大型生产实习仿真软件

生产实训仿真模块,模拟了典型化工产品、民族药物的生产及环境废水处理工艺,使学生安全、系统、直观地学习化学相关实际生产过程。中心第一阶段建设了“合成氨工艺仿真软件”、“甲醇工艺3D虚拟-现实认知仿真软件”、“甲醇工艺二维仿真软件”、“AAO-水处理仿真软件”四个大型仿真实训软件。二阶段建设项目将达到14个。生产实训仿真与现场实操互相补充、互为依托,学生可身临其境地认识和了解化工企业的厂房布局和生产方式、掌握具体生产工艺的基本原理和操作规程,再通过“认知实习”和“生产实习”践行所学原理和操作过程,实现与实际生产岗位的零距离对接。

化工专业实验

化工专业实验仿真模块是针对化工专业实验的仿真实验课程,用于化工类专业学生完成化工原理、化学反应工程、化工热力学等理论课程及受到一系列基础实验训练后,正式开展化工专业实验课程之前,对其进行化工专业实验的前期培训类的仿真实验课程。

该课程从切合真实实验和工程实际出发,着重培养学生的工程及工艺类较复杂实验项目的工艺理解、工艺设计、对实验数据获取及处理分析能力。课程内容主要以综合性及设计实验为主,从化学、化工、热力学等多种实验基础训练与应用联合培养,要求学生自己动手操作仿真软件,主动参与,深入思考,充分理解专业实验原理、体会化工专业知识和相关分析及物理知识在实验中的应用,满足熟练操作真实实验装置的要求目标。

 

来源:西南民族大学化学类虚拟仿真实验教学中心

精细化工实验

精细化工是现代化学工业发展的总趋势,经过最近20年的高速发展,目前我国的精细化率已经达到40%以上的较高水平,目前在全国各地形成了15个大的精细化工高技术园区,成为了我国最重要的经济支柱产业之一。精细化工包含了药物、涂料、日用化工等40多个大的产品门类,应用范围涉及几乎所有的生产领域及日常生活。目前我校化学工程与工艺类专业的毕业生大多数会从事与精细化工专业相关的工作。

与《精细化工工艺学》配套设置的“精细化工实验”是化学工程与工艺专业的一门重要专业实验课,以合成精细化工产品及应用性能测试为主要内容,具有综合性、实践应用性强的特点。通过对本课程的学习,可以使学生对实际当中一般的精细化工产品的工艺路线设计、工艺条件确定、与之配套的仪器设备选择、实验操作技能和解决实际问题的能力有较大程度的提高和增强,为将来从事精细化工产品的研究、开发和生产打下坚实的实验基础。

我校目前的精细化工实验主要包含了最基础的内容:雪花膏的配制、洗衣粉的配制、表面张力及临界胶束浓度的测定、聚乙烯醇乳胶涂料的配制等非常有限的项目,由于实验场地、仪器套数、运行经费、实验污染物等诸多因素限制,也因为精细化工涉及范围太广及更新快的原因,我们对于目前发展较快、应用较多的内容无法开展实验训练,不能满足目前精细化工行业对学生的培养需求。

虚拟仿真实验教学方式,以其形象直观地人机对话界面、可重复操作性和安全丰富的教学内容,克服了真实实验教学中的多种限制,成为真实实验内容的重要补充。‘虚拟仿真的精细化工实验’在前期开设“聚乙烯醇缩甲醛胶粘剂合成”、“醋酸乙烯酯合成”、“表面活性剂合成”等专业训练性实验,提高学生的实验技能与动手能力。在此基础上,还可以进一步开设一些综合性实验,结合我校少数民族学生特点,灵活选择民族地区资源开发中的小题目作为实验科目。将《虚拟仿真精细化工素材库》与中心的仿真模型配套使用,学生可以几人小组的形式,自己搭接不同精细化工产品的工艺流程与设备装置流程,进行开放型的应用研究实验。对于具有开发应用前景的实验项目,可进一步进行真实实验开发研究。学生通过自学和资料的收集、数据整理和团队合作分析,了解和学习到精细化工产品的前沿知识,可以提高学生的自学能力和对精细化工课程的学习兴趣,可以提高学生的综合能力、创新意识和创新能力。

