Автореферат (Совершенствование процесса производства карбида кремния путем изменения организации подвода теплоты)

23ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияБольшая часть современных печей сопротивления по производствукарбидакремнияхарактеризуетсязначительнымимасштабамиэнергопотребленияинизкойэнергетическойэффективностью.Теоретический расход электроэнергии на единицу продукции составляет 3,9кВт∙ч/кг, а практический – 7,2…8,7 кВт∙ч/кг. Значительное различие имеетсяи в расходе электроэнергии за один цикл работы печи. Он составляет от 25 до65 тыс.

кВт∙ч. Для достижения большей энергетической эффективностинеобходима разработка моделей производства карбида кремния (SiC).Существующие математические модели описывают только температурныйрежим, не уделяя достаточного внимания увеличению массового выходапродукта и энергоэффективности производства.

До настоящего времени нетполной систематизированной информации по совершенствованию процессаобразования карбида кремния путём введения нескольких кернов в печь, атакже прогнозу массового выхода конечного продукта. Таким образом,существует необходимость исследования данных мероприятий с целью выбораболее совершенных режимов работы печей сопротивления с точки зренияэнергетической эффективности.Повышение эффективности процесса производства SiC может привести кснижению удельных расходов электроэнергии, повышению производительноститехнологического процесса и, следовательно, удешевлению производства, чтоокажет положительное влияние на данное производство, а также другиеотрасли, использующие карбид кремния.Целью работы является разработка и обоснование мер по сокращениюэнергетических затрат на производство карбида кремния путём измененияорганизации подвода теплоты и подготовки сырья в электрической печисопротивления.Задачи исследования1.

Усовершенствование модели производства карбида кремния путёмучёта осадки материала и конденсации влаги, переносимой в процессефильтрации через связанные поры шихты.2. Разработка модели расчёта массового выхода карбида кремния в ходепроцесса производства на основании температурного поля в электрическихпечах сопротивления.3. Проведение численных экспериментов для проверки адекватностисозданных математических моделей.4. Разработка различных вариантов организации подвода теплоты в печисопротивления.5. Расчёт массового выхода готового продукта для каждого вариантазагрузки и выбор наилучшего варианта.6.

Определение энергетических показателей для наиболееперспективных вариантов производства с точки зрения минимальногопотребления энергоресурсов и максимального массового выхода карбидакремния.4Научная новизна1. Усовершенствована модель производства карбида кремния, котораяпозволяет впервые проводить учет осадки материала и конденсации влаги,переносимой в процессе фильтрации через связанные поры шихты.2. Разработана математическая модель, определяющая массовый выходкарбида кремния в процессе его производства по температурному полю в печи.3. Показано, что применение многокерновой организации подводатеплоты позволит увеличить массовый выход карбида кремния на 15-20%при сохранении подводимой к печи мощности.4. Впервые исследовано влияние осадки материала, влажности ипористости шихты на массовый выход карбида кремния.Практическая ценность1.

Разработанная математическая модель позволит отказаться отбольшого числа трудоёмких, энерго- и материалоёмких натурных испытаний,связанных с определением наиболее эффективного способа подвода теплоты.2. Предложен к практическому применению многокерновый способнагрева шихты, позволяющий увеличить массовый выход карбида кремнияна 15-20%. Подана заявка на изобретение «Способ нагрева шихты ввысокотемпературной печи» №2016108307 от 10.03.2016.3. На основе созданной математической модели расчёта температурныхполей в процессе производства карбида кремния может быть созданаавтоматизированная система управления.Достоверность полученных результатов подтверждается корректнымприменением расчётных соотношений, основанных на фундаментальныхфизических законах, хорошим согласованием результатов расчётов попредложенным моделям с опытными данными, полученными автором, атакже с опытными данными из литературных источников.Основные положения, выносимые на защиту1. Усовершенствованная модель производства карбида кремния, котораяпозволяет проводить учёт осадки материала и конденсации влаги, переносимойв процессе фильтрации через связанные поры шихты.2.

Модель расчёта массового выхода карбида кремния в ходе процессапроизводства на основании температурного поля в электрических печахсопротивления.3. Рекомендации по совершенствованию процесса производства карбидакремния и результаты, получаемые при их внедрении.4. Результаты расчёта массового выхода карбида кремния иэнергоемкости процесса для наиболее перспективных вариантов организациипроизводственного процесса.Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы изложены намеждународных и всероссийских конференциях: 13, 14, 15, 16-йМежвузовской научно-практической конференции молодых учёных истудентов, г.

Волжский, 2007-2010 гг.; 2, 3-й Всероссийской научнопрактической конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-5энергетическая безопасность промышленных городов», г. Волжский, 2008,2010гг.;Межрегиональнойнаучно-практическойконференции«Моделирование и создание объектов энергоресурсосберегающихтехнологий» г. Волжский, 2009 г.; ХХХ Российской школе, посвящённой 65летию Победы, г. Миасс, 2010 г.; Международной научно-техническойконференции (XVI Бенардосовские чтения), г.

