接觸加熱式金屬銦區(qū)域熔煉裝置及溫度場(chǎng)模擬分析.pdf

1、金屬銦是國家的國防戰(zhàn)略儲(chǔ)藏金屬之一，在國防及民用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，像機(jī)械、能源、電子、電器、航空航天、焊接材料和核工業(yè)中都有用到金屬銦。尤其是電子工業(yè)等規(guī)模的壯大，薄膜制備技術(shù)提升以及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)高純金屬銦的需求逐漸擴(kuò)大，制備出純度更高的金屬銦將成為提升國家競(jìng)爭(zhēng)力的重要支撐之一。本文通過研究制備高純度金屬銦，自主設(shè)計(jì)和研制了新型提純裝置，改用接觸式區(qū)域熔煉法提純金屬銦，應(yīng)用有限元方法分析金屬銦在區(qū)域熔煉過程中的溫度場(chǎng)分布，探索不同條

2、件下的區(qū)域熔煉效果。
　　在對(duì)金屬銦的提純?cè)O(shè)備與工藝的研究中，針對(duì)提煉效率自行設(shè)計(jì)和研制了適金屬銦提純的多個(gè)熔區(qū)多熔池同時(shí)操作的區(qū)域熔煉裝置，選取石墨材料作為料錠容體，在探索了多種材料后采用氧化鋁陶瓷發(fā)熱器將熱量導(dǎo)入石墨板作為恒溫?zé)嵩矗⑼ㄟ^對(duì)金屬銦做差熱分析，探究區(qū)熔過程中的預(yù)熱安全性，在安全閾值下使用無毒無害的二甲基硅油放入高頻恒溫加熱鍋進(jìn)行樣品預(yù)熱，減少區(qū)熔過程能量消耗和提升提煉效率，設(shè)置單片機(jī)程序控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)路徑，實(shí)現(xiàn)區(qū)

3、域熔煉過程的自動(dòng)化控制。
　　在模擬分析方面，運(yùn)用Solidworks軟件建立三維區(qū)域熔煉計(jì)算模型，在Solidworks Simulation中對(duì)在二甲基硅油中平均預(yù)熱溫度為120℃的區(qū)域熔煉過程的對(duì)流散熱能力模擬評(píng)估；考慮到區(qū)熔速率極低忽略流場(chǎng)的影響，按照空氣自然熱對(duì)流系數(shù)作為散熱邊界條件導(dǎo)入到Solidworks Simulation中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到溫度場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)。為了簡(jiǎn)化模型，本文在材料屬性隨溫度變化的設(shè)置上保持不變

4、。
　　通過結(jié)合有限元模擬數(shù)據(jù)和區(qū)域熔煉實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出結(jié)論：區(qū)域熔煉實(shí)驗(yàn)在溫度場(chǎng)的分布上圍繞熱源呈橢球形，半圓形凹槽相比方形凹槽更加適用于區(qū)域熔煉提純；在銦的安全閾值范圍下給定溫度進(jìn)行預(yù)熱會(huì)大大提升區(qū)域熔煉的效率，不破壞區(qū)域熔煉的平衡；模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，模擬結(jié)果準(zhǔn)確，采用接觸式區(qū)域熔煉提純是可行的替代方案，進(jìn)一步降低了能耗，新型的區(qū)域熔煉裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，提純產(chǎn)量大大提高，完善功能后能滿足大部分金屬的提純需求和適用