Диссертация (Повышение энергетической эффективности производства карбида кремния на основе моделирования плавильного процесса), страница 11

Расчетное определение температурных полей впроцессах образования карборунда позволит подобрать варианты загрузок печи ирежимов плавки карбида кремния с целью увеличения выхода продукта и экономииэнергоресурсов.73Глава 4. ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ СУШКИ И ФИЛЬТРАЦИИ4.1. Расчетные исследования по модели сушкиПродемонстрируем работоспособность модели сушки. Рассмотрим экспериментальные данные [9], [75] по замерам температуры в печах для получениякарбида зеленого и карбида черного (рис.

4.1, 4.2, 4.3).Рисунок 4.1 − Температура Т внутренних зон печи в зависимости от времени η для карбидакремния зеленого. Кривые: 1 − R1I  RkI  0,561; 2 − R2II  0,824 ; 3 − R3I  1,0Принимаем расчетные значения эквивалентных размеров зон плавки:− для варианта рис. 4.1: индекс «», [9]: керн  0,8  0,4  π rk2  rkI  0,319 м;r0I  0,319  0,25  0,569 м;− для варианта рис. 4.2: индекс «», [9]: керн  0,7  0,35  π rk2  rkII  0,279 м;r0II  0,279  0,3  0,579 м;74− для варианта рис. 4.3: индекс «», [75]: керн  0,4  0,8  π rk2  rkIII  0,319 м;r0III  0,319  0,2  0,519 м;RkII  0,614.Ввиду отсутствия экспериментов по сушке исходной шихты при постояннойтемпературе и сушке керна при его разогреве и только лишь для проведения качественной оценки работоспособности модели, принимаем время сушки шихты дляпроизводства карбида зеленого и для производства карбида чѐрного η 00  96 ч и1S 00  0,048 , что следует из (3.37) при  00  0,01.чПринимая время сушки керна η 01  4,5 ч при S 00  0,0481и  01  0,01, поч1лучаем из (3.38) S 01  0,975 , и с учетом графиков температурных изменений начповерхности керна:IIIс11I  250 К ч ; с11II  300 К ч ; с11 380 К ч ;*IS 01 3,9  10 3 1 К ;* II* IIIS 01 3,25  10 3 1 К ; S01 2,566  10 3 1 К ;Рисунок 4.2 − Температура Т внутренних зон печи в зависимости от времени η для карбидакремния черного.

Кривые: 1, 2 − R1II  R2II  RkII  0,482 ; 3 − R3II  0,741; 4 − R4II  1,075На рис. 4.4 [76]представлены результаты расчета, проведенного по соотношению (3.35) для трех зон плавки карбида кремния с оговоренными выше их геометрическими характеристиками.Рисунок 4.3 − Температура внутренних зон печи, полученных в результате эксперимента напромышленной установке ОАО «ВАЗ», для карбида кремния черного.Кривые: 1 − R1III  0,653 ; 2 − R2III  0,807; 3 − R3III  1,0Рисунок 4.4 − Скорость влагоудаления Gсуш из печи в процессе производства карбида кремния:1 − карбида кремния зеленого (I), 2 − карбида кремния черного (II),3 – карбида кремния черного (III)76Отметим две особенности расчетных кривых:− наличие максимума влагоудаления из реакционной зоны;− завершение процесса сушки исходного материала не позднее пяти часовпосле начала плавки.Последняя особенность подтверждается практикой эксплуатации плавильных печей.В порядке заключения можно сделать вывод, что предложенная модельсушки качественно верно описывает реальный физический процесс и может бытьиспользована в качестве подмодели общей модели плавки.4.2.

