年产600吨氮化铝粉体工厂设计讲解.docx
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年产600吨氮化铝粉体工厂设计讲解
设计内容及要求：
一、设计内容：
1.工艺过程与工艺流程设计；
2.进行物料衡算、能量衡算以及主要参数设计；
3.设计基础：
年操作时间按300天计算，原材料规格，产品规格与原材料消耗以及产品收率；
4.工艺设备选型：
根据设计产量对主要设备选型；
5.工艺设备一览表：
设备名称、规格、生产能力、功率和数量；
6.主要技术经济指标；
7.工艺流程图：
1号图纸（手工绘图或AutoCAD制图）；
8.主要设备图：
1号图纸（手工绘图或AutoCAD制图）；
9.车间平面布置图：
1号图纸（手工绘图或AutoCAD制图）。
二、设计要求：
1.要求资料查询完备，有详细的记录，并交综述文章一篇；
2.为保证论文时间及设计质量，应及时查阅相关资料，不拖延，严格按照计划进行；
3.每周定期进行一次讨论，全体人员参加，轮流发言，并作相关记录；外出需按规定办理请假手续，否则认为旷课，将影响毕业论文成绩，严重者，将推迟答辩；
4.根据南华大学的具体规定完成论文撰写，通过学校查重检测，数据可靠，论证合理，有实用价值，条理清晰；
5.论文正文字数不少于15000字：
应有封面、目录、中英文摘要、正文、结论、参考文献等内容。
指导教师：
年月日
南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告
设计题目
年产600吨氮化铝粉体工厂设计
设计题目来源
自我选题
设计题目类型
设计型
起止时间
2014.12至2014.5
一.设计依据及研究意义：
设计依据：
氮化铝晶体结构属于六方晶系，具有纤锌矿性结构。
晶胞参数为a=0.3110nm，c=0.4978nm，晶胞分子数Z=6。
氮化铝晶胞中，氮的配位数为4，氮与相邻的四个铝形成[NAl4]四面体；铝的配位数为4，铝与相邻的四个氮形成[A1N4]四面体。
结构中氮做六方最紧密堆积，铝离子填充于50%的四面体空隙中。
其具有热导率高、高温绝缘性和介电性能好、高温下材料强度大、热膨胀系数低并且与半导体硅材料相匹配、无毒等优点，具有良好的热学、电学和机械等性能。
其可以作为半导体基片和电子器件封装材料、耐热冲材料和热交换材料、耐热材料等。
因为其优良的综合性能，氮化铝市场需求量很大，目前氮化铝的平均市场增长率高达75%。
研究意义：
在本次课题设计中，我们要查找相关资料、收集相关信息和挑选有用信息，这将有助于培养我们发现问题、分析问题、解决问题的能力，为我们以后的工作和学习提供巨大的帮助。
同时本次设计能够使我们更好的掌握陶瓷制备的相关知识，为我们找工作提供帮助，也为我们日后的学习和工作打下深厚的理论基础。
在本次设计，我们必须掌握陶瓷工厂设计的基本过程，培养了我们的大局意识，将使我们在以后的工作岗位中有更加优良的表现。
二．设计主要研究的内容、预期目标：
（技术方案、路线）
主要研究的内容：
对生产工艺进行归类，选择一条合适的生产路线，确定工艺流程，绘制工艺流程图，并进行物料和能量衡算。
绘制车间设备布置图和立面布置图以及主要设备装配图。
预期目标：
完成工艺设计及物料能量衡算，绘制出工艺流程图，车间设备布置图及主要设备装配图。
技术方案与路线：
首先选择一条合适的生产路线，确定工艺流程，然后进行物料能量衡算，最后绘制相关图纸。
三、设计的研究重点及难点：
重点:
1.工艺路线的选择。
2.物料衡算、能量衡算。
难点：
1、选择、优化工艺路线（选择工艺路线的好坏，关系到后续工艺流程的选择和车间装置的布置）。
2、物料衡算（要查阅相关的数据，引用物料的物理和化学参数）。
3、设备选型（设备的尺寸大小关系到设备的摆放和车间的布置）。
四、设计研究方法及步骤（进度安排）：
进度安排:
1.2014年12月29日至2015年2月2日 查阅文献，撰写文献综述和开题报告，选择最佳路线；
2.2015年3月3日至4月30日 进行物料和能量衡算并绘出工艺流程图，进行设备计算、选型，主要经济技术指标计算，并绘出工艺流程图、关键设备图和平面布置图；
3.2012年5月1日至5月30日 撰写并修改毕业设计说明书。
五、进行设计所需条件：
1、图书馆提供充足的相关书籍、期刊、报纸、文献；
2、指导老师及时对所搜集的资料予以指点和纠正；
3、掌握氮化铝陶瓷生产工艺的基本知识，能够准确的选着最合理的工艺；
4、能够利用所学知识对于相关设备进行选型；
5、良好的制图能力，能够手工或利用CAD软件绘制相关图形。
六、参考文献：
[1]吴华忠，黄雅丽，郑惠榕.碳热还原法合成氮化铝陶瓷粉末的研究[J].佛山陶瓷，2005,13（104）:
3-6.
