SiC冶炼炉温度场的有限元分析及其ANSYS模拟研究

第22卷　第3期

　2002年9月西安科技学院学报　JOURNALOFXI’ANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.22　No.3Sept.2002　　文章编号:1671-1912(2002)03-0272-05

SiC冶炼炉温度场的有限元分析及其ANSYS模拟研究

王晓刚,刘永胜,李晓池,郭晓滨,李　强

(西安科技学院材料工程系,陕西西安　710054)Ξ

摘　要:采用有限元分析方法对Acheson炉内温度场进行研究,进而采用ANSYS数值模拟软件

对冶炼炉内温度分布进行模拟,得到了冶炼炉内温度分布的模拟图,分析了炉内的温度分布规律

及其对SiC的生成和产率的影响,并提出了扩大SiC生成温度区域的措施。

关键词:SiC;温度场;有限元;ANSYS

中图分类号:TP127.1+2　　　文献标识码:A

0　引　言

工业化生产SiC的Acheson法存在能耗高、时间长、产品纯度不一、高品位SiC少等缺点。冶炼炉内温度分布对SiC的生成、产率、纯度等有重要的影响[1,2]。由于SiC的合成温度很高,炉膛体积较大,炉内温度不容易测定,因此,前人对于冶炼炉内温度场所进行的研究不多,研究内容主要涉及到两个方面[1～3]:①理论研究方面,从传热学基础理论出发,讨论冶炼炉内传热传质机理,进而提出相应的旨在提高碳化硅产量和质量的工艺措施;②实验研究方面,通过测取不同区域、不同时间的温度值来大致推测炉内温度变化规律。

ANSYS软件是基于有限元方法解决温度场、应力场、磁力场、流场等工程问题的著名高级大型工程数值模拟软件,广泛应用于土木工程、水利、铁路、道桥、汽车、造船、电磁分析、流体分析等工业领域[4]。本文首次运用有限元理论对冶炼炉内温度场进行研究并采用ANSYS软件对炉内温度场进行模拟。借助温度分布图比较直观的研究炉内温度分布规律,进而提出相应的措施以扩大SiC生成温区,提高SiC产量和质量。

1　SiC冶炼炉内温度场有限元分析

1.1　SiC冶炼炉内温度场有限元计算基本方程推导

SiC冶炼炉中,有炉芯电热、可燃气体的燃烧热、炉料的化学反应热、反应产物的相变热等多个内热源。经测算,表面燃烧热仅少量反馈加热炉料,反馈热占内热的3%左右[3]。电阻炉中的传热运动主要是自炉芯向外传递。影响冶炼炉温度分布的主要因素是电热作用。炉料内部的传热方式主要为热传导。所以本文取能够代表炉内温度分布的截面(平行于冶炼炉端墙的截面)为有限元分析模型,将冶炼炉温度场简化为平面非稳态有内热源温度场进行有限元分析。

由传热学可知,[5]

22(1)=++tρcp5x2k5y2

式中　T为炉内的瞬态温度,℃;t为过程进行的时间,s;k为材料的导热系数,W/m ℃,作常数处理;ρ

Ξ收稿日期:2001-11-19

基金项目:国家自然科学基金项目(50174046)

作者简介:王晓刚(1959-),男,陕西蓝田人,博生,教授,主要从事材料科学与工程的教学与研究工作.