Производство кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония (ЧСЦ)

1. Обзор литературы

1.1 Физико-химические и механические свойства кристаллов ЧСЦ

1.2 Кристаллическая структура

1.3 Структура ЧСЦ

2. Технология производства

2.1 Основное оборудование

2.2 Вспомогательное оборудование, приспособления и материалы

2.3 Технологическая схема производства ЧСЦ

2.4 Технологический расчет производства

3. Строительная часть

4. Экономическая часть

5. Охрана труда и техника безопасности

6. Производственная санитария

7. Охрана окружающей среды Заключение Список используемой литературы

Целью данной работы является разработка проекта участка по производству частично стабилизированного диоксида циркония, солегированного Nd-Се методом холодного контейнера на установке с индукционным нагревом производительностью 5000 кг в год.

Традиционные керамические материалы обладают существенным недостатком — хрупкостью, ведущей к разрушению материала даже при незначительном ударе. Революционную роль сыграла разработка в 80-е годы в ИОФАНе способа получения монокристаллов на основе оксида циркония методом направленной кристаллизации расплава в «холодном контейнере» с использованием прямого высокочастотного нагрева. Керамика из ЧСДЦ обладает высокой механической прочностью, твердостью и износостойкостью. Технология была разработана в лаборатории ФИАН. Целесообразно разработать проект по производству ЧСЦ на основе данной лаборатории, имеющегося там оборудования, инфраструктуры и высококвалифицированных кадров.

Уникальное сочетание физико-механических и химических свойств делает перспективным применение кристаллов ЧСЦ в качестве конструкционных и триботехнических материалов для механизмов авиационно-космической, атомной, химической, электронно-вакуумной, металлургической, микрокомпьютерной техники, работающих в широком диапазоне температур, в вакууме и химически агрессивных средах, при радиационном воздействии, в присутствии жидких, твердых, газообразных смазочных материалов или при их отсутствии.

Детали триботехнического назначения:

— поршни, гильзы цилиндров, клапаны, поршневые кольца для газотурбинных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, машин и механизмов химико-технологических производств и т. д.;

— износостойкие детали для бурильного оборудования;

— направляющие, бегунки, нитеводители машин текстильного производства.

Инструмент для обработки материалов резанием и давлением:

— резцы, фрезы, долбяки, метчики, плашки;

— протяжки, оправки, волоки;

— валки для прокатки тончайших лент и фольги из Pt, Au, Cu, Al;

— тела помола для шаровых мельниц;

— насадки для формирования струй жидкости высокого давления;

— фильеры и экструзеры для производства стеклянного и базальтового волокон, а также оптических волокон для световодов.

Компоненты измерительных приборов:

— призмы для прецизионных устройств;

— твердые электролиты, топливные гальванические элементы, нагреватели;

— датчики содержания кислорода в выхлопных газах, водяных парах, расплавленных металлах;

— теплозащитные экраны, антикоррозийные детали Ювелирные и декоративные изделия: способность принимать различного вида оригинальную окраску в сочетании с уникальными оптическими свойствами делает перспективным использование монокристаллов ЧСЦ в качестве различного вида ювелирных и декоративных изделий.

Технология монокристаллов на основе направленной кристаллизации расплава в холодном контейнере является высокопроизводительной, практически безотходной, и позволяет получать размеры единичных кристаллов ЧСЦ до 40−50мм в поперечном сечении и длину до 120−140 мм.

При удачной организации производительного процесса производство ЧСЦ будет высокорентабельным, что достаточно быстро окупит затраты и принесет прибыль.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Физико-химические и механические свойства кристаллов ЧСЦ

Монокристаллы частично стабилизированного диоксида циркония — тетрагональные твердые растворы на основе ZrO₂ с небольшими добавками оксидов иттрия, щелочноземельных или редкоземельных элементов.

Физико-химические свойства ЧСЦ в сильной степени зависят от способа получения кристаллов, от их последующей термической и механической обработки, от добавок. Для кристаллов, полученных методом «холодного контейнера» характерны следующие свойства:

Рис. 1

Кристаллы ЧСЦ обладают высокой химической стойкостью к агрессивным средам (кислотам, щелочам, расплавам металлов, окислительной атмосфере при повышенных температурах), реагируют с горячей фосфорной кислотой H₃PO₄ по механизму:

3ZrO₂ + 4H₃PO₄ = Zr₃(PO₄)₄ + 6H₂O

Монокристаллы ЧСЦ (при концентрации стабилизирующей добавки оксида иттрия 2−4 мол. %) обладают рядом свойств, выгодно отличающих их как от металлов, так и от особо прочных керамических материалов. Инертность монокристаллов выше, чем керамики, так как керамика обладает развитой поверхностью и отличной от нуля пористостью. Прочность на сжатие значительна выше, чем у всех известных керамических материалов и приближается к прочности закаленной стали. Ударная вязкость ЧСЦ также аномально высока. Следует также отметить высокую стойкость ЧСЦ к абразивному износу, при испытании на износ на стальных шариках (95*18) следов износа не обнаружено (при значительном износе шариков).

Данные свойства связаны с особенностями структуры ЧСЦ, а именно присутствием доменов размерами от десятков до сотен нанометров, которые формируется в выращенном кубическом монокристалле при его охлаждении в процессе фазового перехода кубической структуры в тетрагональную.

Экспериментально было определено, что различные добавки-стабилизаторы придают усиление разных свойств ЧСЦ:

Церий Ce, неодим Nd — повышают прочность и твердость кристалла;

Тербий Tb — уменьшает коэффициент трения;

Празеодим Pr — придает красивый зеленовато-болотный цвет.

Керамику на основе диоксида циркония заслуженно называют «керамической сталью». Также циркониевая керамика занимает ведущее место среди огнеупорных конструкционных материалов, поскольку сохраняет высокие механические свойства до температур, составляющих 0,8−0,9 Т_пл -3170 К.

