Повышение энергетической эффективности производства карбида кремния на основе моделирования плавильного процесса Закожурникова Галина Сергеевна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ условий протекания технологического процесса получения карбида кремния 12

1.1. Химические основы получения карбида кремния 12

1.2. Конструкции печей сопротивления для получения SiC 13

1.3. Технологический процесс получения карбида кремния в электрических печах 18

Глава 2. Существующие математические модели процессов, протекающих при получении карбида кремния в электрических печах сопротивления 28

2.1. Известные математические модели процесса получения карбида кремния. Проблемы моделирования 28

2.2. Моделирование тепломассопереноса в пористых телах 30

2.3. Математическое моделирование сушки материалов 34

2.4. Математическое моделирование процесса фильтрации 36

2.5. Модели расчета теплофизических параметров дисперсных сред 43

2.6. Описание химических реакций, определяющих технологический процесс 47

Глава 3. Моделирование процессов в печи для производства карбида кремния 49

3.1. Общая структура модели тепломассопереноса в печах при производстве карбида кремния 49

3.1.1. Общая физическая модель процесса 49

3.1.2. Математическая модель

3.2. Модель расчета объемных тепловыделений qV,эл 55

3.3. Модель расчета qV,хим 56

3.4. Модель сушки пористого проницаемого материала при внутреннем нагреве

3.4.1. Расчет влагоудаления из реакционных зон печей сопротивления 57

3.5. Модель тепломассопереноса фильтрационным потоком газа 65

3.5.1. Расчет поля давления в пористой среде с реагирующими компонентами 65

3.5.2. Модель расчета qV,эф

3.6. Модель расчта эффективного коэффициента теплопроводности эф 69

3.7. Модель изменения пористости системы 71

Глава 4. Верификация моделей сушки и фильтрации

4.1. Расчетные исследования по модели сушки 73

4.2. Выделение газов в процессе плавки 76

4.3. Расчетные исследования по модели фильтрации

4.3.1. Определение функции Т 79

4.3.2. Определение функций х и с 82

Глава 5. Результаты экспериментальных и расчетных исследований температурных полей при производстве карбида кремния. Разработка рекомендаций по повышению энергетической эффективности производства SiC

5.1. Экспериментальное определение температур в рабочей зоне печи 89

5.2. Описание расчетной программы 95

5.3. Результаты численных исследований 98

5.4. Рекомендации по повышению энергетической эффективности производства. Ожидаемые результаты при реализации энергоэффективных мероприятий 108 Выводы по работе 115 Список литературы 116

Приложение

• Конструкции печей сопротивления для получения SiC
• Моделирование тепломассопереноса в пористых телах
• Модель расчета объемных тепловыделений qV,эл
• Расчетные исследования по модели фильтрации

Введение к работе

Актуальность темы.

В настоящее время все более широкое применение для различных целей находят соединения кремния. К таким соединениям относится и карбид кремния. Этот материал используют в энергетике, электронике, машиностроении. По мере расширения сферы применения карбида кремния не только увеличивается потребность в его производстве, но и повышаются требования к качеству материала, в частности к его чистоте и стабильности свойств. Объемы и стоимость производства карбида кремния, его качество зависят, в том числе, от технологии получения этого продукта. Существующая технология производства карбида кремния - это высокотемпературный энергоемкий процесс, осуществляемый в специальных электрических печах.

Совокупность физических и химических явлений, протекающих в таких печах, оказывается весьма сложной с большим числом внутренних взаимосвязей. Совершенствование методов управления технологическим процессом получения карбида кремния с целью увеличения выхода конечного продукта, повышения его качества, экономии энергетических ресурсов представляет собой важную актуальную задачу.

