阴极炭块石墨化后铝电解槽热场的数值模拟及优化

阴极炭块石墨化是如今铝厂改型升级的重要手段,首先通过COMSOL仿真软件对石墨化阴极炭块铝电解槽切片模型进行热场数值模拟,发现石墨化阴极炭块温度分布均匀,最高温度为933.05℃。其次,对某铝厂使用石墨化阴极炭块后进行能量平衡测试,能量总支出占总收入的97.22%,收支较为平衡。最后,通过增加阳极覆盖料厚度以及在底部和侧部增加纳米保温材料的方法来优化热场,保温层厚度为96 mm时,每毫米增加1.43℃,保温效果最佳。

航发主轴球轴承喷油润滑热场分析及试验研究

针对航发主轴三点接触球轴承高速运转时容易引起轴承烧伤问题,采用局部法建立轴承生热模型。基于流体两相流理论和耦合传热原理,建立轴承流固耦合模型,分析转速、供油量等对流场以及轴承温度的影响。利用航发球轴承试验机开展轴承温升试验,并对仿真结果进行验证。结果表明:随着供油量的增加,轴承外圈的油量显著增加,轴承温度下降;当供油量达到1.2 L/min时,继续增加供油量冷却效果减弱;随着转速增加,轴承腔内油液减少,轴承内外圈温度均增大且内圈增幅比外圈大;随着轴向载荷增加,轴承内外圈温度均增大。试验结果与仿真计算最大误差为10.27%,验证了模型的合理性。

VGF法磷化铟单晶炉加热器对炉内热场分布影响的研究

磷化铟(InP)是一种重要的化合物半导体,在通信、航空航天和人工智能等领域具有广泛的应用。InP单晶生长质量的优劣取决于其生长炉内热场的稳定与温控。InP晶体工业生产中广泛采用的垂直梯度凝固(VGF)法是在磷化铟单晶生长炉中构建高温、封闭、稳定及可控的热场,但因炉内缺乏直接观测和完整的参数监测手段,利用计算机数值仿真对炉内晶体生长的温度场进行科学分析,以获取最佳的生长温控条件,俨然成为有效且重要的方法。本文基于ANSYS有限元软件及炉内元件实测参数,建立了InP单晶生长系统热场三维物理和数学模型,基于磷化铟单晶生长过程中的温度离散数据,对所建模型对比和验证,获得了与实际生产温度数据吻合良好的效果(温度偏差控制在3%以内),验证了所建模型的有效性。基于此模型,本文对生产条件下四段加热器温度波动对热场分布影响进行了探讨,并对炉内四段加热器的温度波动对炉内低温区、高温区及料管中心温度影响规律进行了研究,所得结论对揭示工业生产过程中InP单晶炉热场的分布规律及调节方法具有一定的指导意义。

铝电解槽不同铝水平高度电热场模拟对比

铝水平高度是铝电解过程中的重要指标,合适的铝水平可保持良好的槽内物理场使电解槽稳定生产。因此,找到合适的铝水平高度对电解槽良好工作至关重要。利用SOLIDWORKS建模软件绘制了四组350 kA不同铝水平电解槽,通过COMSOL仿真软件分别对四组不同铝水平电解槽电场及热场进行模拟并对比某厂350 kA电解槽现场测试数据,验证了模拟准确性。发现随着铝水平的不断升高,电解槽内电势、电流密度及整体温度均呈下降趋势。通过电场热场对比,认为350 kA电解槽铝水平位于20~22 cm区间为最优,压降为3630~3810 mV,槽内高温约为950℃。

压缩热场光腔-原子量子电池的功提取动力学演化

构建了一种基于光腔与原子耦合的开放量子电池系统,通过调控压缩热场的量子特性实现了稳定赋能。利用量子态Bloch矢量的动力学映射方法,研究了压缩热场环境对量子电池功提取的动力学机制。研究发现,电池在低温条件下,量子功提取效果较好。量子环境的记忆效应和环境压缩特性在一定程度上有利于改善量子功提取。揭示了量子功提取与量子相干之间的物理关联,量子相干特性显著的电池具有较高的量子功提取。这为光腔辅助的开放量子电池提供了一种可行性方案。

