Проект участка по производству монокристаллов GSGG·Nd3+ (диаметр 20 мм, длинна 150 мм) производительностью 100 штук в год

 

 

 

РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

им. Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

 

 

Проект  участка по производству монокристаллов

GSGG·Nd³⁺ (диаметр 20 мм, длинна 150 мм)

производительностью 100 штук в год.

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель: 

Руководитель: 

Консультант по

экономической части: 

 

 

 

 

 

 

Москва 1998 г.

 

План  участка.

.

 

5 5 5 5 5 5 4 5 5
9 9 5 3 8 6 1 1
Г  Б В 5 5  3  3 9 9 5 5 6 +   +
Д А
Ж Е  3  3 5 5 6 1 8 5 5
5 15 14 5 11 10 16 13 7 7 1
2 12

 

1800

 

 

 

Контейнер 1   Контейнер 1 Контейнер 1    Чашка 1  Вскрытие тары с  Gd2O3				Взвешивание Gd2O3
1 2   Чашка 1   Чашка 2
Контейнер 2 Контейнер 2    Чашка 2 Вскрытие тары со Sc2O3		Прокаливание		Взвешивание Sc2O3
3    Чашка 3 Контейнер 2
Контейнер 3 Контейнер 3 Контейнер 3  Чашка 3 Вскрытие тары с Ga2O3				Взвешивание Ga2O3
4    Чашка 4
Контейнер 4 Чашка 4 Контейнер 4 Контейнер 4 Вскрытие тары с Nd2O3				Взвешивание Nd2O3
4 3    Чашка 5      Чашка 3 Чашка 4
Чашка 5 Прессовка шихты		Взвешивание шихты		Перемешивание навесок
2  Затравка      Чашка 1     Чашка 2 1
Тигель 1 Твердофазный синтез		Наплавление шихты в тигель		Затравление
Контейнер 5
Отжиг		Отрыв кристалла		Рост кристалла
Подложка Масло   Тигель 1
Конуса Извлечение кристалла		Крепление кристалла		Резка кристалла
Масло	Пиццеин
Подложка Смешение с новым	Пиццеин	Очистка пиццеина	Пиццеин	Съем  заготовки
Ручка          Этикетка  Вата
Вата Маркировка и упаковка		Контроль оптического качества		Протирка кристалла

Оглавление.

1. Введение. 3

1.1. Структура проекта. 3

1.2. Литературный обзор. 3

1.3. Выбор метода выращивания. 5

1.4. Характер оборудования. 7

1.5. Обоснование места размещения. 8

2. Технологическая схема. 9

3. Технологический расчет производства. 14

3.1. Исходные данные. 14

3.2. Расчет числа ростовых установок. 14

3.3. Расчет количества реактивов. 14

3.4. Расчет количества этилового спирта. 15

3.5. Расчет количества ацетона. 16

3.6. Расчет других расходных материалов. 16

3.7. Сводная таблица расходных материалов. 16

4. Основное оборудование 17

4.1. Установка “КРИСТАЛЛ-2”. 17

4.1.1. Описание установки. 17

4.1.2. Основные технические характеристики установки “Кристалл-2”. 17

4.2. Печь “КО-14”. 18

5. Вспомогательное оборудование, приспособления и материалы. 20

6. Строительная часть. 21

7. Экономическая часть. 23

7.1. Технико-экономическое обоснование расширения опытно-экспериментального производства на базе ИОФРАН путем строительства нового участка по производству монокристаллов гадолиний-скандий-галлиевого граната в количестве 100 штук в год. 23

