碳熱還原合成碳化硅過程的數(shù)值模擬

李 陽，陳 杰，王旭陽，王 飛

1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.西安科技大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710072

碳熱還原合成碳化硅過程的數(shù)值模擬

李 陽1，陳 杰2，王旭陽3，王 飛1

1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.西安科技大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710072

為揭示碳化硅合成過程中能量及物質(zhì)擴散機理，從而為碳化硅的提質(zhì)增產(chǎn)奠定理論基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬的方法對碳化硅合成過程中的溫度場、壓力場、氣體流動規(guī)律進行模擬研究。結(jié)果表明，隨著合成時間的延長，爐內(nèi)熱量呈輻射狀向外擴散，合成爐內(nèi)氣體呈現(xiàn)三維多向流動特性，反應(yīng)進行到24 h時CO氣體流量達到最大，而此時由于爐底透氣性差的原因，致使?fàn)t底部壓力高于其余位置，最大可達1.525×101 kPa，此時可加入少量木屑以增加爐底透氣性來改善因壓力過高所造成的噴爐事故。模擬結(jié)果得到了生產(chǎn)實踐驗證。

碳熱還原 碳化硅 冶煉爐 數(shù)值模擬

碳化硅(SiC)具有高密度、高純度、高結(jié)晶性、高均勻性等優(yōu)越性能，目前依然沿用Acheson發(fā)明的爐型進行生產(chǎn)，所采用的原理為碳熱還原法[1-4]。國內(nèi)外科學(xué)家一直致力于優(yōu)化碳化硅冶煉合成的方法，Mccolm[5]設(shè)計出一種新式β-SiC合成設(shè)備，該裝置中下部的SiO和Si在高溫下形成SiO2氣體，上升同碳粉層反應(yīng)生成SiC。王曉剛等[6]設(shè)計提出了多熱源的碳化硅合成設(shè)備，并投入生產(chǎn)。但是目前研究多圍繞工藝改進及爐體的優(yōu)化設(shè)計，長期以來由于合成爐內(nèi)溫度過高、壓力及氣體流動變化較快，實驗數(shù)據(jù)相對較少，這給開展碳化硅傳熱傳質(zhì)機理研究帶來很大困難，本工作利用計算機模擬的方法，模擬得到生產(chǎn)過程中溫度、壓力、氣體流動速度變化規(guī)律，通過結(jié)合工業(yè)試驗數(shù)據(jù)，揭示生產(chǎn)過程中能量及物質(zhì)傳遞的規(guī)律，以期為提高SiC成品質(zhì)量，改進合成方案提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

作為硅質(zhì)原料的石英砂和碳質(zhì)原料的無煙煤均來自寧夏石嘴山，石英砂經(jīng)破碎過篩后使其粒度小于2 mm，純度為98.5%(w)，無煙煤經(jīng)破碎過篩后使其粒度小于1 mm。

1.2 實驗設(shè)備及方法

碳化硅合成爐為自制設(shè)備，如圖1所示。爐墻一側(cè)開有石英玻璃窗口，窗口至爐芯間埋有中空的石墨碳管，碳管直徑3 cm。為避免爐芯氧化和煙氣干擾，在窗口上方開有通氣口，Ar氣流量為0.5 L/min。根據(jù)反應(yīng)不同階段給合成爐提供不同的供電功率，0～4 h為0.88×106W/m3、4～32 h為0.83×106W/m3、32～48 h為0.75×106W/m3。合成開始前將預(yù)先混合好的配合料裝入合成爐中，爐體頂部覆蓋碳粉，供電過程中通過紅外測溫儀對爐芯至爐壁測溫段進行溫度采集，用于模擬結(jié)果的驗證。

圖1 實驗測溫裝置Fig.1 Schematic diagram of temperature measurement device

圖2 窯爐三維幾何模型Fig.2 Three-dimensional model of furnace

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

圖2為單熱源爐計算的幾何模型，其結(jié)構(gòu)尺寸采用工業(yè)實際尺寸，具體參數(shù)見表1。

表1 窯爐結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Structure of glass furnace size

