多热源合成SiC传热规律

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2005.05.037 第27卷第5期 北京科技大学学报 VoL27 No.5 2005年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2005 多热源合成SiC传热规律 陈杰王晓刚郭继华 西安科技大学材料科学与工程系，西安710054 摘要对多热源合成SC冶炼炉的温度场进行了数值模拟，研究了冶炼炉内的温度分布、 热流强度以及温度梯度的动态变化规律，揭示了多热源合成SC的传热传质规律.研究表明， 由于多热源之间的屏蔽作用与热能叠加作用，导致多热源合成SiC技术比Acheson单热源炉 的单炉产量提高48.1%，特、一级品率提高30%，节能10%以上，并且杜绝了单热源生产中频繁 喷炉事故，使生产更安全. 关键词多热源炉；碳化硅；传热传质规律；温度场；数值模拟 分类号TP15 l893年美国化学家Edward Goodrich Acheson 电偶在密封条件下，测试炉表面和炉表下15cm 发明了碳化硅合成方法，称之为Acheson法m,一 以内的温度，确定边界条件. 百多年来人们对其不断改进，以提高碳化硅的 (2)实验室中实验.采用自行研制的多热源合 产量、质量，降低能耗，但是，Acheson法的依靠单 成炉，炉芯尺寸为8cm×5cm,供大功率为80kW, 个炉芯（热源）发热的本质并未改变，只是炉体的 表面负荷为11W·cm2,供电时间为15~20h. 大型化成为SC生产的发展主流.单热源发热导 (3)工业试验.供电功率为100MW,表面负荷 致炉芯温度过高，热量过于集中，炉内温度梯度 为13Wcm2,供电时间为60-72h.文中采用的炉 大，适于SC生成的温区分布范围窄，所以碳化 体结构参数依照工业现场尺寸. 硅产量低，能耗高. 1998年，王晓刚提出的多热源法以多个热源 2多热源合成SiC冶炼炉温度场 代替单个热源，有效地克服了这些缺点s.该技 的数学模型 术现已在宁夏、青海、新疆等地的工业生产中得 到应用.工业生产表明，采用多热源（如三热源） 以三热源合成炉为例，建立多热源冶炼炉温 SiC合成新技术可使单炉产量提高48.1%，特、一 度场的导热数学模型，为进一步分析研究温度分 级品率提高30%，节能10%以上，并且杜绝了单 布规律及传热传质规律提供理论基础. 热源生产中频繁喷炉事故， 多热源合成炉温度场具有平面非稳态导热 本文采用数值计算方法，通过研究炉内温度 特点，其导热微分方程为： 梯度、热流强度和温度分布的规律来揭示多热源 aT_a∫，aT)a,∂Tl Cp or oxoxoyoy]g. 合成SiC的传热传质规律，进而寻求多热源合成 式中，T为炉内瞬态温度；t为供电时间：入P,C为 SiC技术节能、提质技术的理论依据 材料的导热系数、密度、比热容：9为化学反应 热：x和y为直角坐标. 1实验 在供电之前，炉体与外围环境温度一致，为 (I)测温实验.利用红外测温仪在氩气保护下 T,.供电后的边界条件分为热源边界条件和炉表 测试热源温度，以确定SC的分解温度：利用热 边界条件.如图1所示.在炉体表面，供电一段时 间以后，由于C0气体逸出并在炉体表面燃烧，炉 收稿日期：2004-09-01修回日期：2005-05-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.710054):陕西省 体表面的温度基本稳定在同一温度，开放系统 教育厅专项科研计划资助项目No.05JK254) 下，自然燃烧的炉体表面的温度经实测在600℃ 作者简介：陈杰(1967一)，女，高级工程师，博士研究生 左右例.因此，外边界条件选取第一类边界条件用

第 2 7 卷 第 S 期 2 0 0 5 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u nr a l o f U. vi e比 yit o f cs el n e e a n d l饱c h n o of yg B e ij ni g V b L2 7 N O 一 5 O C t 2 00 5 多热源合成 SI C 传热规律 陈 杰 王 晓 刚 郭继 华 西 安科技 大学材 料科 学 与工程 系 , 西 安 71 0 0 54 摘 要 对 多热源 合成 is C 冶炼 炉 的温度 场进 行 了数值 模 拟 , 研 究 了冶 炼炉 内 的温度 分布 、 热 流强度 以及温度 梯度 的动 态变 化规 律 , 揭 示 了多热 源合 成 SCI 的传热 传质规 律 . 研 究表 明 , 由于多 热源 之 间的屏 蔽作 用 与热 能叠 加作用 , 导致 多热 源合 成 is C 技 术 比 A c he s on 单热 源炉 的单 炉产 量提 高 48 . 1% , 特 、 一级 品率 提 高 30 % , 节 能 1 0% 以上 , 并且 杜绝 了单热 源 生产 中频繁 喷炉 事 故 , 使 生产 更安 全 , 关键 词 多 热源 炉 ; 碳 化硅 ; 传 热传 质规 律 ; 温度 场 ; 数值 模 拟 分类 号 T P 15 1 89 3 年美 国化学 家 E dW耐 G o o dir ch A c he s o n 发 明 了碳 化 硅 合成 方 法 , 称 之 为 A c he s on 法 〔, ,一 百多年 来 人们 对 其不 断 改进协 5, , 以提 高 碳化 硅 的 产 量 、 质 量 , 降低 能 耗 . 