一種製備氧化鎂晶體電弧爐的熱分析控制方法
2023-07-28 03:50:46
專利名稱：一種製備氧化鎂晶體電弧爐的熱分析控制方法
技術領域：
本發明屬於晶體製備工業的仿真控制技術領域，涉及到一種三相埋弧電弧爐的熱
分析系統和相應的工業控制方法，特別涉及到一種製備氧化鎂晶體的電弧爐熱分析的有限
元方法。
背景技術：
氧化鎂晶體現已應用到許多高科技領域，如高溫超導器件的薄膜生長基片、半導
體材料的襯底基片、等離子顯示器保護膜、高溫高精度光學材料和高溫坩堝材料等。
目前生產氧化鎂晶體的主流技術是三相交流電弧爐熔融法。該法主要通過高溫電
弧加熱原料形成融體，在加熱過程停止後熔體經自然冷卻得到晶體。現有的電弧爐技術的
主要缺點是，在整個冶煉過程中，對於控制晶體生長至關重要的電弧爐內溫度場分布和熔
池形態均未知，導致氧化鎂礦粉的熔融，以及結晶過程的可控性差，嚴重製約了晶體產量和
質量的提高。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種三維基於有限元電弧爐的加熱仿真系統，根 據該系統的熱分析模型對電弧爐內部的溫度場的變化進行描述，為控制的晶體生長所需溫 度場提供一套更有效的工藝方法。 本發明的技術方案是通過對電弧爐體，電弧，原料，電氣參數和其他各種工藝進程
等因素進行綜合考慮來完成電弧爐的有限元建模，再根據某個工藝階段的熱分析結果，對
電弧爐注入功率進行相應的調整，實現三個電極注入功率的平衡和溫度場的穩定。 本發明的具體技術方案和實施步驟有以下內容。針對現有的氧化鎂電弧爐爐型大
小，電極尺寸，及其相對位置的不同在空間上建立相應的有限元模型並自動劃分網格，再根
據現場的環境和電氣運行參數設置該模型的邊界條件，然後根據電弧爐冶煉工藝流程所處
階段的不同對電弧爐內部的溫度場進行瞬態或穩態的分析。在冶煉初期，起弧階段的控制
對熔池的形成起到至關重要的作用，為了能夠定量分析注入功率和熔池的形態之間的相互
關係，設置邊界條件時需要人為設定電流和熱流量，並由求解時諧電場得到歐姆熱功率和
電弧的等效熱流量疊加得到的功率分布作為加熱載荷，並讓兩者的加熱功率值和等於實際
工藝流程中的總功率注入，總功率注入是通過計算機根據採集的數據在現場實時得到的。
在該階段進行瞬態分析，就得到了該階段電弧爐內變化的溫度場，而熔池的形態則根據爐
內溫度高於熔點的區域得到。根據同樣的原理，在冶煉的中期以及收尾階段，該模型既適合
進行電弧爐處於熱平衡時的穩態分析，也適合在某個局部冶煉階段進行瞬態分析。將得到
的結果與實際生產工藝流程進行比對，預測出各種工藝參數，包括電流幅值，功率注入的大
小和時間的最優設置範圍。 由於現場的某些偶然因素會導致了功率注入的不平衡，模型會根據這種意外事件 進行分析，預測出電弧爐內部溫度場的局部過熱的趨勢，並對補救措施進行進一步分析，以給出參考意見。例如為了降低注入功率，防止局部過熱和改變三相功率不平衡性，模型會 分析出減小單相或多相電流幅度的合理區間；為了以增加注入功率，提高電弧爐整體運行 效率，和改變三相功率不平衡性，模型則會分析出需要增加的單相或多相電流幅度的合理 區間。 本發明的效果和益處是為現階段氧化鎂的冶煉工藝，提供了一種電弧爐內部溫度 場及熔池形態的數學分析工具，根據預測出的電弧爐溫度的變化趨勢，制定更精確、更有針 對性的控制策略，把爐壁溫度的波動控制在10%以內；模型藉助三維圖像演示溫度梯度場 的變化，有利於加深從原料熔融到晶體生長的過程的理解。
圖1是本發明方法的有限元法軟體根據電弧爐爐況的實時變化進行瞬態分析的 流程圖。 圖2是本發明方法的有限元法軟體在電弧爐穩定運行時的進行穩態分析的流程 圖。
具體實施例方式
下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。 根據氧化鎂晶體冶煉的工藝階段的不同，瞬態和穩態分析控制是兩種典型的控制 方法。冶煉初期採用瞬態分析控制，如圖1所示；冶煉中期或後期採用穩態分析控制，如圖 2所示。具體實施步驟如下 步驟(1)，根據電弧爐、電極和礦粉的尺寸及相對位置建立電弧爐的三維有限元模 型； 步驟(2)，接著設置原料的各種物理特性隨溫度變化的參數，包括電導率、熱導率、 磁導率、比熱和密度； 步驟(3)，求解時諧電場算出的歐姆熱功率分布，表達式為 e二會Re((/r^t) Re表示實部，Q表示單位體積焦耳熱功率，{J}表示電流密度矢量，{E}表示電場 強度矢量，伍}*表示{E}的共軛複數； 步驟(4)，求解電弧的等效熱流量，電弧的等效熱流量由對流傳熱流量、湯姆遜效 應熱流量、電子總凝聚熱流量和輻射傳熱流量四部分疊加組成，採用圓柱坐標系，對流傳熱 流量的表達式為 formula see original document page 4
