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高纯度工业硅是晶硅材料的原料,在能源资源以及环境的压力之下,其生产过程的节能优化备受国内外相关行业的关注。由于冶金法生产高纯工业硅在矿热炉内冶炼过程非常复杂,很多参数不能直接测量,其研究并不成熟。等离子体电弧是矿热炉冶炼的热源,电弧行为的变化决定着炉内冶炼的进程。基于大电流电弧行为在矿热炉冶炼过程中的重要性,本文在ANSYS环境下通过APDL参数化编程对矿热炉内电弧和熔池的物理特性进行数值模拟研究,期望能深入理解矿热炉内的物理过程,为改进和优化矿热炉的冶炼过程提供理论依据。首先,本文构建了三维直流电弧等离子体射流模型,对电流为1200A、弧长为6cm直流矿热炉内电弧射流部分进行了数值模拟,分析了电弧射流成因、物理特性和熔池表面传热机理。研究发现,电弧射流的自感应磁场所产生的指向轴心压缩的电磁力和弧柱区压力梯度的共同作用形成等离子体电弧射流。电弧射流的压力和硅液中的电磁力共同作用,搅动硅液在熔池中流动。电弧温度整体呈钟罩形分布。等离子体电弧射流的主要传热方式为热对流和热辐射。模拟结果进一步证实了前人关于电弧射流物理特性的研究结论,与文献中Bowman的大电流实验电弧实测轴向速度分布结果一致,验证了本研究对电弧射流数值模拟方法的正确性。其次,为了深入了解矿热炉内的物理过程,本文研究了过程参数和电极直径对矿热炉内电弧特性和熔池表面物理特性的影响。弧长6cm、电流在800A-1600A范围内的直流电弧,电弧射流的轴向速度、压力、温度及熔池表面总的热通量均随电弧电流的增加而增大,但辐射传热量变化较小。电流为1200A、弧长为5cm-7cm范围内的电弧,电弧弧长变化对轴心处轴向速度和压力的最大值及其轴向位置影响不大;随弧长增加,向熔池表面传热效率降低。电流1200A、弧长6厘米的电弧,随电极直径的增大(5cm-15cm),熔池表面电流密度和压力逐渐减小。在距离轴心2cm处熔池表面电流密度和压力分布出现拐点,在拐点之后二者分布随弧长的增大而增大。由此,推荐冶金硅的生产宜采用长电弧、低电流及适宜电极直径的冶炼模式,以利于节能。最后,建立完整考虑直流矿热炉内电弧射流和熔池区域的整体传输模型,分析完整考虑电弧射流和熔池区域后电弧射流的物理特性,以及电弧射流和电磁力对熔池内硅液流动及温度分布的影响规律。结果表明:电弧射流向硅液的热量传递中起主要作用的传热方式是热对流和热辐射;高温电弧射流在轴心处压迫硅液液面,在电弧和熔池交界面轴心纵向位置处产生1.5cm深温度超过硅沸点的区域;电弧射流压力和电磁力对熔池内硅液的流动起主要作用,形成逆时针方向的涡流,在熔池内部对熔池内的流动和传热起搅拌作用,防止熔池底部硅液凝固。