冷坩埚感应融化：介绍

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Cold Crucible Induction Melting (CCIM) is a combination of induction heating and water cooling to heat glass melts or metals to extremely high temperatures while the crucible remains cold.

CCIM比传统熔化技术提供了许多优势，包括更高的过程温度，处理腐蚀性或反应性材料的能力以及惊人的纯半导体，氧化物和金属的制造。亚博网站下载

冷坩埚感应融化的基本原理

First patented in 1931 by Siemens und Halske Company, Germany, cold crucible induction melting is predicated on the principles of inductively heating material inside a crucible while cooling the crucible itself with water.¹

一种标准CCIM设置由一个或多个感应线圈包围的水冷钢坩埚组成。^2,3这些感应线圈传输交替的高频电流，这些电流会在被加热的材料中诱导电流。

这些水流（称为涡流）加热材料。通过将坩埚分成狭窄的缝隙以促进磁场的渗透，可以将材料的感应加热启用。

坩埚是水冷的 - 通常，温度保持在200°C以下 - 导致与坩埚壁接触的任何金属或玻璃以冷冻固体。这意味着熔融材料被完全包裹在坚固的外壳或“头骨”中，这导致了感应颅骨熔化的替代名称。

Configuration of CCIM systems is conducted so that maximum heating occurs in the center of the crucible.

With optimal power density also at the crucible’s center, the extremity of the temperature gradient between the hot center and the cold walls makes sure that the melt is stirred by convective means, as well as by electromagnetic effects.^4,5

冷坩埚感应融化的优势

在CCIM中，固体地壳抑制了熔融材料与坩埚之间的接触。通过避免暴露于极端温度和腐蚀，这使CCIM具有许多独特的优势来保护坩埚。

High Operational Temperatures

Surprisingly, cooling of the crucible facilitates更高与传统的电熔体相反，熔体内的工作温度。例如，通过在熔融材料中浸没的电极之间进行电流，将焦耳加热的熔体（JHM）功能。

This design is naturally limited by the electrodes’ maximum operational temperature — joule-heat melting is usually limited to applications below 1200°C.⁶但是，没有这样的限制，即诱导电流而不是在CCIM中进行。坩埚的冷却也可以保护CCIM systems受热暴露造成的损害。

Compatibility with Corrosive Materials

由于坩埚和熔体之间的冷冻材料层，也可以保护坩埚免受腐蚀。CCIM与其他电熔化技术相比，由于将坩埚与熔体中的反应性物质分离，包括反应性金属，例如亚博网站下载ZR和Ti，因此与其他电熔化技术兼容。

高纯度材料亚博网站下载

在传统的熔化技术中，高性能难治材料可保护它们免受腐蚀和热量的影响。亚博网站下载尽管这些材料往往是有效的，亚博网站下载但工作温度极高或反应性物质仍会导致降解，从而用少量的坩埚衬里污染了熔体。

由于CCIM固有地阻止了坩埚的坩埚恶化，因此CCIM的材料要求低于传统电熔体的材料，因为对难治材料的需求被消除了。亚博网站下载⁷

Crucially, because the melt is not contaminated by the crucible lining, the processing of very high purity materials such as refractory metals and their alloys is made possible.

冷坩埚熔化的应用

核废料处理

One of the principal applications of CCIM is the vitrification of nuclear waste. In this process, nuclear waste products are combined with glass-forming chemicals and heated to extreme temperatures, then formed and solidified into canisters to inactivate the waste in a non-leaching and durable form.

CCIM适用于此过程，因为它消除了与基于焦耳加热的玻璃化过程相关的严格材料要求。从失败的焦耳加热熔体中改变腐蚀的折射率和电极材料，带有相当大的辐射暴露风险，CCIM遏制了亚博网站下载。

此外，冷坩埚设计的价格较低，较小，从长远来看，会产生较少的处置废物。²

Production of High Purity Metals and Alloys

固有的耐腐蚀性CCIM坩埚这意味着该过程与高纯度难治度金属和合金的生产有关，包括钼，niobium，Titanium和Tantalum。CCIM还可以用于制造特殊的纯硅晶体和巨大的多晶硅锭，作为生产太阳能电池的基础材料。

玻璃和氧化物熔化

CCIM是融化氧化物和二氧化硅玻璃等材料的出色方法，它们的区别是它们的高熔点亚博网站下载和低温下的低电导率。

亚博网站下载在低温下（例如二氧化硅玻璃）充当绝缘体的材料必须预热到可以完成感应偶联（即可以从感应线圈传输到材料的能量传输）的温度。耐腐蚀意味着CCIM技术可用于制造具有高纯度含量的玻璃。⁸

磷酸盐玻璃被广泛用于生物医学，核，光学和许多其他行业。CCIM也可能是磷酸玻璃腐蚀性熔化以在加工温度下接触折射率和金属的另一种技术。

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参考

1. Mühlbauer，A。History of Induction Heating and Melting。(Vulkan-Verlag GmbH, 2008).
2. Gombert，D。＆Richardson，J。G.冷坩埚诱导融化技术：实验室定向研发结果。INEEL/EXT-01-01213, 910987http://www.osti.gov/servlets/purl/910987-kfgcjc/(2001) doi:10.2172/910987.
3. Fluxtrol | Modeling and Optimization of Cold Crucible Furnaces for Melting Metals.https://fluxtrol.com/modeling-and-optimization-of-cold-crucible-furnaces-for-melting-metals。
4. Pericerous，K.，Bojarevics，V.，Djambazov，G.，Harding，R。A.＆Wickins，M。冷坩埚熔化过程的实验和数值研究。应用数学建模30，1262–1280（2006）。
5. Sombret, C. G. Cold Crucible Melting: A Multipurpose Technique.Proc。卷。1994-13，705–712（1994）。
6. 冷坩埚感应融化::总本质文章。https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=ktn&LN=ES&NM=389。
7. Goyal, P., Verma, V., Singh, R. K. & Vaze, K. K. Thermal Analysis of Joule Heated Ceramic Melter. 4 (2010).
8. Chen，R。等。使用感应颅骨熔化技术，电磁冷坩埚内部玻璃熔化。一种pplied Thermal Engineering121，146–152（2017）。

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