凹向凸转变的现象（文献[14]）。
2. 结构优化机制：跑道形线圈通过增强边缘磁场集中度（图7），而增大h4间距减少了屏蔽环的涡流损耗（图6），二者结合可使系统能效提升40%以上。
3. 工艺窗口界定：研究明确了临界频率（10kHz）与最小电流阈值（文献[13]）的匹配关系，为稳定熔池形成提供量化标准。

结论与价值
1. 科学价值：首次系统量化电源参数与线圈几何对EMCC磁场的耦合影响，揭示了低频-高电流协同优化机制，弥补了传统研究仅关注坩埚结构的局限性。
2. 应用价值：提出的跑道形线圈设计及h4间距优化方案，已成功应用于钛铝（TiAl）合金定向凝固生产（文献[5-6]），推动燃气轮机叶片等关键部件制造工艺升级。

研究亮点
1. 方法创新：开发了融合ANSYS与自研代码的三维动态电势算法（公式5-6），解决了传统H-φ法在导体区域的计算瓶颈。
2. 工业指导性：明确“频率优先于电流”的调试原则，为EMCC系统参数配置提供标准化流程。
3. 跨学科验证：通过对比电磁学（穿透深度理论）与流体力学（熔池形貌实验），建立了多物理场耦合分析框架。

其他贡献
本研究受国家973计划（2011CB605504）支持，相关成果已延伸至多晶硅冷坩埚连铸技术开发（文献[3,12]），凸显其在清洁能源材料制备中的潜力。