7.2. Режим работы участка и расчет эффективного времени работы оборудования. 23

7.3. Расчет стоимости основных фондов и капитальных затрат. 24

7.3.1. Определение стоимости строительства зданий и сооружений. 24

7.3.2. Определение стоимости оборудования. 25

7.3.3. Определение капитальных затрат. 25

7.4. Расчет численности рабочих и фонда заработной платы. 26

7.4.1. Определение баланса времени работы среднесписочного рабочего. 26

7.4.2. Определение числа рабочих и фонда заработной платы. 26

7.4.3. Расчет штата и фонда заработной платы персонала участка. 26

7.5. Расчет проектной себестоимости продукции. 28

7.5.1. Определение годовой потребности в сырье, материалах, энергии. 28

7.5.2. Планово-заготовительные цены на сырье и материалы. 28

7.5.3. Определение стоимости электроэнергии. 28

7.5.4. Расчет амортизационных отчислений. 28

7.5.5. Смета расходов по содержанию и эксплуатации оборудования. 29

7.5.6. Смета цеховых расходов. 29

7.5.7. Проектная калькуляция себестоимости продукции. 30

7.5.8. Структура полной себестоимости единицы продукции. 31

7.6. Основные технико-экономические показатели участка. 31

8. Охрана труда и техника безопасности. 33

8.1. Введение. 33

8.2. Токсикологическая характеристика и взрыво-пожароопасные свойства применяемых веществ. 33

8.3. Меры безопасности при работе с вредными веществами. 34

8.4. Категорирование помещений. 34

8.5. Электробезопасность. 34

8.5.1. Меры безопасности при работе с ростовой установкой. 34

8.5.2. Меры безопасности при работе с печью КО-14.  35

8.6. Производственная санитария. 35

8.6.1. Рабочее помещение. 35

8.6.2. Освещение. 35

8.6.3. Вентиляция. 35

8.6.4. Отопление. 35

8.6.5. Водоснабжение и канализация. 35

8.7. Пожарная безопасность. 35

8.8. Режим личной безопасности. 35

9. Охрана окружающей Среды. 37

9.1. Классификация веществ по степени опасности. 37

9.2. Утилизация твердых отходов. 37

10. Заключение. 38

11. Приложение 1. 39

12. Литература. 41

 

 

 

 

1. Введение.

Кристаллы со структурой граната занимают первое место в  квантовой электронике  в качестве активных сред лазеров  ближнего ИК диапазона. Гранаты выгодно  отличаются от многих других классов  лазерных материалов изотропией свойств, высокой механической прочностью теплопроводностью, химической однородностью. Среди лазерных гранатов большое практическое значение приобрел иттрий-алюминиевый гранат с неодимом (YAG·Nd³⁺). На основе этого кристалла создано большое число импульсных и непрерывных лазеров для линий связи, измерения расстояний, научных исследований, технологических целей. Но иттрий-алюминиевый гранат обладает и рядом недостатков, которые вынуждают искать новые среды для твердотельных лазеров, сочетающие в себе хорошие спектроскопические и генерационные свойства, высокую технологичность и др. Одним из таких кристаллов является гадолиний-скандий-галлиевый  гранат. Существенным его преимуществом является лучшее согласование спектра поглощения со спектром излучения лампы накачки,, что обеспечивает существенное, в 1.5-3 раз, повышение КПД генерации. Кроме того, кристаллы GSGG выращиваются при температуре на 100°С ниже, чем YAG и со скоростями в четыре раза  более высокими чем кристаллы иттрий-алюминиевого граната, из-за близкого к единице коэффициента распределения неодима.

 Поэтому целью данного проекта  является проектирование участка  по производству   100 монокристаллов гадолиний-скандий-галлиевого граната Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂, легированного Nd⁺³ (GSGG·Nd), в год с содержанием неодима 2 атомных процента. Размеры кристаллов 20´150 мм.

2. Структура проекта.

Проект содержит разделы, дающие полное описание и расчет производства.

В литературном обзоре дана характеристика производства и производимой продукции, основные области ее применения, физико-химические основы производства. На основании  этих сведений в разделе “Выбор метода выращивания“ проводится сравнительный  анализ различных методов роста  и выбирается оптимальный метод  выращивания монокристаллов GSGG.

В последующих разделах приводятся:

– технологическая схема производства и ее подробное описание;

– технологический расчет производства;

– основное и вспомогательное оборудование;

– основные характеристики оборудования;

– дана калькуляция полной себестоимости  продукции и рассчитаны технико-экономические  показатели участка;

– план участка с оптимальным, с  точки зрения охраны труда и технологии, размещением оборудования;

– рассмотрены меры по охране труда  и защите окружающей среды.

3. Литературный обзор.

