SiC冶炼炉温度场的有限元分析及其ANSYS模拟研究

化硅冶炼炉内温度的分布状况,扩大合成碳化硅的温度分布区域,应从炉芯表面负荷、炉料厚度、炉料的散热性及供电时间等方面着手。

2　ANSYS模拟过程

2.1　几何模型的建立

图1为传统的碳化硅冶炼炉示意图,下面的化学反应方程式[1]体现了电阻炉冶炼碳化硅的技术本质和基础　SiO2+3C→SiC+2CO↑-125.86kcal。

)条件下进行[2]。取能代化学反应式表明,碳化硅生成反应是一个吸热反应,在高温(1600～2600℃

表炉料内部热量传递规律及温度分布的截面(平行于炉体端墙的截面)为几何模型,几何模型的形状及尺寸如图2所示,因为实际工业中的碳化硅冶炼炉有较厚的耐火砖底部,两侧有侧墙,而顶部的面积比较大,散热较多,顶部的反应料较厚,所以模型中采用的尺寸为:炉芯5cm×8cm,炉芯两侧的反应料及乏料厚35cm,下侧40cm,顶部45cm。根据这个尺寸,采用ANSYS数值模拟软件直接建立几何模型,或采用AutoCAD等计算机软件建立模型,然后输入ANSYS软件中

。

图1　Acheson冶炼炉炉体结构图2　炉体截面示意图及尺寸　　　　　　　　　Fig.1　StructureofacheasonsymtheiyingfurnaceFig.2　Crosssectionandsizeofthefurnace

1炉料　2石墨炉芯　3石墨电极　4端墙

2.2　对炉况的简化、假设和约定

在模拟时,需要对炉况作以下简化、假设和约定

1)反应料的参数只应用导热系数λ和比热容c及密度ρ,ANSYS软件参数输入对话框中要求的其他传热参数如热膨胀系数等,因它们在模拟中作用可以忽略不计,因而其他参数省略;

2)基于在高温下碳化硅的导热性与反应料的导热性相差不大,为简化起见不考虑碳化硅结晶筒的影响,并假定在传热过程中反应料一直是各向同性;

3)边界温度取表面测定温度的平均值;

4)夯实后的石墨电极密度约为ρ=0.5×103kg/m3[3],炉料中反应料和保温乏料均视作各向同性物质,并忽略其传热特性的差异,及用相同的传热参数。

2.3　ANSYS模拟过程

ANSYS的模拟过程主要包括以下几个步骤。

1)建立几何模型(如图2所示),温度场几何模型尺寸为:长70cm,高83cm,弧顶高10cm;炉芯截面为5cm×8cm;反应料厚度20cm;两侧保温乏料厚度为15cm,顶部保温料厚度为25cm。

2)选定有关参数,反应料的传热学参数主要是导热系数λ和比热容c及密度ρ。其中,密度ρ范围在

λ和c经过查表[12]及运算分别取λ0.95～1.05×103kg/m3之间,取平均值1.0×103kg/m3。反应料=

34.86W/m K及cp反应料=1.005kJ/kg K。

3)划分网格,对有限元模型选择单元类型,然后进行单元网格划分。

4)施加温度载荷及求解,设定初始温度为30℃及最高温度为2600℃,并求解。

5)结果后处理,对所得的结果进行处理得到热量动态传递模拟图及温度分布图。