劉旭東，畢孝國，唐 堅，牛 微，孫旭東

（1.沈陽工程學院能源與動力學院，沈陽 110136；2.東北大學材料與冶金學院，沈陽 110006）

生長工藝對生長室內(nèi)溫度分布影響的數(shù)值模擬

劉旭東1，畢孝國1，唐 堅1，牛 微1，孫旭東2

（1.沈陽工程學院能源與動力學院，沈陽 110136；2.東北大學材料與冶金學院，沈陽 110006）

為給實驗研究晶體生長工藝提供必要的理論指導，以氫氣和氧氣的燃燒為基礎(chǔ)，研究了焰熔法生長金紅石單晶體過程中生長室內(nèi)的溫度分布特征，分析了H2和O2流量、噴嘴尺寸對溫度分布的影響.研究表明：適合金紅石單晶體生長的最佳燃燒器為內(nèi)O2、中H2和外O2的三管結(jié)構(gòu)；隨著H2流量增加，生長室軸心線上和徑向溫度逐漸增大，H2流量增加2 L/min，中心最高溫度平均升高160℃，位置向下移動約2.5 mm；隨著內(nèi)、外O2流量增加，生長室軸心線上和徑向溫度逐漸降低，與內(nèi)O2的影響相比，外O2對中心溫度影響較小，而對徑向溫度的影響較大；隨著內(nèi)O2噴嘴孔徑的增加，生長室軸心線上最高溫度逐漸增大，而位置逐漸向噴嘴方向移動，而外O2和H2噴嘴孔徑對軸心線上最高溫度的影響非常小.

金紅石單晶體；焰熔法；生長室；溫度分布；燃燒器

在焰熔法生長金紅石單晶體過程中，TiO2在氫、氧燃燒形成的還原氣氛下易失氧、不易結(jié)晶，生長室內(nèi)軸向溫度梯度大使晶體生長速度大，導致晶體的冷卻速度快，內(nèi)部熱應(yīng)力大，晶體完整性差，脆性大，而徑向溫度梯度大，使晶體直徑受到限制，但過小的徑向溫度梯度易造成晶體上部熔體發(fā)生溢流現(xiàn)象［1-4］.因此，生長室內(nèi)氣體成分、生長速度、尤其是溫度分布等參數(shù)，決定著晶體能否形成、晶體的質(zhì)量和晶體的最終尺寸［5-8］.這些參數(shù)隨生長過程不斷變化，且相互影響，尤其是溫度分布影響晶體生長速度和生長室內(nèi)氣氛.生長室內(nèi)溫度分布不僅與H2和O2流量有關(guān)，還與燃燒器結(jié)構(gòu)有非常密切的關(guān)系［9］.焰熔法發(fā)明之初使用的兩管燃燒器在生長室內(nèi)所形成的軸向和徑向溫度梯度很大，僅靠增大中心噴嘴直徑以降低徑向溫度梯度是不行的.因為中心噴嘴直徑增大后，為防止回火，必須保持氧氣的流量，致使發(fā)熱量超過需要，造成局部溫度過高，對晶體生長不利.如果將雙管燃燒器改為三管燃燒器，從內(nèi)至外依次為氧氣、氫氣和氧氣，內(nèi)管同時輸送粉體原料.利用這種結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)氫氧比例，不僅可以產(chǎn)生富氧生長氣氛，抑制晶體中氧的缺失，還能降低晶體生長位置的徑向溫度梯度，生長完整的金紅石單晶體.

