过共晶铝硅合金电磁分离粗硅机理再讨论
发布时间：2022-01-12 03:49
本文通过试验和分析发现当前存在的两种关于初晶硅从过共晶铝硅合金中分离初晶硅的机理存在一定缺陷。通过配置ω（Si）=0.45的过共晶铝硅合金在3 kHz感应炉中精炼冶金级硅后以10μm·s-1速度进行定向凝固,得到试验所需的样品图。同时,为了探究在精炼过程以及下拉过程中初晶硅的富集情况,采取不同下拉距离以及淬火的方式探究在定向凝固前期过程中初晶硅的赋存状态.通过金相显微镜观察各种条件下初晶硅的赋存状态。利用相图分析出铝硅熔体在定向凝固过程中的性质。同时,使用商业软件COMSOL Multiphysics对过程中的温度场、流场以及磁场分布进行模拟.对分离机理做了更加完善的解释。
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图２不同条件下的样品??（ａ）?３?ｋＨＺ频率感应炉不做下拉；（ｂ）?３〇?ｋＨｚ感应炉以１（）??做定向凝固；??
向也是急剧变化的，因此并不??能如作者所分析的电磁场产生的洛伦兹力向着固定??的方向朝下。??⑷??４＾．??Ｌｏｒｃｎｉｚ??ｆｏｒｃｅ??？ＦＰ??■ｐ??（ｃ）??（ｄ）??４??Ｔ??４??Ｔ??４??＾?７??ｈＦＰ??Ｔ??图５?—个周期内磁感线的变化示意图??Ｆｉｇ．?５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ?ｌｉｎｅ?ｃｈａｎｇｅ??ｉｎ?ｏｎｅ?ｃｉｒｃｌｅ??３讨论??３．１当前存在的两种机理??图４为当前对初晶硅从铝硅合金中分离机理的??两种解释。图４（ａ）为东京大学森田一树老师提出的??硅相分离机理，该机理认为初晶硅从过共晶铝硅合??金分离是由于电磁感应对熔体中的板状硅直接向下??的推动所致，从而在坩埚底部形成初晶硅的富集区??域。图４（ｂ）为昆明理工大学薛海洋等所提出的硅相??分离机理，该机理认为初晶硅的富集是由于硅以原??子形式随着流体的流动“迁移’’到低温区从而凝固形??成了初晶硅的富集区域。通过实验与分析发现，两种??机理均存在一定的缺陷。??０??〇??Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ??ｃｏｉｌ??Ｓｉ＾Ｌ??Ｍａｇｎｅｔｉｃ?Ｆｉｅｌｄ??〇??〇??ｃｕｒｒｅｎｔ??．Ｉｎｄｕｃｅｄ?ｆｌｏｗ＊??Ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ?ｓｉｌｉｃｏｎ?ｃｒｙｓｔａｌ??（ａ）?Ｍｏｒｉｔａ提出的分离机理?（ｂ）薛海洋等提出的分离机理??图４硅在电磁感应定向凝固条件下从过共晶铝硅合金分离机理??Ｆｉｇ．?４?Ｓｉｌｉｃｏｎ?ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ?ｆｒｏｍ?ｈｙｐｅｒｅｕｔｅｃｔｉｃ??Ａｌ－Ｓｉ?ｍｅ
何云飞等：过共晶铝硅合金电磁分离粗硅机理再讨论??６８３??３期??图６铝硅二元相图??Ｆｉｇ．?６?Ａｌ－Ｓｉ?ｂｉｎａｒｙ?ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ??固过程中，硅是极易偏析的，并且根据金相显微结??构图也看出初晶硅有一个逐渐生长的过程。在精炼??过程中，熔体的流动是由于熔体表层的Ａｌ－Ｓｉ熔体由??于电磁场的急剧变化导致表层的扰动直至整个熔体??流动起来，偏析得到的初晶硅也随着熔体一直流动，??待流动至底部低温、高黏度区域，棒状初晶硅将在??随着凝固的进行，直至最后溶液中偏析出来的初晶??硅在底部富集，最后，电磁感应定向凝固过程结束，??初晶桂从招桂溶体中完成富集。初晶桂在底部低温??区富集并且生长，整个分离过程如图８所示．待整??个分离过程完成后，硅相富集区域ｗ（Ｓｉ）＝０．８５，远高??于当前报道中各种分离方法所得的硅含量［１６］。??为了深入了解在精炼过程中的各物理场的性质，??通过ＣＯＭＳＯＬ对中间过程进行模拟，深入了解其温??度尝流场以及电磁场的分布。??图７为对电磁感应精炼初晶桂与错桂合金的模??拟结果图，图７（ａ）为３?ｋＨｚ频率条件下的流场流动??的模拟图。图７（ｂ）为温度分布图。图７（ｃ）为３?ｋＨｚ??条件下的电磁场分布模拟的结果图，从图中可以看??出，电磁场在培体中的分布主要集中在擦体表层，这??是由于集肤效应导致的。模拟结果与计算所得的集??肤深度结果一致。因此，模拟结果也说明森田一树??老师的分离机理存在一定的缺陷。??图８硅从过共晶铝硅熔体分离的机理和生长过程??Ｆｉｇ．?．８?ｓｉｌｉｃｏｎ?ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｆｒｏｍ?ｈｙｐｅｒｅｕｔｅｃｔ
本文编号：3584041
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图２不同条件下的样品??（ａ）?３?ｋＨＺ频率感应炉不做下拉；（ｂ）?３〇?ｋＨｚ感应炉以１（）??做定向凝固；??
