尹少武，張朝，康鵬，韓嘉維，王立

（1 北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2 北京科技大學(xué)冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

氮化硅（SiN）陶瓷作為一種結(jié)構(gòu)陶瓷，具有耐高溫、硬度大、抗熱震性能好、高熱導(dǎo)率等優(yōu)異的性能，在航空航天、機(jī)械化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。具有高導(dǎo)熱性的氮化硅已成為下一代電子設(shè)備中最有前途的基底材料之一。氮化硅陶瓷一般由其粉體燒結(jié)而成，而氮化硅粉末均需人工合成，合成方法一般分為直接氮化法、碳熱還原法、自蔓延法和化學(xué)氣相沉積法等。

然而，現(xiàn)有的硅粉氮化工藝均為間歇式生產(chǎn)，無(wú)法進(jìn)行氮化硅粉末的連續(xù)制備，受到流化床在其他工業(yè)過(guò)程中成功應(yīng)用的啟發(fā)，F(xiàn)ukuoka 等提出在流化床和移動(dòng)床中分步反應(yīng)來(lái)制備氮化硅粉的方法。為了簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程并提高產(chǎn)量，Liu等提出直接采用超細(xì)硅粉作為原料在流化床中實(shí)現(xiàn)氮化硅超細(xì)粉的制備。但當(dāng)流化床內(nèi)反應(yīng)溫度超過(guò)硅粉的熔點(diǎn)時(shí)，硅粉會(huì)因融化燒結(jié)而導(dǎo)致流化失敗，為提高反應(yīng)溫度及降低硅粉氮化時(shí)間，尹少武等提出基于氣固兩相流動(dòng)的氮化硅超細(xì)粉連續(xù)制備新方法，以氮?dú)鉃檩d氣，將硅粉快速流化并夾帶離開(kāi)供料裝置，并以稀相氣力輸送的狀態(tài)進(jìn)入高溫輸送床來(lái)實(shí)現(xiàn)氮化硅超細(xì)粉的連續(xù)制備，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以2.7μm 的硅粉為原料，當(dāng)?shù)瘻囟葹?653K、氮化時(shí)間為54.5s時(shí)，硅的轉(zhuǎn)化率為22.5%。尹少武等提出的方法在應(yīng)用上有兩大難題需要解決，其一是在對(duì)輸送床供料時(shí)，平均粒徑小于3μm 的超細(xì)硅粉屬于C類顆粒，粒徑較小使顆粒間相互作用力較大，易發(fā)生團(tuán)聚，而不易被流化并夾帶離開(kāi)，而通過(guò)控制超細(xì)粉供料裝置的攪拌速率、振動(dòng)強(qiáng)度和氣體流量、溫度，實(shí)現(xiàn)顆粒粒徑為2.7μm的超細(xì)硅粉的高濃度夾帶，粉氣質(zhì)量比可達(dá)0.341；其二是高溫輸送床是制備優(yōu)質(zhì)SiN粉體的關(guān)鍵設(shè)備，高溫輸送床內(nèi)的溫度控制是該技術(shù)的關(guān)鍵，床內(nèi)溫度場(chǎng)的分布會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，通過(guò)對(duì)輸送床內(nèi)熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可得到輸送床內(nèi)溫度場(chǎng)分布，但是針對(duì)反應(yīng)放熱對(duì)輸送床內(nèi)溫度場(chǎng)的影響以及顆粒在反應(yīng)時(shí)的變化過(guò)程的研究較少。

因此，本文以單個(gè)硅顆粒氮化反應(yīng)縮核模型為基礎(chǔ)，建立了硅顆粒在輸送床內(nèi)反應(yīng)、輻射與對(duì)流傳熱耦合的數(shù)學(xué)模型，并利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)FLUENT軟件擁有的流體流動(dòng)、傳熱、輻射、化學(xué)反應(yīng)等通用模型，以及提供的用戶自定義函數(shù)（UDF）耦合硅顆粒縮核反應(yīng)模型、顆粒粒徑模型等子模型，對(duì)輸送床內(nèi)能質(zhì)過(guò)程進(jìn)行了構(gòu)建，并分析了反應(yīng)溫度、氮?dú)饬髁俊㈩A(yù)熱溫度、硅粉粒徑、粉氣質(zhì)量比和添加氮化硅稀釋劑比例等因素對(duì)輸送床內(nèi)溫度場(chǎng)和硅粉氮化率的影響，為氮化硅的流態(tài)化高溫合成提供了可參考的依據(jù)。

