多热源合成碳化硅温度场的均匀性研究.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 1 3 年1 2 月 矿冶 工程 M I N I N GA N D ⅣⅡ￡T A L L U R G I C A LE N G Ⅱq E E R 玳G V 0 1 ．3 3 №6 D e e e m b e r2 0 1 3 多热源合成碳化硅温度场的均匀性研究① 王晓刚，陈杰 西安科技大学材料科学与工程学院，陕西西安7 1 0 0 5 4 摘要通过对碳化硅冶炼炉内温度场的数值模拟，研究了单热源炉与多热源炉温度梯度的分布与演变规律，并采用x 衍射对多 热源与单热源合成炉中不同部位的合成产品的物相进行了对比分析。研究表明，多热源合成炉内温度场均匀性更好；适合碳化硅 生长的高温区域，多热源法要大于A c h e s o n 单热源法；多热源合成炉内无高温聚集区，生产更乎稳、更安全。 关键词碳化硅；多热源；温度场；均匀性；温度梯度 中图分类号0 5 5 1文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 6 ．0 2 6 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 6 0 0 9 7 0 4 U n i f o r m i t yo fT e m p e r a t u r eF i e l di nM u l t i - h e a t - s o u r c eS y n t h e s i s o fS i l i c o nC a r b i d e W A N GX i a o g a n g ，C H E NJ i e S c h o o lo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，X i ’口nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，X i ’a n71 0 0 5 4 ，S h a a r t x i ， C h i n a A b s t r a c t T h ed i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o no ft e m p e r a t u r eg r a d i e n ti ns i n g l e - h e a t - s o u r c ea n dm u l t i - - h e a t - s o u r c ef u r n a c e sa l e s t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l di nas m e l t i n gf u r n a c ef o rs i l i c o nc a r b i d e ．Xr a yd i f f r a c t i o ni su s e d t om a k ep h a s ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ep r o d u c t ss y n t h e s i z e da td i f f e r e n ta r e a si nt h es i n g l e - h e a t - s o u r c ea n dm u l t i - h e a t s o u r c ef u r n a c e s ．T h er e s u l t ss h o wt h a ti nt h em u l t i h e a t s o u r c ef u r n a c et h et e m p e r a t u r ef i e l dh a sb e t t e ru n i f o r m i t y a n dt h e h i g ht e m p e r a t u r er e g i o n f i tf o rS i Cg r o w t hi sw i d e rt h a nt h a t i nt h e s i n g l e h e a t s o u r c ef u r n a c e ．N oh i g h t e m p e r a t u r ea g g r e g a t i o nz o n ee x i s t si nt h em u l t i h e a t s o u r c ef u r n a c e ，i n d i c a t i n gm o r es t e a d ya n ds a f e rp r o d u c t i o n ． K e yw o r d s s i l i c o nc a r b i d e ；m u l t i h e a t s o u r c e ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；u n i f o r m i t y ；t e m p e r a t u r eg r a d i e n t 碳化硅 S i C 以其优良的性能广泛应用于冶金、 石油化工、航空航天、机械、微电子等行业o1 - 3 ] 。