因此，在焰熔法生長金紅石單晶體過程中，分析生長室內(nèi)軸向和徑向溫度分布特征，研究氣體流量和噴嘴尺寸對溫度分布的影響，實現(xiàn)溫度分布的控制和金紅石單晶體的穩(wěn)定生長.然而，在晶體生長過程中，很難對生長室內(nèi)H2和O2的燃燒過程和溫度分布進行實驗測試分析，而且目前從理論上研究焰熔法生長單晶體生長室內(nèi)的燃燒特性和溫度分布的相關(guān)報道非常少［10-13］.因此，用數(shù)值分析方法從理論上對生長室內(nèi)氣體燃燒過程和溫度分布進行研究非常必要.本文以H2和O2的燃燒為基礎(chǔ)，研究焰熔法生長金紅石單晶體生長室內(nèi)溫度分布特征，分析氣體流量和燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸對溫度分布的影響規(guī)律，以期為其他單晶體的生長提供一定的理論指導.

1 模型的建立

1.1 爐體與噴嘴結(jié)構(gòu)模型

爐體和噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1（a）為爐體結(jié)構(gòu)剖視圖，爐體高為280 mm，外徑為180 mm.爐體內(nèi)生長室為三段圓錐臺型，上部直徑為44 mm，下部直徑為66 mm.生長室外分別為耐火層和保溫層，耐火層用剛玉粉和粘土混合而成，保溫層用石棉填充，外壁是用1 mm厚的鋼板制成的圓筒.圖1（b）為噴嘴結(jié)構(gòu)俯視圖，中心孔直徑為4 mm，通入氧氣和氧化物粉末，內(nèi)環(huán)用于通入氫氣，其內(nèi)、外直徑分別為22和24 mm，外環(huán)用于通入氧氣，其內(nèi)、外直徑分別為34和36 mm.

圖1 爐體和噴嘴結(jié)構(gòu)模型

1.2 基本方程及邊界條件

FLUENT軟件基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，且具有基于網(wǎng)格節(jié)點和網(wǎng)格單元的梯度算法，是解決對流傳熱和燃燒問題常用的CFD計算軟件.整個區(qū)域的溫度分布包括生長室和爐壁兩部分的傳熱計算，生長室內(nèi)氫氣和氧氣的燃燒主要是由化學燃燒反應(yīng)、湍流流動、對流與輻射換熱等現(xiàn)象的耦合而成，爐壁內(nèi)的溫度分布主要是傳導傳熱和爐壁外表面與空氣之間的對流換熱和輻射換熱.描述流體流動和熱量傳遞的微分方程組主要包括以下幾種.

1）質(zhì)量守恒方程

式中：r為密度；ui為速度矢量.

2）能量守恒方程

3）動量守恒方程

式中：p為壓力；τij是應(yīng)力張量，定義為

式中μ為動力粘度.

4）傳熱微分方程

流體流動湍流模型選取標準k-ε模型，其湍動能k和耗散率ε方程為

式中：μt為湍流粘度；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能.

對于H2和O2的燃燒反應(yīng)，由于燃燒反應(yīng)的速率很快，燃燒區(qū)域中由于湍流形成的H2和O2的對流混合相對燃燒過程要慢得多.因此，總的化學反應(yīng)速率受湍流混合的控制，在Fluent中采用Magnussen和Hjertager的渦耗散模型，化學反應(yīng)速率可表示為

式中：YP為P產(chǎn)物質(zhì)量百分比；A和B為經(jīng)驗常數(shù)，通常分別為4.0和0.5.

求解邊界條件可確定如下：

1）中心孔O2、外環(huán)O2和內(nèi)環(huán)H2的噴嘴入口可設(shè)定為體積流量，分別為qV1=7 L/min、qV2= 3 L/min和qV3=18 L/min；

2）生長室和爐體上部、下部的熱流量很小，可忽略，因此，可做絕熱邊界處理，即q1=0；

3）由于在爐體軸向方向的傳熱量遠小于徑向方向的傳熱，因此，可忽略爐體軸向方向傳熱，爐壁向外傳遞的熱流量為q2=heff（Tw-Tf），其中heff為有效傳熱系數(shù)，包括爐壁向環(huán)境的輻射換熱；

4）生長室出口壓力為0.