向也是急剧变化的，因此并不??能如作者所分析的电磁场产生的洛伦兹力向着固定??的方向朝下。??⑷??４＾．??Ｌｏｒｃｎｉｚ??ｆｏｒｃｅ??？ＦＰ??■ｐ??（ｃ）??（ｄ）??４??Ｔ??４??Ｔ??４??＾?７??ｈＦＰ??Ｔ??图５?—个周期内磁感线的变化示意图??Ｆｉｇ．?５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ?ｌｉｎｅ?ｃｈａｎｇｅ??ｉｎ?ｏｎｅ?ｃｉｒｃｌｅ??３讨论??３．１当前存在的两种机理??图４为当前对初晶硅从铝硅合金中分离机理的??两种解释。图４（ａ）为东京大学森田一树老师提出的??硅相分离机理，该机理认为初晶硅从过共晶铝硅合??金分离是由于电磁感应对熔体中的板状硅直接向下??的推动所致，从而在坩埚底部形成初晶硅的富集区??域。图４（ｂ）为昆明理工大学薛海洋等所提出的硅相??分离机理，该机理认为初晶硅的富集是由于硅以原??子形式随着流体的流动“迁移’’到低温区从而凝固形??成了初晶硅的富集区域。通过实验与分析发现，两种??机理均存在一定的缺陷。??０??〇??Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ??ｃｏｉｌ??Ｓｉ＾Ｌ??Ｍａｇｎｅｔｉｃ?Ｆｉｅｌｄ??〇??〇??ｃｕｒｒｅｎｔ??．Ｉｎｄｕｃｅｄ?ｆｌｏｗ＊??Ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ?ｓｉｌｉｃｏｎ?ｃｒｙｓｔａｌ??（ａ）?Ｍｏｒｉｔａ提出的分离机理?（ｂ）薛海洋等提出的分离机理??图４硅在电磁感应定向凝固条件下从过共晶铝硅合金分离机理??Ｆｉｇ．?４?Ｓｉｌｉｃｏｎ?ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ?ｆｒｏｍ?ｈｙｐｅｒｅｕｔｅｃｔｉｃ??Ａｌ－Ｓｉ?ｍｅ
何云飞等：过共晶铝硅合金电磁分离粗硅机理再讨论??６８３??３期??图６铝硅二元相图??Ｆｉｇ．?６?Ａｌ－Ｓｉ?ｂｉｎａｒｙ?ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ??固过程中，硅是极易偏析的，并且根据金相显微结??构图也看出初晶硅有一个逐渐生长的过程。在精炼??过程中，熔体的流动是由于熔体表层的Ａｌ－Ｓｉ熔体由??于电磁场的急剧变化导致表层的扰动直至整个熔体??流动起来，偏析得到的初晶硅也随着熔体一直流动，??待流动至底部低温、高黏度区域，棒状初晶硅将在??随着凝固的进行，直至最后溶液中偏析出来的初晶??硅在底部富集，最后，电磁感应定向凝固过程结束，??初晶桂从招桂溶体中完成富集。初晶桂在底部低温??区富集并且生长，整个分离过程如图８所示．待整??个分离过程完成后，硅相富集区域ｗ（Ｓｉ）＝０．８５，远高??于当前报道中各种分离方法所得的硅含量［１６］。??为了深入了解在精炼过程中的各物理场的性质，??通过ＣＯＭＳＯＬ对中间过程进行模拟，深入了解其温??度尝流场以及电磁场的分布。??图７为对电磁感应精炼初晶桂与错桂合金的模??拟结果图，图７（ａ）为３?ｋＨｚ频率条件下的流场流动??的模拟图。图７（ｂ）为温度分布图。图７（ｃ）为３?ｋＨｚ??条件下的电磁场分布模拟的结果图，从图中可以看??出，电磁场在培体中的分布主要集中在擦体表层，这??是由于集肤效应导致的。模拟结果与计算所得的集??肤深度结果一致。因此，模拟结果也说明森田一树??老师的分离机理存在一定的缺陷。??图８硅从过共晶铝硅熔体分离的机理和生长过程??Ｆｉｇ．?．８?ｓｉｌｉｃｏｎ?ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｆｒｏｍ?ｈｙｐｅｒｅｕｔｅｃｔ
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