1.2 Кристаллическая структура ЧСЦ

Особенностью диоксида циркония является его полиморфизм. Чистый ZrO₂ при комнатной температуре находится в моноклинной фазе и при нагреве испытывает фазовые превращения (рис.2). Переход t-ZrO₂-c-ZrO₂ имеет диффузионную природу и играет очень важную роль при производстве так называемого частично стабилизированного диоксида циркония. Превращение m-ZrO₂-t-ZrO₂ протекает по мартенситному механизму и сопровождается объемными изменениями 5−9%. Такое значительное расширение материала при охлаждении, сопровождающееся растрескиванием, не позволяет получать компактные изделия из чистого ZrO₂. По этой причине практическое значение имеют только твердые растворы различных оксидов на основе ZrO₂ либо механические смеси с жесткой матрицей, способной стабилизировать высокотемпературные фазы ZrO₂ при низкой температуре.

Рис. 2. Схема фазовых переходов в чистом диоксиде циркония:

m-, t-, c-ZrO₂ — моноклинная, тетрагональная, кубическая модификации ZrO₂, соответственно Установлено, что ZrO₂ способен образовывать твердые растворы типа замещения со многими двух-, трехи четырехвалентными оксидами. Общим и весьма важным для керамической технологии свойством этих растворов является отсутствие обратимых полиморфных превращений типа m-ZrO₂-t-ZrO₂ — перехода в чистом ZrO₂. По Паулингу, предел устойчивости структуры типа флюорита CaF₂, которая соответствует c-ZrO₂, определяется соотношением радиусов катиона и аниона rк/ra=0,732. В решетке c-ZrO₂ соотношение rк/ra=0,66, т. е ионы кислорода находятся в стесненном состоянии.

Поэтому c-ZrO₂ существует только при очень высоких температурах, когда значительны тепловые колебания кристаллической решетки.

При снижении температуры происходит диффузионный переход cZrO₂>t-ZrO₂. Тетрагональный ZrO₂ также имеет структуру типа флюорита. При дальнейшем снижении температуры, когда диффузия практически прекращается, а стесненность ионов кислорода увеличивается, происходит мартенситное превращение t-ZrO₂> m-ZrO₂. Расширение кислородной позиции, способствующее созданию устойчивой флюоритовой структуры в широком интервале температур, может быть достигнуто либо замещением части ионов Zr⁴⁺ на ионы большего радиуса (Ce⁴⁺, Th⁴⁺), либо созданием вакансий в анионной подрешетке путем замещения Zr⁴⁺ ионами меньшей валентности (Mg²⁺, Ca²⁺, Y³⁺, Sc³⁺). Малые размеры ионного радиуса, например 0,78? для Mg²⁺, менее благоприятны для устойчивости таких твердых растворов. При стабилизации ZrO₂ оксидами магния и кальция ион Mg²⁺(Ca²⁺) занимает место Zr⁴⁺ в катионной подрешетке, неся в нее отрицательный заряд 2-. Одновременно в анионной подрешетке образуется кислородная вакансия, имеющая положительный заряд 2+. Примесный ион и вакансия притягиваются друг к другу, образуя достаточно устойчивый комплекс (Mg''ZrV''o). Если оксидом-стабилизатором является Y₂O₃, то для создания одной кислородной вакансии необходимо ввести два иона Y³⁺ в катионную подрешетку. В этом случае образуется сложный комплекс (Y'ZrV''oY'Zr), в котором два иона иттрия связаны с одной кислородной вакансией (рис.7) Подобные комплексы при механическом нагружении материала могут вести к неупругой релаксации посредством диффузии в энергетически выгодные позиции и к дополнительной устойчивости флюоритовой структуры.

Таким образом, оптимальные условия стабилизации ZrO₂ соответствуют сочетанию трехвалентности вводимого катиона и достаточной близости его радиуса с радиусом Zr⁴⁺(0,87?). Это положение оправдывается на примере стабилизации ZrO₂ оксидом иттрия (Y³⁺, 1,06?) и оксидами РЗМ. Помимо достижения устойчивости флюоритовой структуры, добавки Y₂O₃ и CeO₂ устойчивы к испарению и позволяют значительно расширить область гомогенности тетрагонального твердого раствора ZrO₂, что делает возможным получение спеченной керамики, имеющей в своем составе более 90% t-ZrO₂, которая является наиболее перспективной из всех циркониевых керамик. На рис. 3,4 и 5 приведена равновесная диаграмма состояния системы ZrO₂-Y₂O₃.

Рис. 3. Диаграмма состояния системы

ZrO2-Y2O3: T₀ — температура перехода m-ZrO2-t-ZrO2

Рис. 4

Рис.5

На фазовых диаграммах представлены основные классы циркониевых керамик:

1. Стабилизированный диоксид циркония CSZ (Cubic Stabilized Zirconia, рис. 6, а): кубический твердый раствор на основе ZrO₂. Для реализации этого материала количество добавки MgO, CaO должно быть более 15−20 мол.%, Y2O3 — более 5−10 мол. %.

2. Керамика, упрочненная диоксидом циркония ZTC (Zirconia Toughened Ceramic, рис. 6 б): дисперсные частицы t-ZrO2 распределены в керамической матрице и стабилизируются сжимающими напряжениями.

3. Частично стабилизированный диоксид циркония PSZ (Partialy Stabilized Zirconia, рис. 6, в). Образуется при добавлении в ZrO2 оксидов Mg, Ca, Y и др. При спекании в области гомогенности кубической фазы образуются крупные зерна c-ZrO₂ (60мкм). После отжига в двухфазной области появляются тетрагональные частицы, когерентно связанные с кубической фазой. В системах ZrO2-MgO (CaO) размер t-частиц должен быть менее 0,25мкм. Объемное содержание t-фазы составляет около 40%.

4. Тетрагональный диоксид циркония TZP (Tetragonal Zirconia Policrystals, рис. 6, г). Данный материал реализуется в системах ZrO₂-Y₂O₃(CeO) и состоит только из стабилизированных тетрагональных зерен.