Из многочисленных диэлектрических  материалов, использующихся для возбуждения  генерации стимулированного излучения, соединения со структурой граната занимают особые места, они являются самыми применяемыми в квантовой электронике. Спектрально  генерационные исследования этих кристаллов были начаты в середине 60-х годов. К настоящему времени уже насчитываются 30 наименований, генерирующими активаторами в которых являются как Ln³⁺ (Nd³⁺, Dy³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, Tm³⁺, Yb³⁺), так и ионы группы железа (Cr³⁺, Ti⁴⁺, Ni³⁺). Наиболее широко используются гранаты с ионами Nd³⁺, стимулированное излучение которых с низким порогом и высокой эффективностью возбуждения при 300 К и повышенных температурах на волнах как основного (рисунок 1.1), так и дополнительных и каналов активатора.

Рисунок 1.1. Схема уровней Nd³⁺.

Гранат имеет кубическую решетку. Пространственная группа Ia3d – элементарная ячейка содержит восемь формульных единиц, то есть 160 ионов (рисунок 1.2.). Ионы кислорода образуют объемоцентрированную плотнейшую упаковку, в пустотах которой располагаются катионы. Формула граната может быть записана в следующем виде {A₃}[B₂](C₃)O₁₂, где фигурные скобки обозначают додекаэдрические, квадратные – октаэдрические и круглые –  тетраэдрические положения. Катионы, находящиеся в этих положениях характеризуются соответственно точечной симметрией и координацией по кислороду 8, 6 и 4. Фрагмент структуры граната, демонстрирующий расположение координационных полиэдров, приведен на рисунке 1.3. Анионные полиэдры, образующие структуру, искажены по сравнению с идеальными за счет сил электростатического взаимодействия между ионами. степень искажения координационных полиэдров зависит от размера катионов и различна для разных гранатов.

додекаэдр          октаэдр         тетраэдр Рисунок 1.2. Структура ячейки граната.

Рисунок 1.3. Расположение координационных полиэдров в структуре граната.

Распределение катионов в структуре  граната определяется главным образом  их ионными радиусами, хотя в ряде случаев проявляют себя и такие  факторы как предпочтение катионами  определенных позиций, обусловленное  тенденцией образования ковалентных  связей с анионами, электростатическое взаимодействие ионов и поляризация  анионов. Однако влияние электронного строения ионов и перечисленных  выше факторов, большинстве случаев  не столь существенно, как размер ионов, и образование структуры  граната определяется в основном, геометрическим фактором.

Как и все гранаты, по своим свойствам GSGG изотропен, то есть показатель преломления не зависит от направления распространения и поляризации света. Кристалл оптически прозрачен в диапазоне 240-600 нм, имеет высокую твердость и хорошие тепловые свойства.

GSGG плавится конгруэнтно при 2133 K. Наиболее современным методом выращивания GSCC·Nd³⁺ является метод Чохральского с использованием иридиевых тиглей, атмосферы состоящей из смеси N₂, CO₂ или O₂ при нормальном давлении, со скоростью вытягивания 1.5-3 мм/час и скоростью вращения 10-20 об/мин, в направлении [111] или [110].

Основные физико-химические свойства гадолиний-скандий-галлиевого граната  приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Основные свойства GSGG·Nd³⁺.

 

Химическая  формула	Gd3Sc2Ga3O12·Nd3+
Конгруэнтно плавящийся состав	Gd2.957Sc1.893Ga3.15O12
Эффективный коэффициент распределения Nd3+	0.7
Концентрация Nd3+	2 ат.%
Область оптической прозрачности	0.24-0.6 мкм
Температура плавления	2133 К
Параметр  элементарной ячейки	1.2567 нм
Плотность	6.5 г/см3
Твердость по Моосу	8.5
КТР	9.3·10-6 К-1

4. Выбор метода выращивания.

Для получения монокристаллов GSGG возможно использование следующих методов выращивания:

– метод  Бриджмена-Стокбаргера;

– метод  зонной плавки;

– гибридный  метод;

– метод  Чохральского.

В случае метода Бриджмена-Стокбаргера (рисунок 1.4.) контейнер в виде ампулы или лодочки с расплавом медленно перемещается в печи с градиентом температуры. В результате кристалл растет у более холодного конца ампулы или лодочки. Для этого метода характерен прямой контакт кристалла со стенками контейнера, что в случае лазерных кристаллов недопустимо, так как материал контейнера, попадая в расплав, захватывается фронтом кристаллизации и в кристалле создаются центры рассеивания. Кроме того, в следствие неравенства единице коэффициента распределения Nd³⁺, концентрация последнего по длине кристалла будет сильно изменятся, что так же крайне нежелательно.