Cp表示等離子體的比熱，下標w表示熔池表面，ow、 Pw、 ii一i;分別為熔池表面處 的湍流普朗特數、密度、動力粘性係數和溫度；下標b表示電弧等離子體的邊界層，、,b， Pt、 P t、 Tt分別表示等離子體邊界層處的徑向流速、密度、動力粘性係數和溫度，
湯姆遜效應熱流量的表達式為
QF=f -7;) Ja表示陽極處的電流密度，a表示為電子溫度與等離子體溫度的比值，e為電子 電荷， 電子總凝聚熱流量的表達式為 QA = Ja(Va+qa) Va為陽極壓降，qa為功函數，Va和qa之和取8V， 輻射傳熱流量
f S/ cosy
2 ,y = h,:"^p^ S^表示單位體積的輻射損失，ri,j表示聯接陽極表面第i個單元與計算區域中第j 個控制容積的矢量，V表示矢量ri,j與陽極表面之間的夾角； 步驟(5)，加載邊界條件，將歐姆熱功率分布加載到熔池上，將電弧的等效熱流量 加載到模型中的電極下方，爐壁外的環境溫度設置為25度，對流係數設為12. 5W/(m2 *°C )， 通過瞬時或穩態熱分析，計算電弧爐的溫度場； 步驟(6)，如果分析結果發現某電極附近的溫度超出爐壁所能承受的限度，則在原 有工藝基礎上提高電極，降低電壓，減小電流；如果沒有達到形成熔池所需要的溫度條件， 則在原有工藝基礎上穩定電極，提高電壓，增加電流。 通過仿真模型的熱分析，本電弧爐的晶體產量、質量和工藝的穩定性較之前都有 大幅度的提高，能夠有效解決前述技術方案需要解決的問題。
權利要求
一種製備氧化鎂晶體電弧爐的熱分析控制方法，其特徵包括如下步驟步驟(1)，根據電弧爐、電極和礦粉的尺寸及相對位置建立電弧爐的三維有限元模型；步驟(2)，接著設置原料的各種物理特性隨溫度變化的參數，包括電導率、熱導率、磁導率、比熱和密度；步驟(3)，求解時諧電場算出的歐姆熱功率分布，表達式為 Q= 1 2Re ( { J }T { E }* ) Re表示實部，Q表示單位體積焦耳熱功率，{J}表示電流密度矢量，{E}表示電場強度矢量，{E}*表示{E}的共軛複數；步驟(4)，求解電弧的等效熱流量，電弧的等效熱流量由對流傳熱流量、湯姆遜效應熱流量、電子總凝聚熱流量和輻射傳熱流量四部分疊加組成，採用圓柱坐標系，對流傳熱流量的表達式為 Q C= 0.915 w ( b b w w ) 0.43 ( w w v r , b r) 0.5 C p ( Tb - Tw ) Cp表示等離子體的比熱，下標w表示熔池表面，σw、ρw、μw、Tw分別為熔池表面處的湍流普朗特數、密度、動力粘性係數和溫度；下標b表示電弧等離子體的邊界層，vr，b，ρt、μt、Tt分別表示等離子體邊界層處的徑向流速、密度、動力粘性係數和溫度，湯姆遜效應熱流量的表達式為 Q E= 5 Ja 2e k ( Tb - Tw ) Ja表示陽極處的電流密度，α表示為電子溫度與等離子體溫度的比值，e為電子電荷，電子總凝聚熱流量的表達式為QA＝Ja(Va+qa)Va為陽極壓降，qa為功函數，Va和qa之和取8V，輻射傳熱流量 Q R,ij = v j SR 4 cos r i , j2 dv j SR表示單位體積的輻射損失，ri，j表示聯接陽極表面第i個單元與計算區域中第j個控制容積的矢量，ψ表示矢量ri，j與陽極表面之間的夾角；步驟(5)，加載邊界條件，將歐姆熱功率分布加載到熔池上，將電弧的等效熱流量加載到模型中的電極下方，爐壁外的環境溫度設置為25度，對流係數設為12.5W/(m2·℃)，通過瞬時或穩態熱分析，計算電弧爐的溫度場；步驟(6)，如果分析結果發現某電極附近的溫度超出爐壁所能承受的限度，則在原有工藝基礎上提高電極，降低電壓，減小電流；如果沒有達到形成熔池所需要的溫度條件，則在原有工藝基礎上穩定電極，提高電壓，增加電流。
全文摘要
一種製備氧化鎂晶體電弧爐的熱分析控制方法，屬於晶體製備工業的仿真控制技術領域。該方法主要包括以下步驟(1)是對電弧爐建立有限元模型；(2)設置各項物理參數；(3)求解時諧電場得到歐姆熱功率分布；(4)求解電弧的等效熱流量；(5)歐姆熱和電弧的等效熱流得到的功率分布作為加熱載荷，並設置環境溫度和對流係數，計算爐內的溫度場；(6)根據計算結果，在原工藝的基礎上優化控制策略。本發明的效果和益處是為現階段氧化鎂的冶煉工藝，提供了一種分析內部溫度場及熔池形態的數學分析工具，為冶煉過程制定更精確和可靠的控制策略，藉助三維圖像演示溫度梯度場的變化，有利於加深從原料熔融到晶體生長的過程的理解。
文檔編號G05B13/04GK101788786SQ20091024880
公開日2010年7月28日 申請日期2009年12月24日 優先權日2009年12月24日
發明者李國鋒, 李鐵, 潘文, 王寧會, 王振 申請人:大連理工大學