 

来源:西南民族大学化学类虚拟仿真实验教学中心

环境工程原理实验

“环境工程原理”是环境工程专业基础理论平台课程,设计面宽、内容丰富。该课程的实验课程有助于学生对理论知识的掌握和理解,并对后续专业课的学习起着至关重要的作用。本中心依据“环境工程原理”的理论体系以及后续专业课程学习的需求,以东方仿真开发的“环境工程实验仿真系统——EES”为基础,并与已有的半实物水处理模型相结合,开设了水处理领域和大气污染控制工程领域实验8个。

环境工程实验仿真系统

实验项目数 总学时 服务专业 教学课程或环节 资源类型
8 24 环境科学 大气污染控制工程、水污染控制、毕业设计(论文)、开放性与创新性实验 高成本、高消耗

 

来源:西南民族大学化学类虚拟仿真实验教学中心

制药工程专业实验

制药工程专业是一个以培养从事药物制造工程技术人才为目标的化学、药学和工程学交叉的实践性很强的应用型工科专业。专业实验实践教学是制药工程专业教学的重要组成部分,是培养学生创新能力的重要途径。制药工程专业实验选取如“阿司匹林制备工艺流程设计”、“青霉素发酵及提纯精馏工艺”、“苦参生物碱提出及分离工艺”等典型实验进行虚拟仿真,克服了实验仪器设备数量和场地限制。虚拟仿真实验的实验周期短,学生可通过反复地进行多次实验,加深对实验原理、工艺流程等的理解和掌握,提高学习效果和效率。

制药工程专业实验仿真

 

实验项目数 总学时 服务专业 教学课程或环节 资源类型
5 15 制药工程、彝医学、藏医学 制药工程实验、毕业设计(论文)、开放性与创新性实验 高成本 高消耗

 

 

 

来源:西南民族大学化学类虚拟仿真实验教学中心

化工安全事件应急管理与虚拟仿真实验

化工生产安全事故是工业生产中危害较大、最易发生的安全事故,对人民的生命、财产产生很大的危害。根据中心的化工类人才培养目标,通过虚拟仿真手段,模拟危险化学品泄漏事故模拟应急处置、化工生产过程安全事故处理方法及大型高危化工企业安全模拟管理及应急等,设置交互动作,设定考核管理方法模块,同时制作常见实验室事故的应急预案演练动画,易燃、易爆等化学品安全存放方法模拟软件,对学生开展化工安全事故的应急处理能力培养、消防安全事件和实验室常见安全事故的应急处理能力培养,让学生在没有化工安全事故的情景下经历化工安全事故,提高学生化工类安全事故处理应急管理能力。

 

 

来源:桂林理工大学南宁分校冶金化工虚拟仿真实验教学中心

 

 

化工废水处理工艺实体与仿真实验

化工废水处理工艺实体与仿真实验

化工行业生产过程中会产生大量的废气、废渣、废水,若未经处理直接排放到环境中,对生态环境、人体健康产生直接或间接的影响,因此必须对“三废”进行特殊的工业处理。随着国家对环境污染整治工作推进力度和投入的加大,“三废”行业的审查标准将更加规范,对员工的从业素质、职业技能的要求也将更加严格。本中心与北京东方仿真软件技术有限公司进行合作开发了化工废水处理工艺实体与仿真系统,包括氧化沟工艺、SBR工艺、UASB工艺、AB工艺、A2O工艺共5个单元操作。工艺上采用生化处理和物理渗透两种方法,涵盖机械处理、生物处理、污水深度处理三级处理程度。培训内容囊括了工艺巡视、单元操作、设备故障、工艺调整、开停车等系列。