В современных условиях улучшение показателей производства карбида кремния требует, кроме экспериментальных исследований, наличия математических моделей тепломассопереноса, позволяющих решать задачу оптимизации режимов работы технологических печей и осуществлять управление ими, в том числе в режиме реального времени. Немногие известные математические модели процесса производства карбида кремния используют существенно упрощенную картину процесса и не позволяют получить необходимую информацию об изменении важных для получения карбида кремния параметров, определяющих его качество и выход как конечного продукта производства.

Объектом исследования является электрическая печь для производства карбида кремния. Производство SiC представляет собой организованную совокупность взаимосвязанных процессов тепло- и массопереноса при нагреве многокомпонентного исходного загружаемого в печь материала (шихты).

Целью данной работы является повышение энергетической эффективности производства SiC в электрической печи сопротивления через совершенствование технологического процесса на основе анализа результатов моделирования процессов тепломассообмена, сопровождающих производство карбида кремния.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

1. Проведен анализ химических и физических процессов, протекающих при получении карбида кремния в электрических печах, для выявления базовых факторов, которые необходимо учитывать при математическом моделировании для воспроизведения поля температур в рабочей зоне печи.

2. Построена общая модель определения температурного поля, учитывающая:

- перенос тепла теплопроводностью в пористой многокомпонентной
среде с внутренними источниками тепла;

фильтрационный перенос тепла;

теплообмен излучением;

химические реакции с участием компонентов исходной смеси;

удаление влаги из твердой составляющей.

3. Проведена верификация общей математической модели плавки на основе экспериментальных данных, полученных в условиях действующего производства.

4. Созданы алгоритм численного расчета и программа для ЭВМ, реализующая предложенную математическую модель.

5. Определены мероприятия по уменьшению затрат электрической энергии на единицу продукции и представлены количественные результаты по сокращению потребления энергоресурсов во время плавки в печах сопротивления при реализации рекомендуемых мероприятий.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Впервые создана и верифицирована в условиях действующего производства общая математическая модель процесса получения карбида кремния, учитывающая перенос тепла теплопроводностью в пористой многокомпонентной среде с внутренними источниками тепла, фильтрационный перенос тепла, теплообмен излучением, химические реакции, удаление влаги из твердой составляющей.

2. Впервые получены данные о влиянии явлений влагопереноса и фильтрации в слое исходного материала на распределение температур в реакционной зоне печи применительно к процессу получения карбида кремния.

3. На основании численных экспериментов впервые показана возможность сокращения теплоподвода на конечном этапе процесса производства карбида кремния без сокращения размеров реакционной зоны, а также определены характеристики указанных энергоэффективных режимов плавки.

Основные методы научных исследований. В работе использованы фундаментальные методы теории тепломассообмена, математического моделирования, методы экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

4. Показана возможность и произведена количественная оценка снижения удельной энергоемкости продукции в процессе производства карбида кремния путем сокращения энергоподвода на заключительном этапе процесса.

5. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании электротермических печей сопротивления для выбора геометрических параметров реакционной зоны и предельной мощности печи.

6. Программа для ЭВМ, реализующая разработанную математическую модель, может быть использована для выбора режима плавки и состава шихты с целью повышения энергетической эффективности технологического процесса получения карбида кремния.

4. Использование расчетной программы позволяет отказаться от
дорогостоящих промышленных экспериментов.

Достоверность и обоснованность. При выполнении работы использованы фундаментальные физические законы, апробированные теоретические и экспериментальные методы исследования. Достоверность конечных результатов подтверждена сравнением с опытными данными, полученными автором, а также с опытными данными из литературных источников.

На защиту выносится:

7. Математическая модель процесса плавки в печи для получения карбида кремния, учитывающая особенности тепломассопереноса в пористых средах.

8. Результаты натурных экспериментов по определению изменения температур в печи сопротивления.

3. Результаты численных расчетов температурных полей в технологии
производства карбида кремния.

