Диссертация (Повышение энергетической эффективности производства карбида кремния на основе моделирования плавильного процесса), страница 12

В качестве примеров были рассмотрены три варианта загрузки печей сгеометрическими характеристиками согласно (4.6):а) печь для производства зеленого карбида кремния [9], размеры, м:керн 0,8 0,4 ; расчетная область: δ х  0,9 ; δ у  0,45;б) печь для производства черного карбида кремния [9], размеры, м:керн 0,7 0,35 ; расчетная область: δ х  0,95 ; δ у  0,475;в) печь для производства черного карбида кремния [75], размеры, м:керн 0,4 0,8; расчетная область: δ х  0,4 ; δ у  0,6.Начальные и граничные условияНачальные условия: η = 0, Т = Т0 = 300 К, P = P0 =105 Па.Граничные условия при η > 0 следующие:для зоны:X = 0, 0 ≤ Y ≤ 1,дляР 0,Хзоны:X = 0, 0 ≤ Y ≤ 1,Р 0,Х(4.6)84X = 1, 0 ≤ Y ≤ 1, P=105 Па, j – четные,Р 0, j – нечетные,ХР 0,Y = 0, 0 ≤ X ≤ 1,YY = 1, 0 ≤ X ≤ 1, P = 105 Па,X = 1, 0 ≤ Y ≤ 1, P=105 Па, j – четные,Р 0, j – нечетные,ХР 0,Y = 0, 0 ≤ X ≤ 1,YР 0.Y = 1, 0 ≤ X ≤ 1,YРасчеты давления варианта (4.6) в) сравнивались с замерами давления,представленными в работе [78].

Измерения проводились в фиксированных точкахчерез боковую поверхность центральной зоны печи на разных глубинах. На рис. 4.11представлена схема замеров давления по данным [78].Рисунок 4.11 – Схема расположения датчиков замера давления: №1 на расстоянии b1 = 210 мм,№2 на расстоянии b2 = 500 мм, №3 на расстоянии b3 = 350 мм, №4 на расстоянии b4 = 600 ммИзмерение давления газов осуществлялось U-образным водяным манометром.Манометр рассчитан на давление в печи до 1000 мм водяного столба.

Погрешность при измерении давления U-образным манометром не превышала ±2 ммстолба рабочей жидкости.85Рис. 4.12 – 4.14 демонстрируют изменения давления во времени в разныхточках реакционной зоны. Сравниваются давления, полученные расчетным путемв реакционной зоне с характеристиками печи ОАО «ВАЗ» [75], и экспериментальныеданные по давлениям в печах разной загрузки [78].

Сравнение проводится в сходηственных точках (X = idem; Y = idem) и в сходственное время  η̂  idem  .ηрРисунок 4.12 – Изменение давления P в зоне печи I в зависимости от приведенного времени η̂ .Коэффициент проницаемости при ˆ  0 k0  0,111011 м ; 1, 2 – расчетные кривые; каналы длябокового выхода газов не организованы; 3, 4 – экспериментальные данные.Кривая 1, эксперимент 4: X = 0,75; Y = 0,10. Кривая 2, эксперимент 3: Х = 0,85; Y = 0,10На рис. 4.12 и 4.13 приведено сравнение расчетных и экспериментальныхданных по давлению на периферии реакционной зоны.

К сожалению, в работе[78] нет информации о каналах бокового выхода газов, которые обычно формируются в зоне механическим способом через боковые отверстия поверхности Fб.Поэтому проведено два варианта расчетов: на рис. 4.12 демонстрируются результаты,полученные без учета специально организованных каналов выхода газов; нарис. 4.13 – с учетом наличия таких каналов фильтрации (индекс «ф»). В расчетномплане наличие бокового выхода газов учитывалось изменением коэффициента86проницаемости ячеек с Yф  const от ячейки с координатой X ф , Yф  до боковойповерхности 1, Yф  с k0 до k = 10-4 м2.Рисунок 4.13 – Изменение давления P в зоне печи в зависимости от приведенного времени ̂.Коэффициент проницаемости при ˆ  0 k0  0,111011 м ; 1, 2 – расчетные кривые; каналы длябокового выхода газов организованы; 3, 4 – экспериментальные данные.Кривая 1, эксперимент 4: X = 0,75; Y = 0,10.

Кривая 2, эксперимент 3: Х = 0,85; Y = 0,10Рисунок 4.14 – Изменение давления P в зоне печи в зависимости от приведенного времени ̂.Коэффициент проницаемости при ˆ  0 k0  0,111011 м; 1, 2 – расчетные кривые;3, 4 – экспериментальные данные.Кривая 1, эксперимент 4: X = 0,65; Y = 0,16. Кривая 2, эксперимент 3: X = 0,57; Y = 0,1687На рис. 4.14 представлены расчетные и опытные данные по давлению в зоне .Расчетное описание изменения давления при этом можно признать удовлетворительным.Следует обратить внимание на фиксируемое в экспериментах [78] колебаниедавления во всех точках реакционной зоны, рис.