该系统的主要特点就是采用国内领先的过程模拟仿真技术,将设备工作原理算法化,根据工艺流程结构搭建成数学模型。前台的用户操作指令传递到后台的数学模型中,经数学模型的运算可实时表征出各个工艺数据的真实值。

该系统主要满足环保水处理工技能实训、技能鉴定中有关设备故障、装置操作、工艺调控方面培训、考核的需要,模拟生产岗位操作场景,设置操作要求,培养学员认识和解决实际生产问题的能力。大型设备的操作、设备故障现象的再现、工艺调控能力的培训与考核更需要借助仿真软件来实现。预设的工艺巡视题和常见事故的培训项目切换方便,缩短了学员的培训周期,强化了培训能力。化工废水处理工艺实体与仿真系统是培养动手能力和提高对设备、工艺的理解能力的良好教学工具及学习工具。

 

来源:桂林理工大学南宁分校冶金化工虚拟仿真实验教学中心

大型分析仪器实体与仿真实验

大型分析仪器实体与仿真实验

本中心拥有分光光度计(图1)、高效液相色谱仪(图2)、气相色谱仪(图3)、原子吸收仪(图4)等大型分析仪器,用于全系师生的科研教学。这些大型分析仪器使用过程复杂、维护成本较高,因此学生动手操作机会偏少。虚拟仿真中心对所购置的大型分析仪器进行原理解析、使用规范、故障分析处理等多方面的仿真教学及训练系统开发,免费使用所有模拟仿真系统应用于教学,极大缓解了分析仪器不足带来的问题,提高了教学效果。目前拥有气相色谱-质谱联用、红外光谱、紫外-可见光分光光度计仿真实验、紫外分光光度计UV-754C仿真实验、原子吸收仿真实验、气相色谱仿真试验、液相色谱仿真试验等 10 余台大型精密仪器的脱机模拟操作软件。可直接服务开设这些仪器的使用与维护等实验项目。借助大型仪器模拟操作软件库,学生在不浪费昂贵标准物质、耗材以及不损耗设备寿命的基础上开展脱机虚拟仿真模拟操作,做足真实上机准备,并通过网上考试平台通过考试后,学生可获得某大型仪器操作上岗证。这大大提高学生对大型气相色谱、液相色谱等仪器的使用熟练程度和动手测样水平。同时,现代化工企业测试水平普通提高,对大学生也提出了新的要求,要求大学生熟练掌握现代测试仪器的操作方法。大型仪器实体与仿真实验极大地提升了学生就业竞争力。

可开设典型实验流程举例:紫外分光光度计UV-754C仿真实验

实验概述:在分子中,除了电子相对于原子核的远动之外,还有原子核之间振动和转动引起的相对位移。这三种运动能量都是量子化的,对应一定的能级。分子的能量是这三种能量的总和。当用一定频率(波长)的电磁波(光)照射分子,其能量恰好等于分子的两个能级差时,则分子就会吸收光的能量而有较低的能级跃迁到较高的能级,同时光的强度(能量)变小。吸光度符合吸收定律:

A=lg(I0/I)=KcL

 

根据这一关系可以用工作曲线法来测定未知溶液中吸光物质的浓度。

这是进入实验的总体界面:

主要的实验操作步骤:1、标准溶液的配置

2、调节机器

3、上机操作

4、实验数据处理

完成所有操作步骤后向教师站发送实验报告。

 

 

来源:桂林理工大学南宁分校冶金化工虚拟仿真实验教学中心

冶金生产工艺仿真实验

冶金生产工艺仿真实验

本中心与北京东方仿真软件技术有限公司、山东星科有限公司合作建设氧化铝生产、火法炼铜仿真系统。具体包括氧化铝与火法炼铜的生产设备、工艺虚拟仿真动画及视频,模拟氧化铝生产、火法炼铜的生产工艺条件,可进行开车、停车、工艺运行调试、正常生产工况、异常工况处理、设备操作等仿真实验项目。冶金生产工艺仿真系统拓宽了实验教学的范围,丰富了实验教学的内容,提高了学生实验兴趣,提高了实验教学效果。