Выделение газов в процессе плавкиПроцесс получения карбида кремния связан с выделением значительногоколичества газов. Так, выделение окиси углерода составляет:− на 1 кг реагирующего кремнезема0,933 кг;− на 1 кг углерода ........................1,56 кг;− на 1 кг образующегося карбида кремния1,40 кг.При этом известно, что кроме карбида кремния в конечном продукте некоторое его количество образуется в отходах, так что деление СО на 1 кг SiC вконечном продукте достигает 1,7 кг. Кроме того, в печи выделяются также летучие продукты углеродистых материалов и древесных опилок, количество которых достигает 0,30 кг на 1 кг SiC конечного продукта.Выделение газов из печи происходит неравномерно: летучие выделяютсятолько в первую половину кампании, скорость же выделения СО зависит от количества образующегося карбида кремния, которое не остается постоянным втечение кампании.На рис.

4.5 представлена кривая газов, выделяющихся из печи. Воздух,находящийся в порах шихты, быстро вытесняется оттуда летучими продуктамиуглеродистых материалов, выделение которых продолжается весь период прогрева77печи, т. е. 18-20 часов. Весь период содержание СО в газах продолжает расти,указывая, с одной стороны, на процесс прекращения выделения летучих, а с другой,на увеличение скорости образования карбида кремния.Через 20 часов после начала кампании содержание СО в газах составляетпрактически 100 %.Рисунок 4.5 − Выделение газов из печи в процессе получения карбида кремнияНа рис. 4.6 представлена кривая скорости выделения газов из печи, определенная расчетным путем.

В начале кампании кривая быстро возрастает сначалаза счет выделения только летучих, а через 8-10 часов после начала кампании −за счет развития основной реакции процесса. Максимум скорости выделениягазов достигается в середине кампании, после чего начинается ее падение сначалавследствие прекращения выделения летучих, а затем и затухания основной реакции.На рис.

4.7 представлена зависимость сопротивления шихты прохождениюгазов от температуры, определенная О. А. Буланиным, сопротивление это выражено во времени (в секундах), необходимом для прохождения через цилиндрический слой шихты (диаметр 44 мм, длина 700 мм) 5 л газа (при экспериментах − аргона во избежание окисления) при давлении 100 мм вод. ст.78Сопротивление шихты прохождению газов сначала растет сравнительномедленно с повышением температуры, однако при 800-900 °С. При 1450-1500 °Сначинается новый рост сопротивления, связанный, по-видимому, со спеканиемкремниевой кислоты.Рисунок 4.6 − Скорость выделения газов из печи для получения карбида кремнияРисунок 4.7 − Зависимость сопротивления шихты прохождению газов от температуры79Таким образом, как видно из рис. 4.7, к моменту течения основной реакциисопротивление шихты прохождению газа увеличивается в 25-30 раз по сравнению сначальной.

Во столько же примерно раз должна увеличиться и скорость движения газов в реакционном слое, т. е. достигнуть весьма ощутимой величины.Принимая, что СО выделяется равномерно по всему реакционному слою,т. е. что в среднем через него проходит половина всего количества газов, приходим к выводу, что скорость их должна составлять от 0,1 ∙ 25 ∙ 0,5= 1,25 дo0,2 ∙ 25 ∙ 0,5 = 2,5 м/с. Такая скорость должна, несомненно, вызывать повышениедавления в печи.4.3. Расчетные исследования по модели фильтрации4.3.1.

Определение функцииВ расчетном исследовании по модели фильтрации использовалась следующаяаппроксимация экспериментальных кривых, представленных на рис. 4.8–4.10 дляпечей по производству карбида кремния зеленого и черного.1. Карбида кремния зеленого (рис. 4.8)для 0  η  2,5  6,7 X 4  Y 4 ;44T  X , Y , η   670  246   2,5  6,7 X  Yдля 2,5  6,7 X 4  Y 4  η  8,5  6,7 X 4  Y 4 ; 0,5    8,5  6,7 X 4 Y 4    T  X , Y , η   2620  474едля η  8,5  6,7 X 4  Y 4 .ηT  X , Y , η   300  370 2,5  6,7 X 4  Y 4 2(4.1)802.