4. Рекомендации по повышению энергетической эффективности производства SiC.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и

обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 13-я, 14-я, 15-я, 16-я Межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых и студентов (г. Волжский, МЭИ, 2007, 2008, 2009, 2010 гг.); Межрегиональная научно-практическая конференция (г. Волжский, МЭИ, 2007, 2009 гг.); 2-я, 3-я Всероссийская научно-практическая конференция (г. Волжский, МЭИ, 2008, 2010 гг.); Краткие сообщения XXX Российской школы, посвященной 65-летию Победы (г. Екатеринбург: УрО РАН, г. Миасс Челябинская обл., 2010 г.); Международная научно-техническая конференция (XVI Бенардосовские чтения) (г. Иваново, ИГЭУ, 2011 г.); X Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» (г. Казань, КГЭУ, 2015 г.).

Публикации: Основное содержание диссертационной работы изложено в 17 публикациях, в том числе 4 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий ВАК РФ.

Личный вклад соискателя. Все основные результаты диссертации получены автором самостоятельно. В том числе соискателем лично:

1. Разработана и верифицирована в условиях действующего производства
общая математическая модель процесса получения карбида кремния, учитывающая
его основные особенности.

2. Разработаны алгоритм численного расчета и программа для ЭВМ, реализующая указанную модель.

3. Проведены натурные эксперименты по определению нестационарного поля температур в промышленной печи по производству карбида кремния.

4. Проведены численные эксперименты и на их основе разработаны рекомендации по снижению удельной энергоемкости продукции в производстве карбида кремния.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация объемом 127 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Список цитируемых источников составляет 103 наименования.

Конструкции печей сопротивления для получения SiC

Торцевые стенки ее выложены из шамотового кирпича на глине, боковые стенки – из съемных щитов, представляющих собой стальные рамы, заполненные кладкой из того же кирпича. Кладка боковых стенок ведется решеткой всухую для облегчения выхода наружу образующихся в печи газов и последующего горения их вне печи. Само название печи этого типа говорит о том, что подина не участвует в отводе газов из печи. Первый слой пода выкладывают из шамотового кирпича, на который укладывают слой древесных опилок или стружек, преследуя цель хорошей тепловой изоляции. На некоторых заводах под выкладывают из кусков спкшейся массы старой шихты, поверх которой располагают ту же массу, но рыхлую, в смеси с опилками, слегка смоченными водой для лучшего уплотнения массы. Эта часть подины сменяется после нескольких циклов работы печи. Электроды входят вовнутрь печи, выступая своими торцами за внутренние поверхности торцевых стен печи в ее рабочее пространство. Для защиты электродов от окисления и для усиления стенки делают дополнительную набойку из шихты на жидком стекле. Эта набойка делается на скос заподлицо с концом электрода.

С целью лучшего использования теплоты горячих газов была создана печь, получившая название гамачной. Общая конструкция такой печи показана на рис. 1.2.

На рис. 1.3 изображена конструкция печи, которую называют металлоогне-упорной [8]. Е подину набирают из литых рам жароупорной стали или чугуна, а боковые стенки – из листов жароупорной стали или чугунных плит. Рамы имеют кассеты для укладки кирпича, а листы или плиты перфорированы для облегчения выхода газов.

Печь по длине разделена на секции, изолированные между собой огнеупорным кирпичом. Эта печь, благодаря небольшой толщине и пористости огнеупорной футеровки, отличается от гамачной печи еще большей газопроводностью и, кроме того, меньшей теплоемкостью. Она легко и быстро ремонтируется; на ее постройку затрачивается меньше огнеупора, но зато расходуется около 10-15 т металлических конструкций.

В зависимости от мощностей печей, достигающей в настоящее время 2500 кВт, размеры их изменяются как по длине (от 7 до 17 м), так и по ширине (от 1,8 до 3,6 м).

