裴 晨，畢孝國

（沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.新能源學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

1 爐體結(jié)構(gòu)與模型建立

1.1 爐體與噴嘴結(jié)構(gòu)模型

焰熔法生長金紅石單晶體所用爐體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在生長室內(nèi)，鈦酸鍶單晶體生長在一根直徑為16 mm 的剛玉管上。中心噴嘴的孔徑為4 mm，通入O2和鈦酸鍶粉料，中心噴嘴外有12 個(gè)直徑為3 mm 的噴嘴，均勻分布在直徑為28 mm 的分布圓上，通入H2。

圖1 爐體結(jié)構(gòu)

考慮到使用二維結(jié)構(gòu)模型劃分出的面網(wǎng)格仿真模擬得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比誤差較大，所以本次研究使用三維結(jié)構(gòu)模型劃分體網(wǎng)格。同時(shí)，對晶體周圍進(jìn)行加密，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格加密結(jié)果

1.2 基本方程及邊界條件

生長室內(nèi)溫度、壓力、速度、組分分布特征主要取決于H2和O2的燃燒反應(yīng)及初始條件下通入氣體的流量，而燃燒反應(yīng)放熱過程涉及多步驟基元反應(yīng)、湍流流動(dòng)、輻射換熱等現(xiàn)象。因此，本文選擇Fluent 作為仿真軟件。描述流體流動(dòng)和熱量傳遞的微分方程主要包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和組分守恒方程。

邊界條件：入口的H2流量為25 L/min，O2流量為12 L/min，湍流強(qiáng)度為5%，入口氣體溫度為300 K，初始壓力及出口壓力都為大氣壓，壁面換熱方式為輻射換熱。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 生長室內(nèi)分布特征

晶體處于擴(kuò)肩生長時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)受制因素過多且不穩(wěn)定，所以本次實(shí)驗(yàn)以晶體直徑為20 mm并且穩(wěn)定等徑生長為前提。根據(jù)鈦酸鍶晶體生長的實(shí)驗(yàn)條件，先以O(shè)2和H2流量分別為12 L/min和25 L/min作為標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行分析。生長室內(nèi)的溫度分布、速度分布和O2濃度分布分別如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 生長室內(nèi)溫度分布

圖4 生長室內(nèi)速度分布

圖5 生長室內(nèi)O2濃度分布

由圖3 可知，生長室內(nèi)的火焰溫度在開始時(shí)較低，總體分布呈現(xiàn)出明顯的中心對稱特征，吹入一定深度后溫度達(dá)到最高。這是由于整個(gè)爐體內(nèi)部完全按照軸對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)由于中心軸O2的持續(xù)擴(kuò)散，且保持高于H2的流速，顯著降低了O2周圍的壓力。

由圖4 和圖5 可知，隨著O2吹入深度越來越大，O2消耗量逐漸增加，火焰的溫度越來越高，當(dāng)O2達(dá)到最大吹入深度時(shí)，基本達(dá)到了火焰溫度的最大值。如果與熔體相遇，溫度將會(huì)達(dá)到2 560 K，也就是最高值，此時(shí)會(huì)形成一個(gè)特殊的溫度邊界層，其溫度持續(xù)降低。O2在晶體熔帽上端完全消耗之后，吹入深度達(dá)到最大，此時(shí)燃燒室內(nèi)速度分布也在晶體熔帽上方達(dá)到最大。由此可見，燃燒室內(nèi)流體流速主要取決于O2流速。

在研究中還發(fā)現(xiàn)，生長室內(nèi)軸向溫度與徑向溫度會(huì)分別產(chǎn)生不同的影響，而徑向溫度主要與晶體的尺寸大小有關(guān)，如圖6所示。

圖6 晶體熔帽徑向溫度分布曲線

由圖6 可知，晶體熔帽表面的徑向溫度隨晶體直徑的增加逐漸降低，但下降幅度幾乎可以忽略不計(jì)，由此證明熔帽表面的受熱均勻性較高。根據(jù)火焰溫度的變化特征，從晶體熔帽邊緣到晶體外部時(shí)處于迅速增大的過程，然后逐步降低，并出現(xiàn)了一個(gè)驟降的過程，此時(shí)的位置是壁面周圍。如果在火焰上方出現(xiàn)晶體，則會(huì)有一個(gè)特殊的邊界層形成在晶體之上，在火焰達(dá)到晶體邊界時(shí)將會(huì)顯著增大徑向溫度，因此呈現(xiàn)出急劇增大的趨勢。在晶體不斷生長時(shí)，生長室壁面的熱量持續(xù)擴(kuò)散，會(huì)出現(xiàn)徑向溫度降低的現(xiàn)象。由于壁面位置的特殊性，其吸熱能力非常顯著，使得溫度顯著降低，即出現(xiàn)了圖像中溫度急劇降低的變化特征。

