Русская версия English version

Модели процессов и расчет температурного поля в печи сопротивления для производства карбида кремния

В.С. Кузеванов, С.С. Закожурников, Г.С. Закожурникова, А.Б. Гаряев

Вестник ИГЭУ, 2017 г. выпуск 4, сс. 21—29

Скачать PDF

Аннотация на русском языке: 

Состояние вопроса: Высокие температуры существенно затрудняют экспериментальное исследование тепломассопереноса в печах для производства карбида кремния. В связи с этим актуальным является расчетное исследование процессов образования карбида кремния. Анализ существующих подходов показал, что отсутствуют модели, включающие в себя процессы, сопровождающие процесс плавки SiC, в совокупности: тепломассопереноса в пористой среде с химическими реакциями при нагреве, сушки влажного материала и фильтрации. Создание модели с учетом всех перечисленных процессов и разработка программы численного расчета температурного поля в печи необходимы в качестве дополнения к дорогостоящим опытным плавкам. При этом целью численного анализа является повышение энергетической эффективности производства и увеличение выхода конечного продукта за счет реализации оптимального режима плавки для заданного состава шихты.

Материалы и методы: При создании математической модели процессов тепломассопереноса в печи сопротивления использован феноменологический подход, опирающийся на основные постулаты термодинамики и тепломассообмена.

Результаты: Продемонстрировано математическое описание процесса, представляющее собой систему из дифференциальных уравнений переноса субстанции, включая уравнение теплопроводности для пористого тела с внутренними источниками тепла и химически реагирующими компонентами и уравнения переноса тепла в процессе фильтрации газа через взаимосвязанные поры. Модель апробирована путем сравнения результатов расчетного анализа изменения температуры в объеме реакционной шихты с данными промышленных экспериментов.

Выводы: На основе полученной математической модели построен алгоритм численного расчета, позволяющий определять температурные поля в процессе образования карбида кремния в печи сопротивления. Соответствие экспериментальных и расчетных значений рабочих параметров печи показывает, что модель может использоваться для подбора вариантов загрузок печи и режимов плавки в целях увеличения выхода конечного продукта и экономии энергоресурсов

Список литературы на русском языке: 

1.    Гнесин Г.Г. Карбидокремниевые материалы. – М.: Металлургия, 1977. – 216 с.

2.    Кац И.С. Образование карбида кремния в промышленной печи электросопротивления // Абразивы. – 1970. – № 3. – С. 8.

3.    Van Veggel M. The Basic Angle Monitoring system: picometer stability with Silicon Carbide optics – Eindhoven: Universiteitsdrukkerij, Technische Universiteit Eindhoven, 2007. – 224 p.

4.    Дигонский С.В. Газофазные процессы синтеза и спекания тугоплавких веществ. – М.: ГЕОС, 2013. – 462 с.

5.    Синтез карбида кремния в электротермическом реакторе с кипящим слоем углеродных частиц / В.А. Бородуля, Л.М. Виноградов, А.Ж. Гребеньков, А.А. Михайлов // Горение и плазмохимия. – 2015. – Т. 13, № 2. – С. 92–102.

6.    Производство абразивных материалов / А.С. Полубелова, В.Н. Крылов, В.В. Карлин, И.С. Ефимова. – СПб.: Машиностроение, 1968. – 180 с.

7.    Heat-Transfer Model for the Acheson Process / G.S. Gupta, P. Vasanth Kumar, V.R. Rudolph, M. Gupta // Zeitschriftenartikel aus Metallurgical and Materials Transactions A (2001-06). – Р. 32.

8.    Куций Д.В. Численное моделирование фильтрации биогаза и теплообмена в деформируемом теле полигона твердых бытовых отходов. Ч. Ι. Разработка модели // Теплоэнергетика. – 2015. – № 6. – С. 18–22.

9. Кузеванов В.С., Закожурникова Г.С., Закожурников С.С. Модель тепломассопереноса в печах при производстве карбида кремния // Альтернативная энергетика и экология. – 2015. – №7. – С. 75–81.

10. Кузеванов В.С., Закожурникова Г.С. Модель сушки пористого проницаемого материала при внутреннем нагреве // Альтернативная энергетика и экология. – 2013. – № 14. – С. 19–23.

Ключевые слова на русском языке: 
печь сопротивления, осадка, пористый материал, производство карбида кремния, физическая модель, математическая модель, температурное поле, тепломассоперенос, объемное тепловыделение, влагоудаление.
Ключевые слова на английском языке: 
resistance furnace, sag, porous material, production of silicon carbide, physical model, mathematical model, temperature field, heat and mass transfer, volumetric heat generation, moisture removal.
Индекс DOI: 
10.17588/2072-2672.2017.4.021-029
Количество скачиваний: 
4