Еще более совершенными являются самоходные печи (рис. 1.4), позволяющие значительно повысить производительность. Это достигается благодаря тому, что после отключения печь с готовым продуктом вывозится из печного гнезда и поступает в другие отделения, где она остывает и где осуществляется ее разборка и сортировка продуктов [9]. Самоходные печи, в частности, используются на Волжском абразивном заводе.

Самоходная печь является отечественным изобретением. Основанием печи служит платформа, сваренная из швеллеров, на которую устанавливается каркас из чугунных колосников, образующих подину. Поверх колосников подина выстилается шамотным кирпичом. В поперечном сечении подина имеет вид гамака. По краям подины устанавливают 12 чугунных щитов (по шесть с каждой стороны), образующих боковые стенки печи. Щиты крепятся к стойкам болтами и планками. Между щитами при установке оставляют промежутки, которые закладывают шамотным кирпичом (всухую). От стоек щиты изолируются также кирпичом. Пакеты рабочих электродов, подводящие в печь электрический ток, монтируются в торцевых стенках. Несущей конструкцией торца является железобетонный каркас, устанавливаемый на раму печи и выкладываемый кирпичом. Кирпичная кладка служит основанием для пакета электродов.

Со стороны рабочего пространства печи торец футеруется теплоизоляционными угольными блоками, поверхность которых обмазывается графитовой пастой. Пакет, состоящий из четырех рабочих электродов сечением 400 400 мм и длиной 1800 мм, выступает внутри печи на 100 мм, а снаружи на 500 мм. Наружная, выступающая часть используется для крепления контактного устройства.

Ходовое устройство печи смонтировано на передней части платформы, перед торцом. Оно состоит из мотора, редуктора, вала и зубчатой передачи. В зависимости от мощности изменяются и размеры печей. Удельная мощность на поверхности керна с увеличением мощности печи возрастает почти в два раза, также возрастает удельная мощность на сечении керна.

Габариты печей: длина от 7 до 17 м, ширина от 1,8 до 4,0 м, высота от 1,7 до 3,0 м. Основанием печи служит массивная литая подина из огнеупорной стали, чугуна или бетона, а боковыми стенами - чугунные или бетонные плиты с отверстиями для облегчения выхода газов. Основание смонтировано на железнодорожных тележках, что позволяет передвигать ее в соответствии с текущим процессом (загрузка, охлаждение, разгрузка).

Одной из особенностей некоторых конструкций печей для производства карбида кремния, применяемых в зарубежных странах [10], [11], является наличие внешнего укрытия печи (рис. 1.5), с помощью которого производится сбор и удаление выделяющихся в ходе плавки газов, в первую очередь угарного газа. Дожигание газов осуществляется в специальных утилизаторах с использованием теплоты горения этих газов. В ходе плавки сопротивление сердечника и всей печи в целом непрерывно изменяется.

Основным сырьем для производства карбида кремния служат кварцевый песок и нефтяной кокс. К сырьевым материалам предъявляются высокие требования по чистоте, так как большое содержание примесей (оксиды АI2O3, Fe2O3, СаО) снижает качество и выход годного карбида кремния. Кроме основных сырьевых материалов в реакционную шихту при загрузке печи добавляются возвратные материалы, полученные после электротермического процесса, – возвратная шихта и возвратный аморф. Возвратная шихта представляет собой смесь кварцевого песка, прокаленного нефтяного кокса и карбида кремния. Возвратный аморф – мелкокристаллический карбид кремния, полученный после сортировки куска карбида кремния.

Карбид кремния (КК) выпускается промышленностью в виде двух разновидностей, отличающихся друг от друга цветом (КК зеленый (КЗ) и КК черный (КЧ)), качеством и технологией производства. Кроме вышеперечисленных сырьевых материалов при производстве зеленого карбида кремния в шихтовые материалы добавляется хлорид натрия и опилки. При производстве электротехнического карбида кремния в шихту добавляют глинозем.

