CC BY
16
-□ □-
Розроблено схему та проведено експериментальш дослiд-ження теплоелектричних пара-метрiв дослiдног печi Кастнера. Проаналiзовано експерименталь-ш дат з розподЫу температури в електродних заготовках пи) час гх графтування. Виявлено ефект газифтащг вуглецевого матерiалу, що впливае на швидтсть зростання температури у заготовках
Ключовi слова: графтування, електродна продукщя, газифшащя, шч прямого нагрiву, електрокон-
тактна прокладка, струмотдвид
□-□
Разработана схема и проведены экспериментальные исследования теплоэлектрических параметров печи Кастнера. Проанализированы экспериментальные данные по распределению температуры в электродных заготовках при их графи-тировании. Обнаружен эффект газификации углеродистого материала, который влияет на скорость роста температуры в заготовках
Ключевые слова: графитирова-ние, электродная продукция, газификация, печь прямого нагрева, электроконтактная прокладка,
токоподвод -□ □-
1. Вступ
Штучний графи в промислових масштабах отриму-ють в результат на^вання вуглецевого матерiалу до температур понад 2500 °С [1]. В крашах схвдно! бвропи для даних щлей головним чином використовують пря-мi та П-подiбнi електричш печi непрямого на^ву за технолопею Ачесона. З появою доступного живильного обладнання, розрахованого на велику силу струму, стало дощльним використання бшьш енергетично ефективних електричних печей прямого на^ву (ЕППН) за технолопею Кастнера [2].
Основною причиною вдосконалення технологи гра-фиування в ЕППН та 1х конструкцш являеться постшне тдвищення вимог до якост електродiв, необхiдностi впровадження у виробництво нових видiв продукцii та збшьшення вартостi енергоносiiв. Вирiшення та^ за-дачi можливе тiльки за умови проведення Грунтовного експериментального дослвдження поточного теплоелек-тричного стану робочого простору ЕППН, яке характеризуемся надзвичайно високим рiвнем температур та агресившстю середовища. Як вiдомо, дослвдження таких високотемпературних процесiв е досить складними [3].
1снуе ряд технолопчних складнощiв промисловоi реалiзацii технологii графггування в печах Кастнера, таких як:
УДК 621.365.32
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.56642|
- забезпечення яюсного контакту електрод-електрод, та електрод- струмовщввд та на дшянках спуски - стру-мопiдвiд;
- розробка ращональних регламентiв нагрiвання з врахуванням характеристик живильного обладнання.
Виршення вказаних задач найб^ьш доцiльно про-водити за допомогою числового моделювання. Порiв-няно з виконанням складного фiзичного експерименту цей пiдхiд дае змогу зберегти матерiальнi, фiнансовi та часовi ресурси.
Достовiрнiсть результатiв числового моделювання визначаеться повнотою вiдтворення в моделi власти-востей фiзичного об'екта дослщження, що можна встановити за допомогою ii верифiкацii за даними фiзичного експерименту. Тому актуальним являеться проведення натурних експерименпв з визначення теплоелектричного стану ЕППН.
2. Аналiз лггературних даних та постановка проблеми
Для виробництва графггованих електродiв найчас-тiше використовують електричнi печi опору, що працю-ють за технолопями Кастнера й Ачесона [4]. Для графь тування електродiв великих дiаметрiв використовують виключно ЕППН за методом Кастнера, а для електро-
ДОСЛ1ДЖЕННЯ НЕР1ВНОМ1РНОСТ1 РОЗПОД1ЛУ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ЗАГОТОВКАХ П1Д ЧАС ТХ ГРАФ1ТУВАННЯ У
ПЕЧ1 КАСТНЕРА
С. В. Лелека
Кандидат техшчних наук, науковий ствроб^ник*
E-mail: [email protected] Т. В. Лазарев Кандидат техшчних наук, науковий ствроб^ник** E-mail: [email protected] А. Ю. Педчен ко Астрант** E-mail: [email protected] Д. Г Швачко Асистент* E-mail: [email protected] *Науково-дослщний центр «Ресурсозбер^аю^ технологи»*** **Кафедра хiмiчного, полiмерного та силкатного машинобудування*** Нацiональний технiчний унiверситет УкраТни «КиТвський полiтехнiчний iнститут» пр. Перемоги, 37, м. КиТв, УкраТна, 03056
©
if!
