Автореферат (Повышение энергетической эффективности производства карбида кремния на основе моделирования плавильного процесса)

На правах рукописи ЗАКОЖУРНИКОВА ГАЛИНА СЕРГЕЕВНА ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КАРБИДА КРЕМНИЯ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЛАВИЛЬНОГО ПРОЦЕССА Специальность 05.14,04 — Промышленная теплоэнергетика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва — 2015 Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменные процессы и установки» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» Научный руководитель: Кузеванов Вячеслав Семенович доктор технических наук, профессор, профессор кафедры ПТС ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» Официальные оппонентьп Картавцев Сергей Владимирович доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Теплотехнических и энергетических систем» ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им.

Г.И. Носова» Колибаба Ольга Борисовна кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергетика теплотехнологий и газоснабжение» ФГБОУ В ПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» Ведущая организация: Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Защита диссертации состоится «14» января 2016 г. в 15 часов 30 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.157.21 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г.

Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, корпус Г, ауд. Г-406. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» и на сайте жжилпре1.гп. Автореферат разослан " 2015 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.21 к.т,н., доцент Степанова Т.А. Отзывы на автореферат (в двух экземплярах) с подписями, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 1 11250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ А альность темы. В настоящее время все более широкое применение для различных целей находят соединения кремния. К таким соединениям относится и карбид кремния. Этот материал используют в энергетике, электронике, машиностроении. По мере расширения сферы применения карбида кремния не только увеличивается потребность в его производстве, но и повышаются требования к качеству материала, в частности к его чистоте и стабильности свойств.

Обьемы и стоимость производства карбида кремния, его качество зависят„ в том числе, от технологии получения этого продукта. Существующая технология производства карбида кремния — это высокотемпературный энергоемкий процесс, осуществляемый в специальных электрических печах. Совокупность физических и химических явлений, протекающих в таких печах, оказывается весьма сложной с большим числом внутренних взаимосвязей.

Совершенствование методов управления технологическим процессом получения карбида кремния с целью увеличения выхода конечного продукта, повышения его качества, экономии энергетических ресурсов представляет собой важную актуальную задачу. В современных условиях улучшение показателей производства карбида кремния требует, кроме экспериментальных исследований, наличия математических моделей теплом ассопереноса, позволяющих решать задачу оптимизации режимов работы технологических печей и осуществлять управление ими, в том числе в режиме реального времени.

Немногие известные математические модели процесса производства карбида кремния используют существенно упрощенную картину процесса и не позволяют получить необходимую информацию об изменении важных для получения карбида кремния параметров, определяющих его качество и выход как конечного продукта производства. Объектом иссле овання является электрическая печь для производства карбида кремния.

Производство ЯС представляет собой организованную совокупность взаимосвязанных процессов тепло- и массопереноса при нагреве многокомпонентного исходного загружаемого в печь материала (шихты). Целльью данной работы является повышение энергетической эффективности производства ЯС в электрической печи сопротивления через совершенствование технологического процесса на основе анализа результатов моделирования процессов тепломассообмена, сопровождающих производство карбида кремния. Для достижения указанной цели решены следующие задачи: 1. Проведен анализ химических и физических процессов, протекающих при получении карбида кремния в электрических печах, для выявления базовых факторов, которые необходимо учитывать при математическом моделировании для воспроизведения поля температур в рабочей зоне печи.

2. Построена общая модель определения температурного поля, учитывающая: — перенос тепла теплопроводностью в пористой многокомпонентной среде с внутренними источниками тепла; — фильтрационный перенос тепла; — теплообмен излучением; — химические реакции с участием компонентов исходной смеси; — удаление влаги из твердой составляющей. 3. Проведена верификация общей математической модели плавки на основе экспериментальных данных, полученных в условиях действующего производства. 4. Созданы алгоритм численного расчета и программа для ЭВМ, реализующая предложенную математическую модель.

