Создание технических условий на углеродистый восстановитель для производства карбида кремния

Использование данного покрытия металлических поверхностей не может быть рекомендовано для кис-лотосодержащих сред, однако в ряде случаев полимерное покрытие вполне справляется с защитной функцией. Для рекомендации данного покрытия в качестве защитного для оборудования пищевой про-

мышленности, работающего в контакте с пищевыми продуктами, желательно дальнейшее исследование, с целью подтверждения отсутствия выделения токсичных веществ.

Статья поступила 28.09.2015 г.

Библиографический список

1. ГОСТ Р 54563-2011 (ИСО 2409:2007). Материалы лакокрасочные. Определение адгезии методом решетчатого надреза. М.: Стандартинформ, 2014. 8 с.

2. ГОСТ 9.905-82. Методы коррозионных испытаний. Общие требования. М.: Изд-во стандартов, 1999. 24 с.

3. Арбатская Н.А., Гусева Е.А. Исследование коррозионной стойкости изделий с порошковыми покрытиями // Сб. мат-лов V всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф. «Жизненный цикл конструкционных материалов», г. Иркутск, 27-30 апр. 2015 г. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2015. С. 83-87.

4. Баранов А.Н., Константинова М.В., Гусева Е.А. [и др.]. Межкристаллитная коррозия аустенитных сталей // Системы. Методы. Технологии. Братск: Изд-во БрГУ. 2015. № 2 (26). С. 142-147.

5. Бастиан М. Окрашивание пластмасс. СПб.: Профессия, 2011. 398 с.

6. Волков Г.М., Зуев В.М. Материаловедение. М.: Академия, 2008. 397 с.

7. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. М.: Химия, 1991. 259 с.

8. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Теория коррозии и коррозионно-стойкие конструкционные сплавы. М.: Металлургия, 1993. 416 с.

9. Федосова М., Прошин Д., Федосов А. Методика исследования качества лакокрасочного покрытия автомобиля. М.: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 164 с.

УДК 661.665

СОЗДАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА УГЛЕРОДИСТЫЙ ВОССТАНОВИТЕЛЬ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КАРБИДА КРЕМНИЯ

© О.И. Дошлов1

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Исследована возможность применения нефтекоксовой мелочи в качестве восстановителя для производства карбида кремния. В ходе научных исследований были определены основные направления квалифицированного использования нефтекоксовой мелочи в промышленности России. В результате исследований были разработаны технические условия, которые распространяются на нефтекоксовую мелочь для производства карбида кремния, получаемую в процессе замедленного коксования на основе суммарных нефтяных коксов фракции 0-250 мм, производимых из смеси гудронов, крекинг-остатков и тяжелой смолы пиролиза, предназначенной для использования в качестве компонента восстановительной смеси при производстве карбида кремния. Ключевые слова: карбид кремния; нефтекоксовая мелочь; нефтяной кокс; технические условия; восстановитель; фракция 0-8 мм.

CREATING TECHNICAL SPECIFICATIONS FOR CARBONACEOUS REDUCING AGENT FOR SILICON CARBIDE PRODUCTION O.I. Doshlov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The possibility of using petroleum coke fine fraction as a reducing agent for silicon carbide production is studied. The main directions of the qualified use of petroleum coke fine fraction in Russian industry have been identified in the course of scientific studies that resulted in the development of the technical specifications applied to the petroleum coke fine fraction for the production of silicon carbide. The petroleum coke fine fraction was produced in the delayed coking on the basis of total petroleum cokes of 0-250 mm fractions produced from a mixture of tars, cracking residues and heavy pyrol-ysis resin designed to be used as a component of reducing mixture in silicon carbide production. Keywords: silicon carbide; petroleum coke fine fraction; petroleum coke; technical specifications; reducing agent; 0-8 mm petroleum coke fraction.