但 是 , A c he so n 法 的依 靠 单 个 炉 芯 (热 源 ) 发热 的本质 并 未 改变 , 只是 炉 体 的 大 型化 成 为 is C 生 产 的发 展 主流 . 单 热源 发 热 导 致 炉 芯温度 过高 , 热量 过 于 集 中 , 炉 内温度 梯度 大 , 适于 is C 生 成 的温 区 分布 范 围 窄 , 所 以碳 化 硅产 量 低 , 能耗 高 . 19 98 年 , 王晓 刚提 出的多 热源 法 以多 个热 源 代 替 单 个热 源 , 有效 地 克 服 了这 些缺 点 `州 . 该技 术 现 已在 宁夏 、 青海 、 新疆 等 地 的工 业 生产 中得 到应 用 . 工业 生产表 明 , 采 用 多 热源 ( 如三 热 源 ) is C 合 成新 技术 可 使 单 炉产 量提 高 48 . 1% , 特 、 一 级 品 率提 高 3 0% , 节 能 10% 以上 , 并 且杜 绝 了单 热 源 生产 中频繁 喷 炉 事故 , 本文 采 用数 值 计算 方法 , 通 过研 究炉 内温度 梯度 、 热流 强度 和 温度 分布 的 规律 来揭 示多 热源 合成 SI C 的传 热 传质规 律 , 进 而 寻 求 多热 源合 成 SI C 技 术 节 能 、 提 质 技 术 的理 论 依据 . 电偶在 密 封 条件下 , 测试炉 表 面 和 炉表 下 15 c m 以 内的温度 , 确 定 边界条 件 . (2 )实验室 中实 验 . 采用 自行研 制 的多 热源 合 成 炉 , 炉 芯尺 寸 为 s c m 巧 c m , 供 大 功 率 为 80 k w , 表 面负 荷 为 l w · c m 一 2 , 供 电时 间为 巧~2 O h . ( 3) 工业 试 验 . 供 电功 率 为 l o M W , 表面 负荷 为 13 w · c m 一 , , 供 电时 间为 6 -0 72 h . 文 中采用 的炉 体结 构 参数 依 照 工业 现 场尺 寸 . 2 多 热源 合成 is C 冶 炼 炉 温度场 的数 学 模型 以三热 源 合成 炉 为例 , 建立 多 热源 冶 炼炉 温 度 场 的导热 数 学模型 , 为 进一 步 分析研 究 温度 分 布 规律 及 传 热传 质 规律提 供 理论 基 础 . 多 热源 合 成 炉温 度 场 具 有 平 面 非 稳 态 导 热 特 点 , 其 导热 微 分方 程为 : 1 实 验 ( l )测 温 实验 . 利 用 红外 测温 仪在氢 气 保护 下 测 试 热源 温 度 , 以确 定 is C 的分 解 温度 : 利 用 热 收稿 日期 : 2 0 0奉 -0 9刁1 修 回 日期 : 2 0 5刁5一 O 荃 金项 目 : 国家 自然 科学 基金 资助 项 目 (N o . 7 10 0 54) ; 陕西 省 教 育厅专 项科 研计 划 资助项 目N( 。 . 05 1K2 5 4) 作者 简介 : 陈 杰 ( l % 7 一) , 女 , 高级 工 程师 , 博 士 研究生 式 中 , T 为 炉 内 瞬 态 温 度 ; t 为供 电时 间 浮 , P , 心 为 材 料 的导 热系 数 、 密 度 、 比热 容 ; q 、 为化 学 反应 热 ; x 和 y 为 直 角 坐标 . 在 供 电之 前 , 炉 体 与 外 围环 境温 度 一 致 , 为 兀 . 供 电后 的边 界 条件 分 为 热源 边 界条 件 和 炉表 边 界 条件 . 如 图 1 所 示 . 在 炉 体表 面 , 供 电一段 时 间 以后 , 由于 C O 气 体逸 出并在 炉体 表 面燃 烧 , 炉 体 表 面 的温 度 基 本 稳 定 在 同一温 度 , 开 放 系 统 下 , 自然 燃 烧 的炉 体 表面 的温度经 实 测在 6 0 ℃ 左右 19] . 因此 , 外 边 界条祥选 取第 一类边 界条 件 用 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 05. 037

Vol.27 No.5 陈杰等：多热源合成SC传热规律 ·537· 源中间，B点位于1,2两热源上中部，立体三热源 的中心)为代表点（图2），以治炼炉内的温度梯度、 热流强度和温度场的变化情况来研究多热源合 成炉内温度分布规律及传热传质规律 0bb+12b+21 (b)立体三热源 (a)平等三热源 图1冶炼炉边界条件的确定 B· Fig.1 Boundary condition of an SiC synthesis furnace A T表示. 在实验室供电功率不太大、有保护性气体的 情况下，利用红外光谱测温仪对热源表面进行测 图2多热源合成炉几何模型 Fig.2 Geometrical model of a multi-heat-source syuthesis furnace 温，发现热源温度上升到一定高度以后变化幅度 不大，此时可用第一类边界条件作为碳化硅合成 3.1热流强度变化规律 炉数值计算的内边界条件.