SiC冶炼炉温度场的有限元分析及其ANSYS模拟研究

SiC冶炼炉温度场的有限元分析及其ANSYS模拟研究

第22卷　第3期

　2002年9月西安科技学院学报　JOURNALOFXI’ANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.22　No.3Sept.2002　　文章编号:1671-1912(2002)03-0272-05

SiC冶炼炉温度场的有限元分析及其ANSYS模拟研究

王晓刚,刘永胜,李晓池,郭晓滨,李　强

(西安科技学院材料工程系,陕西西安　710054)Ξ

摘　要:采用有限元分析方法对Acheson炉内温度场进行研究,进而采用ANSYS数值模拟软件

对冶炼炉内温度分布进行模拟,得到了冶炼炉内温度分布的模拟图,分析了炉内的温度分布规律

及其对SiC的生成和产率的影响,并提出了扩大SiC生成温度区域的措施。

关键词:SiC;温度场;有限元;ANSYS

中图分类号:TP127.1+2　　　文献标识码:A

0　引　言

工业化生产SiC的Acheson法存在能耗高、时间长、产品纯度不一、高品位SiC少等缺点。冶炼炉内温度分布对SiC的生成、产率、纯度等有重要的影响[1,2]。由于SiC的合成温度很高,炉膛体积较大,炉内温度不容易测定,因此,前人对于冶炼炉内温度场所进行的研究不多,研究内容主要涉及到两个方面[1～3]:①理论研究方面,从传热学基础理论出发,讨论冶炼炉内传热传质机理,进而提出相应的旨在提高碳化硅产量和质量的工艺措施;②实验研究方面,通过测取不同区域、不同时间的温度值来大致推测炉内温度变化规律。

ANSYS软件是基于有限元方法解决温度场、应力场、磁力场、流场等工程问题的著名高级大型工程数值模拟软件,广泛应用于土木工程、水利、铁路、道桥、汽车、造船、电磁分析、流体分析等工业领域[4]。本文首次运用有限元理论对冶炼炉内温度场进行研究并采用ANSYS软件对炉内温度场进行模拟。借助温度分布图比较直观的研究炉内温度分布规律,进而提出相应的措施以扩大SiC生成温区,提高SiC产量和质量。

1　SiC冶炼炉内温度场有限元分析

1.1　SiC冶炼炉内温度场有限元计算基本方程推导

SiC冶炼炉中,有炉芯电热、可燃气体的燃烧热、炉料的化学反应热、反应产物的相变热等多个内热源。经测算,表面燃烧热仅少量反馈加热炉料,反馈热占内热的3%左右[3]。电阻炉中的传热运动主要是自炉芯向外传递。影响冶炼炉温度分布的主要因素是电热作用。炉料内部的传热方式主要为热传导。所以本文取能够代表炉内温度分布的截面(平行于冶炼炉端墙的截面)为有限元分析模型,将冶炼炉温度场简化为平面非稳态有内热源温度场进行有限元分析。

由传热学可知,[5]

22(1)=++tρcp5x2k5y2

式中　T为炉内的瞬态温度,℃;t为过程进行的时间,s;k为材料的导热系数,W/m ℃,作常数处理;ρ

Ξ收稿日期:2001-11-19

基金项目:国家自然科学基金项目(50174046)

作者简介:王晓刚(1959-),男,陕西蓝田人,博生,教授,主要从事材料科学与工程的教学与研究工作.

SiC冶炼炉温度场的有限元分析及其ANSYS模拟研究

第3期　　　　　　　　　王晓刚等　SiC冶炼炉温度场的有限元分析及其ANSYS模拟研究273为材料的密度,kg/m3,作常数处理;cp为材料的定压比热,J/kg ℃,作常数处理;qv为材料的内热源强度,W/m3,作常数处理;x和y为直角坐标。

温度场有限元法计算的基本方程可以从泛函变分求得,也可以从微分方程出发用加权余量法求得,本文从(1)式出发,采用加权余量法中的Galerkin法[5]推导冶炼炉温度场的有限元计算基本方程。

取(1)式的常微分方程,对于平面非稳态有内热源温度场,其常微分方程为

22D[T(x,y,t)]=kcp=02+2+qv-ρt5x5y

T(x,y,t)=T(x,y,t,T1,T2,Λ,Tn)(2)(3)取试探函数

式中,T1,T2,…,Tn为n个待定系数。

将(3)式代入(2)式,再代入下式

WQ(x)dx=0　或　WD[y(x)]dx∫∫ii

RR=0　　(i=1,2,Λ,n)(4)

