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