基于锑化铟合成及区熔的热场研究

为了适应中波红外探测器的发展对锑化铟(InSb)材料的需求,以InSb合成及区熔设备为研究对象,开展了InSb合成及区熔的热场研究。针对两步工艺研究了组合式热场结构,采用有限元仿真分析方法对热场进行数值模拟计算,得到了适宜工艺的温度分布及规律。经过工艺实验,晶锭出现3~10 cm的熔化区域,获得了载流子浓度和迁移率满足要求的N型InSb锭条。研究的组合式及三段熔区的热场结构有效提高了材料制备的效率,降低了制造成本。研究结果表明,合成及区熔设备温度场分布符合设计要求。仿真结果为此类设备的优化与改进提供了理论依据和有效手段,为红外探测器的发展提供了材料制备基础。

基于数字仿真模型的电缆隧道热场研究

通过建立数字仿真模型计算模拟分析影响电缆隧道外热场的主要因素,分析电缆隧道沿隧道壁和土壤径向散热的能力,计算对比分析隧道外热场受隧道深度的影响因素,对电缆隧道的设计、设备选型及降温措施具有重要参考价值。

SiC单晶生长设备热场设计分析

在硅碳化物(SiC)单晶生长设备的热场设计中,充分考虑了温度分布、热流分布和热应力等关键因素,这对确保单晶质量、提高生长效率和延长设备寿命至关重要,热场设计涉及炉体结构、加热系统、冷却系统以及温度控制系统等多个方面,需要综合考虑热工学、材料学和机械工程等多个学科的知识。

高温层压机热场分布对微波基板性能的影响

采用多物理仿真软件COMSOL对高温层压机热场分布进行模拟,分析不同热场对微波基板性能的影响。根据理论预测与实验结果对层压机加热管位置进行了合理调整,调整后基板表面质量、相对介电常数均匀性和剥离强度均得到了改善,消除了基板表面褶皱,相对介电常数均匀性Cv值达到0.000 3,剥离强度超过2.4 N/mm。同时,基板厚度也实现稳定可控,基板厚度的过程能力指数Cpk达到1.0。借助统计控制过程(SPC)技法和COMSOL软件解决了高温层压机热场存在的问题,大幅度降低了实验成本,为解决实际生产中遇到的问题提供了有效工具。

铝电解槽热场和流场的测试分析和数值模拟

随着电流强度不断增大,铝电解槽产生的热场和流场情况更为复杂,基于COMSOL Multiphysics三维模拟软件,建立热场切片模型和流场整槽模型,对某厂家400 kA铝电解槽的热场和流场进行研究,并通过现场测试数据对比测试结果和模拟结果,验证了该模拟准确性以及该厂家设计合理性。在数值模拟基础上验证了铝电解槽侧部和底部增加纳米材料,铝电解槽最高温度由978℃升至985℃,具有良好的保温效果;并研究了260-310 mm铝液层高度的铝电解槽流场,发现铝液层高度在270-280 mm范围内铝电解槽较稳定。

热场辅助电磁脉冲焊接Al/Cu异种金属接头组织性能研究

采用热场辅助电磁脉冲焊接技术对Al/Cu异种金属进行焊接,对比分析了热场温度分别为室温、100℃和200℃条件下焊接接头的宏观形貌、界面组织及力学性能。结果表明:热场辅助电磁脉冲焊接技术能够实现Al/Cu异种金属的优质焊接;随着热场温度的增加,焊接接头有效结合区的尺寸增大。而波状界面形貌随着热场温度不同呈现不同的形态,室温下界面呈现正弦波和剪切波的混合波形,100℃下呈不规则的嵌入式波形形貌,200℃下的形貌与室温类似,但是界面反应层的厚度最大;三种温度下的界面反应区都检测到了Al-Cu化合物的存在。力学性能测试结果表明,随着热场温度的升高,焊接接头的力学性能逐渐提高。当加热温度为200℃时,焊接接头的抗拉剪力达到了4076 N;所有试样都在界面处发生断裂,断裂区域存在断口形貌呈现“河流状”和韧窝结构混合形式,推断焊接接头的失效模式为韧脆混合断裂。在外场温度作用下,焊接接头的有效结合区增大,界面波形结构发生改变,进而有效地提升了接头的力学性能。

基于FEMAG软件的300CM单晶硅热场特征仿真

为获取最优单晶硅生长参数,利用FEMAG软件完成300CM单晶硅热场特征的模拟。应用FEMAG软件的Furgeo、Crygeo模块获取炉体、晶体的几何结构。利用IniMesh得到热场的总体几何结构,通过GemMesh模块划分热场总体几何结构网格,并通过设定具体参数获取最优非结构网格,根据已经确定的材料基础数量、晶体原理位置和熔体自由表面位置建立热场模型,仿真分析300CM单晶硅热场特征。实验结果表明:300CM单晶硅熔体在水平磁场下的流动具有三维非对称性;拉速几乎不影响单晶硅熔体热场分布;加强型热屏影响下热场的各种固液界面形状变化最小、最平坦,熔体在纵向温度梯度上的变化量最少;坩埚转速加快不影响固液界面的温度梯度。

