工业硅真空感应精炼多场耦合数值模拟研究

采用真空感应精炼的冶金路线从工业硅制备太阳能级硅的新工艺，具有成本低环境友好等特点，有着广阔的工业应用前景。本项目采用有限元法建立工业硅真空感应精炼过程的电磁场、热场、流场和浓度场多场耦合的数学模型，对精炼过程多场相互作用下的传输问题和火用平衡开展研究。通过数值模拟和试验测试验证研究，系统地考察感应加热方式、电磁搅拌方式对硅熔池中温度分布、搅拌速度以及熔池的驼峰表面形状的影响，揭示在不同的真空感应精炼条件下B、P等杂质扩散和蒸发规律。并对工业硅真空感应精炼过程进行能效评价。获得工业硅真空感应精炼过程最优控制参数，为实现对工业硅真空感应精炼过程控制以及精炼装置优化设计提供理论依据。研究工作对于太阳能级硅材料的冶金法工业化生产提供科学根据，对丰富和发展真空冶金理论具有积极的意义。

工业硅制备太阳能级硅的冶金法被认为是最有可能实现大规模生产的新方法之一。冶金法制备太阳能级多晶硅工艺主要包括真空感应及定向凝固精炼技术等。工业硅真空感应精炼过程伴随电磁转换、传热、液相流动以及溶质扩散等现象，这一复杂过程需从理论和工艺上进行深入研究和认识。. 本项目首先研究了工业硅的一些重要物性参数与温度依赖关系。研究得出工业硅导电性等物性参数随温度变化的函数关系。这为进一步研究工业硅的热学、电磁学、流动性能提供了数据储备。进而分析了工业硅真空感应精炼过程的电磁、热、流动相互作用关系，以实验室10t/aVODS炉为研究对象，建立了涡流场、温度场和流动数学模型。利用有限元法对工业硅真空感应精炼过程进行了模拟研究。发现磁感应强度集中在线圈高度范围的区域，在径向表现出由表及里衰减的特征；感应电流呈水平环状分布，主要集中在硅料径向表面；硅熔体受到的电磁力分布很不均匀，总体上形成了顺时针旋转的电磁约束力。坩埚中感应产生的焦耳热远远大于硅料中产生的焦耳热，增加电流密度会加快升温速度和缩短加热时间；而频率增加会降低升温速度和延长加热时间，并增加径向的温度梯度；不同装料高度对工业硅真空感应精炼过程的温度场有较大影响。. 基于连续介质模型建立了电磁力及浮升力驱动硅熔体的混合流模型，模拟研究发现：硅熔体的流动整体上呈现从坩埚内壁向下由坩埚中心向上隆起的流动特征，流场内部存在上下两个顺时针方向漩涡流，硅熔体的最大流速为0.064m/s；频率增加对硅熔体流场形态和流动速度都有一定影响。.为有效控制真空感应精炼过程硅的挥发损失以及杂质去除效率，达到硅料内最佳的温度分布和流场结构，期望最大减少硅料的挥发损失和促进杂质快速向熔池表面迁移和挥发的目的，优化获得了工业硅真空感应精炼过程的最佳工艺制度。硅的真空挥发及除磷等实验结果验证了该工艺制度的可靠性。.采用火用分析方法建立工业硅真空感应精炼过程的火用平衡方程式，对预热、快速加热及精炼各个阶段进行了火用效率以及火用损计算，对工业硅真空感应精炼过程的能效进行了优化分析。. 目前已在国内外期刊发表研究论文11篇，其中被SCI检索3篇，EI检索4篇，申请发明专利1项，使用新型专利3项，授权使用新型专利1项，协助培养博士研究生3名，硕士研究生3名。