Приготовление шихты производится путем весовой дозировки и смешивания всех компонентов. Шихта в печь загружается в определенной последовательности и слоями определенной величины. По центру вдоль печи между пакетами электродов выкладывается проводник тока из графита (керн). Схема загрузки печи и расположения блока до начала электротермического процесса представлены на рис. 1.6 и 1.7.

Моделирование тепломассопереноса в пористых телах

Данный параграф посвящен существующим подходам по описанию тепло-физических свойств многокомпонентных дисперсных сред.

Согласно [52], исследование теплопроводности капиллярно-пористых тел и дисперсных материалов проводится двумя путями.

Первый путь - экспериментальное исследование теплофизических характеристик материалов. Теоретические предпосылки при этом в большинстве случаев соблюдаются с некоторым приближением, этот путь дает возможность определить эффективные значения теплофизических характеристик с достаточной точностью. Надежные измерения теплопроводности капиллярно-пористых тел и дисперсных материалов необходимы не только для получения количественных данных, но и для понимания основных явлений переноса теплоты в таких системах, так как хорошо поставленный эксперимент дает возможность изучить зависимость тепловых свойств материалов от температуры, давления и рода газа в порах, пористости, частиц твердой фазы и других факторов.

Акцентирование внимания на чисто количественных величинах, на многочисленных эмпирических и полуэмпирических соотношениях без теоретического анализа, без рассмотрения взаимного влияния различных факторов уводит от понимания фундаментальных процессов переноса теплоты, имеющих место в гетерогенных системах. Поэтому весьма распространенным является второй путь, основанный на рассмотрении реальной структуры капиллярно-пористого или дисперсного материала, моделировании такой системы и последующем расчете ее эффективной теплопроводности для реальных условий работы материала.

Несмотря на большое разнообразие реальных гетерогенных пористых систем по их химическому составу, пористости, размерам частиц и пор, их различную ориентацию по отношению к тепловому потоку и сложность теоретического анализа и математического описания тепловых процессов, происходящих в таких материалах, в настоящие время существуют теоретические зависимости, позволяющие с большей или меньшей точностью рассчитать эффективную теплопроводность пористых гетерогенных систем. Однако следует подчеркнуть, что все еще отсутствуют соотношения, которые были бы общепринятыми для расчета эффективной теплопроводности капиллярно-пористых и дисперсных систем.

Широко распространенным и достаточно эффективным методом теоретического исследования теплопроводности капиллярно-пористых тел и дисперсных сред является использование для этой цели принципа обобщенной проводимости [52], базирующегося на аналогии между дифференциальными уравнениями стационарного потока теплоты, электрического тока, электрической и магнитной индукции, потока массы. Необходимо отметить, что использование принципа обобщенной проводимости оказывается наиболее эффективным, если оно сопровождается рассмотрением структуры материала, оценкой пористости системы, размеров частиц и пор, способов контактирования частиц между собой, оценкой влияния кондуктивной, конвективной и радиационной составляющих на эффективную теплопроводность системы. Передача теплоты в дисперсных материалах осуществляется посредством: - теплопроводности самих частиц материала; - теплопроводности газа, заполняющего поры материала; - передачи теплоты теплопроводностью от одной частицы к другой в местах их соприкосновения; - конвекции газа, в среде которого находится засыпка; - излучения от частицы к частице.

Даже простое перечисление всех этих видов переноса в дисперсных системах делает очевидным тот факт, что эффективная теплопроводность такой системы является сложнейшей функцией температуры, давления газа, химического состояния материала и газа, пористости, размеров и форм частиц и пор и многих других факторов.

Составление, анализ и решение уравнений, учитывающих все виды переноса теплоты и все указанные выше факторы, встречает очень большие трудности. Поэтому все полученные к настоящему времени расчетные соотношения выведены на основе некоторых принципиальных и частных допущений, на основе упрощения физической картины рассматриваемого процесса и идеализированного представления о структуре материала.

