Design, Construction and Testing of a Novel Reactor for the Production of Silicon Carbide Powder Feedstock for Thermal Spray

Abstract

Forbedring av materialegenskaper og maskindeler er et essensielt aspekt i forskjellige bransjer som kontinuerlig utvikler seg. Overflatebehandlinger er konvensjonelle metoder for å forbedre egenskaper, og termisk sprøyting er en belegningsprosess der smeltede partikler sprøytes på en overflate. I de siste årene har utviklingen av råstoffmaterialer for termisk sprøyting sett Silicon Carbide (SiC) som et nytt materiale med overlegne egenskaper. Sprøyting av SiC har vært en utfordring siden det fordamper ved høye temperaturer. NTNU og Seram Coatings har funnet en måte å løse dette problemet ved å beskytte SiC-partiklene med enten metaller eller keramikk. Seram Coatings AS har produsert et produkt kalt ThermaSiC som fusjonerer Yttrium Aluminium Granat (YAG) og Silisiumkarbid, men nylig utvikles et nytt produkt kalt MetalSiC med Krom istedenfor. Prosessen med å lage råstoffpulveret pågår for tiden i laboratoriet og er fremdeles i et utviklingsstadium.

I dette prosjektarbeidet foreslås forskjellige design for bestemte deler av den kjemiske prosessen. Den kjemiske prosessen består at to hovedsteg til å begynne med. Det første steget er å blande sammenreaktantene til en våt blanding for så å fordampe vannet. Det andre steget er selve reaksjonen som skal skje på en kontrollert temperatur og atmosfære. En batchreaktor er blitt foreslått som en måte å skalere opp fordampningstrinnet i prosessen. Å bruke mikrobølger i stedet for tradisjonelle oppvarmings-/fordampningssystemer har utfordret batch-konseptet og kan være mer effektivt. Selv om en batchreaktor kan være en enkel løsning, er det ganske tidkrevende trinn sammenlignet med å bruke mikrobølger. En mer kontinuerlig prosess er foreslått for reaksjonstrinnet sammenlignet med å bruke en ovn. I dette tilfellet er "fordampningstanken" koblet til en kontinuerlig reaktor. Fordampningstanken og reaktoren skal brukes i tre av de seks trinnene i prosessen, som inkluderer blanding, fordampning og reaksjon.

Inspirasjon til en kontinuerlig prosess er oppnådd fra forskjellige bransjer og prosesser. Disse inkluderer pyrolisis, transport av partikler og den kjemiske industrien, som har vist lignende krav, og kan brukes som utgangspunkt. Konsepter er utviklet, og designforslag for en fordampningsbeholder og en kontinuerlig reaktor er blitt foreslått. Fremstillingen av disse konseptene er modelert i utviklingsdelen. Testing og prototyping er gjort for å tydeliggjøre forskjellige funksjoner i reaktoren. Det er brukt en "agile" utviklingsmetode der det er mulig å være fleksibel og svare på endringer i den kjemiske prosessen. Konseptet med en vibrerende reaktor for å transportere reaktantene ble til slutt implementert for å være en set-basert prototype. Testingen viste at bruk av vibrasjoner som transportform kan være en effektiv måte å transportere reaktantene i reaksjonstrinnet. Justering av hastigheten var enkel og ble gjort enten ved å endre frekvens eller helningssvinkel. Denne prototypen kan potensielt utvikles ytterligere for å imøtekomme resten av kravene i denne kjemiske prosessen. Dette inkluderer å oppnå ønsket temperatur og oppnå en inert atmosfære, samt skape et effektivt fôrings- / ekstraksjonssystem. Ved å videreutvikle og teste prototypen, kan et produkt som produserer et råstoffpulver av høy kvalitet bli oppnådd.

The enhancement of material properties and machine parts is an essential aspect of continuously developing industries. Surface treatments are conventional methods to improve features, and thermal spraying is one coating process where melted particles are sprayed onto a surface. In recent years, the development of feedstock materials for thermal spraying has seen Silicon Carbide (SiC) as a new material with superior properties. Spraying SiC has been a challenge since it decomposes at high temperatures. NTNU and Seram Coatings have found a way to solve this problem by protecting the SiC-particles with either metals or oxides. Seram Coatings AS has produced a product called ThermaSiC that merges Yttrium Aluminium Garnet (YAG) and Silicon Carbide, but recently, a new product called MetalSiC is being developed using Chromium instead. The process of making the feedstock powder is currently ongoing in the laboratory and is still at a development stage.

In this project work, different designs are suggested for particular parts of the chemical process. The chemical process consists of two main initial steps. The first one is a wet mixing of the reactants followed by evaporation of the excess water. The second step is the reaction itself at a controlled temperature and atmosphere. A batch reactor has been proposed as a way to scale up the evaporation step of the process. Using microwaves instead of conventional heating/evaporation systems has challenged the batch vessel concept and could be more efficient. Even though a batch vessel could be a simple solution, it is quite a time-consuming step compared to using microwaves. A more continuous process is suggested for the reaction step compared to using a furnace. In this case, the "evaporation tank" is connected to a continuous reactor. The vessel and the reactor should be used for three of the six steps in the process, which include mixing, evaporation and reaction.

Inspiration for a continuous process has been obtained from different industries and processes. These include pyrolisis, conveying of particles and the chemical industry, which have shown similar requirements and can be used as a starting point. Concepts have been developed, and design suggestions for an evaporation container and a continuous reactor have been proposed. The modelling and construction of these concepts are outlined in the development process part. Testing and prototyping have been done to clarify different functionalities of the reactor. An agile development method has been used, where it is possible to be flexible and respond to changes in the chemical process. The concept of a vibrating reactor to transport the reactants was in the end implemented to be a set-based prototype. The testing showed that using vibrations as a conveying method can be an effective way to transport the reactants in the reaction step. Adjustment of speed was simple by either changing frequency or angle of inclination. This prototype has the potential to be developed even further to accommodate for the rest of the requirements. These include reaching the desired temperature and obtaining an inert atmosphere, as well as creating an effective feeding/extraction system. By developing it and testing it further, a product can be achieved that is producing a quality feedstock powder.