【摘 要】
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电磁悬浮技术是伴随特种纯净、高活性的航空航天用材料需求而发展起来。磷是冶金级硅提纯过程中需要重点去除的杂质元素,也是硅铁合金粉化的敏感元素。本研究发挥电磁悬浮技术优势,结合现有冶金法挥发脱磷技术路径中存在的难点,旨在探索电磁悬浮下冶金级硅及硅铁中磷迁移与转化、组元传递与分配、熔滴悬浮行为、以及凝固组织调控等基础变化规律,为研究电磁悬浮条件下材料中杂质去除以及新材料制备技术提供一定的理论参考。本研究
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电磁悬浮技术是伴随特种纯净、高活性的航空航天用材料需求而发展起来。磷是冶金级硅提纯过程中需要重点去除的杂质元素,也是硅铁合金粉化的敏感元素。本研究发挥电磁悬浮技术优势,结合现有冶金法挥发脱磷技术路径中存在的难点,旨在探索电磁悬浮下冶金级硅及硅铁中磷迁移与转化、组元传递与分配、熔滴悬浮行为、以及凝固组织调控等基础变化规律,为研究电磁悬浮条件下材料中杂质去除以及新材料制备技术提供一定的理论参考。本研究采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方式,以冶金级硅和硅铁合金为研究对象,研究了电磁悬浮条件下冶金级硅和硅铁除磷的热力学与动力学机理、悬浮熔滴振荡与变形行为、熔滴内部动量与热量传递及凝固组织调控行为。主要的结论如下:（1）电磁悬浮条件下冶金级硅和硅铁除磷机理研究表明:二元Si-P体系下磷的活度自身作用系数关系为εPP=0.9369+2342.9?T;三元Si-Fe-P体系下Fe/P活度相互作用系数关系为εPFe=0.5095+548.69?T。电磁悬浮条件下,冶金级硅和硅铁合金中磷的脱除方式包括单原子磷（P）和双原子磷（P2）两种形式;当冶金级硅中磷含量＜0.0196wt.%时,磷的挥发脱除形式主要以单原子磷（P）为主;在磷含量＞0.0196wt.%时,转变为以单原子磷（P）和双原子磷（P2）共存。当气氛中加入H2时,促进了磷的蒸发挥发,气相成分包括单原子磷（P）、双原子磷（P2）以及磷氢化合物（PH3）。（2）电磁悬浮条件下冶金级硅和硅铁中磷迁移限制环节研究表明:当体系温度为1450~1750K时,限制性环节为熔滴表面磷的蒸发;随着体系温度逐渐升高转变为表面蒸发和液相边界层传质共同控制;当温度升高到2000K以上,限制性环节则转变为液相边界层传质控制。通过分析元素磷的热力学及动力学特性,构建了有限真空条件下硅电磁悬浮精炼除磷动力学传质模型,并对蒸发系数进行修正:（3）电磁悬浮条件下硅熔滴悬浮行为研究表明:通过硅熔滴“电磁力-振荡”数值模型,发现模型中不同直径硅熔滴在同样的悬浮参数下平衡位置均为几何中心偏下2.5mm处;通过初始位置及静磁场对熔滴振荡轨迹影响的数值模拟与追踪,发现了强度为1T的轴向静磁场可对振荡熔滴产生明显阻尼作用,可实现熔滴快速悬浮稳定。（4）电磁悬浮条件下硅熔滴内部传递行为研究表明:通过“电磁-流-变形”耦合数值模型,发现了硅熔滴在悬浮过程中外形存在明显的“扩张与压缩”循环,周期为45ms,且在Marangoni效应作用下变形率显著增加。通过“电磁-热-流”耦合数值模型,发现了硅熔滴内部存在大小不同、方向相反的环形涡流,流速最大可达0.275m/s;施用1T强度轴向静磁场后,熔滴环流得到明显抑制,促使传热方式由对流传热向热传导转变。（5）电磁悬浮条件下冶金级硅和硅铁合金除磷实验研究表明:采用电磁悬浮技术对冶金级硅和硅铁合金材料进行除磷实验,在50%Ar+50%H2的气氛条件下,设定悬浮温度为2023K,经过55min后,能够分别实现冶金级硅69.95%的脱磷率和硅铁合金91.62%的脱磷率,且主要以单原子磷形式脱除。使用氢气作为冷却介质对电磁悬浮下冶金级硅和硅铁熔滴进行无容器凝固处理,发现了熔滴中内部微量元素析出形态能够得到较大程度弥散细化。
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