但是在工业生产中， 对多热源炉不同供电时刻A点热流强度进 工业炉体积大，热源温度高，根本不可能进行实 行计算，结果如图3所示.单热源合成炉中，以炉 际测量.此外，供电功率大，表面负荷高，热源附 芯为中心，热量向四周扩散，传热效果与散热效 近生成的碳化硅常常发生分解，生成的石墨和炉 果好，蓄热程度差：双热源作用时，两热源对A点 芯本身差异不大，致使内边界不断向外移动，因 的热流强度大小相等，方向相反，两热源之间形 此利用恒温条件不再适合， 成了热屏蔽，热能产生叠加，温度升高：当平行增 由于石墨炉芯的导热系数大，供电短时间 加第三个热源时，A点的热流强度并未因多加一 内，热源温度即能达到一定程度，持续供电，在保 个热源而大幅增加，热流强度增加很小（图3(a), 证功率不变的条件下，炉芯供热全负荷进行，加 表明热源2对热源3形成了很好的热屏蔽作用， 热量为一常量，而炉料温度则随加热过程而不断 使得热源3的热量几乎无法向A点传递. 升高：所以，对工业炉来讲，在原始炉芯的边界施 B点位于两热源上方中部，双热源作用时（图 加第二类边界条件比施加第一类边界条件更能 3(6),在水平方向上，两热源的热流强度的大小 反映炉内的实际情况， 相等，方向相反，热源之间形成热屏蔽；垂直方向 因此，定解条件分为： 上，热流强度方向相同，相互叠加，热流强度较单 初始条件Txy川=T. 热源高，B点热扩散动力增强：在平行三热源合 外边界条件7TI+☑++忆 成炉内，热源3加强了B点垂直方向与水平方向 n 的热流强度，所以平行三热源合成炉B点的热流 内边界条件 强度较二热源炉高.但是由于热源2对热源3的 -9wb,-8 T 0=-wb 屏蔽作用，供电结束时，平行三热源合成炉B点 OT ,T -x- lk2+2产-wh, 的热流强度只比二热源炉高出200Wm(图3 dx T (b). 一0xt-i0xF-x门wh, 在立体三热源合成炉内，B点位于三热源公 式中，w为热流密度（表面负荷），W·cm2:b,h为热 共区域中心，在水平方向上，热源1,2屏蔽.垂直 源的宽和高，m:T,T,…,T,为炉体表面各点温 方向上，热源3削弱了1，热源2在垂直方向的热 度，℃. 流强度，供电结束时，B点的热流强度低于二热 导热傲分方程与初始条件及边界条件共同 源合成炉和平行三热源合成炉，即B点单位面积 构成冶炼炉温度场的数学模型.利用ANSYS有 通过的热流量更小.由此表明，立体三热源合成 限元软件对温度场进行求解. 炉热源之间区域的保温效果较二热源与平行三 3 结果及讨论 热源合成炉更好，热能叠加效果更明显：但是热 源结合部的透气性更差，热扩散和物质扩散阻力 选择不同炉型的特征点A,B(A点位于1,2热 更大

V b l . 2 7 N 0 . 5 陈杰 等 : 多 热源 合成 is C 传 热规 律 . 53 7 . :叭酬车 二 源 中 间 , B 点位 于 1 , 2 两 热源 上 中部 , 立 体 三热源 的中心 ) 为代表 点 ( 图 2) , 以冶 炼 炉 内的温度 梯度 、 热 流 强度 和 温 度 场 的变 化 情 况 来研 究 多热 源 合 成 炉 内温度 分 布 规律 及传 热 传 质规 律 . 图 1 冶炼 炉边 界条件 的确 定 R g . 1 B o u n d a 叮 e o n d i U o n o f a n S IC , y n t七e s is fu rn a e e (a) 平等三热源 B . 界表示 . 在 实验 室供 电功率 不太 大 、 有 保 护性 气 体 的 情 况 下 , 利 用 红外 光谱 测温 仪对 热源 表 面进 行测 温 , 发 现热 源温 度 上升 到一 定高 度 以后变 化 幅度 不 大 , 此 时可用 第一 类边 界 条件 作 为碳化 硅合 成 炉 数值 计 算 的 内边 界条件 . 但 是 在工 业 生产 中 , 工 业炉 体 积大 , 热源 温 度 高 , 根 本不 可 能进 行 实 际测量 . 此 外 , 供 电功 率大 , 表 面 负荷 高 , 热源 附 近 生成 的碳 化硅 常常 发生 分解 , 生成 的石 墨和 炉 芯 本身 差异 不 大 , 致 使 内边 界 不 断 向外移 动 . 因 此 利用 恒温 条 件 不再 适合 . 由于 石 墨 炉 芯 的 导热 系数 大 , 供 电短 时 间 内 , 热源 温度 即能达 到一 定程度 , 持续 供 电 , 在 保 证 功率 不变 的条件 下 , 炉芯 供 热全 负 荷进 行 , 加 热量 为一 常量 , 而 炉料 温度 则 随加 热过 程 而不 断 升 高 : 所 以 , 对 工业炉 来讲 , 在原 始炉 芯 的边界 施 加 第 二类 边 界 条件 比施 加 第 一类 边 界 条 件 更 能 反 映炉 内的实 际情 况 . 因此 , 定 解 条件 分 为 : 初 始 条件 玲功}箭aT . . .A 1 囚匡 外 边 界条 件 内边 界条 件 一 w o b I , 2矿 一 w o h , , 刁T . , a T , , 刁T . 一人币了l厂户一 几币呀l , 潇 一 几币了}厂3 ~ 0n , 式 中 , w0 为 热流 密度 ( 表面 负荷 ) , W · c m 一 , ; b , h 为热 源 的 宽和 高 , m : 不 , 兀 , … , 式 为 炉 体 表 面 各 点 温 度 , ℃ . 