4.12 – 4.14. Резкие изменениядавления могут быть объяснены тремя причинами: увеличением пористости (икоэффициента проницаемости) в процессе спекания, изменением режима работыпечи и осадкой шихты в процессе плавки, ведущей к уменьшению пористости. Поданным работы [78] разогрев печей не был постоянным, имели место неоднократныеотключения печей на период от 10 до 25 мин. Этот фактор и осадка шихты в расчетах не учитывались.

Увеличение пористости в процессе спекания учитывалось врасчетах путем ее изменения в каждой расчетной ячейке при достижении в ней1 7 ,810 4 Т i , j 1500температуры 1500 °С согласно соотношению k ˆ   k 0.На рис. 4.15 и 4.16 представлены графические результаты расчета полейдавлений зон и печи для производства карбида кремния черного с характеристиками (4.6), в) [79], [80].а)б)Рисунок 4.15 – Поле давления в зоне :а) при η = 3,5 ч; б) при η = 12 ч88а)б)Рисунок 4.16 – Поле давления в зоне :а) при η = 3,5 ч; б) при η = 12 чВыводы к главе 4Представлена верификация подмоделей сушки и фильтрации.Продемонстрированы результаты расчета влагоудаления для трех плавильныхпечей с разной загрузкой.Представлены экспериментальные данные по выделению газов из печи впроцессе получения карбида кремния, на основе которых предложены соотношениядля расчета gг.Проведены численные расчеты, в результате которых получены распределения давления в печи при производстве карбида кремния, качественно и количественно соответствующие экспериментальным данным.89Глава 5.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И РАСЧЕТНЫХИССЛЕДОВАНИЙ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕКАРБИДА КРЕМНИЯ. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА SiC5.1. Экспериментальные определения температур в рабочей зоне печиНа Волжском абразивном заводе были проведены эксперименты по определению температурных полей в промышленной печи [75], [81], используемой дляпроизводства карбида кремния.В первом эксперименте были установлены три термопары (тип термопар –хромель-алюмелевые) в среднем сечении печи сопротивления на расстоянии 10,30 и 60 см от поверхности керна в горизонтальной плоскости, проходящей черезось керна. Схема расположения термопар с размещением в горизонтальной плоскости показана на рис. 5.1.Рисунок 5.1 – Схема расположения термопар в первом экспериментеИзмерения температур проводились прибором «Термодат – 25 Е1».

Данныйприбор имеет термопарные входы (ТП) и может быть использован для любого типа90термопар. Термодат – 25 Е1 имеет диапазон измерения температуры от -100 до2500 °С. Класс точности прибора – 0,25. Разрешение прибора составляет 0,1 °С.Измерения температур выводились в виде графиков на дисплей прибора. Результаты измерений записывались в энергонезависимую память большого объѐма вархив данных.

Подключение к компьютеру осуществлялось по интерфейсуRS485. Протокол обмена с компьютером – Modbus.В процессе испытаний первая термопара через 38 минут вышла из строя;динамика температурных замеров с помощью второй и третьей термопар показанана рис. 5.2. Выход из строя первой термопары обусловлен ростом температур довысоких значений в точке измерения.Рисунок 5.2 – Изменение температурного режима печи сопротивления в процессе плавки:1 – показания термопары № 2, 2 – показания термопары № 3Используемые в эксперименте термопары выдерживают эксплуатацию до~1300 °С [82], [83].

Следовательно, можно ожидать, что температура в точке 1превысила это значение.91Термопара № 2 показывает быстрый рост температуры в измеряемой зоне –на расстоянии 30 см от поверхности керна, начинающийся после 15 часов плавки,с достижением максимальной температуры 1100 °С уже через 6 часов после началароста. После 21 часа плавки температура изменяется в интервале температур1100–900 °С.Термопара № 3 показывает, что температура в точке 3 на расстоянии 60 смот поверхности керна меняется незначительно до 24 часов с начала процессаплавки, а затем быстро (примерно за 3 часа) повышается до 400 °С. Графикипоказывают, как расширяется во времени зона, в которой происходит выплавкакарбида кремния.Полученный в данной плавке продукт имел следующий процентный состав:12,6 % (кусок) + 2,6 % (аморф) = 15,3 % (от общей загрузки шихты).Во втором эксперименте в печи сопротивления были установлены пять термопар; из них одна термопара – вольфрамо-рениевая (№ 1), четыре термопары –хромель-алюмелевые (№ 2-5).

Схема расположения термопар с размещением вгоризонтальной плоскости показана на рис. 5.3, где изображено продольное сечение керна.Рисунок 5.3 – Схема установки термопар в печи сопротивления (вид сверху).Расстояние от поверхности керна: термопара № 1 – 0 мм, термопары № 2 и № 5 – 20 мм,№ 3 – 200 мм, № 4 – 300 мм; все термопары расположены на одинаковой высотена уровне точки пересечения диагоналей керна92Максимальная температура, измеряемая вольфрамо-рениевой термопарой,составляет 2600 °С [82], [83]. Результаты исследований в форме промышленныхиспытаний приведены на рис. 5.4Рисунок 5.4 – Изменение температурного режима печи сопротивления в процессе плавки.Цифры 1 – 5 соответствуют номерам термопарДанный эксперимент показал, что разогрев керна и реакционной шихтыпроисходит более интенсивно у торцов (термопары № 2,5), причем ~ за 1 час температура достигает около 1300 °С.