Разработка и освоение технологии плазмометаллургического производства карбида кремния с использованием микрокремнезема для композиционного никелирования и хромирования

Карбид кремния вследствие высоких физико-химических характеристик может применяться в различных областях, в т. ч. в качестве упрочняющей фазы в технологии композиционных электрохимических покрытий, которые позволяют решать многие задачи по поверхностному упрочнению конструкционных деталей и инструментальной оснастки и восстановлению их быстроизнашивающихся частей. Изучение процессов композиционного электроосаждения выявило настоятельную необходимость использования упрочняющих компонентов с оптимальным сочетанием специальных свойств, основным из которых является повышенная дисперсность, что, в свою очередь, ставит задачу направленного формирования заданных харакетеристик материала на стадии синтеза. Потребность в высокодисперсном карбиде кремния для композиционных покрытий в настоящее время удовлетворяется за счет микропорошков абразивного назначения или материалов керамической технологии, поэтому организация производства карбида кремния специального назначения — для композиционного никелирования и хромирования — представляется актуальной в современных экономических и экологических условиях, ориентирующих на освоение прогрессивных наукоемких технологий.

Перспективным для достижения этой цели является плазмометаллур-гический способ получения высокодисперсного карбида кремния, позволяющий в достаточно широком диапазоне регулировать основные характеристики продукта (химический и фазовый состав, размер частиц) вследствие своей многопараметричности. Однако технологическая его реализация возможна лишь при выполнении целого ряда условий: использовании кремне-земсодержащего сырья определенной крупности, обеспечивающей полное испарение частиц в условиях малого времени пребывания в реакторе, разработке способов пассивации высокодисперсного целевого продукта, экологически чистом аппаратурно-технологическом оформлении процесса, — каждое из которых представляет собой самостоятельную задачу, решаемую в рамках данной работы.

Использование образующегося при производстве кремния и ферросилиция микрокремнезема можно рассматривать как новое направление в технологии получения высокодисперсного карбида кремния, позволяющее достичь специальных характеристик продукта и отвечающее требованиям ресурсосбережения. Несмотря на принципиальную возможность получения высокодисперсного карбида кремния из микрокремнезема, разработки подобных технологических процессов немногочисленны и тем более не освоены даже на полупромышленном уровне.

Актуальность работы. Разработка технологии плазмометаллургиче-ского производства карбида кремния с использованием микрокремнезема для композиционного никелирования и хромирования актуальна в следующих аспектах:

— получение карбида кремния со специальным комплексом свойств, определяемых требованиями к упрочняющим компонентам композиционных электрохимических покрытий, реализация которых обеспечивает как высокие эксплуатационные свойства покрытий и прочность сцепления их с подложкой, так и благоприятные технологические режимы композиционного электроосаждения;

— использование в качестве кремнеземсодержащего сырья микрокремнезема, образующегося при производстве высококремнистых ферросплавов, позволяющее исключить стадию диспергирования исходных материалов и снизить себестоимость целевого продукта.

Освоение в экологически чистом варианте плазмометаллургического производства востребованного в технологии композиционного упрочнения карбида кремния с направленно сформированными характеристиками отвечает современным эколого-экономическим тенденциям.

Работа выполнена в соответствии с комплексной научно-технической программой государственного значения «Сибирь» и заданиями Министерства образования и науки РФ по проведению научных исследований по темам: «Физико-химические закономерности синтеза и модели зарождения и роста наноструктур в химически реагирующих турбулентных газовых струях (на примере карбидообразующих систем)» (Per. №НИР 1. 01), «Изучение физико-химических закономерностей фазовых переходов пар-жидкость-кристалл в высокотемпературных турбулентных газовых системах» (Per. № НИР 1.1. 04) — а также в соответствии с перечнем критических технологий РФ и приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники РФ.

Цели работы.

1) Теоретические исследования и технологическое освоение плазмоме-таллургического производства высокодисперсного карбида кремния восстановлением микрокремнезема углеводородами в плазменном потоке азота, направленное формирование комплекса свойств, отвечающее требованиям технологии композиционных электрохимических покрытий.

2) Комплексное исследование свойств получаемого карбида кремния и оценка эффективности его применения в качестве упрочняющей фазы композиционных электрохимических покрытий.

3) Анализ процессов, способствующих образованию микрокремнезема при плавке кремния и высококремнистых ферросплавов, и его физико-химическая аттестация.

4) Оптимизация гидродинамических и теплотехнических характеристик плазменного реактора для реализации процесса получения высокодисперсного карбида кремния.

5) Разработка аппаратурно-технологической схемы плазмометаллурги-ческого производства карбида кремния в экологически чистом вариантеосвоение технологии его получения в реакторе мощностью 150 кВтразработка нормативно-технической документации.

Научная новизна.

1) На основе разработанной балансовой схемы монооксида кремния в ферросплавных печах предложен механизм образования микрокремнезема, проведена его физико-химическая аттестация, доказана целесообразность использования в качестве сырьевого материала для плазмометаллургического производства высокодисперсного карбида кремния.