导 热 微 分 方 程 与 初 始 条件 及 边 界 条件 共 同 构成 冶炼 炉温 度 场 的数 学 模型 . 利 用 A N S Y S 有 限元 软件 对温 度 场进 行 求解 . 3 结 果 及 讨 论 选 择不 同炉 型 的特 征 点 A , B( A 点位 于 l , 2 热 图 2 多热 源台成 炉几何 模型 F ig . 2 G e o m e t ir c a l m o d e l o f a m u i-lt h e a -t s o u 代e s y . ht es is fu 门 a e e 1 1 热 流 强度 变 化规 律 对 多 热 源 炉 不 同供 电时刻 A 点热 流 强 度 进 行 计算 , 结果 如 图 3 所 示 . 单热源 合 成炉 中 , 以炉 芯为 中心 , 热量 向 四周扩 散 , 传 热 效 果与 散热 效 果 好 , 蓄 热程 度差 ; 双热 源作 用 时 , 两热 源对 A 点 的热 流强 度 大小 相 等 , 方 向相 反 , 两 热 源之 间形 成 了热 屏蔽 , 热 能产 生叠 加 , 温度 升高 : 当平行 增 加 第三 个热 源 时 , A 点 的热流 强度 并 未 因多加 一 个 热源 而 大 幅增加 , 热流 强度 增 加很 小 ( 图 3 (a) ) , 表 明热 源 2 对 热源 3 形 成 了很 好 的热 屏 蔽作 用 , 使 得热 源 3 的热 量 几乎 无 法 向 A 点传递 . B 点位 于两 热源 上方 中部 , 双热源 作 用 时( 图 3 (b ) , 在 水平 方 向上 , 两 热源 的热流 强度 的大 小 相等 , 方 向相 反 , 热源 之 间形 成热屏 蔽 ; 垂 直方 向 上 , 热流 强度 方 向相 同 , 相互 叠加 , 热 流强度 较单 热源 高 , B 点 热扩 散 动 力增 强 ; 在 平 行三 热源 合 成 炉 内 , 热源 3 加 强 了 B 点垂 直方 向与水 平 方 向 的热 流 强度 , 所 以平 行三 热源 合 成 炉 B 点 的热流 强度 较 二热 源 炉 高 . 但 是 由于 热源 2 对 热源 3 的 屏 蔽作 用 , 供 电结束 时 , 平 行三 热 源 合成 炉 B 点 的 热 流 强 度 只 比 二 热 源 炉 高 出 20 0 W · m 一 2 ( 图 3 (b ) ) . 在立体 三 热源 合 成炉 内 , B 点位 于三 热源 公 共 区域 中心 , 在 水 平方 向上 , 热源 1 , 2 屏蔽 . 垂直 方 向上 , 热源 3 削 弱 了 1 , 热 源 2 在 垂 直方 向的热 流 强度 . 供 电 结束 时 , B 点 的热 流 强度 低 于 二 热 源 合 成炉 和 平行 三 热源 合 成炉 , 即 B 点单 位 面积 通 过 的热 流 量 更小 . 由此 表 明 , 立 体三 热 源合 成 炉 热 源 之 间 区域 的保 温 效果 较 二 热 源 与平 行 三 热源 合成 炉 更好 , 热 能 叠加 效果 更 明显 ; 但是 热 源 结合 部 的透 气性 更差 , 热 扩散 和物 质扩 散 阻力 更 大

538 北京科技大学学报 2005年第5期 8 (a)A点 8OB点 61 61 1单热源 2二热源 4 1单热源 4 3平行三热源 2二热源 2 2 4立体三热源 3平行三热源. 2 0 44 3 0 10203040506070 80 01020304050607080 供电时间h 供电时间h 图3A,B点的热流强度随时间的变化规律 Fig.3 Relations of thermal flow intensity with time at points A and B 3.2温度场变化规律 3000 1单热源 从图4中B点的温度随时间的变化规律可 2二热源 2000- 以看出：单热源作用时，B点温度变化平缀，供电 3平行三热源 结束时B点的温度只有818℃，远低于SiC的合 4立体三热源 成温度⑧：双热源作用时，供电初期，B点温度上 是1awl 升缓慢，中期温度上升速度明显加快，供电后期， 0 温度上升又趋于平缓，这一规律在三热源炉中表 010 20304050 607080 供电时间h 现更为突出.曲线2在供电结束时的温度为 图4B点的温度随时间变化规律 1855℃，此温度已经能够合成B-SiC,平行三热 Fig.4 Relations of temperature with time at point B 源炉由于热源屏蔽，供电结束B点温度为 33温度梯度变化规律 1903℃；立体三热源合成炉内，供电结束时B点 由图5供电结束时多热源炉的温度梯度图可 温度大幅升高，较单热源炉提高了1440℃，热能 叠加效果非常明显.表明多热源合成炉充分利用 以看出，多热源合成炉内热源结合部温度梯度由 了在单热源炉中散失掉的部分热能，使得在单 单热源1080~2160℃·m1一平行三热源715~1431 热源炉中无法形成SC的区域，生成了SC,并 ℃m1→立体三热源671~1342℃m,温度梯度 且在立体三热源合成炉中形成了高结晶SC产品 逐渐降低，温度均匀性更好，低温度梯度分布范 温区， 围更宽，多热源合成炉内无高温聚集区，生产更 平稳更安全. 从图4看出，在合成中期，B点温度变化较 快.