дiв, виготовлених з коксу низько! якосп (з високим вмiстом сiрки та азоту), бшьш вигiдно використовувати печ^ якi працюють за методом Ачесона [2, 5].
Технолопя Кастнера порiвняно з технологieю Ачесона дае можливiсть [6-8]:
- зменшити питомi витрати електроенергп (ПВЕ) в 1,5-2 рази;
- збшьшити однорiднiсть температурного поля по заготовкам та, вщповщно, збшьшити темпи !х нагрiву i забезпечити однорiднiсть властивостей матерiалу',
- нагрiвати електроднi заготовки практично будь-яко! довжини.
Зазначенi переваги печей Кастнера та досягнутий рiвень технолопчного обладнання сприяють масштабному впровадженню ЕППН в кра!нах схщно! бвропи на промисловому рiвнi.
Аналiз л^ературних даних з експериментальних дослiджень ЕППН [1, 9] показав, що розподш температурного поля в електродних заготовках залежать вщ:
- електричних параметрiв живильного обладнання та втрат електроенергп в шинопроводi'
- масових та геометричних характеристик робочо-го середовища ЕППН;
- фiзичних особливостей електродних заготовок та, в меншш мiрi, теплоiзоляцil'
- охолодження струмопiдводiв тощо.
Якiсть готово! продукцп залежить вщ темпу нагрп вання, рiвномiрностi та рiвня досягнуто! температури. Однак впродовж кампанп графiтування вiдбуваються таю фiзико-хiмiчнi процеси, як випаровування вологи, газифшащя вуглецевого матерiалу водяною парою, спучування коксу тощо, що мають суттевий вплив на теплоелектричний стан печь Тому врахування зазна-чених факторiв е важливим для одержання продукцп високо! якосп [10-12]. А отже, вдосконалення технологи прямоточного граф^ування Кастнера потребуе самостшного дослiдження.
3. Мета i завдання дослiдження
Метою роботи е отримання експериментальних даних iз теплоелектричного стану ЕППН, потрiбних для налаштування та верифжацп вщповщно! числово! модель
Для досягнення вказано! мети необхщно поставити та розв'язати такi задача
- розробити схему та методику проведення експериментальних дослвджень ЕППН та виконати !х'
- дослвдити можливий вплив процесу газифжацп вуглецевого матерiалу водяною парою на розподш температури та темп на^ву в електродних заготовках;
- визначити вплив форми електроконтактно! прокладки на розподш температури в електродних заготовках;
- отримати необхщш вихщш данi для розробки та верифжацп числово! моделi теплоелектричного стану ЕППН, що включають: матерiали i геометричнi характеристики печi та Г! завантаження; витратнi характеристики системи охолодження печц регламент вводу електрично! потужностi в пiч та часова змшна температури у дослiдних точках печi пiд час кампанп граф^ування; ефективний коефiцiент тепловiддачi в системi охолодження струмопiдводiв.
4. Опис експериментального дослщження теплоелектричного стану ЕППН
Як зазначено вище, дослiдження теплоелектричного стану печi Кастнера рацiонально виконувати за допомогою числового моделювання, що базуеться на даних експериментальних дослвджень. При цьо-му методика експериментальних дослвджень повинна враховувати:
- нерiвномiрнiсть розподiлу температурного поля в електродних заготовках та свiчки в щлому;
- геометричш характеристики печi та матерiали, що входять до !! складу.