1 物理模型及控制方程

1.1 物理模型

氮化硅輸送床裝置示意圖如圖1所示，垂直放置，其工藝過(guò)程為：硅粉與氮?dú)庑纬傻木鶆驓夤虄上嗔鹘?jīng)預(yù)熱裝置預(yù)熱后，以稀相氣力輸送的狀態(tài)進(jìn)入高溫輸送床，反應(yīng)完成后在出口收集氮化產(chǎn)物，輸送床內(nèi)反應(yīng)過(guò)程為式(1)。

圖1 高溫輸送床裝置示意圖

輸送床內(nèi)徑為0.8m，高度為20m。

1.2 控制方程

本文將顆粒相看作擬流體，利用歐拉模型對(duì)微米級(jí)硅粉氣力輸送反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行建模。基于有限體積法，將控制體中的控制微分方程轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行數(shù)值求解的代數(shù)方程，并利用初始條件和邊界條件求解離散方程。在歐拉模型中，氣相和顆粒相有各自的質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程。兩相間的質(zhì)量交換由硅粉的氮化反應(yīng)所引起。采用Guun 傳熱模型和P-1 輻射模型計(jì)算兩相間及與壁面的傳熱過(guò)程，將反應(yīng)放熱作為體積熱源。氣相雷諾數(shù)小于2300，顆粒相雷諾數(shù)小于1，流動(dòng)為層流。利用Wen-Yu模型描述兩相間的動(dòng)量交換。

1.2.1 一般控制方程

體積分?jǐn)?shù)方程為式(2)。

式中，為輻射熱流；為吸收系數(shù)；為散射系數(shù)；為入射輻射；為線性各向異性相函數(shù)系數(shù)。引入?yún)?shù)后，按式(20)計(jì)算。

式中，Y為相中的物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；R為物質(zhì)參與反應(yīng)的凈產(chǎn)生/消耗速率。

1.2.2 硅顆粒反應(yīng)縮核模型

根據(jù)Si 與N的反應(yīng)機(jī)理，考慮到固體產(chǎn)物層擴(kuò)散阻力和化學(xué)反應(yīng)阻力，以N表示的單顆粒反應(yīng)速度如式(24)。

式中，為摩爾質(zhì)量；為氮?dú)鉂舛?；為顆粒半徑；為未反應(yīng)硅核半徑；為氮?dú)庠赟iN產(chǎn)物層內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)；為反應(yīng)速率常數(shù)，由Arrhenius公式計(jì)算，=exp(-/)。

1.2.3 體積反應(yīng)模型

硅粉進(jìn)入輸送床后其顆?？倲?shù)不發(fā)生變化，通過(guò)計(jì)算控制體積中的顆粒數(shù)量，在計(jì)算域內(nèi)將單顆粒反應(yīng)模型轉(zhuǎn)化為顆粒群整體反應(yīng)模型，定義顆粒數(shù)，見(jiàn)式(25)。

式中，為顆粒相質(zhì)量；為物質(zhì)的密度；為顆粒相中Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。故以氮?dú)庀乃硎镜目偡磻?yīng)速率為式(26)。

將作為質(zhì)量源相使反應(yīng)縮核模型與質(zhì)量守恒方程耦合；將氣固反應(yīng)放熱作為能量源相考慮反應(yīng)時(shí)顆粒相的升溫過(guò)程。

1.2.4 顆粒粒徑模型

在硅顆粒與氮?dú)夥磻?yīng)時(shí)，未反應(yīng)的硅核減小，顆粒粒徑增大。利用顆粒相中硅和氮化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算了未反應(yīng)硅核尺寸和顆粒粒徑。氮化反應(yīng)過(guò)程中與變化如式(27)和式(28)。

