Карбид кремния

Содержание 

1. Введение…………………………………………………………………..3
2. Карбид кремния………………………………………………………….4
3. Сырьё для производства кремния……………………………………….7
4. Особенности технологии призводства технического карбида кремния……………………………………………………………………10
5. Подготовка кварцевых песков…………………………………………...11
6. Подготовка нефтяного кокса…………………………………………….15
7. Подготовка возвратных материалов…………………………………….18
8. Подготовка аморфа и кернового материала…………………………….20
9. Области применения карбида кремния………………………………....21
10. Литература ………………………………………………………………..23

Введение

     Абразивными материалами ( абразивами) в современной технике называют большую группу веществ, отличающихся повышенной твердостью и режущей способностью и используемых в рабочем слое инструмента для резания и шлифовки, как правило, в измельченном порошкообразном состоянии.

     Абразивные  материалы могут быть природными (природный алмаз, кварц, корунд и  т. п.) и искусственными (синтетический  алмаз, карбид кремния, электрокорунд  и др.). При изготовлении инструмента  для фрезерно-окантовочных и шлифовально-полировальных работ по камню используются природный алмаз, синтетический алмаз, карбид кремния, электрокорунд.

     В  своей курсовой работе я  буду рассматривать  искусственный абразивный материал- карбид кремния. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Карбид  кремния

     Карбид  кремния  ( SiC ) является продуктом  химического соединения углерода с  кремнием при высокой температуре. В нем содержится 70,04% Si и 29,96% С. Плотность 3,1 — 3,2 г/ ; микротвердость 3000 — 3300 кгс/ ; твердость по шкале Мооса более 9. Химически чистый карбид кремния бесцветен, а технический окрашен в различные цвета от черного до зеленого и отличается металлическим блеском. Основным сырьем для производства карбида кремния являются кремнесодержащие материалы (кварцевые пески, кварциты, жильный кварц), углеродистый восстановитель (антрацит, нефтяной кокс), вспомогательные материалы (поваренная соль, древесные опилки, семечковая лузга) и возвратные материалы (керн, аморф, шихта и др.). Вследствие высокой твердости (превосходящей твердость корунда), прочности и режущим свойствам карбид кремния применяют в металлообрабатывающей промышленности. Инструменты из карбида кремния эффективно обрабатывают материалы с более низким пределом прочности на разрыв, в частности, латунь, цинк, бронзу, чугун, твердые сплавы, а также алюминий, камень, стекло, эбонит и другие хрупкие, не дающие сплошной стружки материалы.

     Зеленый карбид кремния более хрупок по сравнению с черным карбидом кремния, отличается от него структурным составом и обладает более высокой абразивной способностью (примерно на 10 — 15% выше). В зависимости от количества основного материала имеются различные марки зеленого карбида кремния: 62С, 63С и 64С. Из зеленого карбида кремния изготавливают абразивные зерновые составы, которые используют в свободном состоянии для обработки оптического стекла, керамики, кварца и им подобных хрупких материалов, а в связанном — для заточки инструмента, в том числе твердосплавного, шлифования заготовок из некоторых видов закаленных сталей, неметаллических материалов и т. п.

     Черный  карбид кремния выпускают марок 53С, 54С и 55С. Качество и стойкость этого материала несколько ниже по сравнению с зеленым карбидом кремния. Черный карбид кремния применяют в виде свободных составов, кругов на керамической и органических связках для обработки заготовок из чугуна, стекла, цветных металлов, кожи, резины, твердого сплава, пластмасс и т. п. Высокая прочность, теплостойкость и химическая инертность карбида кремния обеспечили возможность изготовления из него жаростойких плит, нагревателей, износостойких деталей, термоизоляции и т. д.

