Автореферат (Повышение энергетической эффективности производства карбида кремния на основе моделирования плавильного процесса), страница 4

При отдалении от него влияние ослабевает. 2Л 1О' Я !О! 2 '10' 2 !О' 1 б !О' 1.б' 10' 1Я 10 О ! б О !2 !б 10 21 !.б Рисунок 6. — Графики температур для карбида кремния черного с учетом фильтрационного переноса и без его учета: 1, 2, 3 — кривые, построенные по экспериментальным данным; 5, 6„8— кривые, соответствующие кривым 1, 2, 3, построенные по результатам численных экспериментов с учетом фильтрационного переноса; 4, 7, 9 — кривые, соответствующие кривым 5, 6, 8, построенные гю результатам численных экспериментов без учета фильтрационного переноса Отличия в ходе кривых в сходственных точках (5 и 4, 7 и 6, 9 и 8) объясняются следующим.

Отсутствие внутренних стоков тепла, обусловленных процессом фазового перехода вода-пар при сушке, существенно увеличивает тепловую проводимость шихты. При этом температура в зоне„прилегающей к керну, возрастает медленнее (кривая 5 в сравнении с кривой 4), а в удаленной от керна зоне — быстрее (кривая 9 в сравнении с кривой 8). На рис. 6 представлено влияние фильтрационного переноса на изменение температур в разных зонах печи. В связи с тем, что газообразные фильтрационные потоки не могут переносить значительное количество тепла, влияние фильтрации в зоне, прилегающей к керну, незначительно (кривая 4 в сравнении с кривой 5). Однако темп роста температуры в удаленной от керна зоне заметно зависит от горячих фильтрационных потоков, в основном идущих от высоко нагретой центральной области печи с повышенным давлением газовой составляющей в порах (кривая 9 в сравнении с кривой 8). О ! б О Ц !б И Н тб Рисунок 5.

— Температура Т зон печи для производства карбида кремния черного с учетом процесса сушки исходного материала и без ее учета: 1, 2, 3 — кривые, построенные по экспериментальным данным; 4, 6, 8— кривые, соответствующие кривым 1, 2, 3, построенные по результатам численных экспериментов с учетом процесса сушки„ 5,7,9 — кривые, соответствующие кривым 4, 6, 8, построенные по результатам численных экспериментов без учета процесса сушки На рисунке 7 представлено изменение температуры в точках по поперечному сечению печи, полученное в промышленном эксперименте и смоделированное численно. Наблюдается хорошее совпадение расчетов и экспериментальных данных.

Температурное поле, изображенное на рисунке 8, является результатом численного расчета. Представленные результаты расчетов позволяют рекомендовать разработанную программу для анализа влияния процессов фильтрации и влагопереноса, а также на температурных полей в печах. т,к 24х!0 2х Ш' 1,бх10' 1 2х10 2000 ооо 1000 000 1ОО Рисунок 8. — Температурное поле в печи для производства карбида кремния через двенадцать часов после начала плавки 2эх10' 2Э.М* 2'10' '1О' 1.0.10' 1.2х!01 !.б 10 12. 1Оч боо 0 3 б 9 12 15 18 21 т,ч Рисунок 7.

— Температура Т зон печи для карбида кремния черного по результатам промышленного эксперимента и численного расчета 1„2, 3 — кривые, построенные по экспериментальным данным; 4, 5„6 — кривые, соответствующие кривым 1, 2, 3, построенные по результатам численных экспериментов, 1 — 0 мм от керна, 2 — 200 мм от керна, 3— 300 мм от керна О ' б 0 Гэ П 10 П Рисунок 9. — Распределение температур в разных режимах нагрева шихты: при постоянной электрической нагрузке: кривые 1-6; при сбросе электрической нагрузки через 10 часов после начала плавки: кривые 7,8,9. О 1 б О 12 15 12 21 Х Ч Рисунок 1 О.

— Распределение температур в разных режимах нагрева шихты: при постоянной электрической нагрузке: кривые 1-6; при сбросе электрической нагрузки через 5 часов после начала плавки: кривые 7, 8„9 Проведение численных расчетов по разработанной модели позволило определить режимы подвода электрической мощности к печи сопротивления, при которых можно обеспечить экономию электрической энергии и определить величину этой зкономии. Кривые № 7, 8, 9, представленные на рисунке 9, построены для условий, соответствующих кривым 4, 5, б, но при проведении энергосберегающего процесса плавки, которое выражается в уменьшении подводимой электрической мощности на 1 МВт через 10 часов после начала плавки.

Из сопоставления кривых, отражающих температурные поля в реакционной зоне при постоянной электрической мощности печи, составляющей 3 МВт, и кривых, отражающих температурные поля для вариантов режимов плавки с уменьшением мощности, видно, что области активного образования карбида кремния, по крайней мере, не уменьшаются. Это видно из того, что по завершении активного режима плавки (20-24 часов после начала разогрева) температура вблизи границы области образования ЯС (на расстоянии 30 см от поверхности керна) достигает значения 1500 'С, то есть температуры, определяемой как нижняя температурная граница образования ЯС. Расчеты показали, что дальнейшее сокращение времени, при котором производится сброс мощности, приводит к негативным результатам.