式中，為顆粒相初始粒徑。將粒徑模型與反應(yīng)縮核模型耦合來(lái)共同描述硅顆粒的反應(yīng)過(guò)程。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在二維空間進(jìn)行模擬計(jì)算，在對(duì)輸送床進(jìn)行模擬時(shí)，計(jì)算網(wǎng)格的劃分對(duì)模擬結(jié)果的影響較大。本文使用四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，并對(duì)氮?dú)馑俣葓?chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，最終采用200000 個(gè)網(wǎng)格數(shù)量。為保證壁面邊界計(jì)算的準(zhǔn)確性，徑向網(wǎng)格從邊界向中心逐漸由密變疏，劃分為100份；軸向劃分為2000份。

壁面邊界條件：通過(guò)自動(dòng)控制保持在某一溫度，即恒壁溫。

入口條件：常壓下，硅粉與氮?dú)饨M成的均勻氣固兩相流預(yù)熱后保持某一粉氣質(zhì)量比進(jìn)入。

出口條件：相對(duì)壓力為0。

假設(shè)條件：在相同位置氣固兩相速度相同。

1.4 模型驗(yàn)證

為保證本文所建立模型的準(zhǔn)確性，通過(guò)尹少武等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。如圖2所示，在壁面溫度為1623K、1653K，粉氣質(zhì)量比為0.45，預(yù)熱溫度為1473K 的實(shí)驗(yàn)條件下，粒徑為2.7μm 的硅粉平均氮化時(shí)間為54.5s，產(chǎn)物中氮化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為19.0%、32.6%，硅粉氮化率為12.4%、22.5%。在相同條件下，由模型計(jì)算所得粒徑為2.7μm 的硅粉平均氮化時(shí)間為53.6s，產(chǎn)物中氮化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.5%、31.6%，硅粉氮化率為12.0%、21.7%，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，證明本文建立模型的正確性。

圖2 模型驗(yàn)證

2 結(jié)果與討論

基于FLUENT的自定義歐拉顆粒流模型用于分析輸送床中能質(zhì)傳輸過(guò)程，分析了輸送床壁面溫度、氮?dú)馊肟谫|(zhì)量流量、預(yù)熱溫度、硅顆粒粒徑、粉氣質(zhì)量比及稀釋劑比例對(duì)輸送床中能質(zhì)傳輸過(guò)程的影響。當(dāng)硅顆粒平均粒徑為2.5μm時(shí)，顆粒臨界流化速度和夾帶速度分別為5.4×10m/s和4.9×10m/s，為保證硅粉與氮?dú)庠谳斔痛矁?nèi)充分反應(yīng)且氮化產(chǎn)物被順利帶出，各工況下氮?dú)饬髁考胺磻?yīng)后氮?dú)庥嗔烤笥诶碚撍枇髁俊?/p>

2.1 反應(yīng)溫度對(duì)能質(zhì)傳輸過(guò)程的影響

當(dāng)為0.015kg、為1273K、為2.5μm、為0.2、為0時(shí)，不同下輸送床內(nèi)軸線處物理場(chǎng)分布如圖3、圖4所示。

圖3 不同壁溫下輸送床軸線處物理場(chǎng)分布(一)

圖4 不同壁溫下輸送床軸線處物理場(chǎng)分布(二)

當(dāng)硅粉由氮?dú)鈹y帶進(jìn)入輸送床后，顆粒相與壁面進(jìn)行輻射換熱，氣相與壁面及顆粒相進(jìn)行對(duì)流換熱，且硅粉反應(yīng)時(shí)所釋放的反應(yīng)熱會(huì)使氣固混合物溫度進(jìn)一步升高。越高，輸送床為氣固混合物提供的反應(yīng)溫度越高。由圖3(a)、(e)可知，當(dāng)從1573K升至1823K、顆粒被加熱至?xí)r，所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率由2.46746×10kmol/(m·s)升至4.33702×10kmol/(m·s)，反應(yīng)速率升高175倍，反應(yīng)放熱速率的增長(zhǎng)與反應(yīng)速率的增長(zhǎng)相同。當(dāng)?shù)陀?673K時(shí)，硅粉氮化反應(yīng)速率較為緩慢，其反應(yīng)放熱雖使氣固混合物溫度升高，但未出現(xiàn)反應(yīng)溫度激增的現(xiàn)象；當(dāng)高于1723K時(shí)，輸送床內(nèi)硅粉反應(yīng)速率因反應(yīng)溫度的升高而加快，其反應(yīng)熱在短時(shí)間快速釋放，使氣固混合物的溫度迅速升高。當(dāng)從1573K升至1823K 時(shí)，床內(nèi)最高反應(yīng)溫度從1575.62K 升至2053.47K，在床內(nèi)出現(xiàn)的位置逐漸接近入口。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氮化硅產(chǎn)物層厚度增加而使化學(xué)反應(yīng)速率下降，并在與壁面的輻射及對(duì)流換熱作用下氣固混合物被冷卻，反應(yīng)溫度下降，在出口處為1575.62～1823.05K。