1Дошлов Олег Иванович, кандидат химических наук, профессор кафедры химической технологии, тел.: 89027659074, e-mail: doshlov125@mail.ru

Doshlov Oleg, Candidate of Chemistry, Professor of the Department of Chemical Technology, tel.: +79027659074, e-mail: doshlov125@mail.ru

Карбид кремния обладает чрезвычайно широким комплексом электротехнических, антикоррозионных свойств, в том числе прочностью. Благодаря этому он все шире внедряется в технику. Высокая твердость позволяет использовать его как абразив, а жаростойкость и химическая инертность определяют его применение в качестве огнеупорного конструкционного и защитного материала в металлургии, машиностроении, химическом аппаратостроении.

Карбид кремния представляет собой химическое соединение углерода с кремнием: Si2C (Si=C=Si). Зерна карбида кремния, благодаря твердой и кристаллической структуре с высокой режущей способностью, подходят для обработки лака, краски, шпаклевки, стекла, керамики, камня, чугуна, титана, резины и различных полимеров [1].

Производство карбида кремния осуществляется по формуле

SiO, + зс

^SiC + 2 СО

Высококачественным углеродистым восстановителем является древесный уголь, тем не менее по причинам экологического характера наблюдается тенденция к снижению его производства и применения в электротермических процессах. В данной ситуации продолжается активный поиск надежной сырьевой базы углеродистых материалов, способных исключить применение древесного угля. Обширные научные изыскания в этой области привели к созданию углеродистых восстановителей, таких как нефтекоксовая мелочь, буроугольный кокс, коксолигнин, коксоцелло-лигнин, торфококс и др. [1], реакционная способность которых приближается или, в некоторых случаях, незначительно превосходит реакционную способность древесного угля.

При проведении исследований и экспериментов ставилась цель создания технических условий получения углеродистого восстановителя для производства карбида кремния и квалифицированного использования всего гранулометрического состава нефтяного кокса. Исследовалась также возможность примене-

ния нефтекоксовой мелочи для производства карбида кремния.

Основное количество нефтяного кокса получают на установках замедленного коксования. Включение в схему НПЗ процессов коксования оправдано при переработке как малосернистых, сернистых, так и высокосернистых разновидностей нефти. На коксование направляются фактически все отходы от переработки нефти [1].

Нефтекоксовая мелочь (углерод нефтяного происхождения) - твердый остаток вторичной переработки нефти или нефтепродуктов. Этот твердый пористый продукт от темно-серого до черного цвета получают при коксовании нефтяного сырья. Элементный состав сырого, или непрокаленного, кокса нефтяного, %: 91-99,5 С, 0,035-4 Н, 0,5-8 Б, 1,3-3,8 ^ + О), остальное - металлы. Используется для изготовления коррозионно-устойчивой аппаратуры как восстановитель при получении ферросплавов и др.

Нефтекоксовая мелочь (фракции 0-8 мм) является продуктом несовершенства существующей технологии производства нефтяного кокса. По сути нефте-коксовая мелочь - отход, обладающий характеристиками, сходными с характеристиками электродных нефтяных коксов, в силу особенностей своего гранулометрического состава не участвующий в процессе электротермического восстановления карбида кремния, но прекрасно подходящий для производства последнего.

Нами изучена зависимость образования нефте-коксовой мелочи при производстве суммарного сырого нефтяного кокса, она представлена на рис. 1.

На графике (рис. 2) приведен гранулометрический состав суммарного нефтяного кокса Ангарского НПЗ. Содержание в нем нефтекоксовой мелочи (фракции 0-8 мм) составляет 50% от всего объема продукта. На графике показаны результаты проведенных исследований гранулометрического состава фракций 0-8 мм. Суммарная линия всех измерений построена на рис. 2 пунктирным штрихом. Из графика также видно, что 70% мелочи составляет фракция 0-3 мм.

о4 «

i hQ

m

30% 20% 10% 0%

0

3

5

8

15

25

40

Размер частиц, мм Рис. 1. Гранулометрический состав суммарного нефтяного кокса

S 5

-  - II

)( IV

10 20 30 40 50 60

Выход фр., %

70

80

90

100

Рис. 2. Гранулометрический состав нефтекоксовой мелочи фракций 0-8 мм

Сжигание нефтекоксовой мелочи с небольшим содержанием серы и зольных примесей в бытовых и промышленных топках является низкоквалифицированным способом ее использования и снижает рентабельность современных высокопроизводительных установок коксования.