Рис. 6. Основные типы структур циркониевых керамик:

а — CSZ, б — ZTA, в — PSZ, г — TZP

Следует отметить, что практически соотношение фаз, соответствующее приведенной диаграмме, не реализуется вследствие очень низкой диффузии ионов Zr⁴⁺, Y³⁺, О^2-. Высокотемпературные фазы при определенных добавках Y₂O₃ и режимах охлаждения могут существовать при низких температурах без распада. Линия Т₀ представляет собой геометрическое место температур, при которых свободные энергии m-ZrO₂ и t-ZrO₂ одинаковы. Приведенные интервалы температур весьма условны и очень сильно зависят от скорости охлаждения твердого раствора и размера зерна.

ZrO₂ + Y₂O₃ > Zr_ZrЧ + 2Y_Zr? + O_OЧ + V_O?

Рис. 7

Стабилизирующий оксид должен обладать хорошей растворимостью в твердом растворе, низким давлением паров и отвечать ряду других требований. Особенностью использования стабилизатора Y₂O₃ (или Pr₂O₃) является существенное снижение температуры моноклинно-тетрагонального перехода, чего не возникает при использовании CaO и MgO. Особый интерес представляет возможность закалки трансформирующейся тетрагональной фазы в области малых концентраций Y₂O₃ (< 4,5%) при температуре спекания 1600⁰С.

1.3 Структура ЧСЦ

Для изучения структуры и фазового состава ЧСЦ были исследованы образцы ZrO₂, легированные Y₂O₃ в количестве 2.8, 3.2, 3.7 и 4.0 мол. %. Фазовый состав и структуру исследовали с помощью рентгенодифрактометрического анализа на установке Bruker D8 и методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения на микроскопе JEM2100 при ускоряющем напряжении 200 кВ. Образцы для электронно-микроскопических исследований готовили следующим образом: из кристаллов были вырезаны пластины, плоскости которых были ориентированы перпендикулярно осям ?100? и ?111? кристалла. Образцы шлифовали до толщины 200 мкм. Для того чтобы вырезать диск диаметром 3 мм, применяли ультразвуковую резку, затем в центральной части диска формировали лунку, на последней стадии утонения образца использовали ионное травление.

Фазовый анализ показал, что во всех исследуемых образцах, независимо от содержания стабилизирующей примеси, присутствуют две фазы тетрагональной модификации диоксида циркония с разной степенью тетрагональности. В качестве иллюстрации результатов фазового анализа на рис. 8 приведена дифрактограмма одного из кристаллов ZrO₂ с концентрацией 2.8 мол. % Y₂O₃.

I, отн. ед.

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 2и, град Рис 8

Таким образом, в исследуемых образцах присутствуют две тетрагональные фазы, в которых с/а = 1.006−1.007 и с/а = 1.014−1.015. Первая из них не трансформируемая, а вторая трансформируемая (Т> М). В этом случае уже при малых упругих напряжениях происходит превращение тетрагональной модификации в моноклинную, которое осуществляется на наиболее сильных концентраторах, затрудняя зарождение на них трещины. Судя по интенсивности дифракционных максимумов, преобладает фаза с большей степенью тетрагональности. Детальное прямое исследование микрои наноструктуры проводили методом просвечивающей электронной микроскопии. Исследования показали, что все образцы являются монокристаллическими с развитой доменной двойниковой структурой. На рис. 9 представлена картина микродифракции (ось зоны ?111?), характерная для всех исследуемых образцов данной ориентации, независимо от концентрации легирующей примеси. На электронограмме присутствуют отражения типа 110, запрещенные в гранецентрированной кубической решетке и разрешенные в тетрагональной, что является подтверждением данных рентгенодифрактометрического анализа о присутствии тетрагональной фазы в образце.

Рис. 9 Картина микродифракции образца ZrO2 + 2.8 мол. %Y2O3

На рис. 10 представлено электронномикроскопическое изображение образца ZrO2 + 2.8 мол. %Y2O3 с ориентацией. Видно, что большинство доменов имеют удлиненную форму. Плоскостью двойникования доменов является плоскость (110). Первичные двойниковые пластины, в свою очередь, также двойникуются, образуя, таким образом паркетную структуру из доменов двойников.

Следы плоскости вторичного двойникования находятся под углом ~45° к следу плоскости первичного двойникования. Двойникование происходит по плоскостям, наклонным к оси четвертого порядка — оси С. Двойникование может проходить по плоскостям (101) и (011) и отсутствует по плоскости (110), параллельной оси С.

Рис. 10 Светлопольное изображение образца ZrO2 + 2.8 мол. %Y2O3

Влияние особенностей строения ЧСЦ-материалов на термомеханические свойства обусловило интерес к исследованию механизма образования в них тетрагональных структур, т.к. выявлено, что упрочнение линейно возрастает с количеством сохранившейся тетрагональной фазы.

Механические свойства материала определяются его составом. Неоднородность распределения компонентов может вызвать колебания механических характеристик по объему образца. Поэтому однородность состава является важной характеристикой материала. Для исследования распределения состава использовался микрорентгеноспектральный метод. Можно выделить 3 вида неоднородностей кристаллов ЧСЦ, выращенных методом ВЧ плавления в «холодном контейнере»:

1. Общее повышение концентрации иттрия к концу кристалла, обусловленное тем, что в этой области составов эффективный коэффициент распределения меньше.

2. Наличие более или менее выраженных «волн» концентраций на кривых распределения, связанных с нестабильностью условий роста (мощность нагрева, скорость опускания, температура воды), а также с неустойчивостью процесса роста кристалла, вызванной концентрационным переохлаждением.

3. Локальные колебания (?100 мкм) состава в кристаллах с низкой концентрацией иттрия.

