碳化硅冶炼工艺设计初稿.docx
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碳化硅冶炼工艺设计初稿
攀枝花学院本科课程设计
碳化硅冶炼工艺设计
学生姓名:
______王鑫林
学生学号:
_____201311101079
院(系):
______材料工程学院
年级专业:
2013级材料科学与工程3班
指导教师:
李亮
助理指导教师:
二〇一六年月
攀枝花学院本科学生课程设计任务书
题 目
碳化硅冶炼工艺
1、课程设计的目的
了解碳化硅的用途及前景,熟悉金属碳化硅冶炼技术及生产流程,培养学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力。
为进一步进行该工艺的研究打基础。
2、课程设计的内容和要求(包括原始数据、技术要求、工作要求等)
设计内容:
(1)设备选型;
(2)工艺控制参数的选择和设计;
设计要求:
(1)与生产实际应用相结合;
(2)详细数据分析、计算。
3、主要参考文献
[1]李游.碳化硅冶炼技术[M].北京:
中国致公出版社,1998
[2]崔小明.碳化硅的制备及应用[M].杭州化工,2000
[3]崔小明.碳化硅的制备及应用[M].杭州化工,2000
[4]李正峰.金属有机化学与催化[M].科学出版社,2000
[5]张术兵,魏长城,碳化硅的合成研究评述.材料科学与工程学报,2007
4、课程设计工作进度计划
(1)、15周星期1(12月7日)下达任务,查询资料;
(2)、16周(12月14日—12月18日)形成初稿;
(3)、17周(12月21日—12月25日)修改定稿。
指导教师(签字)
日期
年月日
教研室意见:
年月日
学生(签字):
接受任务时间:
年月日
摘要
1绪论
碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。
碳化硅在大自然也存在罕见的矿物,莫桑石。
碳化硅又称碳硅石。
在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中,碳化硅为应用最广泛、最经济的一种,可以称为金钢砂或耐火砂。
目前中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种,均为六方晶体,比重为3.20~3.25,显微硬度为2840~3320kg/mm2。
碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时,在实验室偶然发现的一种碳化物,当时误认为是金刚石的混合体,故取名金刚砂,1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法,也就是大家常说的艾奇逊炉,一直沿用至今,以碳质材料为炉芯体的电阻炉,通电加热石英SiO2和碳的混合物生成碳化硅。
纯碳化硅为无色,而工业生产之棕至黑色系由于含铁之不纯物。
晶体上彩虹般的光泽则是因为其表面产生之二氧化硅保护层所致。
碳化硅至少有70种结晶型态。
α-碳化硅为最常见的一种同质异晶物,在高于2000°C高温下形成,具有六角晶系结晶构造(似纤维锌矿)。
β-碳化硅,立方晶系结构,与钻石相似,则在低于2000°C生成。
虽然在异相触媒担体的应用上,因其具有比α型态更高之单位表面积而引人注目,但直至今日,此型态尚未有商业上之应用。
因其3.2g/cm3的比重及较高的升华温度(约2700°C),碳化硅很适合做为轴承或高温炉之原料物件。
在任何已能达到的压力下,它都不会熔化,且具有相当低的化学活性。
由于其高热导性、高崩溃电场强度及高最大电流密度,在半导体高功率元件的应用上,不少人试着用它来取代硅。
此外,它与微波辐射有很强的耦合作用,并其所有之高升华点,使其可实际应用于加热金属。
碳化硅制品可以分为很多类,根据不同的使用环境,分为不同的种类。
一般使用到机械上比较多。
例如使用到机械密封件上,可以称为碳化硅密封环,可以分为静环、动环、平环等。
也可以根据客户的特别要求,制作出各种形状的碳化硅制品,例如碳化硅异形件,碳化硅板,碳化硅环等。
碳化硅的制品之一的碳化硅陶瓷具有的高硬度、高耐腐蚀性以及较高的高温强度等特点,这使得碳化硅陶瓷得到了广泛的应用。
在应用在密封环上:
碳化硅陶瓷的耐化学腐蚀性好、强度高、硬度高,耐磨性能好、摩擦系数小,且耐高温,因而是制造密封环的理想材料。
它与石墨材料组合配对时,其摩擦系数比氧化铝陶瓷和硬质合金小,因而可用于高PV值,特别是输送强酸、强碱的工况中使用。
中国有碳化硅冶炼企业200多家,年生产能力220多万吨(其中:
绿碳化硅块120多万吨,黑碳化硅块约100万吨)。
冶炼变压器功率大多为6300~12500kVA,最大冶炼变压器为32000kVA。