К перспективным способам промышленного производства и использования мелких фракций кокса можно отнести следующие:

- прокалка мелочи с целью удаления из нее влаги и летучих веществ и использование ее в производстве электродов;

- получение механически прочных брикетов (с низким выходом летучих) для использования в химической промышленности (в качестве восстановителя) и в качестве топлива;

- использование в качестве восстановителя при получении карбида кремния.

Применение коксовой мелочи (после ее прокалки) в производстве электродной продукции привлекает внимание работников науки и производства, так как в состав шихты для приготовления анодной массы и графитированной продукции входит до 50% кокса с размером частиц 0-0,5 мм [2].

Прокалка коксовых частиц таких размеров в существующих прокалочных агрегатах, вращающихся печах или вертикальных камерных печах практически невозможна. В связи с этим научно-исследовательские и проектные институты пытаются разработать приемлемые конструкции прокалочных печей, в которых угар кокса будет наименьшим при их высокой производительности.

Большинство авторов изучает процесс прокалки в кипящем слое в токе воздуха. Прокалка частиц размером до 1 мм уже освоена в процессе коксования на порошкообразном коксовом теплоносителе. Разрабатываются новые способы, позволяющие прокаливать коксовую мелочь размерами 0-10 мм с наименьшим угаром углерода [3].

Наиболее технически и экономически целесообразно прокаливать весь получающийся на установках

кокс вместе с мелочью во вращающихся печах длиной около 60 м, с временем пребывания его в печи около 1,5 часа при регулируемой подаче воздуха и использовании тепла отходящих дымовых газов для производства водяного пара высокого давления. Такое решение особенно необходимо в связи с быстрыми темпами развития процессов замедленного коксования, в которых выход фракций кокса мельче 6 мм составляет 30-50% от общей выработки, а также при переработке тяжелых остатков ценных малосернистых разновидностей нефти.

Использование всего гранулометрического состава суммарного нефтяного кокса относится к проблеме облагораживания. Трудность прокаливания мелких фракций кокса вследствие их интенсивного сгорания требует разработки альтернативных способов вовлечения этого продукта в дальнейшее производство или придания мелочи кокса таких свойств, которые бы удовлетворяли требованиям определенного круга потребителей [4].

В ходе научных исследований были определены основные направления квалифицированного использования нефтекоксовой мелочи в промышленности России:

- ввиду огромных энергетических затрат на выделение (рассеивание) сырого нефтяного кокса на фракции 0-8 мм и 8-250 мм есть необходимость подготовить к рассеиванию мелочь, а именно осушить с использованием барабанной сушилки (рис. 3);

- паровая активация кокса увеличит удельную поверхность и реакционную способность нефтяного кокса, применяемого для плавки карбида кремния;

- чем выше РС по отношению к SiO2, тем интенсивнее идет процесс образования SiC;

- оптимальным методом осушки нефтяного кокса будет осушка в барабанной сушилке с температурой топочного газа 470-490°С, чтобы исключить неуправляемое возгорание кокса;

- необходимая скорость вращения барабана 5-8 оборотов в минуту (применяются подъемно-лопастные насадки) [3].

8

7

6

4

3

2

1

0

0

Рис. 3. Схема процесса облагораживания нефтекоксовой мелочи

Результатом цикла научно-исследовательских работ является созданные ИРНИТУ совместно с ОАО «Карборундум Технолоджис» технические условия «Нефтекоксовая мелочь (фракция 0-8 мм) для производства карбида кремния» ТУ 0258-409-057427462015.

Технические условия распространяются на нефтекоксовую мелочь (фракция 0-8 мм) для производства карбида кремния, получаемую в процессе замедленного коксования на основе суммарных нефтяных коксов фракции 0-250 мм, производимых из смеси гудронов, крекинг-остатков и тяжелой смолы пиролиза, и предназначенную для использования в качестве компонента восстановительной смеси при производстве карбида кремния (карборунда).

