过共晶铝硅合金电磁分离过程多场驱动下传输特性及强化机理研究

The production of Al-Si alloy and high purity silicon by the technology of electromagnetic separating hypereutectic Al-Si alloy has the characteristics of environment-friendly and energy conservation，which is hopeful substitute to the electrothermal process for the follow-up production of Al-Si alloy. The study to the coupling between transmission properties and strengthening mechanism is urgent need for the further development of the electromagnetic seperation technology. With the theoretical analyses and experimental investigations, this project research the electromagnetic field, temperature distribution, the evolution of melt viscosity and the flow behavor in directional solidification process of hypereutectic Al-Si alloy under electromagnetic field. A hamony reinforcement theory and the numerical analysis model come up for the electromagetic segregation of hypereutectic Al-Si alloy under the electromagnetic-thermal-flow coupling fields. This project will demonstrate the conversion and transmission of electromagnetic-thermal field, melt forced flow and its mechanism of coupling action, and revealed the segregation direction, migration speed and its distribution of primary silicon under the action of muli-fields. By investigating the quantitative relations between the separation interface of Al-Si alloy and pulling rate and position, induced current, temperature gradient., we analysis the influence factors and rule of separation efficiency, optimizing electromagnetic separation efficiency, material properties, the matching principle of equipment structural and its operating parameters. The research work provides the theory basis for process control and equipments optimization design of electromagnetic separation of hypereutectic Al-Si alloy. We believe that the work will be significant for extend and develop the new methold of production technology of Al-Si alloy.

电磁法分离过共晶铝硅合金制备铝硅合金和高纯硅，具有节能环保的特点，可望成为电热法生产铝硅合金后续工艺的替代技术，该技术进一步发展迫切需要对其中多场驱动下的传输特性及强化机理进行深入研究。本项目通过理论分析与实验相结合的方法，研究电磁场下过共晶铝硅熔体在定向凝固过程的电磁场、温度分布、熔体黏度变化及其流动行为规律，构建电磁-热-流动多场下过共晶铝硅合金电磁分离的协同理论及数值分析模型，阐明电磁-热转化和传输、熔体强制流动及其耦合作用机制，揭示初晶硅在多场驱动下的偏析方向、迁移速度及分布规律；通过考查拉升速率、感应电流、拉升位置和温度梯度对初晶硅与铝硅合金的分离界面的影响关系，探析分离效率的影响因素及其规律，优化电磁分离效率与物料特性、设备结构及其操作参数的匹配原则。研究工作为电磁分离过共晶铝硅合金的过程控制及装置优化设计提供理论依据，对推进硅铝合金生产新技术的发展具有重要意义。

电热法生产的一次铝硅合金中硅含量高，需加铝稀释后才能用以铸造标准的铝硅合金。高硅铝合金（≥30t. % Si）熔体经过电磁法可分离为初晶硅相和适合铸造用的铝硅合金，得到的初晶硅也可作为生产太阳能级硅的原料。本项目的研究工作，可为电磁分离高硅铝硅合金的过程控制及装置优化设计提供理论依据，对硅铝合金生产新技术的发展具有重要意义。.本项目首先研究了不同合金成分、磁场强度、凝固速率等条件下过共晶铝硅合金熔体电磁分离过程的初晶硅的迁移和分布规律，总结了初晶硅生长的形貌特征和规律，提出了初晶硅在电磁场下的迁移和生长的机理。发现高硅铝合金熔体能否电磁分离的条件是合金凝固界面的推进速率R和初晶硅晶生长速率V g之间的相对关系：若V g >R则初晶硅能够连续生长而富集在低温端，实现电磁分离，而V g取决于熔体中轴向的温度梯度和电磁搅拌强度。由此提出了初晶硅在电磁定向凝固过程的连续生长模型，并得到了实验验证。其次分析了过共晶铝硅合金分离过程的电磁、热、流动相互关系，建立了电磁-热-流动耦合数学模型，对分离过程的不同坩埚材质、外部换热、结构尺寸等条件进行了优化研究。其次研究不同频率、初始浓度、拉升速率、温度梯度等对初晶硅与铝硅合金的分离界面和分离效率的关系，得出了过共晶铝硅合金的强化分离的方法，即：频率3 kHz、温度1000 ℃、速度10 μm/s时实现了有效的电磁分离，分离后的样品界面清晰，硅富集区的硅含量可达99.981%，分离后的铝硅合金硅含量在15%~18%Si的范围内，且浓度分布均匀，其热稳定性能较好。另外，对电磁法去除一次铝硅合金中铁相进行了研究，当锰铁摩尔比为1.2时,铝硅合金中的铁含量降至0.39wt%,加锰电磁除铁的效率高达90%以上。.本项目研究共发表论文18篇，其中外文SCI期刊8篇（JCR二区5篇），中文核心期刊论文4篇（Ei收录1篇），会议论文6篇（Ei收录1篇）；云南省优秀硕士论文奖1篇；另外向SCI源期刊投寄论文3篇；获国家发明专利1项。协助培养博士研究生1名，硕士研究生4名。