加工制砂、微粉生产企业300多家,年生产能力200多万吨。
2012年,中国碳化硅产能利用率不足45%。
约三分之一的冶炼企业有加工制砂微粉生产线。
碳化硅加工制砂微粉生产企业主要分布在河南、山东、江苏、吉林、黑龙江等省。
中国碳化硅冶炼生产工艺、技术装备和单吨能耗达到世界领先水平。
黑、绿碳化硅原块的质量水平也属世界级。
中国碳化硅与世界先进水平的差距主要集中在四个方面:
一是在生产过程中很少使用大型机械设备,很多工序依靠人力完成,人均碳化硅产量较低;二是在碳化硅深加工产品上,对粒度砂和微粉产品的质量管理不够精细,产品质量的稳定性不够;三是某些尖端产品的性能指标与发达国家同类产品相比有一定差距;四是冶炼过程中一氧化碳直接排放。
国外主要企业基本实现了封闭冶炼,而中国碳化硅冶炼几乎全部是开放式冶炼,一氧化碳全部直排。
2012年,中国企业开发出了封闭冶炼技术,实现了一氧化碳全部回收,但是距离全行业普及还有很长的路要走。
根据中国机床工业协会磨料磨具专委会碳化硅专家委员会的数据,截至2012年底,全球碳化硅产能达260万吨以上,产能达到1万吨以上的国家有13个,占全球总产能的98%。
其中中国碳化硅产能达到220万吨,占全球总产能的84%。
2实验方法
2.1碳化硅的性质
碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好,除作磨料用外,还有很多其他用途,例如:
以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁,可提高其耐磨性而延长使用寿命1~2倍;用以制成的高级耐火材料,耐热震、体积小、重量轻而强度高,节能效果好。
低品级碳化硅(含SiC约85%)是极好的脱氧剂,用它可加快炼钢速度,并便于控制化学成分,提高钢的质量。
此外,碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。
碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上最硬的金刚石(10级),具有优良的导热性能,是一种半导体,高温时能抗氧化。
纯碳化硅是无色透明的晶体。
工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同,而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色,透明度随其纯度不同而异。
[1]碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。
α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体,已发现70余种。
β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。
碳化硅的工业制法是用优质石英砂和石油焦在电阻炉内炼制。
炼得的碳化硅块,经破碎、酸碱洗、磁选和筛分或水选而制成各种粒度的产品。
碳化硅的物理性能:
真密度α型3.22g/cm3、β型3.21g/cm3,莫氏硬度9.2线膨胀系数为(4.7~5.0)×10-6/℃,热导率(20℃)41.76W/(m·K),电阻率(50℃)50Ω·cm,1000℃2Ω·cm,辐射能力0.95~0.98。
2.2碳化硅的合成方法
2.2.1用二氧化硅和碳(煤)合成碳化硅
工业上合成碳化硅多以石英砂、石油焦(无烟煤)为主要原料在电炉内温度在2000~2500℃下,通过下列反应式合成:
SiO2+3CSiC+2CO-46.8kJ(11.20kcal)
1.原料性能及要求
各种原料的性能:
石英砂,SiO2>99%,无烟煤的挥发分<5%。
2.合成电炉
大型碳化硅冶炼炉的炉子功率一般为10000kW,每1kgSiC电耗为6~7kW·h,
生产周期升温时为26~36h冷却24h。
3.合成工艺
(1)配料计算
M=C/C+SiO2
100
式中,C为碳含量,SiO2为二氧化硅含量,M=37.5。
碳的加入量允许过量5%。
炉内配料的重量比见表1。
表1炉体内各部位装料的配比
项目
上部
中部
下部
C/SiO2
0.64~.65
0.64~.65
0.59~0.61
食盐%
8~10
8~10
6~9
木屑/L
180
360
180
一般合成碳化硅的配料见表4。
表2合成碳化硅的配料
配料/%
绿SiC
黑SiC
配料/%
绿SiC
黑SiC
硅质材料325644.559食盐2608
炭质材料18453444非晶材料510
木屑26311未反应料2535
2.3工艺流程
3碳化硅的应用
4结论
参考文献
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