 

氧化铝生产仿真系统包含原料破碎、管道溶出、矿浆稀释、沉降分离、赤泥洗涤、晶种分解、多效蒸发、煅烧焙烧等七个子项目,通过氧化铝生产工艺总貌图(图1)可以进入氧化铝生产仿真系统各子项目(图2)。学生可以任意选择子项目进行实验操作,详细学习氧化铝生产的工艺相关知识以及生产操作方法。

仿真实验实例:氧化铝生产多效蒸发操作实验

在多效蒸发操作子项目下,可以真实的再现蒸发实际生产过程(图3)。同时,系统提供生产录像、生产原理、设备结构等详细的技术资料、操作要点。多效蒸发项目包含冷态开车操作,停车操作,冷物流进料调节阀卡、F601A液位超高及真空泵故障等事故操作。

 

冷态开车操作包括:

开车前准备:开冷却水入口阀门→开真空泵A→开真空泵阀门VA611→开阀门VA610,使末效蒸发器压力为负压→开排冷凝水阀门VA619→开疏水阀VA615→开疏水阀VA616→开疏水阀VA617→开疏水阀VA618。

冷物流进料:打开FV601的前截止阀→打开FV601的后截止阀手动逐渐打开冷物料进口阀门FV601→打开LV601的前截止阀→打开LV601的后截止阀F101A液位接近50%时,开阀门LV601→打开LV602的前截止阀→打开LV602的后截止阀→F601B液位接近50%时,开阀门LV602→打开LV603的前截止阀→打开LV603的后截止阀→F601C液位接近50%时,开阀门LV603→调整阀门VA612的开度,使LIC604显示大于0且不至于满罐

热物流进料:打开FV602的前截止阀→打开FV602的后截止阀→手动逐渐开大开热物流进口阀FV602开度,控制流量在3066kg/h左右→F601A压力有明显上升时,逐渐打开阀门VA607→F601B压力有明显上升时,逐渐打开阀门VA608→F601C压力有明显上升时,逐渐打开阀门VA609

调节至各项指标到正常生产状态,开车过程结束。

综合利用计算机图形学、光电成像技术、传感技术、计算机仿真、人工智能等多种技术,创建一个逼真的、具有视、听、触、嗅、味等多种感知的计算机系统构成虚拟现场。将虚拟现实应用于教学,通过虚拟现场的真实环境,数学模型支持模拟真实的生产工艺过程,学生通过监控界面进行操作,让学生更形象、直观的体会真实的生产过程。在不断地考核和练习过程中,实现掌握知识的目的。

铜冶炼企业的设备大多是重型设备,危险程度和保密程度都比较高。铜冶炼仿真软件主要用计算机模拟3D场景、中控室控制画面并加以数学模型的驱动,来逼真的反映现场的各种真实环境并使之具有训练、考核的使用价值。

铜冶炼仿真软件的操作主要有电仪操作、系统检查操作、打开风阀操作、调整风氧量操作、加入溶剂操作、本体监控、现场操作、炉前观察操作、转炉前转操作、转炉后转操作。

 

来源: 桂林理工大学南宁分校冶金化工虚拟仿真实验教学中心

 

 