     Сырье для производства кремния 

     В настоящее время для производства кристаллического кремния электротермическим способом используют кварц и кварциты. Кварцит—это горная порода, состоящая  из зерен кварца, сцементированных между собой в основном кремнеземом. К химическому составу исходного сырья для производства кремния предъявляются более высокие требования, чем к сырью для производства алюминиево-кремниевых сплавов. Это объясняется тем, что электротермическое восстановление кремния - процесс безшлаковый. Присутствующие в сырье оксиды других элементов при рудовосстановительной плавке частично восстанавливаются и переходят в кремний, загрязняя его, а главное - образуют различного состава шлаки. При образовании даже относительно небольших количеств   шлаков проведение процесса крайне затрудняется, а технико-экономические показатели его резко ухудшаются. Основной источник поступления примесей в сырье—сопутствующие пустые породы, в которых залегают кварц и кварциты. Большая часть примесей находится на поверхности кусков кварца и кварцита в виде "намазок” и кальцийсодержащих корок. Для удаления таких примесей сырье перед рудовосстановительной плавкой подвергают предварительной обработке, заключающейся в измельчении его и отмывке водой глинистых "намазок”. Кварц или кварцит для плавки на технический кремний поступают в виде кусков размером 20—80 мм, которые должны обладать определенной механической прочностью. Механическая прочность зависит от содержания примесей в сырье. Таким образом, сырье для производства кристаллического кремния должно иметь определенный гранулометрический состав и содержать минимальное количество примесей. В нем должно содержаться не менее 98 % кремнезема (SiО) и не более 0,4 % , 0,6 % , 0,25 % CaO. Углеродистые материалы, применяемые в качестве восстановителя при выплавке кремния, должны обладать высокой реакционной способностью, достаточной механической прочностью, высоким электросопротивлением, содержать минимальное количество золы и быть дешевыми. Опыт промышленного производства кристаллического кремния показывает, что этими качествами обладают древесный уголь, нефтяной кокс, некоторые сорта малозольного каменною угля и древесная щепа. Однако нужно отметить, что полностью всем предъявляемым требованиям к восстановителю не удовлетворяет ни один из названных материалов. Только использование их в различных комбинациях позволяет создать наиболее благоприятные условия для протекания процесса восстановления кремния. Древесный уголь получается в результате термического разложения (пиролиза) древесины без доступа кислорода при 350—450°С. Качество древесного угля зависит от пород древесины, из которых он изготовлен. Для производства кремния лучшими являются угли, полученные из твердолиственных пород деревьев, таких, как например, береза, дуб, бук, граб. Древесный уголь обладает высокой реакционной способностью. Поры древесного угля увеличивают поверхность контакта кремнезема с восстановителем, что способствует ускорению процесса восстановления. Насыпная масса древесного угля 0,22—0,24 т/ , пористость 79—83 %. Содержание золы составляет 0,5—3,5 % и зависит как от породы деревьев, из которых получен уголь, так и (в значительной степени) от предварительной подготовки древесины к пиролизу. Известно, что основное количество золы содержится в коре древесины. Из очищенной от коры перед пиролизом древесины получается древесный уголь с наименьшим содержанием золы. Кроме того, такой уголь имеет более высокую механическую прочность. Одним из положительных свойств древесного угля как восстановителя является его низкая электропроводность (высокое электросопротивление), которая почти в 10 раз ниже, чем у кокса любых видов. Вместе с тем древесный уголь имеет самую высокую стоимость из всех восстановительных материалов. Для снижения стоимости восстановителя и улучшения качества получаемого кристаллического кремния в промышленном производстве часть древесного угля заменяют нефтяным коксом. Но один нефтяной кокс в качестве восстановителя не может быть применен, так как он имеет слишком высокую электропроводность и обладает недостаточной реакционной способностью. Количество нефтяного кокса, которым заменяется древесный уголь в шихте, колеблется в широких пределах и может достигать 50 %. Это зависит от типа применяемой электропечи, а также от энергетических параметров ведения процесса. Из всех коксов нефтяной кокс имеет самое низкое содержание золы 0,2—0,6 %, обладает достаточно высокой пористостью (до 46 %) и более высокой реакционной способностью, чем пекоугольные коксы. В последнее время в связи с использованием электропечей большой мощности при промышленном производстве кремния и с целью снижения затрат на производство восстановительных материалов все шире и шире используют древесную щепу в сочетании с нефтяным коксом. Щепа, выполняя функции древесного угля в составе такого восстановителя, позволяет значительно снизить затраты при производстве кремния. Древесную щепу для процесса производства кремния приготавливают на специальных разделочных машинах большой производительности путем измельчения древесины до кусков размером приблизительно 100х30 мм. Количество щепы и нефтяного кокса в шихте зависит от типа применяемых электропечей и условий технологического процесса. В настоящее время технология процесса производства кремния с применением в качестве восстановителя смеси древесной щепы и нефтяного кокса отработана в промышленном масштабе. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО КАРБИДА  КРЕМНИЯ (В КУСКЕ).