2.2 簡化假設(shè)及邊界條件設(shè)置

(1) 假定在整個合成過程中，爐內(nèi)物料混合充分均勻，并且比較密實，反應(yīng)料是各向同性的。

(2) 將合成爐內(nèi)的反應(yīng)物料等效為一種物質(zhì)，通過數(shù)學(xué)擬合方式得到其比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度隨時間變化的函數(shù)[7,8]。

(3) 激活能量方程選擇各向同性熱傳導(dǎo)模型，輻射模型選擇DO模型[9]。對熱源的四個邊界類型設(shè)定為HOTWALL（熱邊界），單熱源熱流密度加載12 W/cm2。

(4) 選擇完全預(yù)混的反應(yīng)模型，加載化學(xué)反應(yīng)，其中具體化學(xué)反應(yīng)方程式機理如表2所示[10]。

(5) 選擇爐內(nèi)反應(yīng)物為多孔介質(zhì)，并設(shè)定其氣孔率為30%，初始設(shè)定質(zhì)量比SiO2:C為4:3。

表2 碳熱還原合成碳化硅反應(yīng)機理Table 2 Structure of glass furnace size

2.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述的假設(shè)，可以得到如下的模型方程[11]。

連續(xù)性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

其中，ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；u、v、w分別為x、y和z方向上的速度分量，m/s；Fx、Fy和Fz分別是單位質(zhì)量上的質(zhì)量力在三個方向上的分量；P為壓力，N/m2；μ為粘度，Pa·s；cp為比熱容，J/(kg·K)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；qv為單位時間、單位體積的化學(xué)反應(yīng)熱，W/m3。

2.4 網(wǎng)格劃分

圖3 冶煉爐的網(wǎng)格劃分Fig.3 The grid of furnace

在ICEM-CFD中選用以六面體為主的混合網(wǎng)格對合成爐主體結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為1 929 752，網(wǎng)格劃分的三維模型如圖3所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度場分析

圖4 合成爐內(nèi)不同時間的演變規(guī)律Fig.4 The evolution under different synthesis times in the furnace

圖8 不同時刻爐內(nèi)壓力分布Fig.8 Pressure distribution of furnace under different times

圖4為合成爐內(nèi)溫度分布隨時間的演變趨勢圖，從圖中可以看出以熱源為中心熱量均勻向外傳遞，形成了一個近似圓形的均勻溫度場。當(dāng)合成時間12 h時，熱源溫度已經(jīng)達到1 800 ℃，此時靠近熱源處的爐料已經(jīng)發(fā)生反應(yīng)生成SiC，即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。從圖中可以看出實驗裝置24 h爐體頂部以發(fā)生小規(guī)模噴爐。36 h此時已經(jīng)行到反應(yīng)后期爐內(nèi)壓力明顯下降。圖9為距離熱源X為0.1，0.4，0.6 m處停爐時壓力分布的散點圖，從圖中可以看出，在窯爐豎直方向壓力呈現(xiàn)明顯的梯度變化，爐底至熱源底部壓力下降幅度相對較小，而在熱源及周圍附近由于反應(yīng)劇烈且離頂部出口越來越近，此范圍內(nèi)壓力下降梯度較為明顯，在靠近爐頂附近由于直接與周圍大氣相連，壓力變化較小基本與周圍大氣壓一致。

圖9 距離熱源不同位置Y方向壓力分布散點Fig.9 Scatter diagram of pressure distribution under different distance of heat source along Y direction

3.3 氣體流動特性分析

圖10為不同時刻氣體流動軌跡圖，從圖中可以看出隨著溫度的升高壓力的增大，大量氣體由熱源部向周圍呈放射狀擴散。反應(yīng)進行到在20 h時，由于外層的爐料也達到反應(yīng)溫度1 500 ℃，反應(yīng)生成的氣體（主要為CO）一部分向爐外流動，一部分向著熱源方向流動，此時與熱源處反應(yīng)生成的氣相物質(zhì)交匯產(chǎn)生一個氣相回流圈。圖11為SiC結(jié)晶筒橫截面及頂部放大圖可以看出由于氣相回流圈的存在，碳化硅結(jié)晶筒中形成一條明顯的分界線，在分界線內(nèi)圈SiC明顯較為致密，氣孔相對比較小且分布均勻，而在分界區(qū)域上部氣孔大小不一且分布雜亂。反應(yīng)后期熱源附近分解的碳化硅在結(jié)晶筒中產(chǎn)生較大的孔洞。

