Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Поперечное сечение печи Acheson для производства объемного карбида кремния или графита

Процесс Ачесон был изобретен Эдвард Гудрич Ачесон для синтеза карбида кремния (SiC) и графита .

Процесс [ править ]

Процесс заключается в нагревании смеси диоксида кремния (SiO 2 ) в форме кремнезема или кварцевого песка [1] и углерода в его элементарной форме в виде порошкообразного кокса в железной чаше. [2]

В печи диоксид кремния, который иногда также содержит другие добавки, плавится вокруг графитового стержня, который служит стержнем. Через графит пропускают электрический ток, который нагревает смесь до 1700–2500 ° C. [1] Результатом карботермической реакции является слой карбида кремния (особенно в его альфа- и бета-фазах) [1], образующийся вокруг стержня и выделяющий окись углерода (CO). При производстве карбида кремния протекают четыре химические реакции: [3]

  1. С + SiO 2 → SiO + CO
  2. SiO 2 + CO → SiO + CO 2
  3. С + СО 2 → 2СО
  4. SiO + 2C → SiC + CO

Этот общий процесс в высшей степени эндотермический , с чистой реакцией: [1]

SiO 2 + 3C + 625,1 кДж → α-SiC + 2 CO

Открытие [ править ]

В 1890 году Ачесон попытался синтезировать алмаз, но в итоге создал голубые кристаллы карбида кремния, которые он назвал карборундом . [4] Он обнаружил, что кремний испаряется при перегреве, оставляя графит. Он также обнаружил, что, начав с углерода вместо карбида кремния, графит производился только тогда, когда присутствовала примесь, такая как кремнезем, которая могла привести сначала к образованию карбида. Он запатентовал процесс производства графита в 1896 году. [5] Обнаружив этот процесс, Ачесон разработал эффективную электрическую печь, основанную на резистивном нагреве , конструкция которой сегодня является основой большинства производств карбида кремния. [6]

Коммерческое производство [ править ]

Схема резистивной печи Acheson для производства электродных стержней из порошкообразного кокса, смешанного с кремнеземистой глиной. a - Смесь кокса и песка, b - Кирпичи, c - Углеродные электроды, d - Огнеупорный материал, e - Стержни для графитации, f - Гранулированный кокс

Первый коммерческий завод, использующий процесс Ачесона, был построен Ачесоном в Ниагара-Фолс, штат Нью-Йорк , где расположенные поблизости гидроэлектростанции могли дешево производить энергию, необходимую для энергоемкого процесса. [6] К 1896 году компания Carborundum произвела 1 миллион фунтов карборунда. [7] Многие современные установки по производству карбида кремния используют ту же базовую конструкцию, что и первая установка Acheson. На первом заводе в песок добавляли опилки и соль для контроля чистоты. Добавление соли было исключено в 1960-х годах из-за коррозии стальных конструкций. Добавление опилок было остановлено на некоторых заводах, чтобы сократить выбросы. [3]

Схема соответствующей печи для продольной графизации Кастнера, легенда такая же, как и для печи Ачесона

Для производства изделий из синтетического графита углеродный порошок и диоксид кремния смешивают со связующим, таким как смола, и запекают после прессования в форму, такую ​​как электроды или тигли. [8] [9] Затем они окружены гранулированным углеродом, действующим как резистивный элемент, который нагревает их. В более эффективной печи продольной графитизации Castner предметы, подлежащие графитизации, например стержни, нагреваются напрямую, помещая их в продольном направлении встык в контакт с угольными электродами, чтобы через них протекал ток, а окружающий гранулированный уголь действует как теплоизолятор, но в остальном печь аналогична конструкции Acheson. [10] [11]

Чтобы закончить элементы, процесс длится примерно 20 часов при 200  В при пусковом токе300  А (60  кВт ) для печи длиной примерно 9 метров, шириной 35 см и глубиной 45 см, а сопротивление падает, когда углерод нагревается из-за отрицательного температурного коэффициента , что приводит к увеличению тока. [2] На охлаждение уходит недели. Чистота графита, достигаемая с помощью этого процесса, составляет 99,5%. [12]

Использует [ редактировать ]

Карбид кремния был полезным материалом в производстве ювелирных изделий из-за его абразивных свойств, и это было первое коммерческое применение процесса Ачесона. [3]

Первые светоизлучающие диоды были произведены с использованием карбида кремния по технологии Ачесона. Возможное использование карбида кремния в качестве полупроводника привело к развитию процесса Lely , который был основан на процессе Ачесона, но позволял контролировать чистоту кристаллов карбида кремния. [13]

Графит стал ценным смазочным материалом и для производства электродов высокой чистоты.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d "Искусство карбида кремния" . www.sic.saint-gobain.com . Проверено 22 октября 2015 .
  2. ^ a b US 711031 , Acheson, EG, "Process of Making Graphite", опубликовано 1902-10-14. 
  3. ^ а б в Веймер, AW (1997). Синтез и переработка карбидных, нитридных и боридных материалов . Лондон: Чепмен и Холл . С. 115–122. ISBN 0-412-54060-6.
  4. ^ Мэри Беллис (2013-07-19). "Эдвард Гудрич Ачесон - Карборунд" . Inventors.about.com . Проверено 22 августа 2013 .
  5. ^ США 568323 , Ачесон, EG, "Производство графита", опубликованной 1896-10-29 
  6. ^ a b Томпсон, М. де Кей (1911). Прикладная электрохимия . Компания MacMillan. С. 220–224.
  7. ^ "Незначительные абзацы" . Ежемесячный научно-популярный журнал : 431. Январь 1898 года . Дата обращения 13 мая 2013 .
  8. ^ США 617979 , Ачесон, EG, «Способ производства изделий из графита», опубликованной 1899-01-17 
  9. ^ США 836355 , Ачесон, EG, "Производство графита", опубликованной 1906-11-20 
  10. ^ US 5631919 , Intermill, Allan W .; Уайз, Фрэнсис Э., "Аппарат для продольной графитизации (LWG) тел углеродных электродов", опубликовано 20 мая 1997 г. 
  11. ^ Ли, Санг-Мин; Канг, Донг-Су; Ро, Чжа-Сын (16 сентября 2015 г.). «Насыпной графит: материалы и технология изготовления» . Углеродные буквы . 16 (3): 135–146. DOI : 10,5714 / CL.2015.16.3.135 .
  12. Перейти ↑ Erwin, DL (2002). Промышленное химическое проектирование . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл . п. 579. ISBN 0-07-137620-8.
  13. ^ Saddow, SE (2004). Достижения в области обработки и применения карбида кремния . Норвуд, Массачусетс: Artech House . С. 4–6. ISBN 1-58053-740-5.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Кардарелли, Франсуа (9 января 2008 г.). Справочник по материалам: краткая настольная справка . ISBN 978-1-84628-668-1.
  • Зеттерлинг, Карл-Микаэль; Инженеры, Институт электротехники (2002-11-01). Технология изготовления устройств из карбида кремния . ISBN 978-0-85296-998-4.
  • Эрвин, Дуглас (17 мая 2002 г.). Проектирование промышленных химических процессов . ISBN 978-0-07-137621-1.
  • Гупта, GS; Vasanth Kumar, P .; Рудольф, ВР; Гупта, М. (2001). «Модель теплопередачи для болевого процесса». Металлургическая и Транзакции материалов A . 32 (6): 1301. DOI : 10.1007 / s11661-001-0220-9 . S2CID  136826621 .