Диссертация (Повышение энергетической эффективности производства карбида кремния на основе моделирования плавильного процесса), страница 2

Достоверность конечных результатов подтверждена10сравнением с опытными данными, полученными автором, а также с опытнымиданными из литературных источников.На защиту выносится:1. Математическая модель процесса плавки в печи для получения карбидакремния, учитывающая особенности тепломассопереноса в пористых средах.2. Результаты натурных экспериментов по определению изменения температурв печи сопротивления.3.

Результаты численных расчетов температурных полей в технологии производства карбида кремния.4. Рекомендации по повышению энергетической эффективности производства SiC.Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 13-я, 14-я, 15-я, 16-яМежвузовская научно-практическая конференция молодых ученых и студентов(г.

Волжский, МЭИ, 2007, 2008, 2009, 2010 гг.); Межрегиональная научнопрактическая 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.); Международнаянаучно-техническая конференция (ХVI Бернардосовские чтения) (г. Иваново,ИГЭУ, 2011 г.); X Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» (г.

Казань, КГЭУ, 2015 г.).Публикации: Основное содержание диссертационной работы изложено в 17публикациях, в том числе 4 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий ВАК РФ.Личный вклад соискателя. Все основные результаты диссертации полученыавтором самостоятельно. В том числе соискателем лично:1. Разработана и верифицирована в условиях действующего производстваобщая математическая модель процесса получения карбида кремния, учитывающаяего основные особенности.112. Разработаны алгоритм численного расчета и программа для ЭВМ, реализующая указанную модель.3.

Проведены натурные эксперименты по определению нестационарногополя 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.Структура и объем диссертационной работы.Диссертация объемом 127 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Список цитируемых источников составляет 103 наименования.Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательскийуниверситет «МЭИ».12Глава 1.

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ПРОТЕКАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГОПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ1.1. Химические основы получения карбида кремнияКарбид кремния в промышленных условиях получают восстановлениемкремнезема углеродистым материалом. Протекающие при этом химические реакцииможно представить брутто-уравнениемSiO2 + 3C = SiC + 2CO.(1.1)Процесс получения SiC осуществляют в специальных электрических печах [7],в которых разогрев исходных продуктов до необходимой температуры проводитсяэлектрическим током.Реакция начинается при температуре около 1500 °С и протекает с поглощением энергии. В условиях неравномерности температур, которая всегда имеет местов печах для получения карбида кремния, химические реакции протекают в несколько стадий. Сначала образуется оксид кремния по реакцииSiO2 + C = SiО + CO.(1.2)Вступая в реакцию с углеродом, оксид кремния частично преобразуетсянепосредственно в карбид кремния по реакцииSiO +2C = SiС + CO,(1.3)а частично восстанавливается до кремнияSiO + C = Si + CO.(1.4)Пары кремния затем реагируют с углеродом с образованием конечногопродукта:Si + C = SiС.(1.5)13Практически процесс получения карбида кремния осуществляют в электрических печах сопротивления периодического действия, называемых печами Ачесона.1.2.

Конструкции печей сопротивления для получения SiCЭлектрическая печь для производства карбида кремния относится к типуэлектропечи сопротивления. По форме она представляет корыто, в торцевых стенкахкоторого закреплены электроды. Между электродами располагается сердечник (керн)из дробленого угля, вокруг которого засыпается шихта из смеси угля с песком.На рис. 1.1 изображена промышленная печь с глухой подиной, уже устаревшая, но применяемая еще в некоторых странах Западной Европы [8].Рисунок 1.1 − Эскиз печи с глухой подиной для производства карбида кремниямощностью 1300 кВт (из проекта, разработанного Максименко и Оршанским):1 – кладка из высокоогнеупорного кирпича с примесью аморфного SiC;швы заделаны смесью смолы графита и кокса; 2 – сухая кладка из шамотового кирпича,набранного в съемные железные рамы; 3 – обыкновенная шамотовая кладка; 4 – угольныеэлектроды; 5 – зерненный нефтяной кокс; 6 – бетонный фундамент; 7 – древеснаявата или стружка; 8 – зерненный жильный кварцТорцевые стенки ее выложены из шамотового кирпича на глине, боковыестенки – из съемных щитов, представляющих собой стальные рамы, заполненныекладкой из того же кирпича.

