Диссертация (Повышение энергетической эффективности производства карбида кремния на основе моделирования плавильного процесса), страница 14

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, возрастает102медленнее (кривая 5 в сравнении с кривой 4), а в удаленной от керна зоне – быстрее(кривая 9 в сравнении с кривой 8).На рис. 5.11 представлено влияние фильтрационного переноса на изменениетемператур в разных зонах печи.Рисунок 5.11 – Графики температур для карбида кремния черногос учетом фильтрационного переноса и без его учета:1, 2, 3 – кривые, построенные по экспериментальным данным [75]; 5, 6, 8 – кривые, соответствующие кривым 1, 2, 3, построенные по результатам численных экспериментов с учетомфильтрационного переноса; 4, 7, 9 – кривые, соответствующие кривым 5, 6, 8, построенныепо результатам численных экспериментов без учета фильтрационного переносаВ связи с тем, что газообразные фильтрационные потоки не могут переноситьзначительное количество тепла, влияние фильтрации в зоне, прилегающей к керну,незначительно (кривая 4 в сравнении с кривой 5).

Однако темп роста температурыв удаленной от керна зоне заметно зависит от горячих фильтрационных потоков,в основном идущих от высоко нагретой центральной области печи с повышеннымдавлением газовой составляющей в порах (кривая 9 в сравнении с кривой 8).103На рис. 5.12 и 5.13 показано влияние эффективного коэффициента теплопроводности Тэф на формирование температурного поля.

Если представить Тэфкак суперпозицию Тэф.а (3.48) и Тэф.б (3.49) с вероятностью 1-W наличия слоеводнородных компонентов, расположенных так, что нормаль к поверхностям слоевсовпадает по направлению с вектором плотности теплового потока, обусловленного молекулярной теплопроводностью, тоλТэф  WλTэф,а  (1  W )λTэф.б .На рис. 5.12 и 5.13 отражены предельные случаи: W = 1 и W = 0.Рисунок 5.12 – Графики температур для карбида кремния черного при W = 1:1, 2, 3 – кривые, построенные по экспериментальным данным [75]; 4, 5, 6 – кривые, соответствующиекривым 1, 2, 3, построенные по результатам численных экспериментов при W = 1104Заметим при этом, что в базовом варианте программы принято W = 0,5, чтоотражено в зависимости (3.50).Рисунок 5.13 – Графики температур для карбида кремния черного при W = 0:1, 2, 3 – кривые, построенные по экспериментальным данным [75]; 4, 5, 6 – кривые, соответствующиекривым 1, 2, 3, построенные по результатам численных экспериментов при W = 0Расчетное исследование влияния коэффициента теплопроводности Тэфна установление температурного поля демонстрирует существенную роль этогокоэффициента в зонах, где радиационная составляющая теплопереноса мала.В зоне, прилегающей к керну, влияние коэффициента теплопроводности Тэфнезначительно.Важным является и то, что роль коэффициента Тэф увеличивается приуменьшении пористости системы.

Последнее демонстрируют рис. 5.12 и 5.13, гдев момент времени η = 13 часов принято изменение пористости ε на 20% вследствие осадки керна.105На рис. 5.14 показан расчет температурного поля для условий второго промышленного эксперимента на ОАО «ВАЗ». При расчете был принят вариант описания λэф формулой Максвелла.Из анализа результатов расчета в их сравнении с экспериментом видно, чтопринятие λэф по модели Максвелла неприемлемо.Рисунок 5.14 – Графики температур для карбида кремния черного1,2,3 – кривые, построенные по экспериментальным данным [75]4,5,6 –кривые, соответствующие кривым 1,2,3, построенные с использованием эффективногокоэффициента теплопроводности по формуле МаксвеллаИ, наконец, на рис.

5.15 показано влияние учета радиационной составляющейпри описании процесса переноса тепла в пористой среде. Результат расчета достаточно очевиден: при отсутствии радиационной составляющей температурное полена удалении от керна меняется слабо, но вблизи источника тепла, в зоне высокихтемператур, скорость возрастания температуры увеличивается.Были проведены расчеты температурных полей для условий первого промышленного эксперимента на ОАО «ВАЗ». Этот эксперимент менее информативен, и верификация расчетной программы проводилась только по двум точкам замера температуры.На рис.