Существует большое количество расчетных соотношений, выведенных для определения эффективной теплопроводности дисперсных систем [53], [54]. При этом, однако, необходимо отметить, что многие расчетные зависимости дают заметное расхождение с экспериментом, что объясняется многими причинами: - требуется различный подход к расчетам эффективной теплопроводности дисперсных систем в зависимости от взаимного расположения и количества составляющих систему фаз; - ни одна теория не может учесть влияния на контактную теплопроводность реального распределения частиц и пор по размерам, их форм и контактов между соседними частицами. Для влажного материала вводится понятие эффективной плотности влажного пористого вещества.

Авторы [55] выделили из всего многообразия методов теории обобщенной проводимости наиболее продуктивные и дали их обоснование. Предложен метод, позволяющий анализировать не только тепло- и электропроводимость неоднородных материалов, но и диффузионные, магнитные, механические свойства в широком диапазоне температур, в условиях наложения различных физических полей, при фазовых переходах.

В. Н. Щелкачев, Б. Б Лапук в своей книге [56] рассматривают упрощенные модели идеального и фиктивного грунтов. Реальные пористые пласты отличаются от фиктивного грунта тем, что слагающие их частицы (песчинки) разнообразны по своим размерам, форме и шероховатости поверхности. Поэтому для применения формул, полученных для фиктивного грунта, заменяют реальный грунт фиктивным грунтом, причем этот эквивалентный фиктивный грунт должен обладать таким же гидравлическим сопротивлением для фильтрующейся жидкости, что и реальный грунт. Диаметр частиц такого эквивалентного фиктивного грунта называется эффективным диаметром.

Для определения величины эффективного диаметра частиц существуют различные способы, к числу которых относятся следующие: способ среднего диаметра, способ счета и взвешивания, способ средней частицы, способ Е. А. Замарина, А. Заубера и др. Изложение всех этих способов дается в книге Л. С. Лейбензона. Поэтому ограничимся изложением всего лишь двух способов определения величины эффективного диаметра dэ.

Модель расчета объемных тепловыделений qV,эл

Для печи сопротивления с засыпкой из шихты рассмотрена задача тепло-массопереноса при сложном теплообмене. Построенная математическая модель является комплексной, описывающей следующие частные взаимосвязанные процессы: нестационарный процесс теплопроводности; сушку; распределение давления газов в шихте и фильтрацию газа; подвод тепла за счет внутреннего нагрева керна электрическим током; теплоту химических реакций. Модель позволяет построить алгоритм расчета температурных полей с учетом всех основных процессов, влияющих на тепломассоперенос в печах при производстве карбида кремния.

Описан тепломассобмен в пористой среде с внутренними источниками тепла. Учтены основные факторы, влияющие на интенсивность процессов тепломассообмена в электропечах сопротивления, а именно: теплота химических реакций, образование дополнительной газовой составляющей, процесс сушки, перенос тепла фильтрационным потоком газа. Расчетное определение температурных полей в процессах образования карборунда позволит подобрать варианты загрузок печи и режимов плавки карбида кремния с целью увеличения выхода продукта и экономии энергоресурсов.

Ввиду отсутствия экспериментов по сушке исходной шихты при постоянной температуре и сушке керна при его разогреве и только лишь для проведения качественной оценки работоспособности модели, принимаем время сушки шихты для производства карбида зеленого и для производства карбида чрного т00 = 96 ч и S00 = 0,048 -, что следует из (3.37) при v00 = 0,01. ч ч Принимая время сушки керна т01 =4,5ч при S00 =0,048- и v01 = 0,01, по лучаем из (3.38) 501 = 0,975-, и с учетом графиков температурных изменений на ч поверхности керна: с[1 =250 К/ч; с1 1 =300 К/ч; с 1f1 = 380 К/ч; S0 1=3,9-1031К; 50 1 =3,25-10-31/К; S0 f = 2,566-10"3 1/К;

Температура Т внутренних зон печи в зависимости от времени для карбида кремния черного. Кривые: 1, 2 - tf1 =R2 = tff =0,482; 3 - R3 =0,741; 4 - R" =1,0 На рис. 4.4 [76]представлены результаты расчета, проведенного по соотношению (3.35) для трех зон плавки карбида кремния с оговоренными выше их геометрическими характеристиками.

