接觸加熱式金屬銦區(qū)域熔煉裝置及溫度場模擬分析.pdf

1、金屬銦是國家的國防戰(zhàn)略儲藏金屬之一，在國防及民用領域具有廣泛應用，像機械、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，薄膜制備技術提升以及半導體產業(yè)發(fā)展對高純金屬銦的需求逐漸擴大，制備出純度更高的金屬銦將成為提升國家競爭力的重要支撐之一。本文通過研究制備高純度金屬銦，自主設計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，應用有限元方法分析金屬銦在區(qū)域熔煉過程中的溫度場分布，探索不同條

2、件下的區(qū)域熔煉效果。
　　在對金屬銦的提純設備與工藝的研究中，針對提煉效率自行設計和研制了適金屬銦提純的多個熔區(qū)多熔池同時操作的區(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)熱器將熱量導入石墨板作為恒溫熱源，并通過對金屬銦做差熱分析，探究區(qū)熔過程中的預熱安全性，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行樣品預熱，減少區(qū)熔過程能量消耗和提升提煉效率，設置單片機程序控制設備的運轉路徑，實現(xiàn)區(qū)

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

4、。
　　通過結合有限元模擬數(shù)據(jù)和區(qū)域熔煉實驗結果分析得出結論：區(qū)域熔煉實驗在溫度場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行預熱會大大提升區(qū)域熔煉的效率，不破壞區(qū)域熔煉的平衡；模擬結果和實驗結果基本吻合，模擬結果準確，采用接觸式區(qū)域熔煉提純是可行的替代方案，進一步降低了能耗，新型的區(qū)域熔煉裝置實現(xiàn)了自動化控制，提純產量大大提高，完善功能后能滿足大部分金屬的提純需求和適用