圖10 不同時刻氣體流動軌跡Fig.10 Gas flow trajectory on the cross section of furnace at different times

圖11 SiC結(jié)晶筒橫截面及頂部放大圖譜Fig.11 Cross section of SiC crystal tube and the top of enlargement pattern

圖12為三維氣體流動軌跡圖及工業(yè)實際圖，可以看出反應(yīng)生成氣體由熱源處向四周擴散，在爐壁遇到阻礙后聚集在爐壁四周，聚集著的氣體通過保溫墻的縫隙向外部擴散，在工業(yè)生產(chǎn)的爐體也可以看到，爐體四周傾斜著滲出的火苗，火焰顏色基本為亮黃色和淡藍色，說明滲出的氣體中基本為CO氣體和含氫類物質(zhì)。模擬的結(jié)果和工業(yè)實際相符合。

圖12 三維氣體流動軌跡圖及工業(yè)實際圖譜Fig.12 Three-dimensional trajectory diagram of gas flow and industrial production scene diagram

4 結(jié) 論

a）合成過程中熱量由熱源中心部位成放射狀向四周擴散，隨著合成時間的延長碳化硅的結(jié)晶筒逐漸長大，由于合成爐內(nèi)溫度梯度的存在，使得結(jié)晶筒不同位置成品含量、致密度不盡相同；36 h爐芯表面溫度已高達2 600 ℃，此時爐芯周圍SiC發(fā)生分解，適當(dāng)延長反應(yīng)時間促使少量SiC分解可以提高一級品的產(chǎn)量。

b）由于爐底透氣性差，產(chǎn)生的氣體難以擴散，造成此處壓力局部過高，最高處可達1.525×101 kPa，生產(chǎn)時極易發(fā)生噴爐事故；生產(chǎn)時可在爐底底增加透氣材料，爐壁四周加裝氣體收集裝置，從而可以有效釋放爐底壓力、收集有害氣體。

c）合成爐內(nèi)在反應(yīng)中期會產(chǎn)生明顯的氣相回流圈，在分界線內(nèi)圈SiC明顯較為致密，氣孔相對比較小且分布均勻。

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Numerical Simulation of Synthesis Silicon Carbide by Carbothermal Reduction

Li Yang1, Chen Jie2, Wang Xuyang3, Wang Fei1
1. Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000, China; 2. School of Material Science and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 3. State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China

In order to reveal the mechanism of energy and material diffusion in the process of silicon carbide synthesis so as to lay the theoretical foundation to improve the yield and quality of silicon carbide, the numerical simulation method was used to simulate the temperature field, pressure field and gas flow in the process of silicon carbide synthesis. The results showed that with the increase of the synthesis time, the heat in the furnace was radiated outward and the gas in the synthesis furnace exhibited three-dimensional multi-directional flow characteristic. When the reaction progressed to 24 h, the gas flow rate reached the maximum. At this moment, due to the poor ventilation at the bottom of the furnace, the pressure at this point was higher than the remaining position and the maximum was 1.525×101 kPa. At this time, a small amount of wood chips can be added to increase the permeability of the furnace to improve the pressure to avoid the spouting of furnace by the over high pressure. The simulation results have been verified by the production practice.

carbothermal reduction; silicon carbide; smelting furnace; numerical simulation

TQ173

A

1001—7631 ( 2017 ) 01—0090—07

10.11730/j.issn.1001-7631.2017.01.0090.07

2016-12-07;

2017-01-13。

李 陽（1990—），男，助教。E-mail:554636457@qq.com。

陜西省教育廳科研計劃項目（12JK0785）；陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016第二批科研基金項目（KY2016-34）