5. Определены мероприятия по уменьшению затрат электрической энергии на единицу продукции и представлены количественные результаты по сокращению потребления энергоресурсов во время плавки в печах сопротивления при реализации рекомендуемых мероприятий. На чная новизна исследования заключается в следующем: 1. Впервые создана и верифицирована в условиях действующего производства общая математическая модель процесса получения карбида кремния, учитывающая перенос тепла теплопроводностью в пористой многокомпонентной среде с внутренними источниками тепла, фильтрационный перенос тепла, теплообмен излучением, химические реакции, удаление влаги из твердой составляющей.

2. Впервые получены данные о влиянии явлений влагопереноса и фильтрации в слое исходного материала на распределение температур в реакционной зоне печи применительно к процессу получения карбида кремния. 3. На основании численных экспериментов впервые показана возможность сокращения теплоподвода на конечном этапе процесса производства карбида кремния без сокращения размеров реакционной зоны, а также определены характеристики указанных энергоэффективных режимов плавки. Основные метр ы на чных иссле ований. В работе использованы фундаментальные методы теории тепломассообмена, математического моделирования, методы экспериментальных исследований.

П актическая значимость работы заключается в следующем: 1. Показана возможность и произведена количественная оценка снижения удельной энергоемкости продукции в процессе производства карбида кремния путем сокращения энергоподвода на заключительном этапе процесса. 2. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании электротермических печей сопротивления для выбора геометрических параметров реакционной зоны и предельной мощности печи. 3. Программа для ЭВМ, реализующая разработанную математическую модель, может быть использована для выбора режима плавки и состава шихты с целью повышения энергетической эффективности технологического процесса получения карбида кремния.

4. Использование расчетной программы позволяет отказаться от дорогостоящих промышленных экспериментов. остове ность и обоснованность.При выполнении работы использованы фундаментальные физические законы, апробированные теоретические и экспериментальные методы исследования. Достоверность конечных результатов подтверждена сравнением с опытными данными, полученными автором, а также с опытными данными из литературных источников. На за ит выносится: 1.

Математическая модель процесса плавки в печи для получения карбида кремния, учитывающая особенности тепломассопереноса в пористых средах. 2. Результаты натурных экспериментов по определению изменения температур в печи сопротивления. 3. Результаты численных расчетов температурных полей в технологии производства карбида кремния. 4. Рекомендации по повьппению энергетической эффективности производства ЯС.

Ап оба ия аботы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 13-я, 14-я, 15-я, 16-я Межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых и студентов (г. Волжский, МЭИ, 2007, 2008, 2009, 2010 гг.); Межрегиональная научно-практическая конференция (г. Волжский, МЭИ, 2007, 2009 гг.); 2-я, 3-я Всероссийская научно-практическая конференция (г. Волжский, МЭИ, 2008, 2010 гг.); Краткие сообщения ХХХ Российской школы, посвященной 65-летию Победы (г. Екатеринбург: УрО РАН, г.

Миасс Челябинская обл., 2010 г.); Международная научно-техническая конференция (ХУ1 Бенардосовские чтения) (г. Иваново, ИГЭУ, 2011 г.); Х Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» (г. Казань, КГЭУ, 2015 г.). Птбдикаиин: Осноаное содержание днссертадионной работы изнонтено а 17 публикациях, в том числе 4 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий ВАК РФ. Личный вкла соискателя. Все основные результаты диссертации получены автором самостоятельно. В том числе соискателем лично: 1. Разработана и верифицирована в условиях действующего производства общая математическая модель процесса получения карбида кремния, учитывающая его основные особенности. 2. Разработаны алгоритм численного расчета и программа для ЭВМ, реализующая указанную модель.

3. Проведены натурные эксперименты по определению нестационарного поля температур в промышленной печи по производству карбида кремния. 4. Проведены численные эксперименты и на их основе разработаны рекомендации по снижению удельной энергоемкости продукции в производстве карбида кремния. Ст а и объем иссе та ионной аботы. Диссертация объемом 127 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Список цитируемых источников составляет 103 наименования, ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, обозначены цели и основные задачи работы, указаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных в работе результатов, описана структура диссертации. В пе вой главе ассмотрены химические основы получения карбида кремния, а также представлены варианты технологии получения ЯС в существующих печах сопротивления различных конструкций.