主要是因为供电初期炉芯周围生成SC的导 3.4试验结果与分析 工业现场立体三热源炉和平行三热源炉所 热系数6.299.63Wm.K远远大于物料的导热 系数0.23-0.47W·m.K',此时已形成的SiC结晶 形成的结晶筒照片（图6）可以看出，立体三热源 简也充当了热源的作用，传热动力与物质扩散动 炉由于三热源之间物料透气性较差，炉体中间部 力增强，反应更剧烈.此现象预示着SC产物的 位距离炉芯相对较远，S蒸气扩散受到阻碍，该 区域SC远不如炉芯周围的致密，在立体三热源 大量生成与质量调整在合成的中后期，所以在合 成的中后期应严格控制生产工艺. 之间出现了一个似三角形的空区.因此，应充分 注意立体炉型热源结合部物料的配比，应减小热 (a) 21红 3239 39 2730 214 3576 图5多热源合成炉炉内温度场温度梯度图（℃·m) Fig.5 Temperature gradient in a multi-heat source furnace

一 5 3 8 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 5 期 供 电时间厄 图 3 A , B 点 的热流 强度 随时 间 的变化 规律 供 电时 间小 1 2 温 度 场 变化 规 律 F i.g 3 R e al 对o n s o f t七e rm a l fl o w 玩te ” 亩钾 初t卜 肠. e a t OP in ts A a u d B 3 0 0 0 广 es es es es es es es 一 - 一 一 - 4 月、ù 2 n n 0 ù 、侧明g 从 图 4 中 B 点 的温度 随时 间 的变 化规 律 可 以看 出 : 单热 源 作用 时 , B 点温 度 变化 平缓 , 供 电 结 束 时 B 点 的温 度 只 有 81 8 ℃ , 远低 于 is C 的合 成温度 `幻; 双 热源 作 用 时 , 供 电初 期 , B 点温 度 上 升缓慢 , 中期温度 上 升速度 明显 加 快 , 供 电后期 , 温 度 上升 又趋 于 平缓 , 这 一 规律 在三 热源 炉 中表 现 更 为 突 出 . 曲线 2 在 供 电 结 束 时 的 温 度 为 1 85 5℃ , 此温 度 己经 能 够合 成 p 一 SI lC[ , , ; 平行 三 热 源 炉 由 于 热 源 屏 蔽 , 供 电 结 束 B 点 温 度 为 1 90 3℃ : 立 体 三热 源合 成 炉 内 , 供 电结 束时 B 点 温 度 大 幅升 高 , 较 单热 源 炉 提 高 了 1 4 40 ℃ , 热 能 叠 加效 果 非常 明显 . 表 明多热源 合 成炉 充分 利 用 了在 单 热 源 炉 中 散 失掉 的部 分 热 能 , 使得 在 单 热 源 炉 中无 法 形成 SI C 的 区 域 , 生成 了 SI C , 并 且 在立 体 三热 源合 成炉 中形 成 了高 结晶 is C 产 品 温 区 `101 . 从 图 4 看 出 , 在合 成 中 期 , B 点温 度 变 化较 快 . 主要 是 因 为供 电初期 炉 芯周 围生成 is C 的 导 热 系数 .6 2 -9 .9 63 W · m 一 , · K 一 ’远 远 大 于物料 的 导热 系 数 .0 23 一 0 . 4 7 W · m 一 ’ · K 一 ’ , 此 时 已 形成 的 is C 结 晶 筒 也充 当了热源 的作用 , 传 热动 力 与物 质扩 散动 力 增强 , 反 应 更剧 烈 . 此现 象 预 示着 SI C 产物 的 大 量生 成 与质量 调 整在 合成 的 中后 期 , 所 以在合 成 的 中后 期应 严 格控 制 生 产工 艺 . 2 0 0 0 1 单热源 2 二热源 3 平行三热源 4 立体三热源 0 匕曰 . 典国 巴巴二二二二` - -孟 一 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6() 7 0 8 0 供 电时 间瓜 图 4 B 点的温 度随 时 间变化 规律 珑.4 R e l a iot ” of et . 碘ar 加牌 w 妞血柱. e at 和纽t B 1 3 温 度 梯 度变 化 规律 由图 5 供 电结束 时 多热源 炉 的温 度梯度 图可 以看 出 , 多 热源合成 炉 内热 源 结合 部温度梯 度 由 单热 源 1 08 0 ~ 2 160 ℃ · m 一 公 平行 三 热源 7 15一 1 43 1 ℃ · m 一 , 一 立 体三 热 源 6 7 1一 1 3 42 ℃ · m 一 ’ , 温 度 梯 度 逐渐 降低 , 温 度 均 匀性更 好 , 低 温度 梯度 分 布 范 围更宽 , 多 热源 合 成炉 内无 高温 聚 集 区 , 生 产 更 平稳 更 安全 . .3 4 试验 结 果 与分 析 工 业现 场 立 体 三 热 源 炉 和 平 行 三 热源 炉 所 形成 的结 晶筒照 片 ( 图 6) 可 以看 出 , 立体 三 热源 炉 由于三 热源 之 间物 料透 气 性较 差 , 炉 体 中间 部 位 距 离 炉 芯相对较 远 , iS 蒸 气扩 散受 到 阻碍 , 该 区 域 is C 远 不 如 炉 芯周 围的致 密 , 在 立体 三 热源 之 间 出现 了一 个似三 角 形 的 空区 . 因此 , 应 充分 注 意立 体 炉型 热源 结 合部 物料 的 配 比 , 应 减 小热 图 5 多热源 合成炉 炉 内温度场 温度 梯度图 ( ℃ · m 一 ) 价g · 5 eT m p e r a ot . g r a d i e n t 加 a . u l林h e a t s o . 概 fu 门ac e