Так, на рис. 10 показан вариант нецелесообразного уменьшения мощности в исследуемой печи. В этом режиме через 5 часов после начала плавки подводимая мощность уменьшается на 1 МВт. Анализ графиков изменения температур в разных точках печи явно показывает, что шихта прогревается в процессе плавки до температуры выше 1500 'С лишь до расстояния от поверхности керна, не превышающего 20 см (кривые 5, 7). При снижении мощности на 1 МВтпосле 10 часов плавки экономится 14 МВт ч электроэнергии за один цикл работы печи. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1.

Получены экспериментальные данные по изменению температуры в разных зонах печи для производства карбида кремния в производственных условиях. 2. Разработана математическая модель для расчета температурных полей в процессе получения карбида кремния. Общая модель включает в себя несколько подмоделей: сушки, фильтрации, химических превращений. Учтены изменения свойств многокомпонентной среды. 3.

Построен алгоритм для решения конкретной специфической задачи определения основных параметров процесса в технологии получения карбида кремния в печах сопротивления. 4. Разработана программа в среде Майся, которая позволяет проводить численные исследования вместо производственных экспериментов, что приведет к экономии по используемым в печах продуктам и сократит затраты электроэнергии. 5. Впервые выполнены численные расчеты температурного режима плавки печи.

б. Проведен анализ влияния сушки влажного материала, фильтрационной составляющей и коэффициента теплопро водности пористой среды на температурные поля. 7. Проведено сравнение численных результатов с данными промышленных экспериментов, которое подтвердило возможность использования разработанной модели и алгоритма для описания процессов тепломассопереноса в печи при производстве ЯС. 8.

Проведенные исследования показали, что разработанная модель и программный комплекс могут быть использованы при улучшении режимов плавки. 9. Сформулированы рекомендации по повышению энергетической эффективности процесса получения карбида кремния, легко реализуемые в условиях производства. 10. Результаты исследований внедрены на ОАО «Волжский абразивный завод». ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ: 1.

Закожурникова Г.С. Модель сушки пористого проницаемого материала при внутреннем нагреве / В.С. Кузеванов, Г.С. Закожурникова // Альтернативная энергетика и экология. — 2013. — №14. — С. 19-23. 2. Закожурникова Г.С. Общая модель для расчета поля давления в пористой среде с реагирующими компонентами / В.С. Кузеванов, Г.С. Закожурникова // Известия ВолгГТУ. Серия Процессы преобразования энергии и энергетические установки. — 2014. — Т. 18 №6 (145) — С. 106-110. 3. Закожурникова Г.С.

Расчет поля давления в пористой среде с реагирующими компонентами / В.С. Кузеванов, Г.С. Закожурникова // Известия ВолгГТУ. Серия Процессы преобразования энергии и энергетические установки. — 2014. — Т. 18 №6 (145) — С. 110-113. 4. Закожурникова Г.С. Модель тепломассопереноса в печах при производстве карбида кремния / В.С. Кузеванов, Г.С. Закожурникова, С.С. Закожурников // Альтернативная энергетика и экология. — 2015. — №7. — С. 75-81.

5. Закожурникова Г.С. Принципы составления алгоритма исследования температурных полей электротермического процесса / Г.С. Закожурникова, С.С. Закожурников, В.В. Староверов // Тринадцатая межвузовская научнопрактическая конференция молодых ученых и студентов. г. Волжский, майиюнь 2007.: Тез. докл. В 5 т.

— Волжский: Филиал ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2007. — Т.5. — С. 5-7. б. Закожурникова Г.С. Анализ температурных режимов при производстве карбида кремния / Г.С. Закожурникова, А.И. Грошев // Интеллектуальные измерительные системы в промышленности Южного региона: Межрегиональная научно-практическая конференция, г. Волжский, 25-28 сентября 2007.; Сборник научных статей. — Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2007.

— С. 6-10. 7. Староверова Г.С. Экспериментальное исследование температурных полей различных зон печи при синтезе карбида кремния / Г.С. Староверова, В.В. Ягов, А.И. Грошев, С.С. Закожурников // Ресурсо-энергосбережение и эколого- энергетическая безопасность промышленных городов: Материалы второй всероссийской научно-практической конференции. Сборник научных статей.— Волжский: Филиал ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2008. — С.

102-105. 8. Староверова Г.С. Исследование температурных полей в керне при производстве карбида кремния / Г.С. Староверова, А.И. Грошев, С.С. Закожурников // Четырнадцатая межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых и студентов. г. Волжский, 26-30 мая 2008.: Тез. докл. В 4 т. — Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2008.— Т.2. — С. 3-4. 9. Староверова Г.С.