(5)可得κDWlkcpdxdy=0　(l=1,2,Λ,n)2+2+qv-ρt5x5y22

式中　D为平面温度场的定义域;Wl为加权函数。

据Galerkin法对加权函数的定义,可以写出

2(Wl=　l=1,2,Λ,n)Tl

引用格林公式,经推导可得D=k-qvWl+pcpWldxdy-+5Tl5t5x5x5y5D(6)∮ΓkWlds=05t(7)

式中JD为温度场微分方程的泛函。

(7)式就是平面温度场有限元法计算的基本方程。

在基本方程的基础上对基本计算方程代入边界条件,进行单元变分计算;对温度场进行单元剖份和离散;然后对单元进行总体合成;最后通过编制计算机程序对炉内热量传递和温度的分布状况进行模拟。本文借助于ANSYS模拟软件,对冶炼炉内热量传递及温度分布进行模拟。

1.2　冶炼炉内温度分布的影响因素分析

通过(7)式可以看出,因为炉料的平均导热系数k,炉料的平均密度ρ和炉料的定压比热cp都为常数,影响炉内热量向外传递及炉内温度分布的主要因素有以下3方面:①炉体的内热源强度,碳化硅冶炼所需的热量均来源于炉芯发热,即炉体的内热源,其强度的高低直接影响到炉内温度的分布状况。由基本方程(7)式可以看出,在其他条件不变的情况下内热源强度qv越高,则一定点的温度越高。同时,一定温差(ΔT)的分布区域(Δx)越大。炉体的内热源强度在工艺中体现为炉体表面负荷和炉芯表面温度,所以,在实际生产中主要用炉体的表面负荷来控制炉芯的温度和炉体内温度的分布;②反应料距炉芯的距离x,在一定的表面负荷下,即炉体的内热源强度一定,那么,反应料距炉芯距离越远,则此处的温度越低,反应料距炉芯的距离越近,则该点的温度越高;③炉料的散热性能,炉料散热性能的好坏直接影响到炉内热量向外传递的速度,炉料的散热性好,则炉内的热量易于向外散失,炉体的散热量大,相应点的温度降低,相反炉料的散热性差,炉内的热量不易向外散失,相应点的温度提高;④供电时间,对(1)式分析可以认为供电时间的长短显然影响到炉体内温度的分布状况及热量的传递速度,在供电的初期、供电中期及供电末期,温度的分布和热量的传递是明显不同的。在初期,由于供电时间短,炉芯的热量来不及向外扩散,加之温度的升高需要一段时间,所以高温区域较小。随着高温区域不断扩大,生成碳化硅的温度区域也不断扩大,而由于温度梯度较大,因此热量的传递速度快;在中期,炉芯的热量经过较充分的传递,高温区域扩大且基本达到稳定,生成碳化硅的温度区域也基本稳定,温度梯度减小,所以热量传递速度减慢。在末期,经过充分的供电加热,炉芯与物料及外界发生充分的热交换,已经达到了热平衡,所以温度分布区域基本稳定,生产碳化硅的温度区域达到最大,热量传递速度也减到最小而达到稳定。由以上的分析可以看出,想要改善碳

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化硅冶炼炉内温度的分布状况,扩大合成碳化硅的温度分布区域,应从炉芯表面负荷、炉料厚度、炉料的散热性及供电时间等方面着手。

2　ANSYS模拟过程

2.1　几何模型的建立

图1为传统的碳化硅冶炼炉示意图,下面的化学反应方程式[1]体现了电阻炉冶炼碳化硅的技术本质和基础　SiO2+3C→SiC+2CO↑-125.86kcal。

)条件下进行[2]。取能代化学反应式表明,碳化硅生成反应是一个吸热反应,在高温(1600～2600℃

表炉料内部热量传递规律及温度分布的截面(平行于炉体端墙的截面)为几何模型,几何模型的形状及尺寸如图2所示,因为实际工业中的碳化硅冶炼炉有较厚的耐火砖底部,两侧有侧墙,而顶部的面积比较大,散热较多,顶部的反应料较厚,所以模型中采用的尺寸为:炉芯5cm×8cm,炉芯两侧的反应料及乏料厚35cm,下侧40cm,顶部45cm。根据这个尺寸,采用ANSYS数值模拟软件直接建立几何模型,或采用AutoCAD等计算机软件建立模型,然后输入ANSYS软件中