半密封直拉法生长6英寸磷化铟单晶热场研究

磷化铟(InP)是一种重要的化合物半导体材料。InP由于性能优异,在高频电子器件及红外光电器件领域的应用日趋增多。目前,磷化铟器件的价格远高于砷化镓器件,其主要原因是磷化铟单晶成品率低,以及晶圆尺寸较小造成外延和器件工艺成本居高不下。增大InP单晶的直径对降低晶圆及半导体工艺成本至关重要。制备大尺寸InP单晶的主要难点是提高晶体的成品率和降低晶体的应力。目前行业内通常使用垂直梯度凝固(Vertical gradient freeze,VGF)法和液封直拉(Liquid Encapsulated Czochralski,LEC)法制备InP。VGF法在制备6英寸(15.24 cm)InP方面鲜有建树,LEC法制备的晶体往往具有更高的应力和位错密度。本研究展示了半密封直拉(Semi-Sealed Czochralski,SSC)法在生长大直径化合物半导体材料方面的优势,采用数值模拟方法分析了LEC法和SSC法中熔体、晶体、氧化硼和气氛中的温度分布,重点分析了SSC技术的温度分布。模拟结果中,SSC法晶体中的温度梯度为17.4 K/cm,明显低于LEC法中的温度梯度28.7 K/cm。在等径阶段SSC法晶体肩部附近气氛温度比LEC法高504 K。根据模拟结果对SSC法热场进行了优化后,本研究得到了低缺陷密度、无裂纹的6英寸S掺杂InP单晶,证实了SSC法应用于大尺寸InP单晶生长的优势。

热交换坩埚下降法制备大尺寸氟化铈晶体的热场设计与优化

随着CeF_(3)晶体在激光和磁光领域应用的持续发展,大尺寸、高光学质量的CeF_(3)单晶的需求日益急迫,而CeF_(3)熔体的高黏度和低热导率的特性给晶体生长工艺带来了较大挑战。为研究CeF_(3)熔体低导热性引发的生长问题,探究其生长过程中炉体结构和工艺参数对温度分布和结晶界面的影响机制,本工作对热交换坩埚下降法(Heat Exchanger-Bridgman method,HEB)生长大尺寸(ϕ80 mm)CeF_(3)晶体中炉体结构与晶体/熔体温度分布关系、不同生长阶段界面的变化规律以及热场结构对生长界面的作用机制开展了数值模拟研究。研究结果表明:当发热体长度与坩埚长度相适应时,更有利于构建合理的温度梯度场,而放肩和等径生长阶段的凹界面问题则可以通过改变隔板形状和加反射屏调节坩埚壁温度分布得到有效解决。本研究成果不仅可以加深对CeF_(3)晶体结晶习性的理解,炉体结构和生长界面的优化思路对坩埚下降法制备其他晶体同样有实际指导意义。

基于扇环插值的内壁多尺度热场图案的构造方法

为了实现对内燃机气缸盖鼻梁区热疲劳损伤的重点监测,获得高辨识度重构影像,提出了一种基于扇环插值的多尺度热场图案构造方法。首先,结合内燃机气缸盖内壁的热场分布规律,将气缸盖火力面划分成多尺度的热场区域,剖析内壁各区域易出现热疲劳损伤的机率,确定其分辨率。其次,基于圆弧插补的思想,把划分好的多尺度热场区域离散成由多条圆弧点群组成的扇环区域。然后,对扇环区域内的每条圆弧分别进行插值得到扇环热场图案,再将各个扇环热场图案组合成多尺度热场图案。最后,将构造出的多尺度热场图案和缸盖外壁的热能进行关联运算,重构出气缸盖内壁影像。为了验证本文方法的合理性,将重构出的内壁影像与基于双线性插值构造热场图案下的重构影像进行对比分析。分析结果表明,本文采用的方法重构出的有裂纹和无裂纹气缸盖内壁影像对比度较基于双线性插值方式构造热场图案的重构影像提升了74.77%和75.09%,结构相似度和峰值信噪比也略有提升,且本文中采用的方法更利于热疲劳损伤所导致的裂纹等缺陷的检测和非重点检测区域重构影像的质量提升。

