用于难熔金属提纯的等离子体发生器设计优化

都孟帅1, 彭俊磊1, 何盛亚2, 俞晟1, 李传军1（1.苏州大学金属材料与先进制造学院；2.有研(广东)新材料技术研究院）

摘要：高纯难熔金属是支撑先进电子信息产业发展的关键原材料,然而电子束熔炼、等离子弧熔炼等主流提纯方法普遍存在气体杂质脱除效果有限、电极易受污染等技术局限。感应耦合等离子体熔炼(ICPM)技术可有效克服上述缺陷,是一种高效洁净的提纯技术。等离子体发生器作为ICPM 装备的核心部件,其结构设计的合理性直接决定ICPM 提纯过程的稳定性与连续性。因此,本文首先借助Fluent软件开展数值模拟,对发生器的关键结构参数进行优化。结果表明,当中心进气孔数量为8个、进气孔入射角为8°、冷却气进气槽直径为6mm 时,发生器内部可形成稳定对称的涡流区与均匀冷却的最优流场。进一步采用COMSOL软件构建磁-热-流多场耦合模型,探究线圈功率、中心气流量、冷却气流量等工艺参数对等离子体温度场与流场的影响规律。研究发现,提高线圈功率与中心气流量,可显著增强等离子体射流强度并提升其温度;而冷却气流量存在临界阈值,超过该阈值后继续增大流量,反而会导致等离子体射流强度与温度下降。试验验证结果显示,本文所设计的等离子体发生器可实现稳定运行,且等离子炬的实测形态与模拟结果吻合度较高。本研究可为ICPM 装备等离子体发生器的工程化设计提供科学依据与技术支撑。

关键词：高纯难熔金属；感应等离子体；流场；温度场；数值模拟