     Технологическая схема процесса современного промышленного  производства карбида кремния представлена на рис.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     В соответствии с представленной схемой технологического процесса в состав реакционной шихты входят следующие компоненты: кварцевый песок, нефтяной кокс, возвратные материалы (возвратная шихта, аморф, силоксикон и графитированный керновый материал). Все компоненты реакционной шихты перед ее составлением проходят определенную подготовку.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Подготовка  кварцевых песков 

     Для производства карбида кремния в  СНГ используются Орловские обогащенные кварцевые пески, а также пески Глуховецкого и Гусаровского месторождений. Содержание основного компонента и примесей в песках, лимитируемые соответствующими техническими условиями, приведены в табл.

     Таблица Химический состав кварцевых песков 

     Главной задачей стадии подготовки кварцевого песка к процессу получения Si0₂ является отмывка глинистых примесей, гидроксидов железа и кальцита СаСОз с примесью магнезита MgC0₃. Массовая доля суммы СаО + MgO не должна превышать 0,2 %, а А1₂0₃ в обогащенных кварцевых песках Глуховецкого и Гусаровского месторождений должна быть < 0,3 %.

     Схема процесса подготовки кварцевого песка  для синтеза SiC приведена на рис.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. Технологическая схема аппаратурного оформления подготовки кварцевого песка для получения карбида кремния: / — грейферный кран; 2 - бункер; 3 - электровибрационный питатель; 4 - ленточный конвейер; 5 - ленточный элеватор; 6 - односпиральный классификатор; 7 - грохот (типа Гр-3); 8 - скруббер; 9 - спиральный классификатор; 10 - элеватор; 11 - шнековый транпортер; 12, 13 - вакуум-фильтры; 14, 15, 16 - реверсы; 17 - гидравлический затвор; 18, 19 - водокольцевые насосы; 20, 21 - бункеры; 22, 23 -вибрационные питатели; 24 - сушильный барабан; 25, 26 - ленточные транспортеры; 27 - ленточный элеватор; 28 - бункер участка рассева; 29 - питатель; 30 - грохот; 31 - ленточный транспортер; 32 - закром склада сырья; 33 - тара для транспортировки песка в цех абразивного инструмента (фракции 3,5-6 и 1,6 - 3,5 мм)

     Согласно  этой схемы кварцевый песок из закрома склада сырья подается грейферным краном 1 в бункер 2, из которого электровибрационным питателем 3, ленточным конвейером 4 и ленточным элеватором 5 поступает в односпиральный классификатор 6, где песок промывается водой, после чего направляется на грохот 7, а слив классификатора поступает в шламовую канализацию и затем на фильтро-очистную станцию. С орошаемого водой грохота 7 подрешеточный продукт самотеком направляется в скруббер 8 и затем поступает во второй спиральный классификатор 9 и элеватор 10. Затем шнековым транспортером 11 песок подается на два ленточных вакуум-фильтра 12 и 13, работающих с частотой вращения ленты в вакуум-фильтре 10 ÷ 12 об/ч при вакууме 0,05 ÷ 0,09 МПа.

     Фильтрат ленточных вакуум-фильтров при помощи вакуумной системы, включающей ресиверы 14, 15, 16, гидравлический затвор 17 и водокольцевые насосы 18 и 19 (тип ВВН - 50), поступает в канализацию.

     Из  ленточных вакуум-фильтров песок  повышенной влажности (~ 15 % влаги) самотёком  поступает в бункеры 20 и 21, а из них электровибрационными питателями 22 и 23 подается в сушильный барабан 24, который отапливается природным газом и вращается с частотой 280 - 380 об/ч при расходе газа на горелки 80 - 120 м³/ч. Температура в разгрузочной камере составляет 150 °С, а в самом барабане < 600 °С. После сушки кварцевого песка его направляют ленточными транспортерами 25, 26 и ленточным элеватором 27 в бункер 28 участка рассева песка с целью получения песка фракций > 3,5 и 3,5 - 1,6 мм. Песок последней фракции используется в качестве подсыпки в цехе абразивного инструмента. Из бункера 28 песок подается питателем 29 на грохот 30, оборудованный сетками для получения надсеточного продукта фракции > 6 мм; на средней сетке < 6 мм и на нижней сетке 0,5 - 3,0 мм. Сходы с грохота 30 (фракция песка > 6 мм), объединяясь с фракцией < 1,6 мм с помощью вибролотка 31 транспортируются в закром склада сырья 32, где хранятся обогащенные пески, а песок (фракций 3,5 - 6,0 и 1,6 - 3,5 мм) собирается в тару 33 и передается в цех абразивного инструмента.