[2]李清涛,吴清仁,孙创奇等.高热导率AlN陶瓷材料制备与应用进展[J].陶瓷学报,2007,（5）:
11-15.
[3]宋晓岚,叶昌,和小明.无机材料工厂工艺设计概论[M].北京：
冶金工业出版社,2013:
80-100.
[4]吴晓东.陶瓷厂工艺设计概论[M].武汉：
武汉工业大学出版社，2005:
50-60.
[5]王杰，张战营，吕新璐.氮化铝陶瓷粉体制备方法研究进展及展望[J].硅酸盐通报，2010,29（5）：
1099-1102.
[6]陈燕彬.低温微波合成氮化铝粉体的研究[D].湖南：
中南大学，2008.
[7]杨清华，王焕平，徐时清.氮化铝粉体制备的研究及展望[J].陶瓷学报，2010,31（4）:
651-656.
[8]仝建峰，周洋，陈大明.氮化铝粉体制备的研究及展望[J].硅酸盐通报，2002,（5）:
36-49.
七、指导教师意见：
签名：
年月日
年产600吨氮化铝粉体工厂设计
（南华大学化学化工学院，湖南衡阳，421001）
指导老师:
谢睿
摘要：
氮化铝具有高导热性、与硅相匹配的热膨胀系数，因此是制备高散热性能陶瓷基片的理想材料之一。
本设计为年产600吨的氮化铝粉体工厂设计，设计过程包括：
前期调研、厂址选取、工艺路线确定、原料的选着、生产设备的确定、厂区布置、环境保护、经济效应等。
详细介绍了生产工艺的选取、原料的选着、相关的物料衡算，并在此基础上，对生产过程所涉及的主要设备的型号和数量、厂房布置以及厂址选取进行了详尽说明。
最后，对工厂的建设成本、产品成品、生产利润进行了分析。
关键词：
氮化铝粉体；生产工艺；设备选型；车间布置；经济效果评价
Annualoutputof600tonsofaluminumnitride
Powderplantdesign
（SchoolofChemistryandChemicalengineering,UniversityofSouthChina，Hengyang,Hunanprovince,421001）
Tutor:
RuiXie
Abstract：
Aluminumnitridewithhighthermalconductivity,thermalexpansioncoefficientofmatchthesilicon,andsoisthepreparationofhighheatdissipationperformanceoneoftheidealmaterialceramicsubstrate.Thisdesignfortheannualoutputof600tonsofaluminumnitridepowderplantdesign,includestheresearch,siteselectionandroutedetermination,determinationoftheselectionofrawmaterials,productionequipment,plantlayout,environmentalprotectionandtheeconomiceffect,etc.Detailsoftheproductionprocessofselection,selectionofrawmaterials,materialbalance,andonthisbasis,theproductionprocessesinvolvedinthetypesandquantitiesofmajorequipment,plantlayoutandsiteselectionareexplainedindetail.Finally,theplantconstructioncosts,products,manufacturingprofitswereanalyzed.