Кладка боковых стенок ведется решеткой всухую для14облегчения выхода наружу образующихся в печи газов и последующего горенияих вне печи. Само название печи этого типа говорит о том, что подина не участвуетв отводе газов из печи. Первый слой пода выкладывают из шамотового кирпича,на который укладывают слой древесных опилок или стружек, преследуя цель хорошей тепловой изоляции. На некоторых заводах под выкладывают из кусковспѐкшейся массы старой шихты, поверх которой располагают ту же массу, норыхлую, в смеси с опилками, слегка смоченными водой для лучшего уплотнениямассы.

Эта часть подины сменяется после нескольких циклов работы печи. Электроды входят вовнутрь печи, выступая своими торцами за внутренние поверхности торцевых стен печи в ее рабочее пространство. Для защиты электродов отокисления и для усиления стенки делают дополнительную набойку из шихты нажидком стекле. Эта набойка делается на скос заподлицо с концом электрода.С целью лучшего использования теплоты горячих газов была создана печь,получившая название гамачной. Общая конструкция такой печи показана на рис. 1.2.Рисунок 1.2 − Гамачная печь для производства карбида кремния:1 – угольные электроды; 2 – угольные вставки; 3 – электродные зажимы; 4 – торцевые стенки;5 – крепления торцевых стенок; 6 – подина; 7 – боковые стенки; 8 – крепления боковых стенок15В гамачной печи подина имеет полукруглую или эллиптическую форму, газопроводна и способствует увеличению выхода продукта из под керновой части печи.Расход шихты в ней меньше, и ремонт печи проще.

Конструкция торцевых стенокпозволяет уменьшить длину электродов, что уменьшает потери электроэнергии иповышает полезную площадь до 60 % против 45 % у предшествующего типа печи.На рис. 1.3 изображена конструкция печи, которую называют металлоогнеупорной [8]. Еѐ подину набирают из литых рам жароупорной стали или чугуна, абоковые стенки – из листов жароупорной стали или чугунных плит. Рамы имеюткассеты для укладки кирпича, а листы или плиты перфорированы для облегчениявыхода газов.Рисунок 1.3 − Металлоогнеупорная печь для производства карбида кремния:1 – угольные электроды; 2 – угольные вставки; 3 – электродные зажимы (не показаны);4 – торцевые стенки; 5 – стяжки торцевых стенок; 6 – стойки подины; 7 – кассеты;8 – кладка подины; 9 – боковые стенки; 10 – упорные стойки боковых стенок;11 – изоляционные простенкиПечь по длине разделена на секции, изолированные между собой огнеупорнымкирпичом.

Эта печь, благодаря небольшой толщине и пористости огнеупорнойфутеровки, отличается от гамачной печи еще большей газопроводностью и, кроме16того, меньшей теплоемкостью. Она легко и быстро ремонтируется; на ее постройкузатрачивается меньше огнеупора, но зато расходуется около 10-15 т металлических конструкций.В зависимости от мощностей печей, достигающей в настоящее время 2500 кВт,размеры их изменяются как по длине (от 7 до 17 м), так и по ширине (от 1,8 до 3,6 м).Еще более совершенными являются самоходные печи (рис.

1.4), позволяющиезначительно повысить производительность. Это достигается благодаря тому, чтопосле отключения печь с готовым продуктом вывозится из печного гнезда и поступает в другие отделения, где она остывает и где осуществляется ее разборка исортировка продуктов [9]. Самоходные печи, в частности, используются на Волжском абразивном заводе.Рисунок 1.4 − Самоходная печь для производства карбида кремния:1 – токоподводящие электроды; 2 – боковой щит передней стенки; 3 – кирпичная кладка;4 – стойка для крепления боковых щитов; 5 – боковой щит задней стенки; 6 – контактный материализ графитированных отсевов; 7 – защитные электроды; 8 – торцовая стенка из огнеупорногокирпича; 9 – бетонный корпус торца; 10 и 12 – тележки концевые; 11 – тележка средняяСамоходная печь является отечественным изобретением.

Основанием печислужит платформа, сваренная из швеллеров, на которую устанавливается каркасиз чугунных колосников, образующих подину. Поверх колосников подина выстилается шамотным кирпичом. В поперечном сечении подина имеет вид гамака. Покраям подины устанавливают 12 чугунных щитов (по шесть с каждой стороны),образующих боковые стенки печи.

Щиты крепятся к стойкам болтами и планками.Между щитами при установке оставляют промежутки, которые закладывают шамотным кирпичом (всухую). От стоек щиты изолируются также кирпичом.17Пакеты рабочих электродов, подводящие в печь электрический ток, монтируются в торцевых стенках. Несущей конструкцией торца является железобетонныйкаркас, устанавливаемый на раму печи и выкладываемый кирпичом.