     Основные  требования к режиму работы оборудования дробления и рассева кварцевого песка:

     - во фракции < 6 мм и > 3 мм  должно быть 10 % фракции > 6 мм  и 35 % фракции < 3,5 мм;

     - во фракции 1,6 - 3,5 мм - 10 % фракции > 3,5 и 40 % фракции < 1,6 мм.

     Готовый к использованию в производстве карбида кремния кварцевый песок  по своему химическому составу должен отвечать требованиям, показанным в табл., а крупность частиц - в пределах 1,0 - 10 мм.

     Таблица Требования к химическому составу кварцевого сырья 

       Подготовка нефтяного кокса

     В производстве карбида кремния используют в качестве восстановителя нефтяной кокс марок КНКЭ (кокс нефтяной, крекинговый электродный), К38 и КЗО.

     Состав  и некоторые свойства нефтяных коксов, используемых для получения карбида кремния

     Нефтяной  кокс поступает на склад сырья  с влажностью в пределах 5 - 20 % и крупностью 0-25 мм. Подготовка кокса к производству карбида кремния сводится к его просушиванию до влажности 3 -4 % и измельчению до крупности минус 2 мм при содержании фракции минус 1 мм не менее 65 %.

     Сушка нефтяного кокса производится на специальной установке, схема которой представлена на рис.  
 
 
 
 
 
 

1 - кран; 2 - бункер; 3 - питатель; 4 - электромагнит; 5 -транспортер; 6 - щековая дробилка; 7 - элеватор; 8 - сушильный барабан; 9 - транспортер; 10 - закром сухого нефтяного кокса.

     Влажный нефтяной кокс подается краном 1 в бункер 2 и с помощью питателя 3 поступает  на транспортер 5, на котором электромагнитом 4 из кокса отбирается металлическая  примесь. С транспортера 5 нефтяной кокс поступает в щековую дробилку 6 (типа С - 182Б) и затем в элеватор 7 и сушильный барабан 8, который обогревается природным газом. Топка сушильного барабана имеет две горелки типа ГНП, а воздух для сжигания газа подается вентилятором. Температура в топке составляет не более 1000 °С, а в камере смешения, куда поступают дымовые газы через окна внешней части кирпичной перегородки между топкой и камерой сжигания - около 700 °С. Дымовые газы из камеры поступают в сушильный барабан и выполняют функцию энергоносителя. Температуру в разгрузочной камере поддерживают ~ 70 °С. За сушильным барабаном 8 устанавливают последовательно два циклона (типа ЦН - 24 диаметром 700 мм и СК - ЦН - 34 диаметром 900 мм), обеспечивающих снижение запыленности дымовых газов, выходящих из барабана и выбрасываемых затем через дымовую трубу в атмосферу. Процесс сушки нефтяного кокса заканчивается поступлением высушенного кокса посредством транспортера 9 в закрома сухого нефтяного кокса 10.

     Высушенный нефтяной кокс подвергают дроблению и рассеву на специальном оборудовании, схема комплектования которого представлена на рис. 1.

     В наибольшей степени всем требованиям  производства карбида кремния удовлетворяет  нефтяной кокс, содержащий следующие  компоненты: зола - 0,8 %, летучие - 10,0 %; сера - 1,5 %; влага - 3 - 4 %; крупность частиц кокса должна быть -2-0 мм с преимущественным содержанием фракции 1 -0 мм не менее 65%. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Подготовка  возвратных материалов

     К возвратным материалам относится возвратная шихта, отличающаяся от первичной шихты измененными соотношениями компонентов вследствие удаления влаги, летучих и разложения поваренной соли под воздействием температуры. К возвратным материалам относятся также силоксикон, аморф и графитированный керновый материал. Химический состав возвратных материалов приведен в табл.

     Таблица-Химический состав крупно-кристаллического куска SiC и промежуточных продуктов (возвратных материалов) при производстве зеленого карбида кремния

     Подготовка  возвратной шихты заключается в  ее дроблении с удалением фракции > 25 мм и осуществляется по схеме, приведенной на рис. 1

     По  этой схеме возвратная шихта из котлована  горячей разборки и с подины печи 1 подается грейферным краном 2 в бункер 3, оснащенным сверху решеткой с размерами ячеек 250 х 250 мм для предотвращения попадания в бункер спеков шихты и кирпича. Из бункера 3 по транспортеру 4 возвратная шихта поступает в зубчатую дробилку (типа СМ — 438) и выходит после нее в виде фракции крупностью не более 70 мм. Затем элеватором 6 дробленая возвратная шихта попадает на виброгрохот 7 с сеткой (Р25 - 5). Сходы виброгрохота 7 фракции > 25 мм поступают с помощью транспортера 12 в бункер отходов 8, а просев (фракция < 25 мм) транспортером 9 и реверсивным транспортером 10 подается в бункер дробленой шихты 11.