2 結(jié)果與分析

2.1 生長室內(nèi)溫度分布特征

根據(jù)實驗條件，確定三管燃燒器中心孔O2流量為7 L/min，外環(huán)O2流量為3 L/min，內(nèi)環(huán)H2流量為18 L/min.為了對比分析三管燃燒器和兩管燃燒器的溫度分布特征，在考慮內(nèi)O2和H2流量不變時，有無外O2時生長室內(nèi)的溫度分布特征，以及在O2和H2總量不變的條件下，中心孔通入O2和通入H2時生長室內(nèi)的溫度分布，各計算條件如表1所示.

表1 不同計算條件時的O2和H2流量

根據(jù)表1中的計算條件和設(shè)定的邊界條件，采用FLUENT軟件計算生長室內(nèi)溫度、速度與氣體成分的分布結(jié)果，各種條件下生長室內(nèi)縱截面上的溫度分布計算結(jié)果如圖2所示.

圖2 生長室內(nèi)縱截面溫度分布

從圖2可以看出，在生長室內(nèi)火焰呈中心對稱分布.燃燒器為三管結(jié)構(gòu)，即燃燒條件為表1中計算條件A時，生長室內(nèi)共產(chǎn)生兩股火焰，一股是中心的大火焰，另一股是外O2周圍一圈的小火焰，如圖2（a）所示.這是由于中心內(nèi)O2的流量較大，且中心孔截面積較小，因而在中心對稱軸上形成較大的O2流，與周圍的氫氣進行混合燃燒，在生長室內(nèi)中心形成一個高溫火焰區(qū)域，其最高溫度3 853 K，在H2和O2燃燒的界面處，而中心線上的最高溫度則為3 406 K.結(jié)合圖3可以分析得到中心線上距噴嘴140 mm處達到金紅石晶體的熔點溫度2 123 K.因此，根據(jù)計算結(jié)果能夠準確地調(diào)整晶體生長位置，或者根據(jù)觀察孔的位置來調(diào)整H2與O2的流量，從而獲得晶體生長所需要的最佳流量.

對于無外O2的兩管燃燒器，由于H2和O2只有一個燃燒界面，在生長室內(nèi)只產(chǎn)生一股火焰. 表1中計算條件B的燃燒條件使得生長室內(nèi)處于富H2狀態(tài)，O2流逐漸消耗并在生長室內(nèi)形成以中心線為軸的高溫火焰區(qū)域，達到最高溫度3730 K的位置，在距噴嘴71 mm處，與三管燃燒器中心線最高溫度位置遠離3 mm，說明中心O2流量對中心高溫位置的影響非常大.

在兩管燃燒器中H2和O2的總流量與三管燃燒器相同時，如圖2（c）和圖2（d）所示，兩管燃燒器和三管燃燒器的溫度分布特征相差較大.當兩管燃燒器的中心孔通入O2時（圖2（c）），中心過量的O2較多，導致中心線上的最高溫度較小，為3 297 K，且距離噴嘴77 mm.H2從噴嘴出來后，由于其密度很低，熱膨脹性能非常好，燃燒界面向O2方向靠近，導致火焰直徑較大，這現(xiàn)象從中心孔通入H2時（圖2（d））的火焰形狀更為明顯，從中心噴嘴出來的H2迅速向外擴散與外圍的O2接觸燃燒而出現(xiàn)一個很小的高溫區(qū)域，擴散后的H2流直徑較大，在向下流動的同時也向四周擴散與O2接觸燃燒而形成一個環(huán)形的高溫區(qū)域，導致高溫區(qū)域距離噴嘴較近.