高密度阳极铝电解槽电-热场耦合仿真研究

在铝电解槽中,阳极炭块内存在的气孔会降低炭块的导电和导热性能,并且增加炭渣,降低电流效率,导致炭耗和直流电耗升高。通过浸渍工艺得到的高密度阳极可以有效地降低炭块的气孔率。为了探究高密度阳极铝电解槽的电-热场变化和影响,基于ANSYS软件建立高密度阳极铝电解槽的电-热场耦合计算模型。研究结果表明:铝电解槽高密度阳极炭块的平均温度上升8.73℃,热应力增加,但形变量减小;侧部槽壳的平均温度下降28.59℃,热应力和形变量均降低,有利于保持槽膛内形稳定;热场变化主要与阳极炭块物性改变有关;槽电压降低49.16 mV,主要与炭块物性改变和电解质电阻率降低有关;高密度阳极电流全导通时间缩短3.39 h,可有效减弱换极产生的负面影响,阳极使用寿命可延长4 d,炭耗降低10.3 kg/t;铝电解槽反应能耗占比增加0.62%,电流效率提高1.69%,直流电耗降低270 kW·h/t。

ADU微球连续焙烧设备热场流场数值模拟

根据现有生产经验,ADU微球连续焙烧设备的最大难点是如何做到炉内气体均匀和温度场均匀,通过热场、流场数值模拟,在设备设计阶段充分论证设备结构,确保研制出的ADU微球连续焙烧设备不存在热场、流场不均匀、设备结构不合理等较大缺陷。基于ADU微球连续焙烧设备的自身特点,对焙烧设备的热场流场进行了模拟分析,综合考虑焙烧设备中的导热、对流、辐射等传热方式,获得在模拟稳定运行状态下炉内温度场、流场的分布情况,为ADU微球连续焙烧设备结构设计及制造提供一定的理论数据支持。

热场辅助单晶蓝宝石晶圆精研加工性能

针对传统蓝宝石晶圆精磨加工表面质量差、效率低下的难题,提出热场辅助蓝宝石晶圆加工技术,研究热场辅助对蓝宝石晶圆精研加工性能的影响。通过自行设计的热场辅助装置控制加工区温度,基于半固结柔性磨具,在不同加工区温度条件下对蓝宝石晶圆进行精研加工,对比分析加工区温度对其加工性能的影响,并深入探讨材料去除机理。仿真结果表明,自行设计的热场辅助装置可使精研加工区迅速达到设定温度,且整个过程中晶圆的温度差<1.3℃。与室温下的加工结果相比,当加工区温度控制在50.0℃时,蓝宝石晶圆的表面粗糙度下降了6%,材料去除率提高了近114.2%。磨屑检测结果表明,提高加工区温度后,晶圆表面材料在去除过程中发生晶态结构转变,提高了蓝宝石加工过程中的水合反应速率,从而提高了材料去除率。热场辅助蓝宝石晶圆精研加工可同时获得较高的表面质量和加工效率,具有广阔的应用前景。

移动加热器法碲锌镉晶体生长系统热场研究

碲锌镉(Cd_(1-x)Zn_(x)Te,简称CdZnTe或CZT)是一种在室温下工作的半导体核辐射探测材料,因其优越的光电特性近年来受到越来越多的关注,在医学成像、环境监测和空间探测领域的应用也愈发广泛。移动加热器法(THM)被认为是目前生长CZT单晶最有前景的方法之一。晶体生长过程中,合适的温场是获得优质晶体的前提条件。本文使用Fluent软件对电阻加热式THM生长CZT单晶生长系统展开热场研究,首先建立描述系统热输运的物理和数学模型,提出一种设立控温点的逆模拟方法解决了加热器功率并非既定值的模拟难点,设定功率分别为225.6、343.7、1045.9、92.5、199.6 W的5个加热器情况下的炉内温场计算值与实验测量值有了较好的吻合。进而研究加热器与炉膛管距离、散热区宽度等炉膛结构对坩埚内CZT原料区温度分布的影响。研究结果表明,Canthal炉管与加热器间距离由5 mm增大至10、15 mm后,最高温度减小3.7%、5.6%,散热区宽度由30 mm增大至50、80 mm后,熔区宽度分别减小32.7%、50.0%。

大型气相裂解炉热场分布的优化解决措施

某石化公司乙烯装置新建气相乙丙烷裂解炉采用寰球大型气相裂解炉技术,双炉膛布置,全底烧设置。气相裂解炉建成投用后出现辐射段热场分布不均的异常情况,表现为火焰形状不稳定,COT偏差较大且容易波动,乙烯收率偏低。针对气相裂解炉热场分布进行观察和分析原因,2次对燃烧器进行改造,优化裂解炉热场分布,提高气相裂解炉的乙烯收率。