Карбида кремния черного (рис. 4.9)T  X , Y , η   300 370  400  1  Х  1  Y  3η 2,0  13,8 X 4  Y 431,5  4 ,5 Х 6 Y 6для 0  η  2,0  13,8 X 6  Y 6 ;T  X , Y , η   670  400  1  Х  1  Y  3  200   2,0  13,8 X 6  Y 63для 2,0  13,8 X 6  Y 6  η  6,0  13,8 X 6  Y 6 ;T  X , Y , η   2670  700 X 6  Y 6  1200  700 X  Y  400  1  Х  1  Y  е6363 0,13    6,0 13,9 для η  6,0  13,8 X 6  Y 6 .X 6 Y 6      (4.2)3. Карбида кремния черного ОАО «ВАЗ» (рис. 4.10)для 0  η  ξ  Х , Y , η  время, ч;33T  X , Y , η   670  400  1  Х  1  Y  π 32 π 32 280 cos X  cos Y   200η  ξ  X , Y 2 2для ξ  X , Y   η  ξ  X , Y   3;2222T  X , Y , η   2670  1000 X  Y  1400  1000 X  Y  π 3 2   π 3 2   0,13ξ  X , Y 3  33 400  1  Х  1  Y   840 cos X  cos Y  е2 22,515 Х 6 Y 6для η  ξ  X , Y   3, где ξ  X , Y   1,09е 0,65.T  X , Y , η   300  370  400  1  Х  1  Y 33 η5  ξ Х , Y   5 8(4.3)81Аппроксимирующие соотношения описывают опытные данные с погрешностью не более 11 %.Рисунок 4.8 – Температура Т внутренних зон печи в зависимости от времени ηдля карбида кремния зеленого:2, 3, 6 – кривые, построенные по промышленным данным [9]1, 4, 5 – кривые, построенные по аппроксимирующим соотношениямРисунок 4.9 – Температура Т внутренних зон печи в зависимости от времени ηдля карбида кремния черного:2, 3, 6 – кривые, построенные по промышленным данным [9]1, 4, 5 – кривые, построенные по аппроксимирующим соотношениям82Рисунок 4.10 – Температура Т внутренних зон печи в зависимости от времени η, полученнаяв результате эксперимента, для карбида кремния черного:1, 4, 5 – кривые, построенные по экспериментальным данным [75]2, 3, 6 – кривые, построенные по аппроксимирующим соотношениям4.3.2.

Определение функцийиОбщая скорость выделения газов из печи для получения карбида кремнияg г принята по данным работы [77]. Обработка экспериментальных данных(индекс «э») позволила предложить следующие соотношения для расчета g г :g г η   62,61 η , для 0  η  5, η  время, ч;2g г η   140  10η  5 , для 5  η  11;g г η   2,22η 2  75,55η  62,22, для 11  η  24;g г η   1,23η 2  49,19η9 для η  24.(4.4)Искомые функции  Х η  и  с η  определялись как V  Н , Х η    с η   g г η  яч VН тв  э (4.5)где Vяч и Vтв – объемы расчетной ячейки и части реакционной зоны, вошедшейв зону интенсивного прогрева, соответственно; Н и Нэ – длины рассматриваемой83и экспериментальной печи соответственно;  η эрηр, где индекс «р» относится квремени (периоду) разогрева печи.Газовыделение в расчетной ячейке определяется по зависимости (4.5), еслиη  η зап , где η зап – время запаздывания процесса газовыделения, зависящее от координат рассматриваемой ячейки и определяющее присоединение ячейки к объему Vтв.При η  η зап Х η    с η   0 .Поскольку процессу образования летучих в результате химических реакцийпредшествует сушка твердой составляющей, то η зап соответствует времени запаздывания влагоудаления и рассчитывалось (как и Vтв) согласно методике, предложенной в работе [73].Проведены численные расчеты, в результате которых получены распределения давления в печах при постоянном и изменяющемся коэффициенте проницаемости k.