В порядке заключения можно сделать вывод, что предложенная модель сушки качественно верно описывает реальный физический процесс и может быть использована в качестве подмодели общей модели плавки.

При этом известно, что кроме карбида кремния в конечном продукте некоторое его количество образуется в отходах, так что деление СО на 1 кг SiC в конечном продукте достигает 1,7 кг. Кроме того, в печи выделяются также летучие продукты углеродистых материалов и древесных опилок, количество которых достигает 0,30 кг на 1 кг SiC конечного продукта.

Выделение газов из печи происходит неравномерно: летучие выделяются только в первую половину кампании, скорость же выделения СО зависит от количества образующегося карбида кремния, которое не остается постоянным в течение кампании.

На рис. 4.5 представлена кривая газов, выделяющихся из печи. Воздух, находящийся в порах шихты, быстро вытесняется оттуда летучими продуктами углеродистых материалов, выделение которых продолжается весь период прогрева печи, т. е. 18-20 часов. Весь период содержание СО в газах продолжает расти, указывая, с одной стороны, на процесс прекращения выделения летучих, а с другой, на увеличение скорости образования карбида кремния.

На рис. 4.6 представлена кривая скорости выделения газов из печи, определенная расчетным путем. В начале кампании кривая быстро возрастает сначала за счет выделения только летучих, а через 8-10 часов после начала кампании -за счет развития основной реакции процесса. Максимум скорости выделения газов достигается в середине кампании, после чего начинается ее падение сначала вследствие прекращения выделения летучих, а затем и затухания основной реакции.

На рис. 4.7 представлена зависимость сопротивления шихты прохождению газов от температуры, определенная О. А. Буланиным, сопротивление это выражено во времени (в секундах), необходимом для прохождения через цилиндрический слой шихты (диаметр 44 мм, длина 700 мм) 5 л газа (при экспериментах - аргона во избежание окисления) при давлении 100 мм вод. ст. Сопротивление шихты прохождению газов сначала растет сравнительно медленно с повышением температуры, однако при 800-900 С. При 1450-1500 С начинается новый рост сопротивления, связанный, по-видимому, со спеканием кремниевой кислоты.

Зависимость сопротивления шихты прохождению газов от температуры Таким образом, как видно из рис. 4.7, к моменту течения основной реакции сопротивление шихты прохождению газа увеличивается в 25-30 раз по сравнению с начальной. Во столько же примерно раз должна увеличиться и скорость движения газов в реакционном слое, т. е. достигнуть весьма ощутимой величины.

Принимая, что СО выделяется равномерно по всему реакционному слою, т. е. что в среднем через него проходит половина всего количества газов, приходим к выводу, что скорость их должна составлять от 0,1 25 0,5= 1,25 дo 0,2 25 0,5 = 2,5 м/с. Такая скорость должна, несомненно, вызывать повышение давления в печи.

Расчетные исследования по модели фильтрации

Важно отметить, что экономия электрической энергии при ожидаемом одинаковом выходе конечного продукта для плавки с уменьшением электрической нагрузки через 13 часов составит 11 МВтч, а при режиме со сбросом электрической нагрузки через 10 часов экономия составит уже 14 МВтч.

Для ТЭЦ в условиях Волгоградского региона, согласно работе [103], где проведен анализ статистических данных по фактическим значениям удельных расходов условного топлива на выработку электрической энергии, отмечено сезонное изменение удельных расходов условного топлива от значений bэ = 290 г у.т./кВтч до bэ = 400 г у.т./кВтч.