2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА

2.1 Основное оборудование

В настоящее время в промышленности выпускается ряд высокочастотных установок типа «Кристалл-400». Они построены по блочному принципу с использованием унифицированных узлов. Для выращивания монокристаллов ЧСЦ в данном проекте используется установка «Кристалл-403». Установка имеет следующие технические показатели:

Внутренний диаметр контейнера, мм 400

Длина контейнера, мм 600

Длина рабочего хода контейнера, мм, не менее 150

Частота рабочая, МГц 1.76

Мощность, потребляемая от сети, кВт, не более 250

Мощность колебательная, кВт, не менее 160

Диапазон регулирования скорости рабочего хода контейнера, мм/час, в пределах 2…30

Расход воды, мі/ч, не менее 10

Габаритные размеры, мм В плане 7800Ч2000

Высота 2200

Масса установки, кг, не более 4250

Рис. 11

Установка состоит из высокочастотного генератора, рабочей камеры с водоохлаждаемыми стенками, механизма опускания нижнего штока, на котором крепится холодный контейнер, системы стабилизации мощности генератора и потока охлаждающей воды.

ВЧ-генератор состоит из высоковольтного выпрямителя, лампового генератора и цепей управления и защиты. Генератор может использоваться как с одноконтурной, так и с двухконтурной схемами. Его особенностью является то, что он должен устойчиво работать при максимальном напряжении в условиях резких изменений нагрузки: практически от полного ее отсутствия до максимальной.

Рабочая камера служит для создания требуемой атмосферы. Кроме того, она предохраняет обслуживающий установку персонал от мощного температурного излучения с поверхности расплава и от радиоизлучения с индуктора и подводящих шин. Для поддержания постоянства средней температуры расплава и фазового равновесия в системе «расплав — твердая оболочка» применяются устройства стабилизации анодного напряжения (или накала генераторной лампы) и потока охлаждающей воды.

К конструкции охлаждаемого контейнера предъявляется ряд требований:

1. Прежде всего, т.к. источник энергии находится вне контейнера, последний должен быть «прозрачным» для энергии. Это означает, что он должен иметь разрезы, препятствующие замыканию круговых токов (если контейнер из металла) или должен изготавливаться из диэлектрического материала.

2. Также контейнер должен быть изготовлен из материала, обладающего высокой теплопроводностью, чтобы интенсивно охлаждаться водой.

Используемый для данной работы контейнер состоит из медных трубчатых элементов, закрепленных на асбестовом диске при помощи болтов. Медные трубки интенсивно охлаждаются водой. Дно контейнера также выполнено из меди и является охлаждаемым. Прямое экспериментальное определение КПД установки показало, что в контейнере с расплавом выделяется 50−60% электрической мощности, подводимой к установке.

В установке «Кристалл-403» возможно получить до 100 кг готовых кристаллов за один производственный цикл.

Также к основному оборудованию относится печь для отжига кристаллов КО-14 и мельница валковая для перемешивания шихты СВК 4046.000.000.

Рис. 12

2.2 Вспомогательное оборудование, приспособления и материалы

В технологическом процессе помимо основного оборудования используется ряд вспомогательного оборудования, приспособлений и материалов. Для нашего производства необходимо:

1. Печь для отжига готовых кристаллов КО-14 2 шт.

2. Валковая мельница 1 шт.

3. Станок для резки кристаллов 1 шт.

4. Весы настольные 3 шт.

5. Весы напольные 1 шт.

6. Штангенциркуль 2 шт.

7. Молоток 2 шт.

8. Совок для насыпки шихты в контейнер 1 шт.

9. Совок для насыпки шихты при взвешивании 5 шт.

10. Стол рабочий 3 шт.

11. Стержень для пробивки «крышки» 1 шт.

12. Противень для выгрузки були 1 шт.

13. Корзинка для переноски кристаллов 1 шт.

14. Очки для защиты глаз от повреждений и излучения 15 шт.

15. Респиратор фильтрующий типа «Лепесток» 15 шт.

16. Халаты, перчатки резиновые и х/б комплекты 15 шт.

17. Полиэтиленовые пакеты для упаковки годных кристаллов

18. Журнал и канцелярские принадлежности для ведения учета 1 комп.

19. Стол письменный 1 шт.

20. Комплект слесарного оборудования 1 шт.

21. Лоток для переноски кристаллов 3 шт.

22. Лоток для переноски мелких кристаллов 2 шт.

23. Шкурка, бязь, спирт, ацетон для очистки контейнера

2.3 Технологическая схема производства ЧСЦ

Выращивание кристаллов проводится методом направленной кристаллизации расплава путем опускания «холодного» контейнера, используя явление пространственного отбора кристаллов.

Технологический процесс состоит из следующих этапов:

1. Подготовка исходных веществ

2. Стартовое плавление

3. Рост кристаллов

4. Отжиг кристаллов Рассмотрим этапы подробней:

1. Подготовка исходных веществ.

Основным компонентом шихты является ZrO₂. Его химическая чистота определяет как структурную однородность кристаллов и их свойств, так и саму возможность выращивания монокристаллов.

Наиболее нежелательными являются примеси окcидов кремния и алюминия, которые не входят изоморфно в решетку кристалла, а выпадают в виде рассеивающих свет твердых частиц. Их содержание в шихте не должно превышать 0,1% (весовых). Используется ZrO₂ марки «ОСЧ» 9−1 или «ОСЧ» 9−2. В качестве стабилизирующего компонента используются Y₂O₃ марки «Ин-1» или «для люминофоров», чистотой не ниже 99,99. Для стартового плавления используется металлический Zr марки «Ч».

2. Стартовое плавление.

При кристаллизации ЧСЦ загрузка шихты составляет 100 кг. Шихта в виде порошка засыпается в «холодный контейнер». Внутри шихты, на уровне середины индуктора, помещается 200−300 г стартового металла. Металл сверху засыпается шихтой, чтобы предотвратить его быстрое окисление кислородом воздуха и сгорание. При этом по стенкам контейнера, а также на дно контейнера помещают обычно измельченные отходы (для экономии) монокристаллов для создания теплоизолирующего слоя, гарнисажа («подушка» на дне контейнера составляет примерно 20 кг, а «крышка» около 15 кг из гарнисажной крошки). Также сверху поверх шихты помещаются отходы для экранирования излучения в процессе запуска. Индуктор подключают к высокочастотному генератору и устанавливают так, чтобы его нижний виток находился на уровне верхней части слоя теплоизолирующей засыпки. После этого включается высокочастотный генератор. Плавление шихты начинается спустя 10−15 минут. Его признаком служит интенсивное свечение шихты и возрастание нагрузки ВЧ-генератора. После того, как с поверхности открывается зона расплава, в него постепенно досыпается шихта. Процесс плавления развивается, зона расплава увеличивается, одновременно идет интенсивное окисление стартового металла.