化工工艺虚拟仿真实验

化工工艺虚拟仿真实验

为了将涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或综合实验进行虚拟仿真化,提高学生对化工工艺流程的认识,锻炼学生对化工厂生产开停车调试、化工生产的主控指标调控等基础操控能力。本中心与北京东方仿真软件技术有限公司等国内知名仿真软件公司开展多途径合作,依托东盟经济区与北部湾经济区内的化工企业,建设了一批常规化工产品生产工艺虚拟仿真实验项目,如依托钦州中石油常减压炼油工段生产线建立的常减压炼油工段虚拟仿真系统、依托石油催化裂化生产线建立了催化裂化工艺仿真系统、乙烯仿真系统,依托锦盛公司氢氧化钠生产线开发氢氧化钠生产仿真系统,依托来宾冶炼厂硫酸生产线开发硫酸生产仿真系统等。

 

常减压炼油仿真实验

通过主界面进入常减压炼油工段操作界面(图1)。该界面包含冷态开车、正常操作、正常停车、紧急停车、原油中断、供电瞬间掉电、循环水中断、供汽中断、净化风中断、加热炉F101着火、常压塔底泵停、常顶回流阀卡10%、闪蒸塔底泵抽空、减压炉熄火、低高压闪电、原油含水等操作。学生通过对该系统的操作,可以详细的学习常减压炼油工段的操作方法,了解操作质量评分系统,进而更好地对常减压炼油工段进行控制。

来源:桂林理工大学南宁分校冶金化工虚拟仿真实验教学中

 

化工单元仿真实验

实验教学中心有离心泵单元仿真、间歇反应釜工艺仿真、多效蒸发工艺仿真、流化床及固定床反应器单元仿真、吸收-解吸工艺仿真、催化剂萃取控制工艺仿真、锅炉单元仿真、精馏塔及双精馏塔单元仿真等十几个化工单元操作仿真软件及化工原理素材库与精细化工工艺素材库,可以进行化工原理、化工工艺、化工安全技术、认识实习、生产实习等课程的实验。

化工单元仿真实验模拟具体的化工过程,如双塔精馏模拟苯甲苯的分离、多效蒸发模拟氢氧化钠水溶液三效蒸发,通过单元操作的实训,学生除了学习相关课程的知识,还可以利用仿真软件模拟化工生产装置开、停车等耗时长、高危险性的大型工程项目,避免实际操作带来的危险,同时仿真软件的应用可以弥补实验设备台套数不足的缺陷,提高学生对化工单元操作的掌握程度和理论水平,为实习、工作、深造打下基础。

学生在进行仿真实训之前,可先利用素材库中的视频、SWF等资源进行学习(图1),在掌握了基本的原理和流程后,学生可进入仿真系统选择相应的单元操作进行实训,并且通过考试系统进行考核,以便及时复习巩固。

双塔精馏仿真实训流程:

双塔精馏流程以丙烯酸甲酯生产工艺流程中的醇拨头塔和醇提纯塔为依据很。醇拨头塔对应仿真单元里的轻组分脱除塔T150,醇提纯塔对应仿真单元里的产品精制塔T160. 醇拨头塔为精馏塔,利用精馏的原理,将主物流中少部分的甲醇从塔顶蒸出,含有甲酯和少部分重组分的物流从塔底排除至T160,并进一步分离。醇提纯塔T160塔顶分理出甲酯,塔釜分离出的重组分产品返回至废液罐在处理或回收利用。

首先打开仿真软件,进入DCS界面(图2),练习时可根据操作评分系统(图3)的提示进行操作,考核时该部分关闭,根据精馏原理,依次从轻组分脱除塔(图5)进行到产品精制塔(图6),操作完成后,可进行组分分析(图7),并进行评分。

来源:桂林理工大学南宁分校冶金化工虚拟仿真实验教学中心

化工单元操作实体与虚拟实训

根据专业教学和学科发展的需要,结合学生在中国铝业股份有限公司广西分公司、广西泽威尔饲料有限公司的具体情况,建设实体单元操作与虚拟实训室,共有精馏实训装置(图1)、流体输送(图2)、传热(图3)、管路拆装(图4)四套大型实训设备,除管路拆装外,流体输送、传热、精馏这三套设备均安装真实仪表、工艺参数传输装置和中控平台。