。

图1　Acheson冶炼炉炉体结构图2　炉体截面示意图及尺寸　　　　　　　　　Fig.1　StructureofacheasonsymtheiyingfurnaceFig.2　Crosssectionandsizeofthefurnace

1炉料　2石墨炉芯　3石墨电极　4端墙

2.2　对炉况的简化、假设和约定

在模拟时,需要对炉况作以下简化、假设和约定

1)反应料的参数只应用导热系数λ和比热容c及密度ρ,ANSYS软件参数输入对话框中要求的其他传热参数如热膨胀系数等,因它们在模拟中作用可以忽略不计,因而其他参数省略;

2)基于在高温下碳化硅的导热性与反应料的导热性相差不大,为简化起见不考虑碳化硅结晶筒的影响,并假定在传热过程中反应料一直是各向同性;

3)边界温度取表面测定温度的平均值;

4)夯实后的石墨电极密度约为ρ=0.5×103kg/m3[3],炉料中反应料和保温乏料均视作各向同性物质,并忽略其传热特性的差异,及用相同的传热参数。

2.3　ANSYS模拟过程

ANSYS的模拟过程主要包括以下几个步骤。

1)建立几何模型(如图2所示),温度场几何模型尺寸为:长70cm,高83cm,弧顶高10cm;炉芯截面为5cm×8cm;反应料厚度20cm;两侧保温乏料厚度为15cm,顶部保温料厚度为25cm。

2)选定有关参数,反应料的传热学参数主要是导热系数λ和比热容c及密度ρ。其中,密度ρ范围在

λ和c经过查表[12]及运算分别取λ0.95～1.05×103kg/m3之间,取平均值1.0×103kg/m3。反应料=

34.86W/m K及cp反应料=1.005kJ/kg K。

3)划分网格,对有限元模型选择单元类型,然后进行单元网格划分。

4)施加温度载荷及求解,设定初始温度为30℃及最高温度为2600℃,并求解。

5)结果后处理,对所得的结果进行处理得到热量动态传递模拟图及温度分布图。

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3　模拟结果及分析讨论

3.1　模拟结果

模拟结果如图3所示,可以看出,温度场分布形态为一上下比较对称的圆柱状,高温区呈近圆形分布于炉芯周围。当温度降低时,低温区主要分布于炉体的上部和下部,侧部分布范围不宽,结晶体形态只由高温区决定,呈近圆形

。

图3　碳化硅冶炼炉内温度分布图

Fig.3　Temperaturedistributioninfurnace

(a)带网络　(b)不带网络

根据模拟图所得到的结果将模拟得到的结晶筒分为5层,从炉芯往外分别代表分解层、一级品碳化硅层、二级品碳化硅层(98%～95%)、三级品碳化硅层(95%～85%)及三级品以下层(<85%),如图3所示,详细的模拟结果如表1所示,表中各层面积用模拟图的像素个数表示。

表1　ANSYS模拟图中各层的面积/像素个数

Tab.1　Thelayers’areasofANSYSsimulationfigure

层数

像素个数第一层1032第二层1928第三层3196第四层6072第五层10224总面S22452去掉分解层后的面积S′21420

3.2　碳化硅冶炼炉内温区分布及变化趋势

图3(a)为带有网格划分的温度分布图,从图中可以看出,矩形炉芯及周围少部分区域均为2600℃,然后温度依次下降为2324℃,2047℃,直至最低的112.318℃。炉芯周围的部分区域的颜色及温度与炉芯一致的原因在于炉芯周围的部分炉料在一定的反应温度下发生反应SiO2+C无烟煤→SiC,生成的SiC又在2600℃的高温下又发生分解,反应方程式为SiC→Si蒸汽↑+C石墨,形成石墨粉,分解的Si蒸汽逸出,再与较低温度下的C质发生反应,Si蒸汽+C无烟煤→SiC。从图3(b)可以清楚的看出,各圈层从高温区到低温区有大致相同的温差276～277℃(2600-2324=2324-2047=…=338.727-112.318=276～277),且低温分布区域逐步扩大。这表明,高温区的温度下降速度快,温度梯度大;而低温区的温度下降速度相对较慢,温度梯度小。表1也同时证明了这一点,从高温区到低温区用来表示面积的像素个数逐渐增加,从第一层的1032到第五层的10224个,第五层较第一层像数增加了9192个,增加了近9倍,而且面积的增量逐渐增大(10224-6072=4152>6072-3196=2876>3196-1928=1268>1928-1032=896)。这表明,在大致相同的温差下,高温区的像素个数少,面积小,温度下降速度快,温度梯度大;而低温区的像素个数多,面积大,温度下降速度相对较慢,温度梯度小。