因流體黏性作用且流動(dòng)狀態(tài)為層流，壁面邊界層不斷發(fā)展，從而軸線處速度在不斷升高；溫度越高，氮?dú)饷芏仍叫?，相同質(zhì)量流量下其速度越高。另外，硅氮反應(yīng)會(huì)消耗氮?dú)鈴亩沟獨(dú)饬魉傧陆怠Ｓ蓤D3(b)可知，初始入口速度（由及所決定）均為0.0699m/s，當(dāng)從1573K升至1673K時(shí)，其速度逐漸增加，出口速度由0.1214m/s升至0.1233m/s；當(dāng)從1723K升至1823K時(shí)，由于溫度激增而導(dǎo)致氮?dú)馑俣燃ぴ?，后因反?yīng)消耗大量氮?dú)舛沟獨(dú)饬魉俪霈F(xiàn)降低，出口速度由0.1192m/s升至0.1246m/s。當(dāng)從1573K升至1823K時(shí)，硅粉在床內(nèi)停留時(shí)間從182.34s降至172.72s。

硅粉氮化反應(yīng)與反應(yīng)溫度密切相關(guān)，Jovanovic認(rèn)為溫度的升高不但有利于SiN的生成，還會(huì)縮短反應(yīng)誘導(dǎo)期，提高Si的轉(zhuǎn)化率，當(dāng)溫度達(dá)到1573K時(shí)，反應(yīng)誘導(dǎo)期基本消除。硅粉氮化過(guò)程反應(yīng)初期由動(dòng)力學(xué)控制階段，溫度越高，反應(yīng)速率越快，而隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，硅粉顆粒表面的硅已與氮?dú)夥磻?yīng)生成氮化硅，形成產(chǎn)物層覆蓋在硅顆粒表面，阻礙硅粉與氮?dú)獾慕佑|，使反應(yīng)速率變慢，此時(shí)硅粉氮化反應(yīng)已經(jīng)處于動(dòng)力學(xué)控制與內(nèi)擴(kuò)散混合控制階段。由圖3(c)、(d)可知，在硅顆粒由初始溫度1273K升至1573K時(shí)，其反應(yīng)緩慢，硅顆粒的氮化程度低；隨著反應(yīng)溫度超過(guò)1573K 后，反應(yīng)誘導(dǎo)期結(jié)束，進(jìn)入動(dòng)力學(xué)控制階段，反應(yīng)速率加快，硅顆粒的氮化程度增大；隨著反應(yīng)的進(jìn)行未反應(yīng)硅核逐漸縮小，產(chǎn)物層厚度逐漸增大，氮?dú)庠诋a(chǎn)物層中的擴(kuò)散阻力逐漸增大，超過(guò)了溫度對(duì)反應(yīng)的推動(dòng)力，進(jìn)入擴(kuò)散控制階段，化學(xué)反應(yīng)速率下降，硅顆粒的氮化程度變緩，此時(shí)需更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)使未反應(yīng)硅核達(dá)成完全氮化。從圖3(f)溫度云圖可以看出，當(dāng)高于1723K 時(shí)，床內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一高溫區(qū)，且越高，此高溫區(qū)在床內(nèi)的體積占比越高，硅顆粒進(jìn)入高溫區(qū)后其氮化程度會(huì)迅速增加。當(dāng)從1573K 升至1823K，出口處氮化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)由6.46%升至100%，氮化率由3.98%升至100%。顆粒粒徑的增長(zhǎng)趨勢(shì)與硅顆粒的氮化程度趨勢(shì)相同。