Из-за больших тепловых потерь поверхность расплава закрыта поликристаллический коркой с остатками нерасплавленной шихты, расположенной на несколько см выше расплава. Контейнер с расплавом выдерживается не менее 30 минут при стабильном уровне подводимой мощности для достижения равновесия. При этом положение контейнера должно быть таким, чтобы расплав по всей своей высоте находился в пространстве, ограниченном верхним и нижним витками индуктора ВЧ-генератора. Расплав при этом интенсивно перемешивается за счет конвенции. Через отверстие в экране на поверхности расплава отчетливо видно постоянно изменяющаяся мелкая сетка конвекционного узора. В процессе расплавления происходит быстрая и полная гомогенизация расплава.

3. Рост кристаллов После того, как закончилось расплавление всей шихты и установилось равновесие положения границы расплав — твердая фаза, начинается медленное (скорость 15 мм/час) опускание контейнера с расплавом относительно индуктора.(Рис. 7) Скорость опускания контейнера с расплавом относительно индуктора регулируется ступенчато. При постепенном опускании контейнера с расплавом относительно индуктора, в нижней части объема начинается рост кристаллов. Затравками служат кристаллические зерна твердой оболочки. Благодаря пространственному отбору «выживают» лишь кристаллы, выгодно ориентированные по отношению к направлению роста и продолжают расти лишь небольшое число монокристаллических блоков. Измерения температуры поверхности расплава в процессе выращивания показали, что она достигает 3000? С. После полной кристаллизации расплава, мощность ВЧ-генератора продолжает понижаться. После охлаждения до температуры 1000−1200?С, остаточная электропроводность материала уже не может обеспечить связь индуктора с нагрузкой, и мощность в блоке кристаллов не выделяется. При этой температуре ВЧ-генератор выключается, и блок кристаллов остывает сам до комнатной температуры. После полного охлаждения блока кристаллов, контейнер снимается со штока механизма опускания и переворачивается. При этом блок кристаллов легко выходит из контейнера. Поверхности блока покрыты слоем опеченного порошка шихты толщиной 5−15 мм, который легко удаляется путем механической очистки. При слабом постукивании, кристаллический блок распадается на отдельные монокристаллы. Кристаллы имеют столбчатую форму и ориентированы вдоль направления роста. Затем производится сортировка кристаллов по размерам. Спекшиеся поликристаллические части блока кристаллов, а также мелкие кристаллы возвращаются в технологический цикл.

Рис. 7 Расплав шихты:

А — исходное положение индуктора Б — начало процесса кристаллизации В — положение кристаллов после охлаждения

4. Отжиг кристаллов Для снижения внутренних механических напряжений, уменьшения плотности дислокаций и содержания рассеивающих свет частиц, а также в целях изменения состояния активизирующих примесей, т. е. для выравнивания свойств по всему объему, выращенные кристаллы подвергаются термической обработке. Отжиг может проводиться как в вакууме, так и на воздухе. Термообработка в вакууме осуществляется при температуре? 2100? С, а на воздухе при температурах от 1400 до 1600? С.

5. Резка кристаллов Т.к. кристаллы ЧСЦ имеют выгодную твердость (8,5 по шкале Мооса), резка производится на станке для резки корунда. Отобранный кристалл приклеивается на пластину из оргстекла специальной смолой. Затем пластина крепится к подающему столику станка болтами и проводится установка плоскости разреза. Резка осуществляется на алмазной пиле, с подачей охлаждающей воды со скоростью 5 мл/мин. Отрезанные торцы кристаллов возвращаются в технологический цикл.

Постадийное ведение технологического процесса

1. Приготовление шихты:

— Работу производить в респираторе и резиновых перчатках.

— Взвесить необходимые вещества на настольных весах.

— Засыпать реактивы попеременно в стеклянную бутыль.

— Закрыть бутыль крышкой.

— Записать в журнал состав шихты.

— Положить в бутыль на валковую мельницу и перемешивать в течение 30−40 минут.

— Снять бутыль с валковой мельницы.

— Прикрепить к крышке бутыли этикетку с номером партии, ее массы и составом шихты.

2. Подготовка установки к росту.

— Работу проводить в хлопчатобумажных перчатках.

— Открыть крышку камеры установки.

— Очистить загрязненные места камеры, индуктора, контейнера, фторопластовых прокладок шкуркой, а затем салфеточной тканью, смоченной ацетоном; протереть камеру, индуктор и контейнер бязью, смоченной спиртом.

— Проверить резиновые шланги, подающие воду на контейнер.

— Подать воду на контейнер.

— Взвесить на весах стартовый металл.

— Засыпать на дно контейнера 20 кг гарнисажной крошки.

— Засыпать в контейнер часть шихты до уровня верхнего витка индуктора.

— Утрамбовать шихту.

— Сделать в шихте углубление на уровне верхнего витка индуктора и положить туда металл.

— Досыпать сверху оставшуюся шихту.

— Поднять контейнер.

— Закрыть крышку контейнера.

3. Рост кристаллов:

— Работу проводить в х/б перчатках.

— Проверить, закрыты ли дверцы генераторного блока.

— Открыть кран подачи воды на установку.

— Включить трехфазный рубильник.

— Установить тумблеры на пульте управления в положение «ручной».

— Вывести тумблер «частота» в положение «меньше».

— Установить тумблерами «ток сетки» и «ток анода» стрелки приборов на нуль.

— Включить накал генераторной лампы тумблером «накал» и поднять напряжение.

— Прогреть генераторную лампу в течение 15 минут.

— Подать напряжение на индуктор.