2) Исследованы и оптимизированы гидродинамические и теплотехнические характеристики плазменного реактора для производства карбида кремния, выявлены условия его эффективной работы.

3) Разработаны теоретические основы и технология плазмометаллургического производства карбида кремния, включающие термодинамические и кинетические исследования, разработку и реализацию математической модели процесса, определение оптимальных режимов и управляющих воздействий, способов направленного формирования специальных свойств карбида кремния.

4) Проведена комплексная аттестация свойств полученного карбида кремния с учетом его высокодисперсного состояния и оценка эффективности использования в процессах композиционного электроосаждения.

5) Определены параметры получения карбида кремния в лабораторных условиях и освоено его производство в реакторе мощностью 150 кВт. Разработана аппаратурно-технологическая схема плазмометаллургического производства карбида кремния в экологически чистом варианте.

Практическая значимость.

1) В результате интерпретации теоретических и экспериментальных исследований процесса плазмометаллургического производства карбида кремния определены оптимальные параметры и управляющие воздействия на процесс, разработана технология получения карбида кремния со специальным комплексом свойств.

2) На основе экспериментальных исследований процесса композиционного электроосаждения в системах никель (хром) — высокодисперсный карбид кремния полученный карбид кремния рекомендован для использования в составе КЭП, работающих на износ в средах различной кислотности при температурах 900−1100 К, и имеющих сложный микрорельеф рабочих поверхностей.

3) Разработаны компьютерные программы, реализующие математическую модель процесса плазмометаллургического производства карбида кремния, которые позволяют осуществлять многовариантные инженерные и исследовательские расчеты параметров эффективной переработки сырьевых материалов и работы плазменного реактора.

4) Определены параметры производства карбида кремния в лабораторных условиях и освоена технология его получения в плазменном реакторе мощностью 150 кВт. Разработана аппаратурно-технологическая схема плазмометаллургического производства карбида кремния, обеспечивающая эко-лого-экономическую эффективность процесса.

Реализация результатов. По результатам освоения технологии получения карбида кремния в реакторе мощностью 150 кВт в Центре порошковых технологий СибГИУ разработана нормативно-техническая документация: ТУ 40-АЖПТ-001−2005 «Карбид кремния высокодисперсный», ТП 40-АЖПТ-001−2005 «Технологический процесс производства высокодисперсного карбида кремния», которая передана ОАО «Юргинские абразивы» для организации промышленного производства высокодисперсных материалов.

Разработанная и реализованная математическая модель, позволяющая рассчитывать геометрические и теплотехнические характеристики плазменного реактора, расходные коэффициенты сырья и эффективные режимы его переработки, внедрена в учебный процесс и практику подготовки студентов специальности 150 102 «Металлургия цветных металлов» .

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:

1) результаты исследования процессов, способствующих образованию микрокремнезема при выплавке кремния и его сплавов с железомрезультаты физико-химической аттестации микрокремнезема;

2) результаты оптимизации гидродинамических и теплотехнических характеристик плазменного реактора для производства карбида кремния;

3) результаты теоретических и экспериментальных исследований плаз-мометаллургического производства высокодисперсного карбида кремния восстановлением микрокремнезема углеводородами в плазменном потоке азотаспособы направленного формирования специальных свойств;

4) результаты исследования эффективности применения получаемого карбида кремния в качестве упрочняющей фазы в процессах композиционного никелирования и хромирования;

5) результаты освоения технологии плазмометаллургического производства карбида кремния в реакторе мощностью 150 кВтаппаратурно-технологическая схема производства в экологически чистом варианте.

Автору принадлежит: описание механизма образования микрокремнезема и аттестация его свойствпроведение экспериментальных исследований характеристик плазменного реактора, процессов получения карбида кремния, аттестация его свойств в высокодисперсном состоянии, оценка эффективности применения в процессах композиционного никелирования и хромированияреализация на ПК в среде Microsoft Access математической модели для расчета режимов обработки дисперсных материалов в плазменном реактореосвоение технологии получения карбида кремния и разработка аппаратурно-технологической схемы производства в экологически чистом варианте.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Зональная научная конференция «Совершенствование технологии получения и обработки сплавов и композиционных материалов» (г. Красноярск, апрель 1993 г.) — II Международная конференция «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (г. Новокузнецк, сентябрь 1993 г.) — Научно-практическая конференция «Проблемы современных материалов и технологий, производство наукоемкой продукции» (г.Пермь, ноябрь 1993 г.) — Международная научно-техническая конференция «Пути повышения качества продукции кремниевого производства» (г. Иркутск, июнь 1994 г.) — Научно-техническая конференция «Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки руд и технологии производства цветных металлов с целью улучшения комплексности освоения недр и использования сырья» (г.Красноярск, февраль 1994 г.) — Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии» (г. Москва, ноябрь 1994 г.) — IV Международная конференция «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (г. Новокузнецк, сентябрь 1995 г.) — Всероссийское научно-техническое совещание «Электротермия-96» (г. Санкт-Петербург, июнь 1996 г.) — Всероссийская научно-техническая конференция «Ультрадисперсные порошки, материалы и наноструктуры. Получение, свойства и применение» (г. Красноярск, ноябрь 1996 г.) — Всероссийское научно-техническое совещание «Компьютерные методы в управлении электротехническими режимами руднотермических печей» (г. Санкт-Петербург, июнь 1998 г.) — Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (г. Новокузнецк, май 2004 г.).