Vol.27 No.5 陈杰等：多热源合成SiC传热规律 ·539· (a)平行三热源炉合成的结品筒 (6)立体三热源合成的结晶筒 图6三热源合成炉工业试验的碳化硅结晶简照片 Fig.6 SiC crystal photos of industrial test in a three-heat-souree furnace 阻以利于热量扩散及物质迁移.平行三热源结合 高温区分布更宽，从而形成了SC,尤其是形成了 区域良好的透气性及热能叠加，结晶筒相对独 大量的高品位SiC.工业试验表明，多热源合成 立，产品多为高结晶、高致密的一级品SiC.此现 SiC技术比Acheson单热源炉的单炉产量提高 象与模拟结果相符.工业试验表明，多热源合成 48.1%,特、一级品率提高30%，节能10%以上. SiC技术比Acheson单热源炉的单炉产量提高 (2)多热源合成炉中，热源结合部的温度梯度 48.1%,特、一级品率提高30%，节能10%以上. 降低，温度均匀性更好，使生产更平稳更安全. 实验室对不同炉型同条件的实验结果（表1） 参考文献 表明，多热源炉合成SC比单热源合成炉具有更 [1]Acheson E G.Production of Artificial Crystalline Carbonaceous 高的产量，更低的能耗 Materials.US Patent,492767.1893 表1不同炉型同条件的实验结果对比 [2]Boesker W DG.Silicon carbide:from acheson's invention to new Table 1 Experimental results under the same condition of differ- industrial products.CFI/Ber 1997,74(5):244 ent furnaces [3]Mehrald K H.History and economic aspects of industrial SiC manufacture.CFI/Ber,1992,69(3):72 结晶简质单位能耗/ 炉型 炉芯尺寸cm 节能% [4】李志宏，肖俊明.碳化硅冶炼炉的改进，金刚石与磨料磨 量kg(kw.h-kg) 具工程，1995,88(4)：302 单热源142×24×15 107.0 12.97 [5]Kuriakose,Areekattuthazhayilk.Silicon Carbide Production and 平行三热源 142×8x5 129.3 10.73 17.3 Furnace.United States Patent.4419336.1983 立体三热源 142×8×5 132.0 10.52 18.7 []王晓别，碳化硅合成理论与技术，西安：陕西科学技术出 版社，2001.189 4结论 []王晓刚，李晓池.多热源工业合成SiC技术.硅酸盐学报. 2002,30(增刊)：101 (I)随热源数目的增加，原来不能合成SiC的 [8)李小池，王晓刚，郭晓滨.不同热源合成SC冶炼炉温度 区域，由于利用了单个热源的“余热”（使用传统 场的有限元分析及计算机模拟.无机材料学报，2003,18 单热源合成炉外围低温区域散失掉的部分热能) (3):667 [9]陈杰，郭继华，王晓刚.工业合成SC的节能提质技术及 通过多热源间的温度叠加和热源屏蔽而得以利 C0收集.金刚石与磨料磨具工程，2005,145(1)：492 用，使高温区域热能扩散和物质扩散动力更强， [10]张念东.碳化硅磨料工艺学.北京：机械工业出版社，1978 Heat transfer law in multi-heat-source synthesis of silicon carbide CHEN Jie,WANG Xiaogang,GUO Jihua Dept.of Material Science and Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China ABSTRACT Through numerically simulating the temperature field in a multi-heat-source synthetic SiC furnace, the temperature distribution at characteristic points was obtained,and the dynamic laws of thermal gradient and ther- mal flow intensity were put forward.The heat and mass transfer law in multi-heat-source synthesis of silicon carbide were revealed.It was shown that