3.3　改善碳化硅生成温区的方法与措施

据文献[1],碳化硅的合成温度在1600～2300℃之间。所以结合温度分布图,要使碳化硅的产率提高,必须改善碳化硅的生成温度区域,即1600～2300℃的分布区域。在实际的碳化硅冶炼中可以从以下几个方面着手:一是控制炉芯温度,提高炉芯温度即提高了传热温差,有利于热量的传递,而炉芯温度又

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276西安科技学院学报　　　　　　　　　　　　　2002年　取决于炉芯表面负荷,提高炉芯温度即意味着炉芯表面负荷的增大,但炉芯表面负荷增大,温度增高,碳化硅分解层相应扩大,表面负荷随之减小。因此,在实际生产中炉芯表面负荷根据冶炼炉功率大小、工艺条件一般在9～13W/m2之间[3];二是控制炉料填充密度和透气性,填充密度与导热系数λ及对流换热系数a有一定关系,我国碳化硅冶炼工艺的炉料填充密度一般为1.05～1.15g/cm3,提高填充密度对于提高结晶块的结晶密度、碳化硅产品的堆积密度、提高炉产量、降低消耗有一定的效果。增加炉料的透气性有利于热量的传递,但要求透气性的增加不影响到炉料的填充密度。通过采用合理的工艺如采用培烧料工艺、加入木屑、调整料层厚度、减少杂质含量等措施可以既增加炉料的透气性又增加炉料的填充密度;三是减少炉外表的散热损失,炉外表面的散热主要受到炉子表面温度的影响,降低表面温度有利于减少炉外表散热损失,但又不能破坏炉体的透气性,因此,应当适当增加保温料的厚度。通过以上几个方面的改进,可以改善碳化硅生成的温度区域,从而提高碳化硅的生成产率。

4　结　论

1)D

=TlDk-qvWl+pcpWldxdy-+t5x5x5y5∮ΓkWlds=0t

(l=1,2,Λ,n)

2)根据模拟图所得到的结果将模拟得到的结晶筒分为5层,从炉芯往外为分解层、一级品碳化硅层、二级品碳化硅层(98%～95%)、三级品碳化硅层(95%～85%)及三级品以下层(<85%)。

3)由ANSYS模拟结果显示,一定温差下高温区面积自炉芯向外逐渐减小。高温区面积小,像素个数为1024个,温度梯度大;低温区面积大,像素个数为10224个,温度梯度小,且自里向外面积逐渐增大,而温度梯度逐渐减小。

4)改善碳化硅生成温度区域、提高碳化硅生成产率的措施有:①控制炉芯温度即控制炉芯表面负荷;②控制炉料填充密度和透气性;③减少炉外表的散热损失。

参考文献:

[1]　梁训裕,刘景林.碳化硅耐火材料[M].北京:冶金工业出版社,1981.

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[5]　孔祥谦.有限单元法在传热学中的应用[M].北京:科学出版社,1998.

FiniteelementanalysisandANSYSsimulationstudyforthe

temperaturefieldofsiliconcarbidesmeltingfurnace

WANGXiao2gang,LIUYong2sheng,LIXiao2chi,GUOXiao2bin,LIQiang

(Dep.ofMaterialEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,china)

Abstract:TemperaturefieldofAcheasonfurnacewasstudiedusingfiniteelementanalysis,andANSYSnu2mericalsimulationsoftwarewasusedtosimulatetemperaturedistributionofSiCsynthesizingfurnace.Thesimulateddiagramoftemperaturedistributionwasachieved.Thelawsoftemperaturedistributioninthesyn2thesizingfurnacewerestudied,andthespecificmethodstoenlargethetemperaturefieldofsiliconcarbidesyn2thesisweresupplied.

Keywords:SiC;temperaturefield;finiteelement;ANSYS

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/v0c4.html