Для проведення фiзичного експерименту обрано кампашю графiтування дослано! печi Кастнера зi схемою завантаження електродних заготовок, яка приведена на рис. 1. Завантаження печi проводило-ся у два ряди по 13 заготовок з дiаметром 0435 мм з використанням компенсацшних вставок на кшцях. Ряди заготовок розташоваш горизонтально один вщ одного по нижньому краю струмошдводу. Для по-кращення контакту мiж електродними заготовками використовувалися електроконтактш прокладки кiльцевого типу на основi терморозширеного графiту. У якостi теплоiзоляцiйного матерiалу застосовано оборотний коксовий дрiб'язок фракцп (-6+1) мм з додаванням просушеного та просiяного «свiжого» коксового дрiб'язку фракцп (-6+1) мм.
Контур струмотдЫу Теплоизоляцюна шихта
Рис. 1. Поперечний nерерiз достдноТ печi граф^ування
Для охолодження струмопiдводiв використовувалися металевi пояси iз зазором, по яких для кра-щого вщведення теплоти пропускали воду. Витрата води протягом кампанп граф^ування становила 5,5 м3/год. Площа контакту мiж поясом i струмошд-водом -1,428 м2.
Для проведення вимiрювання температури ви-користано вольфрам-ренiевi термопари в захисних керамiчних чохлах, якi розмiщено в електродних заготовках у центрi та на глибиш 50 мм у вщповщ-них дослiджуваних перерiзах. Також використано хром-алюмелевi термопари у захисних металевих чохлах i без них для дослiдження температури у менш нагрiтих частинах печi, а саме теплоiзоляцiя, поверхнi подини та бiчних стiнок, що знаходяться у контакт з теплоiзоляцiею, поверхня струмошд-водiв, струмiнь води на входi та виходi з охолоджу-вального поясу.
Дослщження проводилося на 6аз1 вим1рювального комплексу 1з застосуванням модул1в збору даних 1СР CON 1-7018 [13, 14].
5. Результати експериментальних дослщжень
теплового стану електродних заготовок та струмошдводу шд час кампани графiтування
Результати дослщження теплового стану електродних заготовок шд час кампанii графиування в ЕППН представлен на рис. 2-5, а струмошдводу - на рис. 6, 7.
Аналiз отриманих результаив фiзичного експери-менту показав, що в центральному перерiзi заготовок, розташованих посередиш печi, найбiльш нагргтими е центральна частина та частина заготовки, обернена до сусiднього ряду (рис. 2, 3).
Рис. 2. РозподЫ температури у поперечному перерiзi центрально? частини лiвого ряду заготовок: 1—5 — номери термопар
Рис. 3. РозподЫ температури у поперечному перерiзi центрально? частини правого ряду: 1—5 — номери термопар
Починаючи з рiвня температури 600 °С темп зростання температури зовшшньо' поверхнi заготовок (за винятком сторш, обернених до сусщнього ряду, тобто сторiн, що контактують з великим об'емом те-плоiзоляцii) знизився, що ймовiрно пов'язано з штен-сивним вiдбором теплоти на випаровування вологи та газифшацш вуглецевого матерiалу. При досягненнi рiвня ПВЕ 900 кВт-год/т темп зростання температури зовнiшньоi поверхнi заготовок вiдновлюеться, що ймо-вiрно пов'язано iз закшченням процесу газифiкацii.
В торцi центральноi заготовки лiвого ряду най-бшьш нагрiтою е ii частина, що обернена до сусщнього
ряду, а найменш нагрiтою до початку зменшення темпу зростання температури - центральна частина (рис. 4). Такий розподш температури е наслщком застосування кiльцевоi (з внутршшм отвором) електроконтактноi прокладки та використання схеми завантаження заготовок у два ряди.