2.2 H2流量的影響

在焰熔法生長金紅石單晶體過程中，隨著晶體直徑的不斷增大，晶體生長所需要的熱量越來越多，通入的H2流量也需隨之增加。H2流量不僅決定了生長室內(nèi)的氧化還原氣氛，更為重要的是影響了生長室內(nèi)的溫度分布、混合氣體流速和晶體熔帽壓力。圖7、圖8、圖9 給出了當(dāng)O2流量為12 L/min 時(shí)，不同H2流量條件下生長室內(nèi)的溫度和壓力曲線。

圖7 燃燒室內(nèi)軸向溫度分布曲線

圖8 晶體熔帽徑向溫度分布曲線

圖9 晶體熔帽壓力分布曲線

由圖7 可知，保持O2流量恒定，逐漸增加H2流量時(shí)，生長室內(nèi)中心處的軸向溫度和徑向溫度都隨著H2流量的增加而升高，當(dāng)H2與O2的流量比達(dá)到2:1 時(shí)，生長室內(nèi)溫度最高；當(dāng)O2流量不變，繼續(xù)增加H2流量時(shí)，整體溫度開始下降。H2流量由23 L/min 增加到25 L/min 時(shí)，最高溫度升高350 K，H2流量由25 L/min 增加到27 L/min 時(shí)，最高溫度降低150 K，最高溫度的位置基本不變。這是因?yàn)榛旌蠚怏w的吹入深度由中心O2流量大小決定，此時(shí)只改變H2流量，而O2流量沒變，所以混合氣體的吹入深度基本不變，最高溫度的位置也相對穩(wěn)定。從燃燒理論上對溫度變化進(jìn)行分析，當(dāng)生長室內(nèi)H2過量時(shí)，由于沒有足夠的O2與之發(fā)生反應(yīng)，此時(shí)燃燒反應(yīng)放出的熱量取決于O2流量；然而在H2量少時(shí)，中心O2并沒有全部參與周圍H2的燃燒反應(yīng)，此時(shí)放出的熱量主要取決于H2的流量，且只有當(dāng)H2與O2的流量比達(dá)到2：1時(shí)，中心O2恰好全部參與周圍H2的燃燒反應(yīng)，此時(shí)反應(yīng)溫度達(dá)到最高；再繼續(xù)增大H2流量，多余的H2已經(jīng)不參與燃燒反應(yīng)，反而由于本身的低溫物性造成生長室內(nèi)整體溫度緩慢下降。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于燃燒室內(nèi)有混合不均勻的現(xiàn)象發(fā)生，H2與O2的流量比達(dá)到2.2:1時(shí)，燃燒效果最佳。

由圖8 可知，隨著H2流量的增加，晶體熔帽溫度和晶體四周的最高溫度逐漸升高，只是升高幅度有所減小，而晶體外圍煙氣的溫度隨H2流量的增加而降低。當(dāng)H2流量由23 L/min 增加到25 L/min時(shí)，晶體熔帽的平均溫度升高30 K，晶體周圍煙氣的最高溫度升高400 K；當(dāng)H2流量由25 L/min 增加到27 L/min 時(shí)，晶體熔帽的平均溫度降低10 K，晶體周圍煙氣的最高溫度降低100 K。這進(jìn)一步說明H2與O2流量比為2:1 時(shí)燃燒放熱效果最佳，但當(dāng)H2流量過大時(shí)，反應(yīng)放出的熱量又受限于O2的流量，且入口通入的常溫H2會(huì)使反應(yīng)溫度小幅下降。因此，當(dāng)O2流量不變時(shí)，隨著H2流量的增加，晶體熔帽和晶體周圍反應(yīng)區(qū)的溫度由于燃燒劑的增加先升高，而后由于燃燒劑過量而降低。