学生在学习完化工原理、化工仪表及自动化、化工机械设备基础等课程之后,在化工工艺操作实体与虚拟实训室进行传质、传热、传动单元操作、化工管路、设备、仪表维护、化工机械设备、化工工艺操作等实训,实训过程中学生既可在实体设备上进行操作,也可模拟工厂DCS中控对现场操作进行监控和调度指挥。

通过操作实训,学生能够了解化工生产的特点以及专业相关的职业和行业规范,可以详细的了解化工生产开、停车过程以及正常生产状态,详细学习并掌握化工生产中各设备的技术参数、操作规程及各工艺参数对产品质量的影响规律,模拟生产过程中各工段发生意外的处理。同时,通过中控室和微型工厂现场进行互动,模拟生产过程,通过中控平台发出指令,在现场的学生可以根据中控平台发出的指令来调节泵的开度、液位的高度、体系的压强、流量等来调控生产系统。

提高了学生知识水平的宽度、广度及深度,极大地提高了教学效果。化工单元操作实体与虚拟实训可开展化工生产教学实训,涉及的课程涵盖化学工程与工艺专业主要的专业基础课及专业课,如化工原理、化工机械设备基础、分离工程、化工工艺学、化工仪表及自动化、化工认识实习、化工生产实习等。学生在实训过程中可将这些课程中的知识有机结合在一起,并运用这些知识解决实训过程中出现的问题,提高了学生知识水平的宽度、广度及深度,极大地提高了教学效果。

以流体输送为例。打开监控界面(图5),在界面中,学生可以了解流体输送的流程,并且与实体相对应,在完全掌握流体输送的流程之后,可进行下列实验:单个离心泵的开关实验、二台泵的串并联实验、高位输水实验、离心泵特性曲线实验、流体流动阻力测试实验、气体输送实验、简单吸收实验。在离心泵特性曲线实验中,学生需进行分组,每三人一组,其中一人位于中控岗位,另一人在离心泵岗位,操作时,离心泵岗位学生先进行灌泵避免离心泵产生气缚现象(图6),待离心泵中空气排除后,通知中控岗位在中控平台的控制面板上开启离心泵(如图7),离心泵岗位学生进行流量调节(图8),中控岗位学生及时采集数据并保存,待数据采集完成,中控岗位学生停止离心泵,完成实验。

通过实验,学生既直观了解化工各种管道、泵、阀门、化工各单元操作等设备的安装、使用、维护等方法,也学习了化工原理、化工仪表及自动化、化工机械设备基础等知识,同时锻炼了团队协作能力和实践操作能力。

来源:桂林理工大学南宁分校冶金化工虚拟仿真实验教学中心

工科基础化学仿真实验

本中心与企业联合开发了工科基础化学的模拟、仿真实验动画教学资源库,包含 3D 分子结构库、无机化学、分析化学、物理化学、化工原理及化学工艺学课程的模拟仿真实验。模拟实验通过动画模拟相应的实验操作步骤,让学生熟练化学实验的一些基本操作,让学生能够在网络上完成实验预习、虚拟操作以及实验复习等内容,本着相互补充的原则,使同学们能够进一步加强对相关实验内容的理解、巩固与消化。仿真实验能模拟真实仪器的测量数据,让学生讨论改变不同的测量体系及条件对测试结果的影响,有助于学生对知识的深入理解。

如电导率的测量仿真实验动画,学生在操作界面中通过选择离子的种类与浓度,能模拟测试出体系的电导率的值。近年来开发了 “无机化学”(含实验)、“物理化学”(含实验)、“化工原理”(含实验)、“仪器分析”(含实验)等多媒体教学课件和相应的微课视频。

来源:桂林理工大学南宁分校冶金化工虚拟仿真实验教学中心

 

