SiC冶炼炉温度场的有限元分析及其ANSYS模拟研究

3　模拟结果及分析讨论

3.1　模拟结果

模拟结果如图3所示,可以看出,温度场分布形态为一上下比较对称的圆柱状,高温区呈近圆形分布于炉芯周围。当温度降低时,低温区主要分布于炉体的上部和下部,侧部分布范围不宽,结晶体形态只由高温区决定,呈近圆形

。

图3　碳化硅冶炼炉内温度分布图

Fig.3　Temperaturedistributioninfurnace

(a)带网络　(b)不带网络

根据模拟图所得到的结果将模拟得到的结晶筒分为5层,从炉芯往外分别代表分解层、一级品碳化硅层、二级品碳化硅层(98%～95%)、三级品碳化硅层(95%～85%)及三级品以下层(<85%),如图3所示,详细的模拟结果如表1所示,表中各层面积用模拟图的像素个数表示。

表1　ANSYS模拟图中各层的面积/像素个数

Tab.1　Thelayers’areasofANSYSsimulationfigure

层数

像素个数第一层1032第二层1928第三层3196第四层6072第五层10224总面S22452去掉分解层后的面积S′21420

3.2　碳化硅冶炼炉内温区分布及变化趋势

图3(a)为带有网格划分的温度分布图,从图中可以看出,矩形炉芯及周围少部分区域均为2600℃,然后温度依次下降为2324℃,2047℃,直至最低的112.318℃。炉芯周围的部分区域的颜色及温度与炉芯一致的原因在于炉芯周围的部分炉料在一定的反应温度下发生反应SiO2+C无烟煤→SiC,生成的SiC又在2600℃的高温下又发生分解,反应方程式为SiC→Si蒸汽↑+C石墨,形成石墨粉,分解的Si蒸汽逸出,再与较低温度下的C质发生反应,Si蒸汽+C无烟煤→SiC。从图3(b)可以清楚的看出,各圈层从高温区到低温区有大致相同的温差276～277℃(2600-2324=2324-2047=…=338.727-112.318=276～277),且低温分布区域逐步扩大。这表明,高温区的温度下降速度快,温度梯度大;而低温区的温度下降速度相对较慢,温度梯度小。表1也同时证明了这一点,从高温区到低温区用来表示面积的像素个数逐渐增加,从第一层的1032到第五层的10224个,第五层较第一层像数增加了9192个,增加了近9倍,而且面积的增量逐渐增大(10224-6072=4152>6072-3196=2876>3196-1928=1268>1928-1032=896)。这表明,在大致相同的温差下,高温区的像素个数少,面积小,温度下降速度快,温度梯度大;而低温区的像素个数多,面积大,温度下降速度相对较慢,温度梯度小。

3.3　改善碳化硅生成温区的方法与措施

据文献[1],碳化硅的合成温度在1600～2300℃之间。所以结合温度分布图,要使碳化硅的产率提高,必须改善碳化硅的生成温度区域,即1600～2300℃的分布区域。在实际的碳化硅冶炼中可以从以下几个方面着手:一是控制炉芯温度,提高炉芯温度即提高了传热温差,有利于热量的传递,而炉芯温度又