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

Пары SiO2 и SiO диффундируют через пары шихты иосаждаются на частицах углерода. Реакция восстановления с выделением окисиуглерода и образования карбида кремния происходит между твердым углеродом икремнеземом, адсорбированным на его поверхности.В местах контакта твердых частиц SiO2 и углерода реакция происходитлишь в начальной стадии, так ка слой образовавшегося SiС прерывает этот контакт.Поэтому определяющую роль при синтезе SiС играет взаимодействие твердогоуглерода с газообразным оксидом кремния. Дальнейший ход образования SiС лимитируется диффузией атомов углерода и кремния через слой карбида кремния.25Образование SiС ведет к повышению теплопроводности шихты и прогревуслоев в зоне, прилегающей к керну, до 2700-2800 °С.Переход SiС в газовую фазу происходит по реакциям:SiС + 2SiO2 = 3SiO + CO,(1.10)SiС + SiO = 2Si + CO.(1.11)Последняя реакция идет в наиболее горячей части печи, а образовавшийсягазообразный кремний диффундирует в область более низких температур, где этареакция идет в обратном направлении:2Si + СO = SiС + SiO.(1.12)Протекание реакции в два этапа содействует переносу SiС через газовуюфазу и росту крупных кристаллов карбида кремния [12].Уравнения свободной энергии и температура начала реакций в системе SiO2и С приведены в [9].

Процесс образования SiC сопровождается рядом другиххимических реакций, в результате которых образуются газообразные продукты.В табл. 1 представлены данные о составе газов, образующихся в процессе плавки.Как видно, основную долю составляют СО и H2.Механизм образования карбида кремния принадлежит к числу сложныхпроцессов, которые сопровождаются множественными химическими реакциями,как экзотермическими, так и эндотермическими.

В результате образуется дополнительная газовая компонента, которая переносится от керна к периферии, прогревая шихту. При математическом описании процесса учесть все химические реакции и физические явления, сопровождающие образование SiC, крайне сложно,поэтому необходимо выделить основные принципиально важные реакции и физические явления, которые определяют показатели процесса. Учитывая только этиреакции и явления, можно, с одной стороны, упростить математическую модельпроцесса и, с другой, – добиться достаточной точности описания.Проведенный анализ технологий, используемых в настоящее время в мире,позволяет сделать вывод о том, что на данный момент самой доступной по мате-26риальным затратам и оптимальной по выходу продукции является технологияпроизводства SiC в печах сопротивления.

Вместе с тем, технологический процессполучения карбида кремния в электрических печах сопротивления Ачесона обладает следующими недостатками:1) частичное использование шихты;2) различный выход продукта от цикла к циклу;3) большой расход электроэнергии;4) неконтролируемое структуро- и формообразование кристаллов и ихсильное загрязнение.Совершенствование этого процесса и улучшение его показателей требуютуглубленного изучения его особенностей и, в частности, создания его математических моделей, учитывающих и влияющих на выход и качество продукта явления.В России единственным предприятием, специализирующимся на производствекарбида кремния, является ОАО «Волжский абразивный завод» [16], поэтому в дальнейшем в данной работе анализируется технология, используемая на данном заводе.На основе рассмотренных существующих проблем автором была сформулирована цель настоящей работы.

Целью работы является повышение энергетической эффективности в технологии производства карбида кремния.Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие задачи.1. Провести анализ химических и физических процессов, протекающих приполучении карбида кремния в электрических печах, для выявления базовых факторов, которые необходимо учитывать при математическом моделировании длявоспроизведения поля температур в рабочей зоне печи.2. Построить корректное математическое описание влагопереноса и фильтрации в условиях рабочего процесса при производстве карбида кремния.3.

Построить общую модель определения температурного поля, учитывающую:– перенос тепла теплопроводностью в пористой многокомпонентной среде свнутренними источниками тепла;– фильтрационный перенос тепла;27– теплообмен излучением;– химические реакции между компонентами;– переменную влажность твердой составляющей.4. Создать программу для ЭВМ, реализующую предложенную математическую модель.5. Повести верификацию математической модели на основе экспериментальных данных, полученных в условиях действующего производства.6. Определить мероприятия по уменьшению затрат электрической энергиина единицу продукции.7. Представить количественные результаты по сокращению потребленияэнергоресурсов во время плавки в печах сопротивления при реализации рекомендуемых мероприятий.Выводы к главе 1В настоящее время самой доступной по материальным затратам и оптимальной по выходу продукции является технология производства SiC в печах сопротивления.Технологический процесс получения карбида кремния ‒ это сложная совокупность многих взаимосвязанных явлений химической и физической природы.Повышение показателей процесса получения карбида кремния в печах сопротивления требует, кроме промышленных экспериментов, совершенствованияматематических моделей этого процесса с тем, чтобы учесть все основные факторы,влияющие на удельные затраты энергии, выход готового продукта и стабильностьего состава.Единственным предприятием России, специализирующимся на производствекарбида кремния, является ОАО «Волжский абразивный завод».

Поэтому при создании математической модели процесса принята ориентация на технологию, реализуемую на этом предприятии.28Глава 2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КАРБИДАКРЕМНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ СОПРОТИВЛЕНИЯ2.1. Известные математические модели процесса получения карбидакремния. Проблемы моделированияКак показывает проведенный анализ специальной литературы, математическому описанию процесса получения карбида кремния в электрических печах посвящено небольшое число работ. При этом известные математические моделиучитывают не все явления, влияющие на показатели процесса.Так, например, можно указать зарубежную работу [17], в которой описанамодель одновременного тепло- и массообмена для индукционной печи, учитывающая образование карбида кремния как типичной карботермической реакции.В модели задача рассматривается как осесимметричная, то есть предполагаетсяпечь цилиндрической формы (рис.

2.1).Рисунок 2.1 – Схема печи сопротивления для обоснованияматематической модели производства карбида кремнияДля большинства существующих конструкций печей задача лишь в первомприближении может рассматриваться как осесимметричная, поскольку угольноеядро находится в центре печи. При этом приходится пренебрегать граничнымиэффектами.29Уравнение теплопроводности в рассматриваемой модели записано следующимобразом:  2T 1 T T  QR ,ρ e C pe k в  2 trrr(2.1)где QR – выделение теплоты вследствие протекания реакции образования карбидакремния.

Величина QR определяется по формулеQR  H R R ,(2.2)где R – скорость реакции образования SiC. Скорость реакции вычисляется, в своюочередь, исходя из ее кинетических коэффициентов.Уравнения энергии записаны для обеих составляющих шихты и продуктовреакции. Учтено изменение физических свойств при преобразовании исходнойсмеси в карбид кремния. Учтена также зависимость всех физических свойств, заисключением плотности, исходной массы продуктов, от температуры, которая входе процесса меняется от 298 до 2800 K. Сделано предположение, что потеритепла на исходящие CO незначительны, потому что большая часть тепла возвращается от CO во время его охлаждения при выходе через периферийные слои.Кроме того, принято, что верхняя часть печи, которая соединена с атмосферой, невлияет значительно на процесс теплоотдачи.