Иваново, 2011 г.; 7-йМеждународной школе-семинаре молодых учёных и специалистов«Энергосбережение: теория и практика», г. Москва, 2014 г.; 21, 22-йМеждународной научно-технической конференции студентов и аспирантов«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2015-2016 гг.Публикации. Основные положения и выводы диссертационной работыизложены в шестнадцати опубликованных работах, в том числе в трёхпубликациях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.Личный вклад автора. Материалы и результаты диссертационногоисследования получены соискателем лично или в соавторстве. Личный вкладавтора для достижения полученных результатов заключается в:а) усовершенствовании модели производства карбида кремния путёмучёта осадки материала и конденсации влаги, переносимой в процессефильтрации через связанные поры шихты;б) разработке модели расчёта массового выхода карбида кремния;в) разработке способа многокерновой организации подвода теплоты;г) проведении численных экспериментов и исследовании влиянияразличных факторов на массовый выход карбида кремния;д) обработке и анализе данных экспериментальных и численныхисследований.Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырёхглав, заключения и списка литературы, состоящего из 102 наименований.Общий объём диссертации составляет 127 страниц, включая рисунки, таблицы.Работа выполнена в федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего образования «Национальныйисследовательский университет «МЭИ».ОСНОВНЫЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность совершенствования процессапроизводства карбида кремния. Сформулирована цель работы, показанынаучная новизна и практическая ценность. Приведены основные положения,которые выносятся на защиту.В первой главе приведён обзор современного состояния исследованийпо совершенствованию температурных режимов печей при производствекарбида кремния. Приведены основные результаты численных иэкспериментальных исследований в области получения карбида кремния.Рассмотрены различные виды печей, существующие математические моделитехнологических процессов, способы совершенствования и их результаты.На основе проведённого исследования сделан вывод о том, чтовопрос о совершенствовании производства карбида кремния в настоящее6время является недостаточно изученным.

По результатам обзоралитературных источников сделаны выводы и сформулированы задачи,которые необходимо решить в диссертационной работе.Во второй главе представлена математическая модель производствакарбида кремния. В работе усовершенствована и использована дляпроведения численных экспериментов модель, представленная в диссертацииЗакожурниковой Г.С.

Помимо процессов сушки, фильтрации и химическихпревращений, представленных в уравнении теплопроводности (1), модельпозволяет учесть процессы осадки шихты и конденсации влаги припрохождении водяных паров через шихту. Данная модель учитывает свойстваразличных материалов, входящих в состав шихты. Модель позволяетпроизводить расчёт температурных полей при различном количестве кернов,а также различной геометрической конфигурации кернов.Ф1 = − + ,эл + ,хим − ,суш + ,ф ,(1)c (1где Ф1 = ρ1с (1 − ε)(1 + ϑ)−1 c1с + (1 + ϑ)−1 [ρ1,0− ε0 ) − ρ1c (1 − ε)]cρ,газ +ρвϑ(1 − ε)⁄(1 + ϑ) ϑcв + 1+ϑ [ρв,0 (1 − ε0 ) − ρв (1 − ε)]cρ,пар + ρ2 εcρ,2 ,(2)Т – температура; τ – время; –div q = λ grad T; λ – коэффициенттеплопроводности,qv,эл – объёмное тепловыделение при прохождении электрическоготока в керне;qv,хим – объёмное выделение или поглощение теплоты совокупностихимических (эндо- и экзотермических) реакций;qv,суш – объёмное поглощение теплоты при сушке влажного твердогоматериала;qv,ф – объёмное выделение или поглощение теплоты как результатпереноса теплоты фильтрационными потоками;ρ – плотность, ε – пористость, ϑ – доля несвязанных между собоймикропор, с – удельная теплоёмкость, индекс «1» обозначает твёрдуюувлажнённую среду, «2» – газообразную среду, «с» – сухое вещество, «0» –начальный момент времени, «в» – воду, «пар» – водяной пар, «газ» – газовуюкомпоненту, появляющуюся в результате химических реакций.Модель была усовершенствована таким образом, чтобы учесть осадкушихты и конденсацию паров в слое шихты.Модель осадки шихтыПри производстве карбида кремния происходит уплотнение материалаи постепенная осадка шихты в реакционную зону, которая приводит кизменению температурного поля и влияет на массовый выход продукта.Процесс осадки шихты сопровождается:– одновременным смятием пористой засыпки по вертикалиреакционной зоны;7– переносом массы;– переносом теплоты;– перемещением керна.Данный процесс можно представить как процесс, наложенный натепломассообмен, описывающий производство карбида кремния без учётамеханического воздействия на элементы пористой среды.