多热源工业合成SiC新技术节能提质优化理论与应用

【摘要】：多热源工业合成碳化硅新技术经过实验室小试、中试和工业试验，技术上已经成熟，并在SiC行业尤其是青海、宁夏等省份得到推广应用。多热源法以多个炉芯代替传统的单个炉芯,有效地分散了炉内热量，降低了炉内温度梯度，均匀了热场，扩大了SiC生成区间，从而降低了能耗、增加了产量。利用数值计算的方法研究合成炉内温度场特点和工艺条件对合成炉温度场的影响，采取一定措施改善生成碳化硅的温度区域，对于从根本上提高碳化硅的产量和质量，降低产品能耗具有重要的意义。 设计实验实现了对SiC合成炉炉体内部的温度测量。研究了供电制度与炉芯表面温度之间的关系，并根据所测结果对炉内温度进行了预测。测温实验是数值计算的基础。 通过对合成炉的传热学分析，建立了多热源炉数值计算的数学模型。单值性条件确定炉内温度分布，根据合成炉的特征分析了炉子的物理条件、几何条件、时间条件和边界条件。应用有限单元法对温度场微分方程进行求解，计算过程借助有限元分析软件ANSYS完成。 SiC合成炉具有平面瞬态具有内热源温度场的特点，取任一垂直于炉长方向的平面进行分析，研究多热源炉传热传质规律。分别以点、线、面为对象，研究了炉内温度、温度梯度和热流强度的变化规律，分析了结晶筒的成长过程和产物特点。研究发现，热场叠加和屏蔽是多热源炉节能、提质、增产、降耗的本质原因。 结合生产实际，研究了炉体结构参数和供电参数对多热源炉温度场的影响。综合考虑单炉产量、单产能耗和产品质量等因素，确定了最优的保温层厚度、表面负荷、供电时间、炉芯尺寸和炉芯间距。 以所确定的最优炉体结构参数为基础，按炉芯数目从少到多的顺序构建多热源炉，在相同供电条件下，对不同炉芯数目的多热源炉温度场进行模拟，找出单炉产量和炉芯数目之间的关系，建立炉芯数目的判定模型。为寻求更一般的规律，根据多热源炉传热传质规律和产物的特点建立多热源炉所形成的结晶筒的抽象模型，对抽象模型进行分析，得出炉芯数目的另一种判定模型，两者互为补充。 【关键词】：碳化硅 多热源炉 温度场 数值模拟 ANSYS 工艺参数 炉芯数目
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TK175
【目录】：

• 1 绪论8-17
• 1.1 碳化硅材料及其应用8
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势8-12
• 1.3 研究背景及研究意义12-13
• 1.4 研究目标和研究方法13
• 1.5 研究内容及研究思路13-15
• 1.5.1 典型部位的温度测量13-14
• 1.5.2 多热源炉传热学分析及数学模型的建立14
• 1.5.3 多热源炉传热传质规律研究14
• 1.5.4 多热源炉基本工艺参数的确定14-15
• 1.5.5 炉芯数目判定模型15
• 1.6 技术路线15-17
• 2 实验17-25
• 2.1 合成实验17-19
• 2.1.1 原料17-18
• 2.1.2 多热源合成炉18-19
• 2.1.3 工艺流程19
• 2.2 测温实验19-21
• 2.2.1 利用红外光谱测温仪测温20
• 2.2.2 利用示性物质测温20-21
• 2.3 测温结果与讨论21-23
• 2.3.1 红外光谱测温仪测温结果与分析21-22
• 2.3.2 利用示性物质测温结果22-23
• 2.4 ANSYS模拟与炉内温度预测23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 3 碳化硅合成炉温度场数值计算模型的建立25-45
• 3.1 碳化硅合成炉的数学模型25-34
• 3.1.1 碳化硅合成炉的基本方程25-26
• 3.1.2 几何条件26
• 3.1.3 物理条件26-31
• 3.1.4 时间条件31-32
• 3.1.5 边界条件32-34
• 3.2 有限单元法在碳化硅合成炉温度场数值计算中的应用34-44
• 3.2.1 平面温度场“变分”方程的推导35-37
• 3.2.2 平面温度场在三角形六节点等参单元中的离散37-44
• 3.2.3 时间项的处理方法44
• 3.2.4 有限单元法的总体合成44
• 3.3 本章小结44-45
• 4 多热源炉温度场的传热传质规律研究45-55
• 4.1 单个热源对总体温度场的贡献45-47
• 4.2 炉体中心点温度变化规律47-48
• 4.3 中心线L的温度分布48-49
• 4.4 温度梯度变化规律及结晶筒的生长过程49-51
• 4.5 热流强度的变化规律51-52
• 4.6 多热源炉合成产物的形成规律及节能提质效果52-53
• 4.7 本章小结53-55
• 5 多热源炉基本工艺参数的确定55-76
• 5.1 保温层厚度与结晶层厚度之间的关系55-60
• 5.2 表面负荷的确定60-64
• 5.3 供电时间对产品产量和产品质量的影响64-69
• 5.4 炉芯的基本尺寸69-75
• 5.5 本章小结75-76
• 6 炉芯数目判定模型76-93
• 6.1 炉芯数目与炉芯排列形式76-85
• 6.2 炉芯数目的判定模型85-92
• 6.3 本章小结92-93
• 7 结 论93-94
• 致 谢94-95
• 参考文献95-99
• 附录99

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