氮?dú)庾鳛椴豢蓧嚎s理想氣體在受熱后發(fā)生體積膨脹，由圖4(a)可知，當(dāng)?shù)獨(dú)鈹y帶一定質(zhì)量的硅粉由入口處進(jìn)入輸送床后，在反應(yīng)溫度升高的過(guò)程中，氮?dú)怏w積膨脹而導(dǎo)致顆粒相體積分?jǐn)?shù)減小，在反應(yīng)溫度達(dá)到最高時(shí)最低，隨后在反應(yīng)溫度降低至壁面溫度的過(guò)程中，氮?dú)怏w積收縮，且因硅粉與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)消耗部分氮?dú)馐乖黾?。越高，氮?dú)怏w積膨脹程度越大，當(dāng)高于1723K 時(shí)，氮?dú)馀c硅粉反應(yīng)完全，氮?dú)庀牧肯嗤S著的增大，出口降低；當(dāng)?shù)陀?723K時(shí)，氮?dú)馀c硅粉反應(yīng)不完全，隨著的增大，氮?dú)庀牧吭龃螅隹谠龃蟆?/p>

顆粒相處于稀疏狀態(tài)且為層流，顆粒脈動(dòng)程度為0，顆粒間幾乎不發(fā)生碰撞及摩擦，由圖4(b)可知，不同下的變化一致，在能質(zhì)傳輸過(guò)程中，保持不變。由圖4(c)、(d)可知，由顆粒碰撞及流動(dòng)所引起的顆粒相黏度極低，的變化對(duì)、的影響占主導(dǎo)作用，、的變化趨勢(shì)與一致。

2.2 氮?dú)饬髁繉?duì)能質(zhì)傳輸過(guò)程的影響

當(dāng)為1773K、為1273K、為2.5μm、為0.2、為0 時(shí)，不同下輸送床內(nèi)軸線處物理分布如圖5所示。

的改變首先影響床內(nèi)速度場(chǎng)分布，從圖5(b)可知，當(dāng)從0.005kg/s升至0.035kg/s時(shí)，其入口速度從0.0233m/s升至0.1631m/s，平均流速由0.0403m/s升至0.2530m/s。速度的增大導(dǎo)致硅粉在床內(nèi)停留時(shí)間縮短，由496.35s降至79.06s。由圖5(a)、(d)可知，速度的增大使硅粉到達(dá)及最高溫度的位置上移；增大而不變，導(dǎo)致進(jìn)入床內(nèi)參與反應(yīng)的硅粉質(zhì)量增加，總反應(yīng)放熱量也隨之增大，由130.97W升至914.06W，使最高反應(yīng)溫度由2004.28K 升至2016.86K；同時(shí)也使得顆粒相出口溫度由1773.02K升至1785.50K。由圖5(c)可知，隨著顆粒相停留時(shí)間的減小，硅粉氮化程度降低，出口氮化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%～99.00%，氮化率為100%～98.35%。

圖5 不同氮?dú)饬髁肯螺斔痛草S線處物理場(chǎng)分布

2.3 預(yù)熱溫度對(duì)能質(zhì)傳輸過(guò)程的影響

當(dāng)為1773K、為0.015kg/s、為2.5μm、為0.2、為0時(shí)，不同下輸送床內(nèi)軸線物理場(chǎng)分布如圖6所示。

不同，氮?dú)膺M(jìn)口速度不同，由圖6(b)可知，當(dāng)由293K升至1273K時(shí)，進(jìn)口速度由0.0161m/s升至0.0699m/s，隨著氣固兩相被加熱速度趨于一致；其次越高，顆粒相停留時(shí)間越短，由182.81s 降至176.17s。由圖6(a)可知，越高，硅粉到達(dá)及最高溫度的位置越低，且最高溫度出現(xiàn)一定的下降，反應(yīng)溫度于2.91～1.67m 到達(dá)；在3.69～2.47m 處達(dá)到最高反應(yīng)溫度，由2017.14K降至2014.55K。由圖6(c)、(d)可知，越低，需要更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)加熱硅顆粒使其度過(guò)反應(yīng)誘導(dǎo)期，因此硅顆粒在床內(nèi)開(kāi)始反應(yīng)的位置后移，硅粉氮化程度隨高度的變化也會(huì)出現(xiàn)一定程度的后移，硅顆粒達(dá)到完全氮化的時(shí)間也就越長(zhǎng)，硅粉出口平均氮化率均為100%。

