工業矽真空感應精煉多場耦合數值模擬研究

《工業矽真空感應精煉多場耦合數值模擬研究》是依託昆明理工大學，由呂國強擔任項目負責人的地區科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：工業矽真空感應精煉多場耦合數值模擬研究
• 項目類別：地區科學基金項目
• 項目負責人：呂國強
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

採用真空感應精煉的冶金路線從工業矽製備太陽能級矽的新工藝，具有成本低環境友好等特點，有著廣闊的工業套用前景。本項目採用有限元法建立工業矽真空感應精煉過程的電磁場、熱場、流場和濃度場多場耦合的數學模型，對精煉過程多場相互作用下的傳輸問題和火用平衡開展研究。通過數值模擬和試驗測試驗證研究，系統地考察感應加熱方式、電磁攪拌方式對矽熔池中溫度分布、攪拌速度以及熔池的駝峰表面形狀的影響，揭示在不同的真空感應精煉條件下B、P等雜質擴散和蒸發規律。並對工業矽真空感應精煉過程進行能效評價。獲得工業矽真空感應精煉過程最優控制參數，為實現對工業矽真空感應精煉過程控制以及精煉裝置最佳化設計提供理論依據。研究工作對於太陽能級矽材料的冶金法工業化生產提供科學根據，對豐富和發展真空冶金理論具有積極的意義。

結題摘要

工業矽製備太陽能級矽的冶金法被認為是最有可能實現大規模生產的新方法之一。冶金法製備太陽能級多晶矽工藝主要包括真空感應及定向凝固精煉技術等。工業矽真空感應精煉過程伴隨電磁轉換、傳熱、液相流動以及溶質擴散等現象，這一複雜過程需從理論和工藝上進行深入研究和認識。本項目首先研究了工業矽的一些重要物性參數與溫度依賴關係。研究得出工業矽導電性等物性參數隨溫度變化的函式關係。這為進一步研究工業矽的熱學、電磁學、流動性能提供了數據儲備。進而分析了工業矽真空感應精煉過程的電磁、熱、流動相互作用關係，以實驗室10t/aVODS爐為研究對象，建立了渦流場、溫度場和流動數學模型。利用有限元法對工業矽真空感應精煉過程進行了模擬研究。發現磁感應強度集中線上圈高度範圍的區域，在徑向表現出由表及里衰減的特徵；感應電流呈水平環狀分布，主要集中在矽料徑向表面；矽熔體受到的電磁力分布很不均勻，總體上形成了順時針旋轉的電磁約束力。坩堝中感應產生的焦耳熱遠遠大於矽料中產生的焦耳熱，增加電流密度會加快升溫速度和縮短加熱時間；而頻率增加會降低升溫速度和延長加熱時間，並增加徑向的溫度梯度；不同裝料高度對工業矽真空感應精煉過程的溫度場有較大影響。基於連續介質模型建立了電磁力及浮升力驅動矽熔體的混合流模型，模擬研究發現：矽熔體的流動整體上呈現從坩堝內壁向下由坩堝中心向上隆起的流動特徵，流場內部存在上下兩個順時針方向漩渦流，矽熔體的最大流速為0.064m/s；頻率增加對矽熔體流場形態和流動速度都有一定影響。 為有效控制真空感應精煉過程矽的揮發損失以及雜質去除效率，達到矽料內最佳的溫度分布和流場結構，期望最大減少矽料的揮發損失和促進雜質快速向熔池表面遷移和揮發的目的，最佳化獲得了工業矽真空感應精煉過程的最佳工藝制度。矽的真空揮發及除磷等實驗結果驗證了該工藝制度的可靠性。 採用火用分析方法建立工業矽真空感應精煉過程的火用平衡方程式，對預熱、快速加熱及精煉各個階段進行了火用效率以及火用損計算，對工業矽真空感應精煉過程的能效進行了最佳化分析。目前已在國內外期刊發表研究論文11篇，其中被SCI檢索3篇，EI檢索4篇，申請發明專利1項，使用新型專利3項，授權使用新型專利1項，協助培養博士研究生3名，碩士研究生3名。