due to the superposition effect of thermal fields and the shielding action of furnace cores,the SiC output of the multi-heat-source furnace increased by 48.1%compared with that of an Acheson single- heat-source furnace,the highest grade SiC increased by 30%,and the consumed energy reduced more than 10%.In addition,the frequent spouting was diminished,and the furnace was become more productive and safe. KEY WORDS multi-heat-source furnace;silicon carbide;heat and mass transfer;temperature field;numerical simulation

V b l 一 2 7 N o . 5 陈 杰等 : 多 热源合 成 is C 传热 规律 一 5 3 9 - (a )平 行三热 源炉合 成 的结 晶筒 (b )立体 三热 源合成的结 晶 筒 图 6 三热 源合 成炉 工业试 验 的碳 化硅结 晶筒 照片 F i g . ` S IC e 叮s at l p h o t o s o f 恤d u s t iar l t o t 恤 a t h n 姆 . b e a -t s o u代 e fu r n a e e 阻 以利于 热量 扩散 及物 质迁 移 . 平 行三 热源 结合 区域 良好 的透 气 性 及 热 能 叠加 , 结 晶筒 相对 独 立 , 产 品多 为高 结 晶 、 高 致 密 的一级 品 is C . 此 现 象与 模拟 结 果相 符 . 工业 试验 表 明 , 多热 源合 成 is c 技 术 比 A ch es on 单热 源 炉 的单 炉 产 量 提 高 48 . 1% , 特 、 一 级 品率提 高 3 0% , 节 能 10% 以上 . 实验 室 对 不 同炉 型 同条件 的实验 结 果 (表 l) 表 明 , 多热源 炉 合成 is C 比单热 源合 成 炉 具有 更 高 的产 量 , 更 低 的 能耗 . 表 1 不同 炉 型同 条件 的实验 结果 对 比 aT b l e 1 E x p e 对m e n at l叱目 t s u n d e r th e s a m e e o . d i iot n o f d i幻阮-r e . t fu , a e” 炉 型 炉 芯 尺 寸 c/ m 结 晶筒质 单位 能耗 / 量瓜 g 10 7 . 0 12 9 . 3 13 2 . 0 ( k w · h · gk 节 能%/ 单热 源 平 行三 热源 立 体三 热源 14 2 x 24 洲 15 14 2 x 8 欠 5 14 2 x 8 x 5 1 2 . 9 7 10 . 7 3 10 . 5 2 17 . 3 18 . 7 4 结论 ( l) 随热 源数 目的增 加 , 原来 不 能合 成 is C 的 区 域 , 由于 利 用 了单个 热 源 的 “ 余 热 ” ( 使用 传 统 单 热源 合成 炉 外 围低温 区域 散失 掉 的部 分热 能 ) 通 过 多热 源 间 的温 度 叠 加 和 热源屏 蔽而 得 以利 用 , 使 高 温 区 域 热 能扩 散和 物 质扩 散 动 力更 强 , 高温 区 分布 更宽 , 从 而形 成 了 is C , 尤其 是 形成 了 大量 的高 品位 SI C . 工业 试 验表 明 , 多 热源 合成 is C 技 术 比 A hc es on 单 热 源 炉 的 单 炉 产量 提 高 48 . 1% , 特 、 一 级 品率 提 高 30 % , 节 能 10% 以上 . (2 ) 多热 源合成炉 中 , 热源 结合 部 的温度 梯度 降低 , 温 度 均匀 性 更 好 , 使 生产 更 平稳 更 安全 . 参 考 文 献 川 A hc e s o n E G . P or d u c it 叨 o f A rt i丘c ial C yr sat iln e C ar bo n ac e o us M a t e r i a l s . U S P aet 叭 4 9 2 76 7 . 18 9 3 [ 2 ] B o e s k e r W D G . S iil co n e ar b ld e : 五u m a e h e s o if s i n v e int o n ot D e w in d u s itr al Por d u e st . C F l l B e ` 19 9 7 , 7 4 ( 5 ) : 2 4 [ 3 ] M e hr a 】d K H . H i s t o yr an d 郎 o n onu e as P e e st o f in d u s itr al S IC m an u fa c tU 代 . C F U B e r , 19 9 2 , 69 ( 3 ) : 72 4[ ] 李 志宏 , 肖俊明 . 