铝硅熔剂精炼法提纯工业硅具有熔炼温度低,铝硅无金属间化合物,材料来源易得而被广泛关注。目前,国内外对该方法的研究主要集中在杂质元素的去除,关于初晶硅的分离并未得到系统研究。如何将精炼后的过共晶铝硅熔体中的初晶硅有效分离是限制该技术运用的瓶颈问题之一。本文采用交变电磁感应配合定向凝固技术将初晶硅从过共晶铝硅熔体中分离出来,其中涉及电磁、传热、流动、组分偏析、相变等复杂的物理化学过程,需要从理论和工艺上深入研究。研究对揭示电磁定向凝固技术分离硅基合金走向工业化运用提供了一些有用的实验参数和理论支撑。本文利用交变电磁感应炉结合定向凝固技术研究了工业硅精炼、铝硅熔体精炼及过共晶铝硅熔体电磁定向凝固三种方法提纯工业硅的效果,计算了P和B的有效分凝系数;通过控制定向凝固速率、方向、距离、换热条件和电流频率,考察了初晶硅从过共晶铝硅熔体中实现分离的条件。使用淬火实验固定定向凝固中间过程,揭示了初晶硅在电磁感应定向凝固条件下从过共晶铝硅熔体中实现分离的机理,提出了初晶硅富集区域硅的连续生长模型。通过添加锡对过共晶铝硅熔体进行初晶硅结晶温度范围的改性,改变了初晶硅的生长条件。实现了初晶硅的高效节能分离。利用COMSOL软件模拟研究,得到了熔体的流场、温度场及电磁场的分布,并通过实验现象进行了验证。使用XRD、ICP、SEM、TGA、EDS及OM等检测手段进行了分析检测。研究的主要内容和结论如下:1.研究了主要杂质元素Fe、Ti、Ca、B及P在工业硅、铝硅熔体及铝硅电磁感应定向凝固样品中的分凝行为。计算可得B和P在铝硅电磁精炼中的有效分凝系数为0.192和0.127。电磁搅拌强化了杂质的传输特性,使用铝硅体系进行精炼结合定向凝固后P和B的有效分凝系数显著降低至0.102和0.051,杂质元素的去除效果得到了明显强化。2.研究了不同条件下初晶硅从过共晶铝硅熔体中分离的影响。考察了保温方式、温度梯度、磁场频率、定向凝固速率对初晶硅分离的影响。研究表明,在电阻炉中,初晶硅实现分离需要定向凝固速率低于1μm/s,而在电磁感应炉中,当定向凝固速率低于120μm/s时初晶硅可以得到较好的生长。保温条件极大地影响初晶硅从过共晶铝硅熔体的分离效果,温度梯度越大,硅相从过共晶铝硅熔体的分离效果越好。相比较于30kHz,熔体在3kHz条件下能被有效搅拌,且在10μm/s定向凝固速率下,可以有效地将初晶硅从过共晶铝硅熔体中分离出来,初晶硅富集区域,硅含量接近90wt.%。3.揭示了初晶硅在电磁定向凝固条件下从过共晶铝硅熔体实现分离的机制,并从理论和实验现象进行验证。熔体在50、30和3kHz条件下的集肤深度分别为1.027、1.876和5.930mm,且集肤深度在熔体内呈现指数衰减,电磁力主要集中在熔体的表层,不能深入铝硅熔体内,电磁力表现为震荡向内的力。4.提出了硅相连续生长模型,并通过实验进行验证。通过实验和模拟,对过共晶铝硅熔体在交变电磁感应条件下初晶硅的生长进行了研究,发现熔体在3kHz条件下的最大流动速度为0.92cm/s。硅富集区域的形成主要是初晶硅发生了ostwal熟化和准ostwald熟化,初晶硅在竖直方向上的最大生长速度为120μm/s。5.研究了过共晶铝硅熔体在电磁定向凝固条件下,不同定向凝固速率及初始硅含量对分离效果的影响。在3kHz条件下,当定向凝固速率由10μm/s提升至100μm/s时,硅相富集区域硅含量由接近90wt.%下降至70wt.%。研究了不同初始硅含量(35、45、55和65wt.%)对分离效率的影响,发现分离后硅相富集区域硅含量均达到85wt.%以上,初始硅含量对分离效果没有影响。6.研究了锡在初晶硅分离过程中的强化作用,通过添加锡改善了初晶硅的生长条件,起到了强化分离的作用。添加30wt.%锡,在100μm/s定向凝固速度条件下,初晶硅富集区域硅含量由70wt.%提升至90.45wt.%,相比较于10μm/s的定向凝固速率条件下,可以达到相同的硅相富集效率,而在定向凝固的过程中所需要的时间减少90%。