熔融光谱发射率测量用电磁冷坩埚的仿真和实验研究.pdfVIP

摘要

光谱发射率是衡量材料辐射特性的重要热物理参数之一，它在辐射测温、金属冶炼、

红外隐身等领域具有重要的应用。近年来，国内外已有学者测定了许多固态物质的光谱

发射率，但是对于金属、半导体、合金等高温熔体的发射率测定较少，特别是熔融金属

方面。熔融金属光谱发射率在特种金属材料研发、高精度辐射测温等领域有着重要的应

用。然而，测量其纯净的熔融光谱发射率是非常困难的，因为坩埚污染和样品成分不均

匀等问题在高温下容易发生，特别是加热高纯度和高活性的金属材料。电磁冷坩埚悬浮

加热技术因其熔化温度高、样品内部温度均匀、无熔体污染等特点，在熔炼高纯材料、

半导体材料、难熔合金和活性金属等方面具有明显的优势，对促进熔融光谱发射率的精

确测量具有重要的意义。

由于冷坩埚结构及加热原理比较复杂，在加热过程中，坩埚壁会消耗大量的能量。

为找寻最佳的冷坩埚结构减小坩埚壁能量损耗，本文利用ANSYS软件建立了不同结构

的电磁冷坩埚模型，对其在加热熔融过程中的磁场和温度场进行了数值模拟。为提高电

磁冷坩埚的加热效率，用有限元法研究了不同的分瓣数量、狭缝宽度、壁厚和高径比对

坩埚透磁性的影响。计算结果表明，增加坩埚分瓣数量和狭缝宽度可以有效提高坩埚的

透磁性。反之，增加坩埚壁厚和高径比会降低坩埚的透磁性，最终根据数值模拟结果选

择了最佳结构的坩埚。随后，在电磁场的基础上建立了温度场分析模型，研究了熔体内

部温度变化情况，发现在纵向上样品底部的温度大于顶部，在径向上温度由样品表面向

内部逐渐降低。电流值越大，样品温度越高，温度梯度越大，但高温区域有所减小。当

电流值达到1000A之后，样品纵向温度梯度增长趋势逐渐变大，径向温度梯度变化较小

总的温度梯度增长趋势变大，样品均匀性变差。利用有限元方法对冷坩埚中的各种复杂

现象进行分析求解，可大大节约成本费用，提高研究效率，为进一步提高坩埚透磁性、

优化熔体温度分布提供了依据。

熔融金属的光谱发射率是应用热工程数值模拟中的一个重要热物理参数，精确测量

熔融金属的光谱发射率对于进一步探究金属的凝固过程、组织演化、高温力学性能等都

有着非常重要的作用。在熔炼工艺中，对样品的温度进行准确的测量是十分关键的，它

的测量精度将对产品的性能和品质产生直接的影响，只有测量的熔融光谱发射率精确度

高，才能使温度精度更高，故测量熔融样品纯净的发射率对于精准测温具有重要意义。

为验证选定的最佳结构的冷坩埚用于熔融光谱发射率测量的可行性，论文利用该结构电

磁冷坩埚测量了在1000~1600nm波长范围内铁、钴和镍熔点处的光谱发射率，研究其与

波长的关系，并与Drude自由电子模型模拟计算值和文献已测数据进行对比。研究结果

表明，铁、钴和镍在熔点处的光谱发射率均随着波长的增大呈不同幅度的下降趋势，实

验结果与模拟计算结果变化趋势基本吻合，铁在熔点处光谱发射率的组合不确定度小于

2.01%，由此可以证明使用选定结构的电磁冷坩埚搭建的测量装置可以有效的对熔融金

属的发射率进行测量，其在提高熔融光谱发射率的测量精度方面有着广阔的前景。

关键词：熔融光谱发射率，电磁冷坩埚，电磁场，温度场

ABSTRACT

Spectralemissivityisanimportantthermophysicalparametertomeasuretheradiationcharacteristicsof

materials,andithasimportantapplicationsinradiationthermometry,metalsmelting,infraredstealth,and

otherfields.Inrecentyears,scholarshavemeasuredalargenumberofspectralemissivitydataofsolid

materialsathomeandabroad,buttherearefewstudiesonspectralemissivityofhigh-temperaturemolten

metals,semiconductorsandalloymaterials,especiallyinhigh-temperaturemoltenmetals.