炼铁仿真实训

炼铁是将矿石、熔剂、焦炭按一定比例予以混匀送至料仓,然后再送至高炉,从高炉下部吹入高温热风,使焦炭燃烧产生大量的高温还原性煤气,从而加热炉料并使其发生还原、融化、造渣等一系列物理化学变化。在 1100℃左右铁矿石开始软化,1400℃熔化形成铁水与液体渣,分层存于炉缸,之后,进行出铁、出渣作业。

炼铁仿真模拟的目标是为高炉选择原材料(矿石、燃料和造渣剂),并为这些原材料设定合适的装入比例,以获得目标成分和温度的铁水,然后进行物料平衡和热平衡的评价,以及其它工艺指标的评价。仿真系统包含内容如图1所示。

图1 炼铁仿真实训的主要内容

通过炼铁仿真模拟可以再现实际工作中无法观察到的设备现象或设备动作的变化过程,为学生提供生动、逼真的感性学习材料,帮助学生解决学习中的知识难点,使抽象的概念、理论直观化和形象化。图2 为炼铁仿真实训-炉顶布料器的模拟界面。

图2  炼铁仿真实训的模拟界面

烧结仿真实训

烧结是将各种粉状含铁原料,配入适量的燃料、熔剂和水,混合造球,然后将混合物料加热至熔点温度之上,再以一定的方式冷却至室温。烧结过程中混合物料化学成分随之改变,粉末颗粒之间发生粘结,烧结体的强度增加,粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体,从而获得所需的化学、物理、机械性能的制品或材料。烧结仿真实训模块包括烧结物料配料计算和烧结过程生产控制两个模块。

烧结物料配料计算:烧结物料的配料是烧结生产的根本,对烧结矿质量具有非常重要的影响。该模块内置常规炼铁原料成分,并可根据虚拟仿真实验需要自拟烧结物料成分,依据物料平衡的原理,虚拟系统程序优化计算,得出拟定配料模式下烧结物料成分,以及该模式下烧结原料成本。依据烧结物料结果、物料成本控制结合操作步骤与操作时间,系统将给予操作者相应评分。

烧结过程生产控制:该模块着重训练和考察烧结生产的现场操作相关知识。虚拟界面可实时动态显示烧结过程中混匀机、烧结机等机组的运行状况,并实时显示烧结过程中各机组及烧结物料各运行参数,学生结合控制界面控制调配在线物料配和烧结终点,完成烧结过程的虚拟生产。

图  为烧结仿真实训的模拟界面。

真空感应精炼过程数值模拟

冶金法制备多晶硅,具有投资少、能耗低、环境友好等优点,可满足快速发展光伏产业的需求,其方法主要有真空感应精炼法、等离子束熔炼法等,并辅助以定向凝固等各种精炼工艺和手段。真空感应精炼是除去工业硅中的 P、Al、Ca 等挥发性杂质的有效手段,在冶金法制备多晶硅过程中被广泛应用。而工业硅真空感应精炼过程伴随电磁转换、传热、液相流动以及溶质扩散、挥发等现象,这一复杂过程需从理论和工艺上进行深入研究和认识。对工业硅真空感应精炼开展研究的过程中,对其进行数值模拟研究可以提供在试验中许多难以获得的重要数据,从而可以降低试验费用,缩短试验周期。

利用有限元方法将电磁场、温度场和流场进行耦合,建立了工业硅真空感应精炼过程中电磁-热-流动过程的 2 维模型,利用 Multi-physics Comsol4.2a 软件进行了数值计算。通过研究熔池中电磁场、温度场以及流场的动态分布特征,从而分析和优化工业硅真空感应精炼过程的工艺制度,实现对工业硅真空感应精炼过程进行预测和控制。图 5 为计算出的不同电源频率对硅熔体流动形态的影响。

图 电源频率对硅熔体流动形态的影响

(a) 1000 Hz,(b)2000 Hz, (c)3000 Hz, (d)4000 Hz