Achesonův proces - Acheson process

Průřez Achesonovou pecí pro výrobu sypkého karbidu křemíku nebo grafitu

The Achesonův proces byl vynalezen Edward Goodrich Acheson syntetizovat karbid křemíku (SiC) a grafit.

Proces

Proces spočívá v zahřívání směsi oxid křemičitý (SiO2), ve formě oxidu křemičitého nebo křemen písek,[1] a uhlík, ve své živel forma ve formě prášku Kola, v železné misce.[2]

V peci se oxid křemičitý, který někdy obsahuje i další přísady, taví kolem grafitové tyče, která slouží jako jádro. Grafitem prochází elektrický proud, který zahřívá směs na 1700–2500 ° C.[1] Výsledek karbotermická reakce je vrstva karbidu křemíku (zejména v jeho alfa a beta fázi)[1] formování kolem tyče a emise kysličník uhelnatý (CO). Při výrobě karbidu křemíku existují čtyři chemické reakce:[3]

  1. C + SiO2 → SiO + CO
  2. SiO2 + CO → SiO + CO2
  3. C + CO2 → 2CO
  4. SiO + 2C → SiC + CO

Tento celkový proces je vysoce endotermický, se síťovou reakcí:[1]

SiO2 + 3C + 625,1 kJ → α-SiC + 2 CO

Objev

V roce 1890 se Acheson pokusil syntetizovat diamant, ale nakonec vytvořil modré krystaly karbidu křemíku, které nazval karborundum.[4] Zjistil, že křemík se při přehřátí odpařil a zanechal grafit. Objevil také, že když se začalo s uhlíkem místo s karbidem křemíku, grafit se vyráběl pouze tehdy, když tam byla nečistota, jako je oxid křemičitý, která by vedla k první výrobě karbidu. Patentoval proces výroby grafitu v roce 1896.[5] Po objevení tohoto procesu vyvinul Acheson efektivní elektrickou pec založenou na odporové topení, jehož konstrukce je základem většiny dnešních výrob z karbidů křemíku.[6]

Komerční výroba

Schéma odporové Achesonovy pece pro výrobu elektrodových tyčí vytvořených z práškového koksu smíchaného s křemičitým jílem. a - Směs koksu a písku, b - Cihly, c - Uhlíkové elektrody, d - Žáruvzdorný materiál, e - Tyče ke grafitizaci, f - Granulovaná koks

První komerční závod využívající Achesonův proces postavil Acheson v roce Niagarské vodopády, New York, kde vodní elektrárny poblíž mohl levně vyrobit potřebnou energii pro energeticky náročný proces.[6] Do roku 1896 společnost The Carborundum Company vyráběla 1 milion liber karborunda.[7] Mnoho současných závodů na výrobu karbidu křemíku používá stejný základní design jako první závod Acheson. V první rostlině byly do písku přidávány piliny a sůl pro kontrolu čistoty. Přidávání soli bylo vyloučeno v 60. letech, protože korodovalo ocelové konstrukce. V některých zařízeních bylo přidávání pilin zastaveno, aby se snížily emise.[3]

Schéma související Castnerovy podélné grafizační pece, legenda je stejná jako u Achesonovy pece

K výrobě předmětů ze syntetického grafitu se uhlíkový prášek a oxid křemičitý smísí s pojivem, jako je dehet, a po vylisování do formy, jako je tvar elektrod nebo kelímků, se vypálí.[8][9] Poté jsou obklopeny granulovaným uhlíkem, který působí jako odporový prvek, který je zahřívá. V efektivnější Castnerově podélné grafitizační peci se položky, které mají být grafitizovány, např. tyče, jsou ohřívány přímo jejich umístěním podélně od konce ke kontaktu s uhlíkovými elektrodami, takže nimi protéká proud, a okolní granulovaný uhlík působí jako tepelný izolátor, ale jinak je pec podobná Achesonově konstrukci.[10][11]

K dokončení položek je proces spuštěn přibližně 20 hodin v 200 PROTI s počátečním proudem 300 A (60 kW) pro pec o délce přibližně 9 metrů, šířce 35 cm a hloubce 45 cm, a odpor klesá, jak se uhlík ohřívá kvůli negativnímu teplotní koeficient, což způsobí zvýšení proudu.[2] Ochlazení trvá týdny. Čistota grafitu dosažitelná tímto postupem je 99,5%.[12]

Použití

Karbid křemíku byl díky svým abrazivním vlastnostem užitečným materiálem při výrobě šperků, což byla první komerční aplikace Achesonova procesu.[3]

První diody vyzařující světlo byly vyrobeny pomocí karbidu křemíku z Achesonova procesu. Potenciální použití karbidu křemíku jako polovodiče vedlo k vývoji Proces Lely, který byl založen na Achesonově procesu, ale umožňoval kontrolu nad čistotou krystalů karbidu křemíku.[13]

Grafit se stal cenným jako mazivo a pro výrobu vysoce čistých elektrod.

Reference

  1. ^ A b C d „Umění karbidu křemíku“. www.sic.saint-gobain.com. Citováno 2015-10-22.
  2. ^ A b USA 711031 „Acheson, E. G.,„ Process of Making Graphite “, publikováno 1902-10-14 
  3. ^ A b C Weimer, A.W. (1997). Syntéza a zpracování materiálů z karbidů, nitridů a boridů. Londýn: Chapman & Hall. str. 115–122. ISBN  0-412-54060-6.
  4. ^ Mary Bellis (19. 7. 2013). „Edward Goodrich Acheson - Carborundum“. Inventors.about.com. Citováno 2013-08-22.
  5. ^ USA 568323 „Acheson, E. G.,„ Výroba grafitu “, publikováno 1896-10-29 
  6. ^ A b Thompson, M. de Kay (1911). Aplikovaná elektrochemie. Společnost MacMillan. str. 220–224.
  7. ^ „Menší odstavce“. Populární věda měsíčně: 431. ledna 1898. Citováno 13. května 2013.
  8. ^ USA 617979 „Acheson, E. G.,„ Metoda výroby grafitových článků “, publikovaná 1899-01-17 
  9. ^ USA 836355 „Acheson, E. G.,„ Production of Graphite “, publikováno 1906-11-20 
  10. ^ USA 5631919 „Intermill, Allan W .; Wise, Francis E., „Zařízení pro podélnou grafitizaci (LWG) těl uhlíkových elektrod“, publikováno 1997-05-20 
  11. ^ Lee, Sang-Min; Kang, Dong-Su; Roh, Jea-Seung (2015-09-16). "Sypký grafit: materiály a výrobní proces". Uhlíkové dopisy. 16 (3): 135–146. doi:10.5714 / CL.2015.16.3.135.
  12. ^ Erwin, D.L. (2002). Návrh průmyslových chemických procesů. New York: McGraw-Hill. str. 579. ISBN  0-07-137620-8.
  13. ^ Saddow, S.E. (2004). Pokroky ve zpracování a aplikacích z karbidu křemíku. Norwood, Massachusetts: Artech House. s. 4–6. ISBN  1-58053-740-5.

Další čtení