圖3為表1中不同流量時生長室軸心線上距頂部不同高度處（Ht）的溫度分布.圖中曲線a、b、c、d依次對應(yīng)表1中的條件A、B、C、D.從圖3可以看出，當中心孔通入O2時，中心線上的溫度分布特征基本相同，均是在距離噴嘴較近范圍內(nèi)溫度較低，然后急劇增大到溫度最高點，中心孔O2流量相同時，如圖3中曲線a、b，最高溫度距噴嘴的高度非常接近.由于三管燃燒器中的部分H2與外O2發(fā)生反應(yīng)，導致其中心線上最高溫度有所減小.對于兩管燃燒器而言，當外圍H2流量相同時，中心孔O2流量越大，中心線上的最高溫度反而減小，且位置向下移動.這是因為中心過量的氧氣將熱量帶走，并向下移動.當中心孔通入H2時，由于H2具有良好的熱膨脹性，H2從噴嘴出來后就發(fā)生燃燒反應(yīng)，而后溫度急劇增加到最大值.

圖3 生長室軸心線上溫度分布

為了分析不同流量時生長室內(nèi)徑向溫度分布特征，取觀察孔中心線位置的徑向溫度分布為分析對象，距中心不同位置（Dc）的溫度分布如圖4所示.從圖4可以看出，不同的氣體流量對生長室近壁面處的溫度分布影響很小，而對生長室內(nèi)的徑向溫度分布的影響非常明顯.在中心O2和H2流量相同時，與無外O2時相比較而言（圖4中曲線b），有外O2的條件下（圖4中曲線a）徑向溫度分布梯度要相對較小，而且整個溫度都要高一些.這說明外O2在噴嘴附加產(chǎn)生的環(huán)形火焰對觀察孔位置的徑向溫度分析有較大影響，并將燃燒產(chǎn)生的熱量在氣流的作用下，將熱量向下傳遞而提高觀察孔位置的溫度.當燃燒器為兩管結(jié)構(gòu)時，在O2和H2流量相同時，中心孔通O2和通H2的條件下，生長室內(nèi)徑向溫度分布差別較大.當中心孔通O2時（圖4中曲線c），生長室內(nèi)觀察孔處徑向溫度值較高，且溫度梯度比較大.這是因為當中心孔通入H2時（圖4中曲線d），由于H2密度低，熱膨脹性能非常好，從噴嘴出來后立即與周圍的氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，使得生長室內(nèi)上部的溫度非常高，且溫度分布的直徑也比較大.

圖4 生長室徑向溫度分布

綜合以上分析得知，要得到滿足金紅石生長的氧化氣氛，且徑向需要一定的溫度梯度和中心較小的溫度分布特征，只能在表1（a）的燃燒條件才能實現(xiàn)，也就是說三管燃燒器是金紅石生長的最佳設(shè)計結(jié)構(gòu).

在利用焰熔法制備金紅石單晶體的過程中，觀察孔（中心距噴嘴110 mm）位置和觀察孔內(nèi)的晶體生長位置的選擇非常關(guān)鍵，位置不同，溫度分布特征不同，導致晶體的生長狀態(tài)也會不同.為了分析不同高度位置上生長室內(nèi)徑向溫度梯度對爐內(nèi)晶體生長的影響規(guī)律，在表1中計算條件A的燃燒條件下，計算了觀察孔上沿、中心和下沿3個位置在徑向上的溫度分布，計算結(jié)果如圖5所示.從圖5可以看出，距離噴嘴位置越近，中心溫度最高，而徑向溫度梯度也越大，尤其是在離中心線10 mm范圍內(nèi)的溫度梯度變化較大.說明晶體直徑小于20 mm時，晶體生長界面在觀察孔中位置非常關(guān)鍵，對于熔點為2 123 K的金紅石晶體，在觀察孔的中下部生長晶體，有利于得到穩(wěn)定的晶體生長狀態(tài).由于在觀察孔中上部的中心溫度很高，盡管徑向溫度梯度較大，溫度下降較快，但單晶體邊緣處的火焰溫度仍遠高于晶體的結(jié)晶溫度，易造成晶體上端的熔體發(fā)生溢流現(xiàn)象而不能穩(wěn)定生長.另外，溫度梯度過大，容易造成晶體中心和邊緣的溫差過大，導致晶體內(nèi)部的熱應(yīng)力過大而降低晶體質(zhì)量.在觀察孔下部生長晶體時，溫度梯度較小，熔體內(nèi)溫度比較均勻.然而，當熔體的過熱度較大時，晶體的邊緣溫度也容易過高，使熔體不易結(jié)晶，甚至引起溢流；當熔體過熱度較小時，熔體的粉體有時不能得到很好的溶化而容易引起晶體造成夾雜或包裹體等晶體缺陷.在此流量條件下，觀察孔的中下部距離噴嘴大于110 mm處比較適合金紅石晶體生長.