Keywords:
AluminumNitridePower;ProductionProcess;EquipmentSelection;
WorkshopLayout;EvaluationofEconomicEffect
目录
1绪论1
1.1引言1
1.2氮化铝的结构与性能1
1.3市场需求及现状3
1.4氮化铝的制备方法4
1.4.1铝粉直接氮化法4
1.4.2碳热还原法4
1.4.3化学气相沉积法5
1.4.4高温自蔓延法5
1.5总结5
2厂址的选择6
2.1厂址选择要求6
2.2厂址的选择6
3原料的选择及配方的确定7
3.1选择原则7
3.2原料的选择7
3.3配方的确定8
4工艺设计9
4.1工艺流程的选择原则9
4.2工艺流程的确定9
4.2.1工艺流程的确定9
4.2.2工艺流程图10
4.3物料衡算10
4.4相关热力学计算12
4.5主要工艺设备选型和计算13
4.5.1设备选型及计算13
4.5.2主要设备一览表17
4.6原料车间工艺设计18
4.7烧结车间工艺设计18
4.8半成品车间工艺设计19
4.9定额指标、工作制度及定员19
4.9.1.定额指标19
4.9.2工作制度20
4.9.3工厂定员20
5全厂布置22
5.1车间工艺布置22
5.1.1车间工艺布置的原则和要求22
5.1.2原料车间工艺布置22
5.1.3烧结车间工艺布置23
5.1.4成品球磨车间工艺布置24
5.2辅助车间24
5.2.1实验室24
5.2.2机械车间25
5.3动力设备25
5.4办公楼及生活设施25
5.5总布置25
6其他设计27
6.1电气27
6.1.1供电配电27
6.1.2电动机的选着27
6.1.3照明27
6.2给水排水28
6.2.1给水28
6.2.2排水28
6.3采暖通风28
6.3.1采暖28
6.3.2通风28
7劳动保护29
7.1劳动保护设计依据29
7.2劳动安全设计29
7.2.1厂区安全设计29
7.2.2车间安全设计29
7.2.3机械设备与电气设备安全设计30
7.2.4生产安全设计30
8环境保护31
8.1厂区绿化、美化设计31
8.1.1绿化意义31
8.1.2绿化原则31
8.1.3绿化布置31
8.2环境保护设计31
8.2.1主要污染31
8.2.2污染防治32
9技术经济33
9.1总概算的编制33
9.2产品成本的编制34
9.3生产利润35
9.4经济效果评价35
10结论36
参考文献37
谢词39
1绪论
1.1引言
随着电子产品逐渐向高性能、微型化以及轻薄化发展，散热技术已经成为制约电子设备发展的关键因素之一。
为了避免材料散热性能差造成设备的使用性能及寿命降低，发展导热性能优异的材料是其关键所在。
目前市场上的电子设备所使用的基片主要为氧化铝陶瓷基片，氧化铝基片具有优良的力学性能、电学性能，以及造价便宜等优点，但是其导热性能比较差、热膨胀系数比较大，因此该类陶瓷基片已经满足不了使用需求。
与氧化铝陶瓷基片相比，氮化铝陶瓷基片具有高导热的特性，其理论热导率为320W·m-1·K-1，接近于氧化铍，工业上实际制备的氮化铝的热导率也可达100W·m-1·K-1-250W·m-1·K-1，该数值是氧化铝热导率的5-10倍，而且其具有与硅相匹配的热膨胀系数，因此是制备高散热性能陶瓷基片的理想材料之一。
1.2氮化铝的结构与性能
氮化铝晶体属于六方晶系，具有纤锌矿结构[]。
晶胞参数为a=0.3110nm，c=0.4978nm，晶胞分子数Z=6。
氮化铝晶胞中，氮的配位数为4，氮与相邻的四个铝形成[NAl4]四面体；铝的配位数为4，铝与相邻的四个氮形成[A1N4]四面体沿c轴方向Al一N键长为1.917Å,另外三个方向的AI一N键长为1.885Å[]。
结构中氮做六方最紧密堆积，铝离子填充于50%的四面体空隙中。
氮化铝晶体结构具有构成元素的原子量小,结构简单,简谐性好等特点。
[]
表1.1所示为氮化铝的主要性能；表1.2所示为氮化铝陶瓷与其他陶瓷材料如氧化铝、氧化铍/碳化硅复合材以及氮化硅性能差异，对表中的数据进行分析后，可以得出下列结论：
氧化铝材料以及氮化硅材料的热导率较低；SIC/BeO复合材料虽然具有优异的导热性能，但其介电常数和介电损耗较高，而且有毒；AIN除了具有适中的力学性能外,其热导率为氧化铝的5一10倍,无毒,介电常数和介电损耗低,热膨胀系数与硅接近。
氮化铝陶瓷具有良好的机械性能（高强、高硬、高抗弯强度），优异的高温力学性能、良好的化学稳定性、耐腐蚀性以及耐腐蚀性能，氮化铝陶瓷因其具有上述优良的性能而被广泛应用于加工或制作电子封装材料、压电设备、结构陶瓷、涂层、加热器、耐火材料、电子光学器件等。