碳化硅 冶炼 炉 的改进 . 金 刚石 与磨料磨 具 工程 , 19 9 5 , 88 ( 4 ) : 3 0 2 [ 5 ] K u ir ak o se , A 民 e k a t u ht a z h a y i lk S i li e o n C arb id e P or d u c t i o n an d F u m a e e . U n i怡d S at te s P at e lt . 4 4 193 3 6 . 19 8 3 16 ] 王晓 刚 . 碳 化硅 合成 理论 与技 术 . 西 安 : 陕西 科学 技术 出 版 社 , 2 0 0 1 . 1 8 9 7[ ] 王 晓刚 , 李 晓池 . 多热 源工 业合 成 is C 技术 . 硅酸 盐学 报 . 2 0 02 , 3 0 (增 刊 ) : 10 1 8[ ] 李 小池 , 王晓 刚 , 郭晓滨 . 不 同热 源合 成 is C 冶 炼炉温 度 场 的有 限元 分析 及计 算机模 拟 . 无机材 料学报 , 20 03 , 18 ( 3 ) : 6 6 7 9[ ] 陈杰 , 郭继 华 , 王晓 刚 . 工业合 成 is C 的 节能提 质技 术及 C O 收 集 . 金刚 石与磨 料磨 具工 程 , 2 0 5 , 145 (l) : 4 92 【10] 张 念东 . 碳 化硅 磨料 工艺学 . 北 京 :机械 工业 出版社 , 19 78 H e a t tr an s fe r l aw in mu lt i 一 h e a t 一 5 0 眠 e s y n th e s i s o f s ili e o n c a br id e C 厅E 那五砚 砰还N G Xi a o g砚 ng, G〔入, ihJ au D e P t . o f M aet ir a l S c ie n e e an d E n g ien e inr g , X i , an U ul ve sr iyt o f S e ien e e an d eT e hn o l o gy’ X i , an 7 10 0 54 , C h i n a A B S T R A C T T h or u g h n um er i e a l ly s im u alt ign hte te m P e r a t uj re if e l d in a mu it i 一 h e at 一 50 毗 e s yn ht e it e S IC fu m a e e , ht e et m P e r a ot 祀 d i s itr b ut i o n at e h a r a c t e ir s t i e P o in t s w a s o b at i n e d , an d ht e d yn am i e l aw s o f t h e mr a l gr a d i en t an d ht e r - m a l fl o w i nt e n s iyt w e er P u t fo wr 耐 . hT e h e at an d ma s s tr a n s fe r l aw in m u lit 一 h e at 一 5 0眠 e s yn het s i s o f s i li e o n e a r bi d e w e er er v e a l e d . It w as s h o wn ht at du e ot ht e s uP e rp o s i t i on e fe e t o f ht e mr a l if e l d s an d het s h i e ld i n g 即 t i o n o f fu m ac e e眼 s , ht e S IC o u tP u t o f ht e m u lit 七ae -t s o 二 e if zm a e e in e er a s e d 妙 4 8 . 1% e om P毗d w i ht ht a t o f an A icl e s on s ign l e - h e at 一 s o u 犯e fu nr a c e , ht e h i g h e s t gr ad e S IC i n 眼 a s e d b y 3 0% , an d ht e e o n s u r o e d en e 笔y 化du e e d m o er ht an 10% . nI a d d iit o n , het 加q u e nt s P o ut in g w a s d im而 s h e d , an d ht e if ln l a e e w a s b e e o m e m o er Por du e t i v e an d s a fe · K E Y W O R D S mu lt i 一 h e at 一 s o u 比e fu m ac e ; s i li e o n e a r b i d e ; h e at an d m a s s tr a n s fe r : et m P e r a ot 把 if e ld ; n u r o e ir e a l s im u l at i o n