— Установить ручкой «накал» следующие величины параметров работы генератора:

Ток 2,5 — 3,5 А Сеточный ток 0,8 — 2,0 А Напряжение на индукторе 4,4 — 4,6 кВ В течение 5 — 20 минут должен произойти разогрев шихты стартовым металлом, о чем свидетельствует уменьшение сеточного тока, увеличение анодного тока и свечение шихты.

— Выдержать расплав в течение 30−40 минут.

— Пробить стержнем через верхнее отверстие камеры корку над расплавом.

— Досыпать небольшими порциями шихту с интервалом 10−20 минут.

— Выдержать расплав в течение 30 минут.

— Включить механизм опускания.

— Выключить установку.

— Выключить воду (через 40 мин — воду генератора, через 2 ч — воду контейнера).

— Открыть камеру после полного остывания контейнера с кристаллами.

— Вынуть контейнер из камеры.

— Выгрузить слиток и гарнисажную крошку.

— Взвесить гарнисажную крошку.

— Зарегистрировать в журнале массу.

4. Разбивка и сортировка монокристаллов:

— Надеть очки и перчатки.

— Положить слиток на противень.

— Отколоть крышку слитка.

— Ударить молотком по верхней части слитка, чтобы он раскололся на отдельные блоки.

— Сколоть с кристаллов крошки гарнисажа.

— Разложить в полиэтиленовые пакеты: кристаллы, пригодные для обработки; мелкие чистые кристаллы, пригодные для переплавки; чистую гарнисажную крошку; загрязненные отходы.

— Взвесить содержимое каждого пакета.

— Записать полученные данные в журнал.

— Вложить в каждый пакет сопроводительную записку с указанием номера партии, массы содержимого, подписи соответствующего лица.

— Загрязненные отходы подлежат переработке в керамический циркониевый абразив.

— Мелкие кристаллы и чистый гарнисаж передаются на участок приготовления шихты.

— Кристаллы, пригодные для обработки, передаются на станок для резки.

— Отходы торцевых частей передаются на участок приготовления шихты.

— Готовые кристаллы упаковываются и направляются на склад.

2.4 Технологический расчет производства

Для того, чтобы рассчитать потребность участка в сырье, оборудовании, обратимся к техническим характеристикам установки, применяемой на нашем участке.

1. Расчет массового состава шихты:

щ (Y₂O₃) =

щ (Y₂O₃) = = 0.0623 (3,5 моль.%)

щ (Nd₂О₃) = 0.0135 (0.5 моль.%)

щ (Pr₂О₃) = 0,01 (0,4 моль.%)

На загрузку установки идет 100 кг шихты, дополнительно около 30 кг гарнисажной крошки и мелких кристаллов добавляют на создание теплоизолирующего слоя, гарнисажа.

Средний выход годных монокристаллов с цикла 80%

Технологические отходы, используемые как шихта 16%

Неиспользуемые технологические отходы 4%

Отсюда следует, что после завершения процесса мы получим:

Годные монокристаллы ЧСЦ — 80 кг Безвозвратные отходы — 4 кг Отходы, возвращаемые в технологический процесс (мелкие кристаллы, гарнисажная крошка) — 16 кг

2. Расчет необходимого числа установок:

Производственный процесс прерывный, число рабочих дней в году — 250

Производственный цикл длится? 2,5 суток

Nуст. = 5000/(250*80/2,5)= 0,625 > 1

3. Расчет потребности в сырье на 1 кг готовой продукции:

M (ZrO₂) = (80+4)*0, 9274/80 = 0,974 кг

M (Y₂O₃) = 84*0, 0623/80 = 0,065 кг

M (Nd₂О₃) = 0,014 кг

M (СеО₂) = 0, 01 кг

4. Расчет общей потребности в сырье за год:

M (ZrO₂) = 0,974*5000= 4870 кг

M (Y₂O₃) = 0,065*5000= 325 кг

M (Nd₂О₃) = 0,014*5000 = 70кг

M (СеО₂) = 0,01*5000= 50 кг М (Zr) = 0,3*5000/80 = 18,75 кг

5. Расчет количества циклов роста:

Учитывая время, отведенное на ремонтные и профилактические работы оборудования, которое составит 30 суток в год, получим время работы установки:

Т=Ткал-Трем=365−30=335 дней=8040 часов Количество циклов роста:

Nц=Т/=8040/60=130 циклов/год

6. Расчет потребления электроэнергии:

Потребляемая установкой мощность

250 кВт/ч *5000/70* 24 = 428,57*10³ кВт/год На освещение производственного участка (площадь 18*14 = 252 м²) люминесцентными лампами, испускающими по 4000 лм, при норме не менее 200 лм на м², будет тратиться:

18 шт. * 80 Вт/ч * 250 дней * 24 ч = 8640 кВт/год Потребление энергии прочим оборудованием возьмем приблизительно 100*10³ кВт/год Итого: 537, 21*10³ кВт/год

7. Потребность в воде:

10 м³/ч*24ч*72цикла + 10 м³/ч*250дн = 19 780 м³/год кристалл цирконий конструкционный триботехнический

3. СТРОИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Проектируемый участок производства должен обеспечить выполнение следующих основных технологических операций: хранение исходных компонентов шихты и работу с ними (взвешивание, смешивание и т. д.); выращивание кристаллов, обработку выращенных кристаллов (резка, разбивка…). Для отдыха персонала предусмотрено соответствующее помещение, в котором располагаются обеденный стол, стулья и диваны. На участке предусмотрены помещения для исходных реактивов и готовой продукции.

Проектируемый участок имеет следующие помещения:

1. Производственный участок

2. Комната для резки

3. Комната мойки и сушки

4. Склад исходных веществ

5. Склад готовой продукции

6. Кабинет начальника участка

7. Комната отдыха

8. Туалет

9. Гардеробная

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Численность персонала цеха:

Режим работы участка характеризуется прерывной рабочей неделей. Работа происходит в 3 смены. Продолжительность каждой смены 8 ч.

Явочная численность рабочих каждой специальности составляет по 1 чел. в смену.

Рассчитаем необходимое количество человек на каждой должности.

