Разработка научных и технологических основ плазмохимической технологии производства борида хрома

Лист замечаний

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

Терентьева М.А. Разработка научных и технологических основ  плазмохимической технологии производства борида хрома. Дипломная работа по специальности  «Химическая технология неорганических веществ» (240301). – Новокузнецк, 2012. – 150 с. табл. 38, ил. 34, источников 109, видеопрезентация 17 листов.

Разработаны научные  и технологические основы плазмохимической технологии производства борида хрома, включающие анализ современного состояния  производства и применения борида хрома CrB₂, определение характеристик трёхструйного плазменного реактора, модельно-математическое исследование взаимодействия сырьевого и плазменного потоков, прогнозирование технологических показателей плазмохимического синтеза борида хрома на основе результатов моделирования и экспериментальных данных и выбор оптимального технологического варианта, реализацию плазмохимической технологии производства борида хрома, его физико-химическую аттестацию и определение экономических показателей.

 

 

 

 

 

Исполнитель:                                                                                             Терентьева М.А.

 

 

 

 

Annotation

Terenteva M.A. Development of scientific and technological bases of plasma chemical technology of chromium boride. Diploma thesis with a degree in Chemical Technology of Inorganic Substances (240301). – Novokuznetsk, 2012. – 150 pages, tab.38, silt.34, sources 109, video presentation 17 sheets.

The scientific and technological bases of plasma chemical technology of chromium boride, including analysis of the current state of production and use of chromium boride CrB₂, characterization of three-jet plasma reactor, the model-a mathematical study of the interaction of plasma flows and commodities, forecasting technological parameters of plasma chemical synthesis of the chromium boride on the basis of simulation results and experimental data and the choice of optimal technology option, the implementation of plasma chemical technology of chromium boride, its physical and chemical certification and identification of economic indicators.

 

 

 

 

The executor:                                                                                                  Terenteva M.A.

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение……………………………………………………………………………….…..9

1 Анализ современного  состояния производства и применения  диборида хрома

   CrB₂……………………………………………………………………………………..11

  1.1 Кристаллическая структура  боридов хрома………………………………………11

  1.2 Физико-химические свойства боридов хрома……………………………………15

    1.2.1 Термодинамические и  теплофизические свойства……………………………15

    1.2.2 Химические свойства…………………………………………………………...16

      1.2.2.1 Стойкость CrB₂ против окисления в кислороде и на воздухе…………….16

      1.2.2.2 Стойкость боридов хрома в жидких средах………………………………..19

    1.2.3 Механические свойства………………………………………………………...22

  1.3 Способы получения  борида хром CrB₂ …………………………………………..24

     1.3.1 Борирование хрома или продуктов карбидотермического (карботермичес-

             кого) восстановления оксида хрома  (смеси оксидов хрома и бора) в неокис-

             лительной атмосфере (вакуум, инертная  среда)………………………………24

    1.3.2 Борирование  продуктов магниетермического восстановления  соединений

             хрома……………………………………………………………………………..27

    1.3.3 Борирование хрома или его соединений в газофазных хром-бор-водородсо-

             держащих смесях………………………………………………………………..29

  1.4 Применение диборида хрома в современной технике…………………………...29

  1.5 Обоснование выбора аппаратурно-технологической схемы и оборудования для

       плазмохимического производства CrB₂…………………………………………..32

Выводы и постановка задач исследования…………………………………………….37

2 Исследование характеристик реактора для плазмохимического производства

   диборида хрома…………………………………………………………….…………..40

  2.1 Постановка вопросов……………………………………………………………...  40

  2.2 Определение промышленного  уровня мощности трехструйного  реактора…..  41                                                                                                       

  2.3 Определение среднемассовой  температуры плазменного потока……………..  44         

  2.4 Определение удельной электрической  мощности в камере смешения……….  .46

  2.5 Определение ресурса работы катодов и анодов плазмотронов……………………..47

  2.6 Оценка загрязнения диборида хрома продуктами эрозии электродов плазмотронов…52                                                                                                                        