由圖9 可知，當(dāng)O2流量不變時(shí)，改變H2流量對熔帽表面壓力影響不大，因?yàn)槿勖北砻鎵毫χ饕芑旌蠚怏w吹入速度影響，混合氣體流速大小主要取決于O2流量大小，而O2流量并沒有發(fā)生變化。隨著H2流量的增加，會(huì)小幅增加混合氣體吹入速度及吹入深度。因此，鍵帽表面的壓力略微增長。

2.3 O2流量的影響

圖10 燃燒室內(nèi)軸向溫度分布曲線

圖11 晶體熔帽徑向溫度分布曲線

圖10 和圖11 分別為當(dāng)H2流量恒定時(shí)，生長室內(nèi)軸向溫度和徑向溫度在不同O2流量下的分布情況。隨著O2流量的增加，軸向最高溫度逐漸升高，徑向溫度則逐漸降低。O2流量由10 L/min 升高至12 L/min 時(shí)，軸向煙氣最高溫度升高250 K，晶體熔帽上的溫度升高15 K，而徑向最高溫度降低150 K；當(dāng)O2流量從12 L/min 升高至14 L/min 時(shí)，軸向煙氣最高溫度升高130 K，晶體熔帽上的溫度升高15 K，而徑向最高溫度降低60 K。由此可知，當(dāng)H2流量一定時(shí)，O2流量增加或減小對晶體熔帽表面溫度影響較小，而對生長室軸向最高溫度和晶體徑向煙氣最高溫度的影響比較大。這是因?yàn)楫?dāng)H2流量不變時(shí)，生長室內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱量主要取決于反應(yīng)完全的程度，即O2流量，而O2流量決定了反應(yīng)氣體軸向速度大小和氣體吹入深度。當(dāng)O2量少時(shí)，氣體速度低，吹入深度淺，且燃燒氣體不能完全反應(yīng)，所以軸向最高溫度相對較低；而因?yàn)榇等肷疃葴\，軸向溫度最高點(diǎn)距晶體熔帽相對較遠(yuǎn)，煙氣溫度擴(kuò)散較早，所以徑向溫度較高。隨著O2流量不斷增加直至略微過量時(shí)，燃燒氣體在生長室內(nèi)完全發(fā)生反應(yīng)，所以軸向最高溫度相對較高；而O2流量增加導(dǎo)致氣體速度高，吹入深度增加，所以軸向溫度最高點(diǎn)距晶體熔帽相對較近，煙氣溫度擴(kuò)散較晚，多余的O2在中心帶動(dòng)高溫?zé)煔饬飨蚓w熔帽方向流動(dòng)，在遇到晶體時(shí)受阻力影響，在晶體熔帽附近產(chǎn)生溫度和流動(dòng)邊界層，繞過晶體熔帽向四周擴(kuò)散，此時(shí)多余的O2具有冷卻作用，導(dǎo)致徑向溫度降低。

3 結(jié)論

1）焰熔法生長鈦酸鍶晶體時(shí)，生長室內(nèi)火焰溫度成中心對稱分布，O2吹入深度在晶體熔帽處達(dá)到最大，同時(shí)火焰溫度在晶體熔帽處達(dá)到最高。燃燒室內(nèi)流體流速主要取決于O2流速，熔帽表面基本處于均勻受熱狀態(tài)。晶體在生長過程中，生長室壁面一直在向外傳遞熱量，從而使得火焰在徑向方向有溫降。

2）當(dāng)O2流量不變時(shí)，隨著H2流量的增加，生長室內(nèi)中心處的軸向溫度、晶體熔帽和晶體周圍反應(yīng)區(qū)的溫度由于燃燒劑增加先升高，后降低。當(dāng)H2與O2的流量比達(dá)到2:1 時(shí)，整體溫度達(dá)到最高。實(shí)際生產(chǎn)中由于燃燒室內(nèi)有混合不均勻的現(xiàn)象發(fā)生，當(dāng)H2與O2的流量比達(dá)到2.2:1時(shí)，燃燒效果最佳。

3）當(dāng)H2流量不變時(shí)，隨著O2流量的增加，軸向最高溫度逐漸升高，徑向溫度則逐漸降低。當(dāng)O2量少時(shí)，軸向最高溫度相對較低，徑向溫度較高。而隨著O2流量不斷增加直至略微過量時(shí)，軸向最高溫度相對較高，徑向溫度降低。