圖6 不同預(yù)熱溫度下輸送床軸線處物理場(chǎng)分布

2.4 硅粉粒徑對(duì)能質(zhì)傳輸過(guò)程的影響

當(dāng)為1773K、為0.015kg/s、為1273K、為0.2、為0 時(shí)，不同下輸送床內(nèi)軸線處物理場(chǎng)分布如圖7所示。

從圖7(c)、(d)可知，當(dāng)從1.25μm 升至10μm時(shí)，在1.56～4.39m處氮化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%，其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物層厚度為0.067～0.547μm，在相同氮化率的情況下，越大其產(chǎn)物層也就越厚，從而氮?dú)庠诋a(chǎn)物層中的擴(kuò)散阻力也就越大，其完成完全氮化需要的時(shí)間也就越長(zhǎng)；出口氮化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)由100%降至60.29%，氮化率由100%降至47.67%。當(dāng)與不變時(shí)，硅粉以相同的質(zhì)量進(jìn)入輸送床，越小進(jìn)入輸送床的顆?？倲?shù)越多，單位時(shí)間內(nèi)會(huì)有更多的硅顆粒參與反應(yīng)；越小，其比表面積越大，與氮?dú)獾慕佑|面積也就越大，故而越小其整體化學(xué)反應(yīng)速率越大，相同時(shí)間內(nèi)氮化程度越高。從圖7(a)、(e)可知，越高，床內(nèi)最高反應(yīng)溫度越低且其出現(xiàn)位置越高，于1.89～4.16m 處達(dá)到最高溫度2188.98～1806.70K，原因在于硅粉粒徑越小，反應(yīng)速率越快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的反應(yīng)熱也就越多，使顆粒溫度出現(xiàn)不同程度地上升，反應(yīng)速率因此出現(xiàn)不同程度地提高。從圖7(b)可知，顆粒相平均速度為0.1117～0.1200m/s，平均停留時(shí)間為179.08～166.66s，粒徑越小其停留時(shí)間越長(zhǎng)，原因在于硅粉氮化程度越高所消耗的氮?dú)庠蕉?，?dǎo)致氮?dú)饬魉傧陆怠?/p>

圖7 不同硅粉粒徑下輸送床軸線處物理場(chǎng)分布

2.5 粉氣質(zhì)量比對(duì)能質(zhì)傳輸過(guò)程的影響

當(dāng)為1773K、為0.015kg/s、為1273K、為2.5μm、為0時(shí)，不同下輸送床內(nèi)軸線處物理場(chǎng)分布如圖8所示。

當(dāng)不變，從0.1 升至0.3 時(shí)，硅粉質(zhì)量流量為0.0015～0.0045kg/s，因而越大，進(jìn)入輸送床的硅粉越多，顆粒總數(shù)越多。從圖8(a)、(d)可知，越大，單位體積內(nèi)參與反應(yīng)的硅顆粒越多，所產(chǎn)生的反應(yīng)熱越多，反應(yīng)熱累積為206.98～586.71W，顆粒升溫速率增大；隨著的增大，輸送床內(nèi)最高反應(yīng)溫度隨之增大，且位置下移，分別于3.15～2.25m 處達(dá)到最高溫度為1863.29～2121.73K。從圖8(b)可知，隨著的增大，反應(yīng)所消耗的氮?dú)饬肯鄳?yīng)增加，導(dǎo)致氮?dú)馄骄俣扔?.1206m/s 降至0.1065m/s，顆粒相平均停留時(shí)間從165.88s 升至187.86s。從圖8(c)可知，越高，相同高度處硅粉的氮化程度越高，硅粉出口平均氮化率均為100%。

圖8 不同粉氣比下輸送床軸線處物理場(chǎng)分布

2.6 稀釋劑比例對(duì)能質(zhì)傳輸過(guò)程的影響

當(dāng)為1773K、為0.015kg/s、為1273K、為2.5μm、為0.2 時(shí)，不同下輸送床內(nèi)軸線處物理場(chǎng)分布如圖9所示。