Выводы ……………………………………………………………………………………….53

3 Термодинамический анализ  процессов синтеза диборида хрома…………………55

  3.1 Цели, задачи и  методика анализа………………………………………………….55

  3.2 Термодинамика  «газификации» бора……………………………………………..61

  3.3 Термодинамика  высокотемпературных взаимодействий  в боридообразующих

        системах……………………………………………………………………………..63

Выводы…………………………………………………………………………………...66

4 Кинетический анализ  процессов плазменного испарения  дисперсного

   хромосодержащего  сырья……………………………………………………………..68

  4.1 Цели, задачи и  особенности анализа……………………………………………...68

  4.2 Математическая  модель для расчета процессов  испарения дисперсного сырья  в

        трехструйном плазменном реакторе………………………………………………71

  4.3 Результаты численного  расчета параметров эффективной  переработки

        хромосодержащего сырья в плазменном потоке азота…………………………..79

Выводы…………………………………………………………………………………...84

5 Экспериментальное исследование  процессов синтеза диборида хрома  и выбор

   оптимального  варианта………………………………………………………………..85

  5.1 Описание промышленного плазмохимического комплекса для получения

        диборида хрома……………………………………………………………………..85

  5.2 Методика исследования……………………………………………………………88

  5.3 Характеристика  сырьевых материалов……………………………………………94

  5.4 Исследование процессов  синтеза диборида хрома методом планируемого

        эксперимента………………………………………………………………………..96

  5.5 Анализ полученных  результатов…………………………………………………102

    5.5.1 Синтез  диборида хрома из хрома и  бора……………………………………..102

    5.5.2 Синтез диборида хрома из трихлорида  хрома и бора……………………………103

    5.5.3 Синтез диборида хрома из оксида  хрома и бора…………………………………104

  5.6 Выбор  и реализация оптимального технологического  варианта плазмохимического

        синтеза диборида хрома………………………………………………………………106

    5.6.1 Выбор оптимального технологического варианта плазмохимического синтеза

             диборида хрома…………………………………………………………………….106

    5.6.2 Получение диборида хрома синтезом  из хрома и бора и его  идентификация…..107

Выводы……………………………………………………………………………………..111

6 Экономическая часть…………………………………………………………………….112

  6.1 Расчёт  инвестиций в основные фонды………………………………………………112

  6.2 Расчёт  инвестиций в оборотные средства…………………………………………....114

  6.3 Расчёт  общей величины инвестиций………………………………………………...116

  6.4 Финансирование инвестиций………………………………………………………...116

  6.5 Расчёт  показателей эффективности использования  основных средств…………….118

  6.6 Расчёт  производственной программы……………………………………………….118

  6.7 Расчёт  показателей по труду и заработной  плате……………………………………119

    6.7.1 Расчёт основной и дополнительной заработной платы основных производствен-

             ных рабочих………………………………………………………………………..119

    6.7.2 Расчёт страховых взносов…………………………………………………………120

    6.7.3 Расчёт фонда  заработной платы…………………………………………………..120

    6.7.4 Расчёт производительности  труда основных производственных  рабочих……...123

  6.8 Расчёт себестоимости  одной тонны диборида хрома……………………………….123

  6.9 Расчёт показателей  эффективности инвестиций…………………………………….126

Выводы……………………………………………………………………………………..132

Общие выводы……………………………………………………………………………..133

Список использованных источников……………………………………………………...136

Приложение  А……………………………………………………………………………..148

Приложение  Б……………………………………………………………………………...150

 

 

 