Эффективное рабочее время работника:

T_эф.=T_кал.— T_пр.— T_вых.— T_{план невых.}, где

T_кал.— продолжительность года (365 дней);

T_пр. — праздничные дни (12 дней в год);

T_вых.— выходные дни (104 дня в год);

T_{план невых.} — время плановых невыходов по причине отпуска, болезни и др. (принимается — 35 дней).

Начальник цеха (н.ц.) руководит работой всего персонала. Он работает 5 дней в неделю в одну смену. Его эффективное время работы:

T_эф.н.ц.=365 — 12 — 104 — 35 = 214 дней в год.

Технолог (техн.) занимается разработкой технологического процесса, задает параметры роста. Он работает в одну смену 5 дней в неделю. Для него явочная численность равна 1, т. е. 1 технолог должен быть в смене. Его эффективное время работы:

T_{эф.техн.}=365 — 12 — 104 — 35 = 214 дней в год.

Списочная численность (т.е. количество человек, числящихся по трудовой книжке):

n_сп=n_яв. * k_пер., где

k_пер. — коэффициент перехода,

k_пер. = T_{эф.производства} /T_{эф.работника} = 365/214 = 1,7.

Т.к. k_пер. = 1,7 >2, тогда количество технологов в штате равно 2.

Аналогично находим количество механиков, электриков и резчиков, работающих по такому же графику (т.е. тоже 2). Механик занимается техническим обслуживанием. Резчик занимается резкой и отбором кристаллов на партии. Электрик следит за состоянием электрических частей установки, генератором и индуктором.

Аппаратчики и операторы взвешивают, делают твердофазный синтез, моют установку, проводят отжиг. Они работают в 3 смены 5дней в неделю. Эффективное время:

T_{эф.аппарат.}= 365 — 12 — 104 — 35 = 214 дней в год

k_пер. = 365/214=1,7

Численность аппаратчиков с учетом их явочной численности 1 человек:

3•1•1,7= 5,1 > 5 человек Аппаратчики занимаются загрузкой-разгрузкой установок, отвечают за исправность оборудования. Операторы ответственны за работу компьютеров и функционирование процессов. Количество операторов в штате совпадает с числом аппаратчиков (их графики совпадают), в штате 5 операторов.

Уборщицы также работают 5 дней в неделю в одну смену, следовательно, их тоже 2.

Состав штата проектируемого производства таков:

— начальник цеха — 1 чел. (1 смена*5 дней)

— технолог — 2 чел. (1 смена*5 дней)

— механик — 2 чел. (2 смены*5 дней)

— электрик — 2 чел. (2 смены*5 дней)

— операторы — 5 чел. (3 смены*5 дней)

— аппаратчики — 5 чел. (3 смены*5 дней)

— резчик — 2 чел. (2 смены*5 дней)

— уборщик — 2 чел. (1 смены*5 дней)

2. Калькуляция себестоимости 1 кг готовой продукции:

Себестоимость кг готовых монокристаллов составляет 7 614,5 руб. Снизить ее может повышение производительности участка, так как установка при данной производительности не используется на полную мощь, поэтому могут выполняться дополнительные заказы либо повышение производительности.

Расчет примерных сроков окупаемости производства

Для того, чтобы организовать производство ЧСЦ, необходимо предварительно затратить:? 20,5 млн руб., 32,8 млн. рублей по ходу работ.

Цену 1 кг. ЧСЦ устанавливаем в 10 000руб Выручка за год (при продаже 5000 кг. продукции) = 50 млн руб.

Прибыль составит 17,2 млн руб.

Производство окупится за 1,2 года.

5. ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

В химической промышленности, где человек имеет дело с сыпучими, вредными, ядовитыми веществами, горючими жидкостями, различными газами, высоковольтной аппаратурой особо остро встает вопрос охраны труда. Необходимо на всех предприятиях внедрять современные средства техники безопасности и обеспечить санитарно-гигиенические условия с тем, чтобы сократить производственный травматизм и профессиональные заболевания.

Мероприятия по охране труда направлены на решение следующих задач:

— предупреждение возникновения аварийных ситуаций (взрыв, пожар)

— соблюдение техники безопасности

— обеспечение производственной санитарии и личной гигиены Для решения этих задач необходимо знать свойства применяющихся веществ, соблюдать правила работы с вредными веществами, соблюдать правила ТБ при работе с электрооборудованием.

Характеристика применяемых веществ

1. Диоксид циркония ZrO₂.

Является основным компонентом шихты, представляет собой порошок белого цвета. При комнатной температуре существует в виде моноклинной б-модификации с плотностью 5,68 г/см³.

Негорюч, в воде нерастворим, химически инертен, реагирует только с концентрированными горячими кислотами HF и H₃PO₄, Тпл.=2700?С.

Токсическое действие: в мелкодисперсном состоянии частицы диоксида циркония попадают в дыхательные пути человека, при этом возможны хронические заболевания верхних дыхательных путей. Постоянное присутствие его пыли в воздухе может вызвать снижение гемоглобина в крови, боли в области сердца, слабость, головные боли. Способностью накапливаться в организме не обладает.

ПДКр.з.= 6,0 мг/м³

Класс опасности: 3.

2. Оксид иттрия Y₂O₃.

Представляет собой белый порошок с плотностью 4,84 г/см³, Тпл.= 2430? С. Растворимость в воде при 20? С = 0,18 г/см³. Реагирует с кислотами, к действию щелочей стоек, негорюч.

Токсикологическое действие: представляет опасность в виде мелкодисперсного порошка. Вызывает снижение гемоглобина в крови, тромбонемию, поражает верхние дыхательные пути и легкие, приводит к выпадению волос.

ПДКр.з.= 2,0 мг/м³

Класс опасности: 3.

Данное производство является вредным, поскольку порошки применяемых оксидов являются легочными ядами.