S i C 的 主要合成方法是A c h e s o n 碳热还原合成法⋯。近年来 又出现了一系列新的合成方法如燃烧法等。8J ，但多 处于实验或专利文献阶段。目前，工业合成S i C 仍采 用A c h e s o n 法。A c h e s o n 法依靠单个热源发热，热效率 低、能耗高。本研究提出的多热源制备碳化硅材料的 工业实践表明，采用多热源 如三热源 S i C 合成新技 术可使单炉产量提高4 8 ．1 ％，节能1 0 ％以上，并且杜绝 了单热源生产中频繁喷炉事故一‘12 | 。多热源冶炼炉中 多个热源之间的来自多方向的热能的交汇叠加以及由 此引起的热能的彼此作用，有效地分散了炉内热量，降 低了炉内温度梯度，均匀了热场，扩大了碳化硅生成区 间，是单热源合成炉所不具备的，也是多热源冶炼炉相 对于A c h e s o n 炉 单热源合成炉 提质、节能的关键 所在。 本论文采用数值计算，通过研究炉内温度梯度的 分布与演变规律来揭示多热源合成S i C 的温度场的均 匀性，进而寻求多热源合成S i C 工艺节能、提质技术的 理论依据。 1 实验 1 ．1制备 实验原料为石英砂、无烟煤。实验主要设备采用 课题组自行研制的多热源合成炉。将反应料按一定配 比经筛分、混料后，装入合成炉内。供电功率为4 5 ～ 1 2 0k W 。热源尺寸为8c m x 5c m ，热源表面负荷控制 在7 1 5W ／c m 2 。炉体长为1 2 0c m ，宽、高随热源及设 计的需要而变化。保温料的厚度依据部位的不同在 1 5 - 2 0c n l 之间。反应后采用自然冷却方式，冷却时间 ①收稿日期2 0 1 3 0 6 2 2 基金项目国家自然科学基金 5 1 0 7 4 1 2 3 ；陕西省教育厅科研计划项目 1 2 J K 0 7 8 5 ；榆林市产学研合作项目 2 0 1 1 ；西安科技大学博士基 金 2 0 1 1 Q D J 0 2 2 资助 作者简介王晓刚 1 9 5 9 - ，男，陕西蓝田人，教授，博士生导师，主要从事硅镁材料制备理论与应用研究。 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 为1 2 3 6h ；最后进行拆炉、取样和分析。 1 ．2 表征 利用红外测温仪在氩气保护下测试热源温度；利 用普通热电偶和双铂铑热电偶在密封条件下，测试炉 表面和炉表面下1 5e m 以内的温度，确定边界条件。 应用日本理学公司产D ／m a x - 2 4 0 0 型x 射线衍射仪对 多热源合成S i C 产品进行物相分析。 1 _ 3 数学模型 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 箬熹卜磊OT导A而OTCp P g 。i2 磊P 磊J 而IA 而J 吼 式中r 为炉内瞬态温度；t 为合成时间；A 、P 、c 。为材 料的导热系数、密度、比热容；吼为化学反应热；戈和Y 为直角坐标。 定解条件 图1 为 图1 多热源合成炉边界条件的确定 初始条件r 戈，，， I ⋯ ‰ 夕卜边界条件强面 ‰ 坠掣 内边界条件 一A 塑l一A 塑l一A 塑『 O xI ；o a 戈l ，6a 戈l 。6 z 一A 等l 彬 d zl ；2 6 f A 譬I 一A 譬I 6 a y l ，oa y l ， 。 式中伽。为热流密度；b 、h 为热源宽和高；T ，，疋，⋯，t 为实验所测炉体表面各点温度；k 为当时当地的环境 温度。导热微分方程、初始条件及边界条件共同构成 冶炼炉温度场的数学模型。 2 结果及讨论 以二热源合成炉为例分析炉内温度梯度随合成时 间的变化规律，图2 为数值模拟结果。图3 为二热源 合成炉B 点温度梯度随合成时间的变化规律 B 点位 于1 、2 两热源上中部结合部位置 ，图4 为单热源合成 炉合成结束时炉内温度梯度。 黝粼嵫鏊淼溅鍪勰幽蹴⋯⋯⋯蔷鎏渊黼麟 3 ．51 6 1 33 2 2 34 略36 4 4 2 8 0 82 4 1 84 0 2 8S 6 3 77 2 4 7 ■＆黜⋯。．鬣盎i 基⋯⋯I 纛 3 ．2l S 8 43 1 6 54 7 4 56 3 2 6 7 9 3 2 3 7 43 9 5 5S 6 3 77 17 7 ■●■、，。√。■、l■I o ．2l l l 52 2 3 03 3 4 54 4 6 0 5 Y , 81 6 7 32 7 8 73 9 0 2S 0 1 7 图2 二热源合成炉内不同时刻温度梯度变化规律 a 合成初期f b 合成中期fc 1 合成结束 时间／h 图3二热源合成炉B 点温度梯度随合成时间变化规律 ■■戡蛾％| 蠛”臻} 瀚冁镕睡 0 ．11 0 8 02 1 6 03 2 3 94 3 1 9 5 4 01 6 2 02 7 0 03 7 7 94 8 S 9 图4 单热源合成炉炉内温度梯度图 万方数据 第6 期王晓刚等多热源合成碳化硅温度场的均匀性研究 碳化硅合成初期，热源温度逐渐上升，同时热量向 外传递加热物料，物料温度足够高达到反应温度时，合 成反应开始缓慢发生，每个热源的结晶筒开始独立形 成 图2 a ，此时B 点位于结晶筒之外。