Рис. 4. Розподт температури у поперечному перерiзi торця середньо? заготовки лiвого ряду: 1—5 — номери термопар
Максимальне значення дослщженого перепаду температури по перерiзу заготовок не перевищуе 200 °С (рис. 2-4), а по '¿х довжиш у центральнш частинi ряду (вiд У до % ряду) не перевищуе 70 °С (рис. 5).
Аналiз отриманих результаив охолодження стру-мопiдводiв показав, що штенсившсть вiдведення теплоти охолоджувальним поясом збшьшуеться шс-ля досягнення рiвня ПВЕ на кампанп графiтування 1300 кВттод/т (рис. 6).
На основi наявних даних розраховано ефективш значення коефiцiента тепловiддачi вщ поверхнi графь тового струмопiдводу в охолоджуваний водяний пояс залежно вщ температури струмошдводу, результати яких наведено на рис. 7.
Рис. 5. РозподЫ температури в центрах електродних заготовок: 1—6 — номери розмщення термопар
Встановлено, що ефективний коефвдент тепло-вiддачi до досягнення рiвня температури поверхнi струмопiдводу 140 °С становить 190 Вт/(м2^К), а понад 140 °С - близько 350 Вт/(м2-К). Пiдвищення ефектив-ного коефвдента тепловiддачi у дiапазонi температур вищих за 140 °С можна пояснити рiзким зменшенням
6. Висновки
В результат проведених дослщжень:
1. Проведено експериментальш дослiдження те-плоелектричного стану печi Кастнера на пiдставi роз-роблено! схеми та експериментально! методики. Представлено геометричш та теплоелектричнi параметри схеми завантаження печi Кастнера для проведення натурного експерименту.
2. Встановлено, що шд час кампанп графiтування печi мае мшце процес газифжацп вуглецевого матерiа-лу водяною парою у робочому просторi печi, який при-зводить до зменшення темпу нагрiвання в електрод-них заготовках на 10-20 %. Аналiз отриманих даних залежноси росту температури вiд ПВЕ показав, що та частина заготовок, яка контактуе з бшьшим об'емом теплоiзоляцil, в дiапазонi температур 600-900 °С на-грiваеться повiльнiше нiж шша завдяки додатковому вiдбору теплоти на випаровування вологи та газифжа-цш вуглецевого матерiалу водяною парою.
3. Виявлено, що ефект юльцево! форми електро-контактно! прокладки спостерiгаеться тшьки у торце-вiй зонi заготовок. Завдяки застосуванню кiльцевих електроконтактних прокладок перепад температури по оа центральних заготовок обох рядiв практично вщсутнш, а перепад температури по вах заготовках центрально! частини ряду не перевищуе 70 °С.
4. В результат проведених експериментальних до-слiджень ЕППН зiбрано та отримано комплекс необ-хiдних вихiдних даних для розробки та верифжацп числово! моделi теплоелектричного стану обладнання, яка е необхщною для вдосконалення процесу та устат-кування за технолопею Кастнера.
Подальша робота в област вдосконалення про-мислового процесу граф^ування буде пов'язана зi створенням та верифжащею числово! моделi ЕППН за даними фiзичного експерименту.
Лiтература
1. Чалых, Е. Ф. Оборудование электродных заводов [Текст]: учеб. поссобие / Е. Ф. Чалых. - М.: Металлургия, 1990. - 238 с.
2. Adams, R. Graphite electrode and needle coke development [Text] / R. Adams, W. Frohs, H. Jäger et. al. // Carbon 2007 Conference. -Seattle, Washington, USA, 2007.
3. Санников, А. К. Производство электродной продукции [Текст] / А. К. Санников, А. Б. Сомов, В. В. Ключников и др. - М.: Металлургия, 1985. - 129 с.