圖9 不同稀釋劑比例下輸送床軸線處物理場(chǎng)分布

在硅粉中添加一定比例的氮化硅稀釋劑來(lái)充當(dāng)受熱體的角色，可以吸收一部分從硅氮反應(yīng)中釋放出的反應(yīng)熱，而非使反應(yīng)熱全部用來(lái)加熱硅顆粒本身，可以起到穩(wěn)定輸送床內(nèi)溫度的作用。從圖9(a)、(d)可知，當(dāng)從0升至1.0時(shí)，床內(nèi)最高反應(yīng)溫度降低，并且位置也會(huì)出現(xiàn)一定程度上移，在2.47～2.93m處由2014.55K降至1992.68K；床內(nèi)平均反應(yīng)溫度也隨的增大而減?。蛔畲蠓磻?yīng)速率及平均反應(yīng)速率也隨的增大而減小。從圖9(b)可知，隨著的增加，床內(nèi)平均流速隨之減小，為0.1135～0.1118m/s，顆粒相平均停留時(shí)間從176.17s 升至178.87s。由圖9(c)可知，稀釋劑比例越高，相同高度處的硅粉氮化程度越低，硅粉需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)達(dá)到完全氮化，硅粉出口平均氮化率均為100%。

3 結(jié)論

以單個(gè)硅顆?？s核模型為基礎(chǔ)，經(jīng)驗(yàn)證后對(duì)輸送床內(nèi)的硅粉氮化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了反應(yīng)溫度、氮?dú)饬髁浚ǖ瘯r(shí)間）、預(yù)熱溫度、顆粒粒徑、氣固粉氣質(zhì)量比、稀釋劑比例對(duì)硅粉氮化過(guò)程的影響，得到如下結(jié)論。

（1）硅粉氮化過(guò)程由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及產(chǎn)物層擴(kuò)散阻力共同控制，因而通過(guò)對(duì)反應(yīng)條件的調(diào)整來(lái)控制硅粉顆粒在輸送床內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程。反應(yīng)溫度、氮?dú)饬髁考邦w粒粒徑對(duì)輸送床內(nèi)反應(yīng)過(guò)程影響較大，當(dāng)壁面溫度從1573K 升至1823K 時(shí)，硅粉氮化率由3.98%升至100%，最高反應(yīng)溫度由1575.62K 升至2053.47K；氮?dú)饬髁繌?.005kg/s 升至0.035kg/s，硅粉停留時(shí)間由496.35s 降至79.06s，氮化率由100%降至98.35%；硅粉粒徑從1.25μm 升至10μm時(shí)，硅粉氮化率由100%降至60.29%，最高反應(yīng)溫度由2188.98K降至1806.7K。

（2）當(dāng)輸送床壁面溫度大于1723K時(shí)，硅粉在輸送床內(nèi)反應(yīng)時(shí)會(huì)形成一高溫區(qū)從而加速硅粉氮化過(guò)程；反應(yīng)溫度越高、顆粒粒徑越小，氮化過(guò)程越劇烈，硅粉到達(dá)完全氮化所需時(shí)間越短；通過(guò)控制氮?dú)饬髁縼?lái)調(diào)節(jié)硅粉在輸送床內(nèi)的停留時(shí)間，使其在一定時(shí)間內(nèi)完成氮化；升高預(yù)熱溫度及稀釋劑比例可達(dá)到穩(wěn)定輸送床內(nèi)溫度的效果，使最高反應(yīng)溫度出現(xiàn)不同程度地下降；在保證反應(yīng)完全的前提下，粉氣質(zhì)量比越高，氮化硅產(chǎn)量越高，但最高反應(yīng)溫度也會(huì)越高。

（3）為使粒徑為2.5μm的硅粉達(dá)到完全氮化且輸送床內(nèi)最高溫度不超過(guò)氮化硅的分解溫度2173K，應(yīng)控制輸送床壁面溫度在1773K、氮化時(shí)間在170s以上、預(yù)熱溫度為1273K、粉氣比質(zhì)量為0.2、稀釋劑比例為0.5～1。