Нефтекоксовая мелочь (фракция 0-8 мм) предназначена для использования в качестве одного из восстановителей при производстве карбида кремния. В качестве сырья используется суммарный нефтяной кокс.

Нефтекоксовая мелочь (фракция 0-8 мм) по физико-химическим показателям, кроме фракционного состава и влажности, аналогична коксу электродному марки КЗА ГОСТ 22898, дополнительной гигиенической экспертизы не требует.

Технические условия ТУ 0258-409-05742746-2015 «Нефтекоксовая мелочь (фракция 0-8 мм) для производства карбида кремния» разработаны впервые на опытные партии в связи с организацией на ОАО

«АЭХК» первого высокотехнологического производства карбида кремния (карборунда) и изделий на его основе.

Разработка технических требований к нефтекок-совой мелочи (фракция 0-8 мм) и технологии производства выполнена Иркутским государственным техническим университетом в соответствии с техническим заданием потребителя - ОАО «Карборунд Тех-нолоджис».

Нефтекоксовая мелочь (фракция 0-8 мм) на основе малосернистой нефтекоксовой суммарной фракции 0-250 мм должна соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице.

Нефтекоксовая мелочь (фракции 0-8 мм) на основе активированной нефтекоксовой суммарной фракции 0-250 мм является твердым горючим веществом. Пыль мелочи по опасности воспламенения и взрыва в помещениях относится к IV классу группы Б. Пыль «Нефтекоксовая мелочь» (фракция 0-8 мм) может тлеть, самовозгораться, самовоспламеняться. Температура тления при самовозгорании пыли с размером частиц 50-160 мкм не взрывоопасна: нижний предел воспламенения аэровзвеси отсутствует до 500 г/см3.

По степени воздействия на организм человека пыль нефтекоксовой мелочи (фракция 0-8 мм) относится к 4 классу опасности. Предельно допустимая концентрация пыли мелочи в воздухе рабочей зоны

производственных помещения - 6 мг/м . В случае Технические требования, предъявляемые к нефтекоксовой мелочи для производства карбида кремния

Наименование показателя Норма Метод испытания

Массовая доля общей влаги, %, не более 3,0 По ГОСТ 27588 - 91

Массовая доля летучих веществ, %, не более 10,0 По п. 4.9 ГОСТ 22898 - 78

Зольность, %, не более 0,08 По ГОСТ 22692 - 77

Массовая доля серы, %, не более 1,50 По ГОСТ 8602 - 93 или ГОСТ 1437 - 75

Массовая доля мелочи (куски размером меньше 5 мм), %, не более 75,0 По п. 4.3 ГОСТ 22898 - 78

Массовая доля примесей, %, не более кремний железо ванадий 0,08 0,08 0,015 По п. 4.6 ГОСТ 22898 - 78

Удельная поверхность, м2/г, не менее 6,2 По ГОСТ 1314 - 79

Реакционная способность, мл/г с 4,0 По ГОСТ Р 54250 - 10

Порозность, % 30-35

аварийного запыления воздуха для защиты органов дыхания необходимо пользоваться противопылевыми респираторами типа «Лепесток» и ПРБ-5. Запыленность воздуха определяется весовым способом с помощью автоматического эжекторного аспиратора АЭРА. Уборку пыли нефтекоксовой мелочи в производственных помещениях следует производить влажным способом.

При возгорании нефтекоксовой мелочи (фракция 0-8 мм) тушить пенной струей или водой от лафетных стволов; при возгорании небольших количеств мелочи тушить песком, водой, кошмой, пенными огнетушителями.

Места образования пыли нефтекоксовой мелочи в

производственных помещениях должны быть снабжены местной вытяжной вентиляцией.

При погрузке, выгрузке и отборе проб нефтекоксовой мелочи (фракция 0-8 мм) следует применять индивидуальные средства защиты согласно типовым отраслевым нормам.