5.16 видно хорошую сходимость экспериментальных и расчетныхданных, когда в программе учтены все важные составляющие сложного процесса106плавки: сушка влажного материала, фильтрационные потоки газовой составляющей,источники и стоки тепла, определяемые химическими реакциями и влагоудалением,изменение пористости системы и радиационная составляющая переноса тепла.Рисунок 5.15 – Графики температур для карбида кремния черного: 1, 2, 3 – кривые, построенные по экспериментальным данным [75] 4, 5, 6 – кривые, соответствующие кривым 1, 2, 3, построенные по результатам численных экспериментов с учетом радиационной составляющей7,8,9 – кривые, соответствующие кривым 1,2,3, построенным по результатам численных экспериментов без учета радиационной составляющейРисунок 5.16 – Температура Т зон печи для карбида кремния черного по результатам промышленного эксперимента и численного расчета: 1, 2 – кривые, построенные по экспериментальнымданным [81]; 3, 4 – кривые, соответствующие кривым 1, 2, построенные по результатам численных экспериментов107На рис.

5.17 и 5.18 для наглядности представлены графические результатычисленного расчета полей температур печи для производства карбида кремниячерного для различных моментов времени.Рисунок 5.17 – Температурное поле в печи для производства карбида кремниячерез четыре часа после начала плавкиРисунок 5.18 – Температурное поле в печи для производства карбида кремниячерез двенадцать часов после начала плавки108Из изложенного выше можно сделать вывод, что предложенная общая модельтепломассопереноса в печи для производства SiC дает хорошее качественное иколичественное соответствие опытным данным.5.4. Рекомендации по повышению энергетической эффективностипроизводства.

Ожидаемые результаты при реализацииэнергоэффективных мероприятийУменьшение затрат электрической энергии при производстве карбидакремния в печах сопротивления можно осуществлять либо за счет уменьшенияпериода плавки, либо за счет уменьшения мощности печи. При этом подразумевается,что выход конечного продукта на единицу затраченной энергии, как минимум,сохраняется.Уменьшение периода плавки требует предварительного исследования кинетики карбидообразования в области температур, близких к температуре началареакции образования SiC.

Такие исследования представляют сложную проблемуиз-за отсутствия данных по влиянию размера поверхности контакта реагирующихкомпонент и концентрации SiO2 в жидкой и газообразной формах.Влияние энергетического режима печи на выход карбида кремния определить значительно проще, если положить, что при одном и том же значении времениплавки выход карбида кремния зависит, в конечном итоге, от объема реакционнойзоны с температурой выше температуры начала реакции, но ниже критическойтемпературы разложения SiC.

Такую зону легко можно контролировать, имея полученное расчетным путем температурное поле в конце плавки во всей реакционной зоне или во всем объеме плавильной печи.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 экономии.109На рис. 5.19 и 5.20 показано, что для режимов плавки, используемых наОАО «ВАЗ», возможен иной график подвода электрической нагрузки в сравнениис реализованным во втором промышленном эксперименте.Кривые № 7, 8, 9, представленные на рис.

5.19, построены для тех же условий,что и кривые 4, 5, 6 соответственно, но при скачкообразном уменьшении электрической мощности печи на 1 МВт через 13 часов после начала плавки.Рисунок 5.19 – Распределение температур в разных режимах нагрева шихты:при постоянной электрической нагрузке: кривые 1-6;при сбросе электрической нагрузки через 13 часов после начала плавки: кривые 7, 8, 9Кривые № 7, 8, 9, представленные на рис. 5.20, построены также для условий,соответствующих кривым 4, 5, 6, но при скачкообразном уменьшении подводимойэлектрической 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 крайней110мере, не уменьшаются в вариантах с уменьшением электрической нагрузки какчерез 13 часов, так и через 10 часов.