3. Оксид церия (IV)

При нормальных условиях — бледно-жёлтый, розоватый или белый тугоплавкий порошок. Оксид церия СеО₂ устойчив во всей области температур при атмосферном давлении, хорошо растовряется в горячей серной кислоте. Относится к классу лантаноидов, токсические свойства лантаноидов проявляются в замедлении свертываемости крови, хронических фарингитах и ринитах — заболеваниях верхних дыхательных путей. У работающих с оксидом церия (IV) на производстве полирующего состава наблюдаются при непосредственном контакте кожные дерматиты. При однократном 4-часовом вдыхании оксида церия (IV) пороги острого ингаляционного действия для крыс составляют соответственно 95 и 92 мг / м3, что позволило по степени опасности однократного ингаляционного воздействия отнести эти соединения к высокоопасным веществам.

ПДКрз=0−0,05мг/л

4. Оксид неодима

Nd₂О₃ — голубого цвета, тугоплавкий, термически устойчивый порошок. Не реагирует с холодной водой, щелочами, гидратом аммиака. Проявляет основные свойства. tпл > 2200°С. При непосредственном введении в кровь возникает резкое, но временное, замедление свертываемости крови. Из-за чего оксид неодима сильно раздражает поврежденные кожные покровы. В качестве средств защиты используются респираторы типа «Лепесток» и перчатки. Рабочие должны периодически подвергаться медосмотрам с целью выявления профессиональных заболеваний. Пожаровзрывобезопасен.

ПДКр.з.= 6,0 мг/м³

Для очистки контейнера используют спирт и ацетон:

С₂H₅OHИмеет наркотическое действие на организм человека. Вначале вызывает возбуждение, а затем паралич нервной системы. При длительном воздействии на организм человека могут возникнуть тяжелые расстройства нервной системы, печени и сердечно-сосудистой системы. ПДК_р.з. = 1000 мг/м3.

Ацетон — Имеет наркотическое действие. Последовательно поражает все отделы нервной системы. При вдыхании накапливается в организме, что увеличивает вероятность хронических заболеваний. ПДК_р.з. = 200 мг/м3.

Меры безопасности при работе с мелкодисперсными веществами и используемые средства индивидуальной защиты.

1. Все работы с веществами в дисперсном состоянии необходимо проводить при включенной общей вентиляции, при приготовлении шихты использовать местную вытяжную вентиляцию.

2. Все работы проводить в респираторе «Лепесток», резиновых перчатках, защитных очках и защитной спец. одежде.

3. Взвешивание компонентов шихты проводить в вытяжном шкафу.

4. При разбивке были на монокристаллические блоки, отделении гарнисажной крошки и отходов использовать все индивидуальные средства защиты: респиратор, перчатки, защитные очки.

5. После окончания работы тщательно вымыть руки, лицо.

6. При попадании пыли порошкообразных веществ внутрь обеспечить пострадавшему свежий воздух, провести промывание желудка 2% - ным раствором соды, дать пострадавшему успокоительное.

Меры безопасности при работе на установке «Кристалл-403».

К работе допускаются лица, достигшие 18 лет, прошедшие специальный инструктаж и имеющие квалификацию по ПТЭ и ПТБ не ниже III (до и выше 1000 В). Продолжительное воздействие ВЧ-полей может вызвать расстройство нервной системы, сердечнососудистой, эндокринной, половой систем, расшатывание зубов, выпадение волос. Применяемые для выращивания кристаллов частоты не относятся к наиболее опасному СВЧ-диапазону.

Перед началом работы необходимо проверить исправность установки, блокировки и сигнализации.

Включать установку только при закрытой дверце камеры.

Во время работы внимательно следить за показаниями приборов и наличием охлаждающей воды по специальным сливным устройствам.

Догрузку контейнера вести только через загрузочное отверстие.

Запрещается касаться подводящих шин индуктора после включения установки на нагрев.

Не перекрывать воду, охлаждающую контейнер при прогорании трубочек контейнера.

Для проведения работ на ВЧ-установке необходимо иметь комплект средств защиты: изолирующая штанга, указатель напряжения, диэлектрические перчатки, переносные плакаты, защитные очки.

6. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ

w Вентиляция

Вентиляция на участке естественная и приточно-вытяжная. Помещение лаборатории должно быть оборудовано вытяжным шкафом марки Ш3М.

w Освещение

В помещении естественное боковое освещение и искусственное. Также каждый стол должен быть оборудован настольной лампой мощностью 60 Вт.

w Шумы и вибрации

Шум может создаваться вытяжной вентиляцией, но он не превышает допустимых значений. Вибрации отсутствуют.

w Отопление и метеусловия

Отопление в цехе центральное. Метеорологические условия соответствуют действующим стандартам. Согласно ГОСТ 12.1.005−76, отопительная температура воздуха 20−23^{оС, допустимая температура 19−25оС; влажность воздуха 70−75%}

w Канализация

Цех подключён к канализации ближайшего населённого пункта. Канализация оборудуется гидрозатвором, исключающим попадание вред-ных веществ в городскую канализацию.

w Водоснабжение

На участке имеется хозяйственно-питьевое водоснабжение, источником которого является городской водопровод, и оборотное водоснабжение для производственных нужд.

w Электробезопасность

Применяется переменный ток частотой 1,5 мГц и напряжением 220 В. Всё оборудование имеет двойную изоляцию и заземлено для защиты от статического электричества

w Охрана труда при работе с компьютером

Основным вредным фактором при работе с компьютером являются электромагнитное излучение, электрические и магнитные поля, создаваемые монитором. Использование определенного монитора, который сертифицирован, позволяет использовать его непрерывно в течение полного рабочего дня.

w Категория и класс помещения по пожарои взрывоопасности.

Производственное помещение относится к категории «Г». Данное помещение связано с применением негорючих веществ и материалов в горячем и расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистой энергии.

Освещение в помещении комбинированное: дневной свет и лампы дневного света. Вентиляция предусматривает шестикратный обмен воздуха.

Температура воздуха в помещении: зимой 18−22?С, летом 22−24?С, влажность 55−60%.

По опасности поражения людей электрическим током помещение участка относится к помещениям без повышенной опасности 1 класса (помещение сухое, влажность 75%, температура 18−25, нет электропроводящей пыли). В помещении допускается установка электрических машин в защищенном и брызгозащищенном исполнении, электрических приборов в закрытом исполнении.