4. Janerka, K. The carburizer influence on the crystallization process and the microstructure of synthetic cast iron [Text] / K. Janerka,
D. Bartocha, J. Szajnar, J. Jezierski // Archives of Metallurgy and Materials. - 2010. - Vol. 55, Issue 3. - P. 851-859.
5. Панов, Е. Н. Анализ развития печей графитирования Кастнера в условиях потребностей современного рынка [Текст] /
E. Н. Панов, А. Ю. Педченко // Технологический аудит и резервы производства. - 2014. - T. 4, № 1 (18). - P. 57-60. doi: 10.15587/2312-8372.2014.26434
6. Лелека, С. В. Теплоэлектрическое состояние печей графитирования Ачесона [Текст]: монография / С. В. Лелека, Е. Н. Панов, А. Я. Карвацкий и др. - К.: НТУУ «КПИ», 2014. - 238 с.
7. Kuznetsov, D. M. A comparison of properties of electrodes graphitized by the Acheson and Castner methods [Text] / D. M. Kuznetsov, V. K. Korobov // Ogneupory i Tekhnicheskaya Keramika. - 2001. - Vol. 10. - P. 16-20.
8. Jäger, H. Carbon, 4. Industrial Carbons. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry [Text] / H. Jäger, W. Frohs, M. Banek et. al. - Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2010. - 40 p. doi: 10.1002/14356007.n05_n03
9. Панов, Е. Н. Энергосбережение при производстве электродной продукции [Текст]: 3-й междунар. конгр./ Е. Н. Панов, С. В. Кутузов, А. Я. Карвацкий и др. // Цветные металлы. - Красноярск, 2011.
10. Frohs, W Expansion of carbon artifacts during graphitization [Text] / W. Frohs, F. Roeßner // TANSO. - 2015. - Vol. 2015, Issue 267. -P. 77-83. doi : 10.7209/tanso.2015.77
11. Wang, Y.-J. Temperature calculation during lengthwise graphitization process [Text] / Y.-J. Wang // Carbon Tech. - 2010. -Vol. 29, Issue 5 - P. 47-48.
12. Xu, H.-F. Numerical simulation of heat field in lengthwise graphitization furnace during heating process [Text] / H.-F. Xu, C.-F. Liu, Y.-B. Wang // Carbon Tech. - 2009. - Vol. 28, Issue 1. - P. 1-3.
.................................................................................................................................................................................................................................E
термiчного контактного опору мiж металевим поясом охолодження i графгговим струмовщводом за рахунок температурного розширення останнього.
р 31
А, »-> А
1 ^ / з
г г \ 2
/ / Xj
/у '"Ч
О 600 1200 1800 2400 3000 3600
ПВЕ, кВт-год/т
Рис. 6. Розподт температури на поверхш струмовщводу тд охолоджувальним поясом та температура охолодноТ
води: 1 — температура на поверхн струмовщводу; 2 — температура води на входi в охолоджувальний пояс; 3 — температура води на виходi з охолоджувального поясу
350 300 250
w
*3з 200 Я 150 а° 100 50 0
А
У
* if & J
4 * W
V
++ + >
55 70 85 100 115 130 145
Температура поверхш струмотдводу, °С
Рис. 7. Ефективний коефiцieнт тепловiддачi вщ поверхн граф^ового струмотдводу в охолоджуваний пояс
13. Kutuzov, S. V. Making the Heat-Insulating Charge of Acheson Graphitization Furnaces More Efficient [Text] / S. V. Kutuzov, V. V. Buryak, V. V. Derkach, E. N. Panov, A. Ya. Karvatskii, G. N. Vasil'chenko, S. V. Leleka, T. V. Chirka, T. V. Lazarev // Refractories and Industrial Ceramics. - 2014. - Vol. 55, Issue 1. - P. 15-16.
14. Панов, Е. Н. Комплекс сбора данных для высокотемпературных промышленных агрегатов [Текст] / Е. Н. Панов, С. В. Лелев ка, М. В. Коржик // ПиКАД. - 2005. - № 2. - С. 28-30.