由于生成 的碳化硅导热系数高于反应料的导热系数，在尚不发 育的结晶筒内部有一个温度梯度较低的区域。不发育 的结晶筒以外是尚未反应的物料，温度梯度也较小 此时B 点位于此 ，因而结晶筒壁由内向外温度迅速 降低，形成一个温度梯度较大的界面 黄红色 ，即已 反应料与未反应物料界面。随着合成时间的延长 图 2 b ，结晶筒逐渐长大连成一体，热能进入叠加状 态，热源结合部温度逐渐均匀，温度梯度减小，结晶筒 边界在热源结合部逐渐消失。持续合成，结晶筒向外发 展，温度梯度最大的区域也随之外移，直至越过并远离 B 点 图2 c 。在温度梯度最大的区域即结晶筒边界 逐渐接近、达到、越过并远离B 点的过程中，该点的温度 梯度经历了由小到大再到小的变化过程 图3 。 由图4 可以看出，单热源发热时，距离热源等距离 各点的温度梯度基本相同，由于都局限于一个热源部 位发热，合成结束时，只在热源周围很小一部分区域温 度梯度较小，温度较高，热源周围热能集中，导致单热 源合成炉易发生喷炉事故。其余大部分区域因热量的 大量散失而导致处于红色边界之外，温度较低。 多热源合成炉内在合成结束时的温度梯度分布如 图5 所示，热源结合部温度梯度值如表1 所示。可以看 出炉内热源结合部物料温度梯度由二热源合成炉的7 3 5 14 6 9 ℃／m 降低为立体四热源的5 3 7 10 7 4o C ／m ，温 度均匀性更好，低温度梯度分布范围更宽 图5 。 ■■_ L 二．． ．一一 一 1 1 ．0 61 4 6 92 9 3 9 4 4 0 8 S 8 7 7 7 3 52 2 H3 6 7 35 1 4 36 6 1 2 一⋯一～．．．一■- 一⋯＆⋯⋯一一一一_ 0 ．I 31 3 4 22 6 8 44 0 2 65 3 6 81 1 0 l1 0 7 42 1 4 93 2 2 34 2 9 7 6 7 l2 I l l 33 3 5 5 4 6 9 76 0 3 95 3 71 6 1 22 6 8 6 3 7 6 0 4 8 3 5 图5多热源合成炉炉内温度梯度 a 二热源； b 立体三热源； c 立体四热源 表l合成结束时多热源合成炉热源结合部的温度梯度值 炉型温度梯度／ ℃m 。 单热源 二热源 立体三热源 立体四热源 l0 8 0 ～l6 2 0 7 3 5 ～l4 6 9 6 7 l ～l3 4 2 5 3 7 ～l0 7 4 二热源合成炉与单热源合成炉的合成样品的x 衍射图谱如图6 所示。定量结果见表2 。 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 07 0 8 09 01 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 2 0 ／ o 2 0 ／ o 1 02 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 09 I 2 0 ／ o 1 0 2 03 0 4 0 5 06 07 08 0t X 1 02 13 I l 舢I5 0 6 I l7 08 I l9 t 2 0 ／ 0 1 2 0 ／ o 图6 不同部位合成产物的X R D 图谱对比 a 距离热源2e m - 3 e r a 处样品的X R D ； b 距离热源6c m - 8 c m 处样 品的X R D ； c 结晶筒最外层处样品的X R D 图谱 表2 单热源及二热源合成产物对比 从图6 及表2 测试结果看出，两种方法合成的产物 在距离热源2 3e m 处，晶体主要为高温稳定型d S i C 含有6 H S i C 、4 H - S i C 、2 H S i C 等堆积方式 。多热源 法合成的产物在此处只有6 H ．S i C ，A c h e s o n 法合成的 产物在此处有6 H S i C 、4 H S i C2 种。这主要是多热源 法合成炉内的温度梯度小，温度场相对比较均匀，合成 万方数据 1 0 0 矿冶工程第3 3 卷 产物中晶体类型基本一致。 同是6 - 8c m 处，A c h e s o n 法合成产物中低温稳定 型1 3 - S i C 堆积方式为面心立方的3 C S i C 所占的比例 明显高于高温稳定型，说明此处温度已经下降到了 18 0 0 ℃以下 一般认为温度高于18 0 0o C 时，B S i C 开 始向d - S i C 转变 ，而多热源合成产物中在此位置还没 有出现低温稳定型的1 3 一S i C ，而且6 H ．S i C 占到 8 9 ．4 8 ％，说明在此位置温度高于18 0 0 ℃。由此可以 看出，适合碳化硅生长的高温区域，多热源法要大于 A c h e s o n 法。这正是多热源多向流体系合成节能、提 质的关键所在。 结晶筒外层中的物质，多热源法合成产物中只有 B S i C ，表明多热源合成炉内的温度场更均匀。 从合成产物测试分析的总体情况看，多热源合成 的碳化硅结晶类型单一，温度分区明显。 3 结论 1 多热源合成碳化硅冶炼炉内，热源叠加区域温 度梯度较单热源降低，温度场均匀性更好。 