论文部分内容阅读
硅包底吹气精炼是一种经济适用且简单易行的工业硅提纯方法,能有效地去除硅熔体中Al、Ca等有害杂质,均匀硅液成分。目前工业硅厂多采用单个喷嘴位于底部中心的硅包进行炉外精炼,这种设计在精炼过程中容易产生硅熔体搅拌死区,精炼时间较长,热量损失多,从而影响精炼后产品硅的质量。本文采用物理模拟和数值模拟对硅包精炼过程进行研究,探讨了不同喷嘴布置、精炼气体吹入量对包内流体流动特性的影响。主要研究内容和结论如下:(1)以云南某硅厂的2.5t硅包精炼工艺为研究对象,根据相似原理,按照1:3的模型与原型比建立了铜管喷嘴硅包的物理模型,采用水模型实验研究了喷嘴数目、喷嘴位置以及不同吹气量对混匀时间的影响。实验结果表明在单喷嘴硅包精炼系统中,当喷嘴位于偏离硅包底部中心0.3R处,混匀时间最短;对于双喷嘴硅包精炼系统,混匀时间随着两喷嘴间距的增大而缩短,喷嘴位于偏心0.7R成180°对称分布,混匀时间最短。(2)采用VOF多相流模型、标准k-ε湍流模型、无滑移壁面和标准壁面函数建立了铜管喷嘴硅包精炼的数学模型,对物理模拟结果进行数值模拟验证。模拟结果显示,与原始中心喷嘴硅包精炼相比,单喷嘴偏心0.3R、双喷嘴偏心0.7R硅包内硅液平均速度和平均湍动能均增大,死区面积减小,有助于硅液和底吹富氧空气的充分接触,缩短精炼时间,提高精炼效率。其中,双喷嘴偏心0.7R精炼效果最好,单喷嘴偏心0.3R次之,与水模型实验结果一致。(3)借鉴铜管喷嘴硅包水模拟和数值模拟结果,对工厂现有的透气砖喷嘴硅包进行数值模拟和工厂试验。通过分析原始硅包和优化硅包精炼后产品硅中元素含量和分布发现,采用优化硅包精炼后的产品硅中Al、Ca杂质的含量进一步降低,与原始硅包精炼相比,分别降低了13.22%和25.87%。同时,冷却后的硅锭中不同部位的Si、Fe、Al、Ca元素分布更加均匀,与偏心喷嘴硅包精炼的包内硅液流动性能好、死区面积减小的数值模拟结果相一致,为现有的硅包吹气精炼技术的优化提供了指导。