冷坩埚感应熔炉是目前最新一代的玻璃固化技术,在核废物处理领域具有广阔的应用前景。由于冷坩埚熔炉的基本原理是直接利用高频电磁场对玻璃进行感应加热,因此对冷坩埚熔炉各组件进行合理设计,保证电磁场足够高的加热效率,对玻璃固化过程的顺利进行至关重要。有限元方法是目前国内外求解和分析电磁场问题广泛使用的有力工具,本文简述了电磁场有限元方法的基本原理,总结了国内外电磁场有限元方法在冷坩埚设计和玻璃固化研究中的应用。在冷坩埚设计方面,通过电磁场有限元方法,可以对冷坩埚的电磁场进行数值模拟,分析感应圈、埚体分瓣和开缝、电源参数等设计参数对透磁效果的影响,以提高冷坩埚加热效率。电磁场分析的结果表明,感应线圈截面形状设计为跑道型、埚体开缝设计为楔形,分瓣形状设计为三角形时,冷坩埚内磁通密度最大;并且磁通密度随着开缝数和开缝宽度的增加而提高。电源参数方面,最优加热频率的选择与冷坩埚直径以及被加热物料的电阻率密切相关,可以用冷坩埚直径D与电流透入深度δ的壁纸D/δ来考察频率与负载的匹配情况。有限元分析的结果表明,当D/δ值在4以上时,电效率将达到90%以上;而电源功率对冷坩埚透磁和加热的影响主要通过电流密度体现,冷坩埚内的磁通密度的最大值随电流密度呈线性增加。在玻璃固化工艺过程方面,可将电磁场分析与热场、流场分析耦合,进一步对玻璃固化过程熔体的温度分布、对流情况进行数值模拟。通过模拟玻璃固化的启动、扩熔、搅拌和卸料等工艺过程,可以预测各个工艺阶段下的熔体温度场和流场参数,为冷坩埚玻璃固化装置的建立和运行提供理论依据和参考。