Дослідження теплоенергетичних процесів виробництва карбіду кремнію в печі опору
Loading...
Date
2021
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
НМетАУ, Дніпро
Abstract
UKR: Мета. Карбід кремнію є одним з найважливіших штучних неорганічних матеріалів, який широко використовується для виробництва абразивних інструментів, високотемпературних нагрівачів, вогнетривкої кераміки та в металургії. Основна маса карбіду кремнію виробляється у печах опору. Однією з проблем процесу виробництва карбіду кремнію є недостатній моніторинг теплового стану робочого простору печі, що не завжди дозволяє вибирати раціональні електричні режим роботи і, відповідно, отримувати матеріал відповідної якості. Одним із методів вирішення проблеми є комп'ютерне моделювання теплового стану печі опору. Тому метою даної роботи є розробка комп'ютерної моделі теплового стану реакційної зони печі опору, що надалі дозволить розробити технологічні рекомендації щодо режимів ведення процесу отримання карбіду кремнію. Також розробка математичної моделі динаміки теплового стану печі опору відкриває нові можливості задля вдосконалення існуючих систем автоматизованого управління, що є дуже важливим з точки зору реалізації парадигми Індустрія 4.0 на підприємствах гірничо-металургійного комплексу України. Методика. Розроблено теплофізичну модель процесу виробництва карбіду кремнію в печі опору. Методом кінцевих різниць виконано розрахунок динаміки теплового стану робочої зони печі. Результати та наукова новизна. На підставі результатів моделювання визначено розміри зон утворених продуктів вуглецевотермічного відновлення кремнезему за рахунок тепла, що виділяється при пропусканні електричного струму через керн печі, визначений температурний фронт протікання відновлювальних реакцій. Практична цінність. Розроблена модель дозволить оцінити вплив динаміки потужності, що підводиться, на розміри зон продуктів відновлення, отримати аналітичні залежності зміни теплового стану реакційної зони печі та надалі розробити технологічні рекомендації щодо ведення процесу виробництва карбіду кремнію та вдосконалення автоматизованої системи управління печі. Запропоновано структуру управління тепловим режимом печі опору та управляючого обчислювального комплексу на базі техніки фірми Siemens.
ENG: Thegoal. Silicon carbide is one of the most essential artificial inorganic materials widely used to produce abrasive instruments, high-temperature heaters, fireclay ceramics, and metallurgy. The most amount of silicon carbide produces in the resistance furnaces. One of the issues of the silicon carbide production process is the lack of supervisory of thermal state in the furnace working space, which does not always allow for select rational electrical modes and accordingly get the material of appropriate quality. One of the methods to solve this issue is computer modeling the thermal state of the resistance furnace. Therefore, the goal of this research is the development of a computer model of the thermal state in the reaction zone of the resistance furnace, that further allows the development of technological recommendations concerning modes of conducting the process of obtaining silicon carbide. In addition, the development of a mathematical model of the dynamics of the thermal state of the resistance furnace opens up new opportunities for improving the existing automated control systems, which is very important from the point of view of the implementation of the Industry 4.0 paradigm at the enterprises of the mining and metallurgical complex of Ukraine. Methodology. The thermophysical model of the silicon carbide production process in the resistance furnace was developed. By finite difference method, the dynamics of the thermal state of the reaction zone in the furnace are computed. Resultsandscientificnovelty. Zones of the existence of products of carbothermic reduction of silica due to the heat generated when an electric current is passed through the furnace core are sized up by results of modeling, and the temperature front of the progress of the reductive reactions was detected. Practical value. The developed model allows for evaluating the influence of supplied power dynamics on the reduction products size zones, obtaining the analytical dependences of changes in the ther mal state of the reaction furnace zone, and thereafter developing the technological recommendations concerning silicon carbide production process performance and improvements for the furnace automated control system. The structure of control of the thermal modes of the resistance furnace and the control computer complex based on Siemens technology is proposed.
ENG: Thegoal. Silicon carbide is one of the most essential artificial inorganic materials widely used to produce abrasive instruments, high-temperature heaters, fireclay ceramics, and metallurgy. The most amount of silicon carbide produces in the resistance furnaces. One of the issues of the silicon carbide production process is the lack of supervisory of thermal state in the furnace working space, which does not always allow for select rational electrical modes and accordingly get the material of appropriate quality. One of the methods to solve this issue is computer modeling the thermal state of the resistance furnace. Therefore, the goal of this research is the development of a computer model of the thermal state in the reaction zone of the resistance furnace, that further allows the development of technological recommendations concerning modes of conducting the process of obtaining silicon carbide. In addition, the development of a mathematical model of the dynamics of the thermal state of the resistance furnace opens up new opportunities for improving the existing automated control systems, which is very important from the point of view of the implementation of the Industry 4.0 paradigm at the enterprises of the mining and metallurgical complex of Ukraine. Methodology. The thermophysical model of the silicon carbide production process in the resistance furnace was developed. By finite difference method, the dynamics of the thermal state of the reaction zone in the furnace are computed. Resultsandscientificnovelty. Zones of the existence of products of carbothermic reduction of silica due to the heat generated when an electric current is passed through the furnace core are sized up by results of modeling, and the temperature front of the progress of the reductive reactions was detected. Practical value. The developed model allows for evaluating the influence of supplied power dynamics on the reduction products size zones, obtaining the analytical dependences of changes in the ther mal state of the reaction furnace zone, and thereafter developing the technological recommendations concerning silicon carbide production process performance and improvements for the furnace automated control system. The structure of control of the thermal modes of the resistance furnace and the control computer complex based on Siemens technology is proposed.
Description
Keywords
карбід кремнію, піч опору, теплофізична модель, температурні зони, фронт відновлювальних реакцій, вторинні матеріали, автоматизована система управління, silicon carbide, resistance furnace, thermophysical model, temperature zones, front of reducing reactions, secondary materials, automated control system, КЕМ
Citation
Дерев'янко І. В., Жаданос О. В. Дослідження теплоенергетичних процесів виробництва карбіду кремнію в печі опору. Теорія і практика металургії. 2021. № 6 (131). С. 18–25. DOI: https://doi.org/10.34185/tpm.6.2021.03.