2 适合碳化硅生长的高温区域，多热源法要大于 A c h e s o n 法o 3 多热源合成炉内无高温聚集区，生产更平稳、 更安全。 参考文献 [ 1 ] 余继红，江东亮．碳化硅陶瓷的发展与应用[ J ] ．陶瓷工程，1 9 9 8 ， 3 2 3 卜6 ． [ 2 ]元敬顺，刘亚宁，赫腾飞．利用S i C 控制高性能轻骨料性能的试验 研究[ J ] ．硅酸盐通报，2 0 1 3 ，3 2 2 3 3 5 3 3 9 ． [ 3 ] 张美光，彭放，陈超．人造金刚石聚晶磁性研究[ J ] ．矿冶工 程，2 0 0 5 ，2 5 5 8 0 - 8 2 ． [ 4 ] A c h e s o nEG ．P r o d u c t i o no fa r t i f i c i a lc r y s t a l l i n ec a r b o n a c e o u sm a t e r i ． a l s U SP a t e n t ，4 9 2 7 6 7 [ P ] ．1 8 9 3 - 2 - 2 8 ． [ 5 ]张利锋，燕青芝，沈卫平，等．燃烧法合成高纯I B - S i C 超细粉的工 艺参数[ J ] ．硅酸盐学报，2 0 0 7 ，3 5 7 8 1 7 - 8 2 1 ． [ 6 ]张颖，蒋明学，崔曦文，等．氮化硅低温转化合成碳化硅晶须研究 [ J ] ．硅酸盐通报，2 0 0 9 ，2 8 1 8 0 一8 3 ． [ 7 ] K i msJ ，Y u nSM ，L e eYS ．C h a r a c t e r i z a t i o no fn a n o c r y s t a l l i n ep o r - O U S i Cp o w d e rb ye l e c t r o s p i n n i n ga n de a r b o t h e r m a lr e d u c t i o n [ J ] ． J o u r n a lo fI n d u s t r i Ma n dE n g i n e e r i n gC h e m i s t r y ，2 0 1 0 1 6 2 7 3 2 7 7 ． 『8 ] L E EY o u n g ．J a e ．F o r m a t i o no fS i l i c o nC a r b i d eo nC a r b o nF i b e r sb y C a r b o t h e r m a lR e d u c t i o no fS i l i c a [ J ] ．D i a mR e l a tM a t e r ，2 0 0 4 ，1 3 3 3 8 3 3 8 9 ． [ 9 ] 王晓刚．冶炼碳化硅的多炉芯炉及其生产碳化硅的方法中国， Z L 0 1 1 3 2 7 7 4 ．X [ P ] ．2 0 0 4 ． [ 1 0 ] 王晓刚，李晓池．碳化硅制备理论与技术[ M ] ．西安陕西科学技 术出版社，2 0 0 1 ． [ 1 1 ] 陈杰，王晓刚，郭继华．多热源合成S i C 传热规律[ J ] ．北京科 技大学学报，2 0 0 5 ，2 7 5 5 3 6 5 3 9 ． [ 1 2 ] 陈杰，王晓刚．碳热还原合成碳化硅供电参数研究[ J ] ．硅酸 盐学报，2 0 1 0 ，3 8 9 1 7 9 2 1 7 9 6 ． 稀有金属与硬质合金 2 0 1 4 年征订启事 稀有金属与硬质合金为国内外公开发行的技术类期刊，国际标准刊号I S S N1 0 0 4 - 0 5 3 6 ，国内统一刊号C N4 3 1 1 0 9 ／T F ；由中国有色金属学会和长沙有色冶金设计研究院有限公司联合主办、长沙有色冶金设计研究院有限公司负责 编辑出版；为中文核心期刊、中国科学引文数据库来源期刊、湖南省一级期刊，已入编中国学术期刊 光盘版 和中国 科技期刊数据库等数字化网络，并为中国物理文摘、有色金属文摘和美国化学文摘、剑桥科学文摘等国内外 文摘的文献源。 稀有金属与硬质合金主要报道稀有金属 钨、钼、钽、铌、稀土、钛、锂、铍、铷、铯、锆、铪、钒、镓、铟、铊、锗、硒、碲、 铼等 和硬质合金的生产、加工、科研、设计及应用成果；报道国内外稀有金属与硬质合金的新工艺、新技术、新设备和新 材料等有关方面的文章及信息，栏目丰富，信息量大。本刊为双月刊，每期定价1 0 元 含邮费 ，全年定价6 0 元。如需挂 号，全年另加收挂号邮费1 8 元。 稀有金属与硬质合金同时承办广告业务，价格优惠，欢迎有关单位刊登广告。． 地址湖南省长沙市解放中路1 9 9 号稀有金属与硬质合金编辑部 邮局汇款地址 邮编4 1 0 0 1 1电子信箱x y j y b j b 1 2 6 ．t o m电话＼传真0 7 3 1 8 4 3 9 7 2 5 0 网址h t t p ／／r m c c ．c i n f ．c o m ．c aQ Q 5 5 0 6 4 0 1 5 8 开户银行长沙市工行韶山路支行 户名长沙有色冶金设计研究院有限公司 账号1 9 0 1 0 0 7 0 0 9 0 0 3 2 1 4 8 5 2 万方数据