圖5 觀察孔處不同高度上生長室徑向溫度分布

2.2 H2流量的影響

焰熔法制備金紅石單晶體過程中，H2流量不僅決定了生長室內(nèi)的氧化氣氛程度，更為重要的是影響了生長室內(nèi)的溫度分布.隨著晶體直徑的不斷增大，晶體生長所需要的H2量逐漸增多.圖6給出了在內(nèi)O2和外O2流量分別為7和3 L/min時，不同H2流量對生長室軸心線和徑向溫度分布的影響.

從圖6可以看出，當內(nèi)、外O2流量不變時，隨著H2流量的增加，生長室內(nèi)中心軸和徑向溫度均逐漸增大.中心溫度在距噴嘴57 mm內(nèi)隨H2流量的增加基本不變，在H2流量由16 L/min增加到20 L/min時，H2流量每增加2 L/min，中心的最高溫度平均升高160℃，且最高溫度的位置向下移動，移動距離約為2.5 mm.這是因為生長室內(nèi)的O2過量，中心上的O2并沒有全部參與周圍H2的燃燒反應(yīng)，放出的熱量主要取決于H2的流量，當H2流量增大時，H2的吹入深度增大，更多的H2和O2在更低的位置發(fā)生燃燒反應(yīng)放出更多的熱量，導致中心最高溫度升高且向下移動.

圖6 不同H2流量時生長室軸線（a）和徑向（b）溫度分布

由圖6可知，在內(nèi)、外O2流量不變時，H2流量增加，徑向溫度也隨之增大，而H2流量越大，在觀察孔中心（距噴嘴110 mm）位置徑向溫度增加幅度越大.這是由于內(nèi)O2流量大于外O2流量，且內(nèi)O2孔面積遠小于外O2環(huán)的面積，從而形成了內(nèi)O2火焰在觀察孔附近，而外O2火焰在噴嘴附近的燃燒特性，如圖2（a）所示.H2流量越多，H2吹入深度也增大，與內(nèi)O2發(fā)生燃燒反應(yīng)的H2量越多.同時，由于H2具有很好的熱膨脹性能，導致燃燒后的高溫區(qū)域直徑也越大.因此，在制備金紅石晶體過程中，隨著晶體尺寸的不斷增大，需要的H2流量也越大，然而，當晶體尺寸較大時，為了避免晶體邊緣的溫度過高而引起溢流現(xiàn)象，應(yīng)更加緩慢地增加H2的流量.

2.3 O2流量的影響

焰熔法制備金紅石單晶體需要富O2氣氛，對于三管燃燒器結(jié)構(gòu)中內(nèi)O2的主要目的是得到高溫的中心區(qū)域，外O2的主要目的是為了提高生長室內(nèi)氧化氣氛程度.為了分析內(nèi)O2流量對生長室內(nèi)溫度分布的影響，在H2和外O2流量分別為18 和3 L/min，且不變時，計算了內(nèi)O2為6～8 L/min時生長室內(nèi)的溫度分布，結(jié)果如圖7所示.