Приведем расчет экономии электроэнергии при уменьшении потребляемой мощности. Примем, что в год производят 3000 печекампаний по производству черного карбида кремния. Известно, что опытные плавки, то есть плавки, предназначенные для проверки предложений по изменению элемента технологии производства SiC, составляют 24 печекампании в год. При снижении мощности на 1 МВт после 10 часов плавки экономится 14 МВтч электроэнергии с одной печекампании. Годовая экономия составит

Из приведенного расчета видно, что затраты электроэнергии снижаются и экономия составляет 42 млн. руб. в год.

Представим расчет экономии энергетических ресурсов в форме экономии условного топлива, идущего на выработку электрической энергии (по условиям региона). При снижении подводимой электрической мощности через 13 и через 10 часов после начала плавки экономия топлива составит соответственно: изм = 13 ч; 0,32 МВтч105 0,34 103 = 10,8106 кг у.т. изм = 10 ч; 0,41 МВтч105 0,34 103 = 13,9106 кг у.т. По результатам численного моделирования и представленных расчетов можно сделать вывод, что количество электроэнергии для обеспечения необходимого уровня температур в технологическом процессе производства карбида кремния может быть заметно снижено без сокращения производительности печи.

Дополнительную экономию можно получить за счет сокращения числа опытных плавок, либо полного отказа от их проведения. Брак в опытных плавках составляет 30 %. Поэтому если исключить опытные плавки и заменить их численными экспериментами, то экономия электроэнергии составит 72 МВтч с одной печекампании, а с 24 плавок – 1728 МВтч. Вместе с экономией электроэнергии при отказе от опытных плавок также имеет место экономия исходных составляющих шихты (песка и нефтекокса) суммарно до 100 т с одной плавки, а с 24 плавок – 2400 т.

Итак, основной рекомендацией по повышению энергетической эффективности процесса получения карбида кремния является организация ступенчатого уменьшения мощности плавильной печи. При этом начальная мощность (электрическая мощность подведенная к печи) может соответствовать традиционно принимаемой согласно опыту эксплуатации этой печи и установленному составу шихты. Последующие скачкообразное уменьшение мощности производится в определенный момент после начала карбидообразования в зоне, примыкающей к керну. Момент уменьшения мощности в процессе плавки и величина скачка значения электрической нагрузки печи рассчитываются с использованием предлагаемой в настоящей диссертационной работе программы.

Автором были получены экспериментальные данные по нестационарным температурным полям в печи сопротивления при производстве карбида кремния на ОАО «Волжский абразивный завод».

На основе сопоставления проведенных экспериментов и численных расчетов показана работоспособность предлагаемой математической модели и разработанной на ее основе программы расчета температурных полей в печах по производству карбида кремния.

Программа позволяет производить расчет нестационарных температурных полей при изменении геометрческой формы и размеров керна и печи, состава шихты, режимов подвода электрической мощности во время плавки.

По результатам численного моделирования показано, что при уменьшении подводимой электрической мощности через определенное время после начала плавки объем реакционной зоны с температурой выше температуры начала реакции, но ниже критической температуры разложения SiC практически не меняется. Это свидетельствует о том, что выход готового продукта не меняется и процент брака не увеличивается.

Представлены варианты режимов плавки с изменением электрической нагрузки в сравнении с режимом, реализованным на ОАО «ВАЗ». Показано, что экономия электрической энергии может при этом составить 42 000 МВтч в год. Использование рекомендованных режимов плавки позволит снизить удельный расход условного топлива на выход готового продукта на 15-18 %. Дополнительная экономия электрической энергии, а также составляющих шихты может быть достигнута путем сокращения проводимых заводом опытных плавок и заменой их численными экспериментами с использованием разработанной программы. Заинтересованность ОАО «Волжский абразивный завод» в экономии энергоресурсов подтверждается актом внедрения результатов настоящей диссертационной работы.