Введение

Диборид хрома CrB₂ обладает относительно высокой твердостью и износостойкостью, жаропрочностью и химической инертностью, в связи с чем применяется в изготовлении покрытий, противостоящих абразивному износу, химической и газовой коррозии. Сочетание этих свойств делает диборид хрома востребованным в технологиях наплавки композиционных жаропрочных и износостойких покрытий, плазменного напыления, порошковой металлургии. Анализ современного состояния отечественного и мирового производства и применения диборида хрома показывает, что можно выделить три группы способов получения диборида хрома CrB₂: борирование хрома или продуктов карбидотермического (карботермического) восстановления оксида хрома (смеси оксидов хрома и бора) в неокислительной атмосфере (вакуум, инертная среда); борирование  продуктов магниетермического восстановления соединений хрома; борирование хрома или его соединений в газофазных хром-бор-водородсодержащих смесях. Дальнейшие перспективы применения диборида хрома связаны с синтезом его в наносостоянии. Освоенная в 80-х годах 20 столетия технология плазмохимического синтеза относится к третьей группе способов получения диборида хрома и реализуется с использованием трёхструйного прямоточного плазменного реактора. Для генерации плазменного потока используют три электродуговых плазматрона ЭДП-104А суммарной мощностью до 50 кВт, установленные в камере смешения, в качестве плазмообразующего газа применяется азот. Реализация предлагаемой плазмохимической технологии в полной мере делает ее экологически безопасной, обеспечивающей получение диборида хрома в виде нанопорошков с размером частиц 40-70 нм. Наряду с достоинствами в данной технологии имеются следующие недостатки: технологическая и экономическая нецелесообразность использования технической пропан-бутановой смеси, требующей для переработки сложной по составу и генерации азотно-аммиачно-водородной плазмы, и плазмохимического реактора лабораторного уровня.

Целью работы является разработка научных и технологических основ  плазмохимического производства диборида хрома, для достижения которой ставились и решались следующие задачи:

1) проведение анализа  современного состояния производства  и применения диборида хрома  CrB₂;

2) определение характеристик  трехструйного плазменного реактора (определение промышленного уровня  мощности, среднемассовой температуры плазменного потока, удельной электрической мощности, ресурсов работы катода и анода плазматронов, загрязненности диборида хрома продуктами эрозии катодов и анодов);

3) модельно-математическое  исследование взаимодействия сырьевого  и плазменного потока (выбор бор- и хромсодержащего сырья, термодинамический анализ высокотемпературных взаимодействий в боридообразующих системах, кинетический анализ процессов испарения сырья);

4) определение основных технологических показателей плазмохимического производства диборида хрома на основе результатов моделирования и экспериментального исследования и выбор оптимального технологического варианта;

5) реализация плазмохимической технологии производства диборида хрома, его физико-химическая аттестация и определение экономических показателей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Анализ современного  состояния производства и применения  диборида хрома CrB₂

1.1 Кристаллическая структура  боридов хрома

Диаграмма состояния  системы хром-бор представлена на рисунке 1.1 [1-4].

Рисунок 1.1 – Диаграмма  состояния системы хром-бор

В системе образуется шесть боридов: Cr₂B, Cr₅B₃, CrB, Cr₃B₄, CrB₂, CrB₄. CrB₂ существует в концентрационных пределах 66,7 – 72 % (ат.). Бориды хрома характеризуются высокой температурой плавления: CrB и CrB₂ плавятся конгруэнтно при 2373 и 2473 К соответственно. Cr₂B, Cr₅B₃ и Cr₃B₄ образуются по перитектическим реакциям:

ж + Cr₅B₃ ↔ Cr₂B  при температуре 2143 К                                                      (1.1)

ж + CrB ↔ Cr₅B₃ при температуре 2173 К                                                        (1.2)

ж + CrB₂ ↔ Cr₃B₄ при температуре 2343 К.                                                      (1.3)

В системе подтверждено существование  трех эвтектических равновесий:

ж ↔ (Cr) + Cr₂B при температуре 1893 К и 13,5 % ат. В                                 (1.4)