從圖7可以看出，當H2、外O2流量不變時，隨著內(nèi)O2流量的增加，生長室內(nèi)中心軸和徑向溫度的變化趨勢相同，只是溫度逐漸降低，且降低的幅度逐漸減小.在內(nèi)O2流量由6 L/min增加到7 L/min時，中心的最高溫度降低141℃，位置向下移1.7 mm，徑向溫度平均降低50℃；在內(nèi)O2流量由7 L/min增加到8 L/min時，中心的最高溫度降低136℃，位置向下移1.1 mm，徑向溫度平均降低21℃.這是因為生長室內(nèi)的H2不變，生長室內(nèi)燃燒反應(yīng)放出的熱量不變，隨著內(nèi)O2流量的增大，多余的O2將中心區(qū)域熱量吹入更深的位置，并帶動中心周圍區(qū)域的熱量在更長、更寬的范圍內(nèi)分布，從而使中心最高溫度和徑向溫度均有所降低.

圖7 不同內(nèi)氧流量時生長室軸線（a）和徑向（b）的溫度分布

為了分析外O2流量對生長室內(nèi)溫度分布的影響，在H2和內(nèi)O2流量分別為18和7 L/min，且不變時，計算了外O2為2～4 L/min時生長室內(nèi)的溫度分布，計算結(jié)果如圖8所示.

從圖8可以看出，當H2、內(nèi)O2流量不變時，隨著外O2流量的增加，生長室內(nèi)中心軸和徑向溫度的變化趨勢相同，只是溫度逐漸降低，且降低的幅度逐漸減小.在外O2流量由2 L/min增加到3 L/min時，中心的最高溫度降低105℃，位置向上移2.5 mm，徑向溫度平均降低118℃；在內(nèi)O2流量由3 L/min增加到4 L/min時，中心的最高溫度降低42℃，位置向上移1.5 mm，徑向溫度平均降低50℃.與內(nèi)O2的影響相比，外O2對中心溫度影響較小且將中心最高溫度往上移動，而對徑向溫度的影響較大.這是因為，在H2流量不變時，當外O2流量增加，外O2吹入深度增加，與更多的H2發(fā)生反應(yīng)，導致與內(nèi)O2反應(yīng)的H2量減少，從而降低中心溫度，同時將最高溫度向噴嘴方向移動.隨著外O2流量的增大，更多的H2與外O2在噴嘴附近燃燒，則觀察孔附近主要由內(nèi)O2和H2燃燒的反應(yīng)就有所減少，導致徑向溫度的降低.

圖8 不同外氧流量時生長室軸線（a）和徑向（b）的溫度分布

2.4 噴嘴孔徑的影響

焰熔法制備金紅石單晶體過程中，隨著晶體尺寸的不斷長大，需要的O2和H2的流量越來越多.如果噴嘴孔徑太小，在大流量條件下容易在生長室內(nèi)產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，且容易對晶體上端的熔體造成較大的沖擊力，不利于晶體的穩(wěn)定生長；如果噴嘴孔徑過大，在觀測孔附近滿足晶體時所需O2和H2的流量會很大，很容易造成晶體過熱而引起溢流.因此，H2和O2噴嘴的孔徑對生長室內(nèi)溫度分布的影響非常關(guān)鍵.在內(nèi)O2、H2和外O2流量分別為7、18和3 L/min，且不變時，計算了內(nèi)O2、H2和外O2噴嘴孔徑對生長室內(nèi)的中心溫度分布影響，結(jié)果如圖9所示.