     Рис.1. Технологическая схема аппаратурного оформления последовательности операций подготовки возвратной шихты с целью ее использования в составе свежей шихты для получения карбида кремния: 1 - подина печи; 2 - грейферный кран; 3 — бункер; 4 - транспортер; 5 — зубчатая дробилка; б — - элеватор; 7 - грохот с сеткой; 8 - бункер отходов; 9 - транспортер; 10 - реверсивный транспортер; 11 - бункер дробленой шихты; 12 - реверсивный транспортер 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Подготовка  аморфа и кернового  материала.

     Подготовка  аморфа для его использования  в реакционной шихте состоит  в его дроблении и грохочении с выделением фракции < 25 мм и производится по схеме, показанной на рис. 2. Согласно приведенной схеме аморф краном 1 убирается от печи и транспортируется автомашиной на складирование в пролет подготовки подин. Затем краном 2 аморф подается в бункер 3 и далее транспортером 4 в зубчатую дробилку 5; дробленый аморф элеватором 6 транспортируется на виброгрохот 7 с сеткой Р25 - 5. Затем аморф фракции < 25 мм по конвейеру 8 и реверсивным ленточным конвейером 9 передается в бункер дробленного аморфа 10, а фракция > 25 мм доизмельчается в щековой дробилке 11 и поступает в бункер 10.

     Рис. 2. Технологическая схема аппаратурного оформления последовательности операций подготовки аморфа для использования его в процессе получения карбида кремния: 1,2 - краны; 3 - бункер; 4 - транспортер; 5 - зубчатая дробилка; 6 -элеватор; 7 - виброгрохот с сеткой; 8 - конвейер; 9 - реверсивный ленточный конвейер; 10 - бункер дробленного аморфа; 11 - щековая дробилка. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Керновый  материал представляет собой нефтяной кокс с примесью карбида кремния и его подготовка заключается в выделении на грохоте (ГР - 3) с сеткой СР70 - 10,0 материала фракции < 70 мм и в использовании его при загрузке печей. Сходы грохота, состоящие из смеси силицированного материала и карбида кремния, направляются в отвал.

     ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КАРБИДА  КРЕМНИЯ.

     Карбид  кремния SiС (природный минерал муассанит) из-за высокой твердости и превосходных абразивных свойств используется в основном для изготовления шлифматериалов. Его применяют также для изготовления карбидкремниевых огнеупоров на кремнеземистой, алюмосиликатной и нитридной связках. По своим электрофизическим свойствам SiС занимает промежуточное положение между алмазом и кремнием. Промышленность производит зеленый и черный карбид кремния; зеленый цвет монокристаллам придает азот, а черный — алюминий.

     На  основе карбида кремния (называемого  еще карборундом) получают нагреватели (силиты и глобары) для печей сопротивления. В теплоэнергетике карборунд применяют в составе огнеупорных масс в качестве заполнителя для футеровки ошипованных экранов топок энергетических котлов. Стойкость огнеупорной футеровки может быть повышена, а стоимость ее снижена, если часть карбида кремния в составе массы заменить дистен-силлиманитовым концентратом. Внедрение этой футеровки в условиях «Днепроэнерго» позволило уменьшить удельный расход карбокорунда и получить экономический эффект. Плитками из карбида кремния футеруют гидроциклоны, которые применяют при обогащении железных, марганцевых и других руд. SiС используют для раскисления жидкой стали.

     Карбид  кремния используют в составе  композиционных жаростойких материалов, в наибольшей мере соответствующих  требованиям, предъявляемым к покрытиям корпуса космического корабля многоразового использования «Спейс Шаттл». При входе этого корабля в атмосферу из космического пространства максимальная температура на передней кромке фюзеляжа достигает 1465°С, поэтому покрытия различных частей корабля изготавливают из SiС, SiO2 алюмосиликатных и силиконовых волокон.

     Зарубежные  исследователи сосредоточивают  усилия на изучении карбида кремния как возможного материала для конструкций передней стенки термоядерных реакторов. Остаточная радиоактивность SiС через 106 с после снятия нейтронного потока снижается до уровня активности углерода и практически в любой момент характеризуется величиной на несколько порядков меньше, чем остаточная активность алюминия и коррозионностойкой стали.