Публикации. Результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 33 печатных работах в центральных журналах и сборниках, из них J6 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов и приложений. Изложена на 180 страницах, содержит 35 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 127 наименований.

Выводы.

1) Проведен анализ современного состояния производства высокодисперсного карбида кремния, сформулированы требования к карбиду кремния — компоненту композиционных электрохимических покрытий, обоснован выбор плазмометаллургического способа получения карбида кремния со специальным комплексом свойств, требуемым для технологии композиционного упрочнения. В качестве сырьевого материала выбран микрокремнезем, характеризующийся высокой дисперсностью, высоким содержанием диоксида кремния, низкой стоимостью и доступностьюпроанализирована существующая практика и показана целесообразность его использования в технологическом процессе получения карбида кремния.

2) Проведена физико-химическая аттестация образующегося при производстве кремния и высококремнистых ферросплавов микрокремнезема, включающая определение фазового и химического составов, дисперсности и морфологии частиц. На основе разработанной балансовой схемы монооксида кремния предложен механизм образования микрокремнезема в печах для выплавки ферросилиция. Установлены возможные пути образования микрокремнезема: в печи в результате взаимодействий в газовой фазе монооксидов кремния и углерода, диспропорционирования монооксида кремния, при непосредственной конденсации монооксида кремнияв результате реакций окисления на колошникеиз-за механического уноса мелких фракций шихты.

3) Исследованы и оптимизированы гидродинамические и теплотехнические характеристики реактора для плазмометаллургического производства карбида кремния. Оптимизирована конструкция камеры смешения, с определением оптимального угла наклона плазменных струй к оси реактора в 30°. Организована тепловая защита канала реактора гарнисажной футеровкой из диоксида кремния, которая обеспечивает повышение внутренней температуры стенки, понижение плотности теплового потока, увеличение среднемассовой температуры газа-теплоносителя. В результате исследования теплообмена плазменного потока с нетеплоизолированными и теплоизолированными стенками канала получены критериальные зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи.

4) Разработаны теоретические основы плазмометаллургического процесса получения карбида кремния, включающие термодинамические и кинетические исследования. Выявлены управляющие воздействия для направленного формирования газовой фазы, оптимальные параметры получения карбида кремния, равновесные показатели процессалимитирующие стадии и технологические параметры, обеспечивающие снятие кинетических ограничений.

5) В результате экспериментальных исследований плазмометаллургического процесса получения карбида кремния определены его технологические параметры и выявлены основные закономерности. Проведено комплексное исследование свойств полученного карбида кремния с учетом его высокодисперсного состояния. Установлено, что при оптимальном сочетании параметров на стадии синтеза обеспечивается достижение следующих специальных характеристик карбида кремния: требуемые фазовый и химический состав (91−93% масс. карбида кремния, 0,6−1,0% масс, свободного углерода), уровень дисперсности (61−65 нм), форма частиц, близкая к сферической.

6) Разработаны способы достижения требуемого состояния поверхности получаемого высокодисперсного продукта: подавление склонности к коагуляции и коалесценции, обеспечение стабильности состава при хранении и минимальной газонасыщенности. Исследованы термоокислительная устойчивость и коррозионная стойкость карбида кремния, установлены их высокие значения, требуемые для компонентов упрочняющей фазы композиционных электрохимических покрытий.

7) С целью оценки эффективности использования карбида кремния в процессах композиционного никелирования и хромирования исследованы особенности формирования и основные свойства композиционных материалов никель (хром) — высокодисперсный карбид кремния. Установлено, что при использовании высокодисперсных частиц происходит уменьшение их массового содержания в покрытии и концентрации в электролитеувеличение предельно допустимой плотности тока, способствующее повышению производительности электролитов и получению осаждаемых слоев большей толщиныдостигается тонкое строение покрытия, уменьшение его пористости и трещиноватости и, как следствие, повышение твердости и сопротивления износу и коррозии. С учетом выявленных положительных эффектов полученный карбид кремния может быть рекомендован в качестве упрочняющего компонента износои термостойких покрытий рабочих поверхностей разнопрофильного инструмента.

8) Освоена технология получения карбида кремния в плазменном реакторе мощностью 150 кВт, определены технико-экономические показатели процесса. Разработана аппаратурно-технологическая схема экологически чистого промышленного варианта производства, предполагающая рецикл газа-теплоносителя. Разработана нормативно-технологическая документация для производства заказных партий карбида кремния в Центре порошковых технологий СибГИУ и для организации промышленного производства высокодисперсных материалов на ОАО «Юргинские абразивы» .

9) Впервые в отечественной и зарубежной металлургической практике введен в обращение новый материал — высокодисперсный карбид кремния (ТУ 40-АЖПТ-001−2005) для технологии композиционного никелирования и хромирования.