圖9 不同內(nèi)氧（a）、外氧（b）和氫氣（c）噴嘴孔徑時生長室軸心線上溫度分布

從圖9可以看出，當內(nèi)O2、H2和外O2流量不變時，內(nèi)O2噴嘴孔徑對中心溫度影響較大，而外O2和H2噴嘴孔徑的影響非常小.隨著內(nèi)O2噴嘴孔徑的增加，生長室軸心線上最高溫度逐漸增大，而位置逐漸向噴嘴方向移動.內(nèi)O2噴嘴孔徑增加0.5 mm，中心最高溫度大約升高190℃，位置向上移約8 mm.這是因為當內(nèi)O2噴嘴孔徑增加時，由于內(nèi)O2流量不變，吹入深度將減小.同時，由于H2噴嘴環(huán)面積較大，且H2具有良好的熱膨脹性，使得H2的吹入深度較低，因而當內(nèi)O2吹入深度減小時與更多的H2發(fā)生反應(yīng)，導致中心溫度升高.對于H2噴嘴而言，只要H2的流量不變，其吹入深度隨著噴嘴環(huán)的面積變化不是很大，因而對中心溫度的影響很小.對于外O2噴嘴而言，由于噴嘴環(huán)面積較大，且流量很小，導致外O2的吹入深度也較低，當外O2噴嘴環(huán)面積發(fā)生變化時，其對中心溫度的影響很小.

3 結(jié) 論

1）適合金紅石單晶體生長的最佳燃燒器為內(nèi)O2、中H2和外O2的三管結(jié)構(gòu)，在內(nèi)O2、H2和外O2流量分別為7、18和3 L/min時，金紅石單晶體生長的最佳位置是在觀察孔內(nèi)距離噴嘴大于110 mm處.

2）隨著H2流量增加，生長室內(nèi)中心軸和徑向溫度逐漸增大，且H2流量越大，在觀察孔中心位置的徑向溫度增加幅度越大，H2流量增加2 L/min，中心最高溫度平均升高160℃，位置向下移動約2.5 mm.

3）隨著內(nèi)O2和外O2流量增加，生長室內(nèi)中心軸和徑向溫度逐漸降低，且降低的幅度逐漸減小，與內(nèi)O2的影響相比，外O2對中心溫度影響較小且將中心最高溫度向上移動，而對徑向溫度的影響較大.

4）內(nèi)O2噴嘴孔徑對中心溫度影響較大，而外O2和H2噴嘴孔徑的影響非常小，隨著內(nèi)O2噴嘴孔徑的增加，生長室軸心線上最高溫度逐漸增大，而位置逐漸向噴嘴方向移動.

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（編輯 呂雪梅）

Numerical simulation of the influence of growth parameters on the temperature distribution in growth chamber

LIU Xudong1，BI Xiaoguo1，TANG Jian1，NIU Wei1，SUN Xudong2

（1.School of Energy and Power，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China；2.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110006，China）

To provide necessary theoretical guidance for the experimental study on the growth process of rutile crystals，temperature distribution in growth chamber was investigated for preparation of rutile single crystal with hydro-oxygen flame fusion method.And effects of oxygen and hydrogen flow rate and nozzle size on temperature distribution were analyzed.Results showed that the optimal burner for growing of rutile single crystal was a threetube structure containing inner，middle and outer tubers for oxygen，hydrogen and oxygen，respectively.With the increasing hydrogen flow rate，the center and radial temperature increased gradually in the chamber，and the position of the peak temperature gradually moved down，which downward moved 2.5 mm when the hydrogen flow rate increased for 2 L/min，while the peak temperature rose 160℃in average.With the increasing inner and outer oxygen flow rate，the center and radial temperature decreased gradually in the chamber.Compared with the inner oxygen，the outer oxygen had little effect on the center temperature and much impact on the radial temperature.With the increasing diameter of nozzle for inner oxygen，the peak temperature increased gradually in the chamber and the position of the peak temperature gradually moved up，while the increasing diameter of nozzle for outer oxygen and middle hydrogen had little effect on the center temperature.

rutile single crystal；flame fusion method；growth chamber；temperature distribution；burner

O782

A

1005-0299（2015）06-0057-08

10.11951/j.issn.1005-0299.20150611

2015-04-28.

國家自然科學基金資助項目（51472047）.

劉旭東（1975—），男，副教授；孫旭東（1961—），男，教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者.

劉旭東，E-mail：liuxd@sie.edu.cn.