Розроблена технолог'гя виготовлення юн-но-легованих структур GaAs. 1мплантащя ютв кремню, берилю, цинку проводилась в тдкладку iз напiвiзолюючого арсениду галю марки АГЧП-2а. 1мплантащя домшки через капсулююче покриття дозволило отримати досить висок значення рухли-востi носив струму в каналах польового транзистора Шоттк (ПТШ), що дозволяв формувати на них КМОН-структури. Застосування багатозарядног iмnлантацií та iмпульсного фотонного видпалу для активаци п+-областей витоку i стоку забезпечи-ло рiвень ретроградного легування стш-витокових контактiв на рiвнi (2-5).1018 см-3
Ключовi слова: багатозарядна юнна iмnланта-щя, арсени) галю, КМОН технологiя, транзистор
Шоттт, р+-п перехид, варiзонний сонячний елемент □-□
Разработана технология изготовления ион-но-легированных структур GaAs. Имплантация ионов кремния, бериллия, цинка проводилась в подложку с полуизолирующего арсенида галлия марки АГЧП-2а. Имплантация примеси через капсулиру-ющее покрытие позволило получить достаточно высокие значения подвижности носителей тока в каналах полевого транзистора Шоттки (ПТШ), что позволяет формировать на них КМОП-структуры. Применение многозарядной имплантации и импульсного фотонного отжига для активации п + -области истока и стока обеспечило уровень ретроградного легирования сток-истоковых контактов на уровне (2-5).1018 см-3
Ключевые слова: многозаядная ионная имплантация, арсенид галия, КМОП технология, транзистор Шоттки, р+-п переход, варизонный солнечный элемент
УДК 537.5
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.54233|
РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГИ БАГАТОЗАРЯДНО1 ЮННО1 1МПЛАНТАЦП GAAS ДЛЯ СУБМ1КРОННИХ СТРУКТУР ВЕЛИКИХ 1НТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ
С. П. Новосядлий
Доктор техычних наук, професор* E-mail: [email protected] С. I. Бойко Астрант* E-mail: [email protected] Л. В. Мельник Астрант* E-mail: [email protected] С. В. Новосядлий* E-mail: [email protected] *Кафедра комп'ютерноТ шженери i електронки Прикарпатський нацюнальний ушверситет iM. В. Стефаника вул. Шевченка, 57, м. 1вано-Франмвськ, УкраТна, 76025
1. Вступ
Постшно зростаючi вимоги до комп'ютерiв та ш-шо1 споживчо! електрошки роблять необхщним тд-вищення швидкоди структур великих штегральних схем. Одним з шляхiв досягнення цього е використан-ня арсешду галж, осюльки вш володiе рядом переваг над кремтем, яю дозволяють формувати структу-ри з високою швидкодiею та надшшстю. Також вш являеться прямим нашвпровщником, що дозволяе ефективно поглинати та видшяти свило. У зв'язку з цим викликае необхщшсть розробки технологи виготовлення юнно-легованих структур GaAs, що вклю-чае в себе виготовлення p+-i-n+-шарiв, p+-n-шарiв та п+-п-ьструктур.
2. Огляд лггературних джерел та постановка проблеми
Високоенергетична багатозарядна iмплантацiя е необхвдним шструментом для формування структур швидюсних В1С/НВ1С на GaAs, осюльки вш володiе фiзичними властивостями, як дроблять його бшьш швидкодтчим та енергоефективним шж кремнш [11]. В лiтературi багато вщомостей про технологи формування методом юнного легування шарiв п-типу в напiвiзолюючому арсенiдi галiю i, зокрема, дослщжеш електричнi властивостi шарiв i транзисторних структур в залежност ввд вибору вихiдного напiвiзолюючого матерiалу, дози, енерги та виду iмплантованих ютв, вiд умов термiчного вiдпалу [12-14]. Вже вiдомi дослвджен-ня електричних властивостей шарiв р-типу, сформова-
©
