ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ АТТЕСТАЦИЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ – ПРОДУКТА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО МИКРОКРЕМНЕЗЕМА БУРОУГОЛЬНЫМ ПОЛУКОКСОМ

Проведена физико-химическая аттестация карбида кремния, полученного из высокодисперсной шихты двух видов, состоящей из микрокремнезема, образующегося при производстве кремния и высококремнистого ферросилиция, и полукокса из бурого угля Березовского месторождения Канско-Ачинского бассейна. Микрокремнезем обоих видов содержит 93,41 – 95,33 % и 91,72 – 93,63 % SiO₂ ; 1,96 – 3,28 % и 0,56 – 1,18 % С_своб. ; 0,30 – 0,34 % и 0,18 – 0,20 % Si_своб. ; 1,25 – 1,45 и 1,38 – 2,32 % (CaO + Fe₂O₃ + MnO). Микрокремнезем имеет удельную поверхность 21 000 – 24 000 м²/кг, склонен к агрегированию с образованием шаровидных агрегатов размером 200 – 800 нм. Агрегаты составлены шарообразными частицами размерного диапазона от 30 до 100 нм. Буроугольный полукокс содержит 94,05 % углерода; 9,2 % золы; 0,2 % серы; 0,007 % фосфора и имеет удельную поверхность 264 000 кг/м². Исследованы фазовый и химический составы карбида кремния, его удельная поверхность, размер и форма карбидных частиц. Установлено, что в обоих случаях преобладающей фазой является карбид кремния кубической структуры (β-SiC), а сопутствующей – стекловидная фаза, образованная силикатами кальция, магния и железа. При карбидизации шихты, содержащей микрокремнезем производства ферросилиция, карбиду кремния сопутствует α-железо. При температуре синтеза 1923 и 1973 К и продолжительности синтеза 50 и 90 мин происходит полиморфное превращение β-SiC в α-SiC_II . Содержание карбида кремния в продуктах карбидизации составляет 82,52 – 84,90 %. Установлены целесообразность и оптимальные условия химического обогащения карбида кремния: воздействие соляной кислотой концентрации не менее 35 % при температуре 353 К, отношении Т:Ж = 1:2, длительности 3 ч. Определены показатели химического обогащения: содержание карбида кремния в продуктах обогащения 90,42 – 91,10 %, удаление примесей оксидов металлов и железа на 87 – 95 %. Карбид кремния представляет собой микропорошок с частицами неправильной формы размерного диапазона 0,2 – 1,0 мкм с удельной поверхностью 8000 – 9000 м²/кг.

карбид кремния, микропорошок, микрокремнезем, буроугольный полукокс, карбидизация, химическое обогащение, фазовый и химический составы, размер и морфология частиц

1. Гаршин А.П., Шумячер В.М., Пушкарев О.И. Абразивы и материалы конструкционного назначения на основе карбида кремния. – Волгоград : изд-во ВолгГАСУ, 2008. – 189 с.

2. Гаршин А.П. Керамика для машиностроения. – М.: Моснаучтехлитиздат. 2003. – 384 с.

3. Moshtaghioun B.M., Poyato R., Cumbrera F.L., de Bernardi-Martin S., Monshi A., Abbasi M.H. Rapid carbothermic synthesis of silicon carbide nano powders by using microwave heating // Journal of the European Ceramic Society. 2012. Vol. 32. No. 8. P. 1787–1794.

4. Evans R.S., Bourell D.L., Beaman J.J., Campbell M.I. Rapid manufacturing of silicon carbide composites // Rapid Prototyping Journal. 2005. Vol. 11. No. 1. Р.37 – 40.

5. Shi L., Zhao H., Yan Y., Li Z., Tang Ch. Synthesis and characterization of submicron silicon carbide powders with silicon and phenolic resin // Powder Technology. 2006. Vol. 169. No. 2. P. 71–76.

6. Dhanaraj G., Raghothamachar B., Dudley M. Growth and Characterization of Silicon Carbide Crystals // Springer Handbook of Crystal Growth. 2010. Р. 797 – 820

7. Willander M., Friesel M., Wahab Q., Straumal B. Silicon carbide and diamond for high temperature device applications // Journal of Materials Science. 2006. Vol. 24. No. 3. P. 816 – 830.

8. Галевский Г.В., Протопопов Е.В., Темлянцев М.В. Использование техногенных металлургических отходов в технологии карбида кремния // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2014. № 4. С. 103 – 110.

9. Полях О.А., Руднева В.В., Якушевич Н.Ф. и др. Применение техногенных отходов металлургических предприятий для производства карбида кремния // Изв. вуз. Черная металлургия. 2014. № 8. С. 5 – 12.

10. Lee H. High-temperature strength of silicon carbide ceramics sintered with rare-earth oxide and aluminum nitride // Acta Materialia. 2007. 55[2]. Р. 727 – 736.

11. ТУ 5743 – 048 – 02495332 – 96. Микрокремнезем конденсированный. Введ. 01.08.1995. – М. 1996.

12. ТУ 14 – 142 – 17 – 01. Микрокремнезем уплотненный огнеупорный. Введ. 01.06.2001. – Новокузнецк. 2001.

13. Аникин А.Е., Галевский Г.В., Руднева В.В., Галевский С.Г. Металлизация оксиджелезосодержащих отходов металлургического производства. – В кн.: XIV Международный конгресс сталеплавильщиков и производителей металла: сб. трудов / Москва – Электросталь : МГОО «Ассоциация сталеплавильщиков», 2016. С. 608 – 614.

14. Аникин А.Е., Галевский Г.В., Руднева В.В., Галевский С.Г. Применение буроугольных полукоксов в металлургии: технологическая и экономическая оценка // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2016. № 2 (243). С. 114 – 123.

15. Страхов В.М. Научные и производственные аспекты получения специальных видов кокса для электротермических производств // Кокс и химия. 2008. № 9. С. 44 – 49.

16. Страхов В.М. Проблемы с углеродными материалами для рудной и химической электротермии и пути их решения // Кокс и химия. 2010. № 8. С. 29 – 33.

17. Abderrazak H., Selmane Bel Hadj Hmida E. Silicon Carbide: Synthesis and Properties // Book edited by Rosario Gerhardt. 2011. Vol. 4. Р. 1211-1226.

18. Fu Q.-G., Li H.-J., Shi X.-H., Li K.-Zh., Sun G.-D. Silicon carbide coating to protect carbon/carbon composites against oxidation // Scripta Materialia. 2005. Vol. 52. No. 9. P. 923–927.

19. Rezaie1 A., Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E. Evolution of structure during the oxidation of zirconium diboride–silicon carbide in air up to 1500 °C // Journal of the European Ceramic Society. 2007. Vol. 27. No. 6. P. 2495–2501.

20. Ohtani N., Katsuno M., Nakabayachi M., Fujimoto T., Tsuge H., Yaschiro H., Aigo T., Hirano H., Hoshino T., Tatsumi K. Investigation of heavily nitrogen-doped n+4H-SiC crystals grown by physical vapor transport // Journal of Crystal Growth. 2009. Vol. 6. P. 1475 – 1481.