В результате проведенной работы было установлено, что нефтекоксовая мелочь фракции 0-8 мм может быть использована в качестве восстановителя при производстве карбида кремния (ТУ 0258-40905742746-2015 «Нефтекоксовая мелочь» (фракция 0-8 мм) для производства карбида кремния»).

Статья поступила 21.09.2015 г.

Библиографический список

1. Красюков А.Ф. Нефтяной кокс. М.: Химия, 1966. 264 с.

2. Походенко Н.Т., Брондз Б.И. Получение и обработка нефтяного кокса. М.: Химия, 1986. 312 с.

3. Спешилов Е.Г., Дошлов О.И. Нефтекоксовая мелочь -новый углеродистый восстановитель для производства карбида кремния // Вестник ИрГТУ. 2014 . № 10. С. 85-91.

4. Спешилов Е.Г., Дошлов О.И. Внутренняя структура нефтяного кокса и ее влияние на общее содержание влаги // Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов» (Иркутск, 24-25 апр. 2014 г.). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. С. 62-66.

5. Спешилов Е.Г., Дошлов О.И. Требования к качеству углеродистых восстановителей // сб. науч. тр. XIX Всероссийской студенческой научно-практической конференции с международным участием «Безопасность-2014» г. (Иркутск, 22-25 апр. 2014 г.). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. С. 183-185.

6. Сюняев 3.И. Производство, облагораживание и применение нефтяного кокса. М.: Химия, 1973. 296 с.

7. Дошлов О.И. Высокореакционные коксы как восстановители кремния // материалы Всероссийской научно-практической конференции, «Химия и химическая технология». (Иркутск, 2006). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006 г. С. 87-92.

УДК 622.372

ЕСТЕСТВЕННАЯ АЭРАЦИЯ СТРУЙ И ПОТОКОВ

© В.В. Кондратьев1, К.Л. Ястребов2, Н.А. Иванов3, В.А. Ершов4, Т.Я. Дружинина5

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлена математическая модель аэрированного потока, состоящего из смеси воды и воздуха. При равномерном, плавно изменяющемся течении проникновение воздуха в поток происходит через свободную поверхность в результате ее разрушения турбулентными возмущениями. При резко изменяющемся течении поток аэрируется за счет: действия поверхностных водоворотов (во время гидравлического прыжка, водоворотов при отрыве от поверхностей конструкции); захвата воздуха свободно отброшенной или падающей струей; вследствие защемления воздуха при распаде струи; в результате потери устойчивости волн на ее поверхности. При этом первоначально по внешнему контуру струи образуются воздушные полости с последующим разрушением и потерей сплошности струи.

1 Кондратьев Виктор Викторович, кандидат технических наук, начальник отдела инновационных технологий Физико-технического института, тел.: 89025687702, e-mail: kvv@istu.edu

Kondratiev Viktor, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Innovative Technologies of the Physico-Technical Institute, tel.: 89025687702, e-mail: kvv@istu.edu

2Ястребов Константин Леонидович, доктор технических наук, профессор кафедры мировой экономики, тел.: 89086476118, e-mail: jarosvet@istu.irk.ru

Yastrebov Konstantin, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Global Economy, tel.: 89086476118, e-mail: jarosvet@istu.irk.ru

3Иванов Николай Аркадьевич, директор Физико-технического института, тел.: (3952) 405903, e-mail: ivnik@istu.edu Ivanov Nikolai, Director of the Physico-Technical Institute, tel.: (3952) 405903, e-mail: ivnik@istu.edu

4Ершов Владимир Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации производственных процессов, тел.: 89025122701, e-mail: v.ershov @mail.ru

Ershov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automation of Industrial Processes, tel.: 89025122701, e-mail: v.ershov @mail.ru

5Дружинина Татьяна Яковлевна, кандидат технических наук, доцент кафедры сопротивления материалов и строительной механики, тел.: 89500664707, e-mail: dr@istu.edu

Druzhinina Tatiana, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Strength of Materials and Structural Mechanics, tel.: 89500664707, e-mail: dr@istu.edu