[]氮化铝具有高的导热系数、优良的电性能（电绝缘性、介电常数和介电损耗等）以及热膨胀系数与硅的热膨胀系数相差不大等优点，因此是制备大规模集成电路散热基板的理想替代材料之一[]。
表1.1氮化铝的主要性能[]
性能指标
热学性能
电学性能
力学性能
化学性能
导热系数W·m-1·K-1热膨胀系数10-6·℃-1
电阻率Ω·cm
介电常数（1MHz）
介电损耗10-4（1Hz）
电压降kV·mm-1
硬度（HV）GPa
杨氏模量GPa
抗弯强度MPa
吸湿性
耐腐蚀性
理论值为320
3.5（与硅相近）
>1014
8.9
3-10
15
12
308
300
强烈的吸湿性
优良
表1.2氮化铝及其他几种陶瓷的性能[]
特性
AlN
Al2O3
SiC/BeO
Si3N4
一般性能
纯度/%
>99.6
>99.8
96
99.5
-
-
密度/（g·cm-3）
3.25
3.24
3.75
3.9
3.2
3.18
热学性能
热导率
/（W·m-1·K-1）
25
140
260
20
30
270
10-40
100
130
220
210
热膨胀系数/10-6·℃-1
4.4
4.4
7.2
7.4
3.7
3.2
电学性能
绝缘电阻（Ω·cm）
>1014
>1015
>1014
>1014
介电常数（1MHz）
8.9
9.3
9.7
40
9.4
介电损耗（10-4）
3-10
3
1
50
-
绝缘耐压/kV·mm-1
15
10
0.07
100
力学性能
硬度（GPa）
12
25
25
20
抗弯强度/MPa
300-400
300-350
450
980
弹性模量/GPa
310
370
450
320
毒性
无
无
微
无
1.3市场需求及现状
通过上述分析可知，与其他几种陶瓷相比，氮化铝陶瓷具有更优异的导热性能且无毒性，因此近年来氮化铝陶瓷及其相关制品受到了广泛关注，其粉体市场需求量呈现急剧增加的趋势。
统计资料表明，随着电子行业的飞速发展及其应用范围的不断扩大，氮化铝市场需求量年平均增长率高达70%，预计将达到130亿美元。
目前世界上能生产高性能的氮化铝粉体的厂家较少，主要集中于日本、美国等发达国家,其中日本对氮化铝粉体的技术研究最早,技术也最成熟完善,其氮化铝粉体己完全实现了商业化，世界上最大的氮化铝生产商日本德山公司在2002年的产量是240吨[]。
然而高品质，性能优良的氮化铝粉体生产技术主要掌握在一些发达国家或者大企业手中，市场处于极度供不应求状态，因此其粉体销售价格一直处于较高的水平，达到700元/kg。
我国对于氮化铝的研究起步较晚，与日本、美国等发达国家相比还有不小的差距，虽然在这几年取得了一些成绩，但是距离实际应用还有一段路要走，国内生产的氮化铝粉末的性能与日美相比还有一定的差距，目前国内高纯度、高品质粒度均匀的优良氮化铝粉体主要还是依靠进口。
1.4氮化铝的制备方法
氮化铝粉合成的方法目前主要有：
铝粉直接氮化法,Al2O3碳热还原法,化学气相沉积法和高温自蔓延法。
[]
1.4.1铝粉直接氮化法[]
铝粉直接氮化法就是将铝粉在高温氮气中直接化合生成氮化铝的过程。
其反应方程式为：
2Al+N2=AlN
该反应在较低的温度下就可进行，工艺比较简单，可以进行大规模生产氮化铝粉体。
但是反应会放出大量的热，导致粉体容易发生自烧结，从而发生团聚，导致粉体质量稳定性变差，而且反应快，导致工艺过程难以控制。
1.4.2碳热还原法[][]
碳热还原法是将氧化铝粉和碳粉混合均匀后在氮气中加热获得氮化铝的方法。
反应方程式为：
3Al2O3+3C+N2=2AlN+3CO
该反应的反应温度较高，合成时间比较长，而且反应后还要进行脱碳处理，对于原料的性能要求较高。
但是该方法生成的氮化铝粉体纯度高，粒径小且粒径分布较窄，稳定性好，工艺过程简单。
目前该方法已经用于工业生产。
1.4.3化学气相沉积法
化学气相沉积法[][]是采用无机物（氯化铝）或有机物（烷基铝）为原料，与氨气反应生成AIN的过程。
反应方程式分别为:
AlC13+NH3=A1N+3HCl
Al（C2H5）3+NH3=A1N+3C2H6
该方法生产的氮化铝粉体具有纯度高，粒径可控，生产速度也可以控制。
但是使用氯化铝作为原料时会有副产品HCl生成，而HCl的存在将不利于反应的进行；使用有机铝作为原料时，虽然没有HCl的生成，但是有机铝的价格较高。
不利于工业化生成。
1.4.4高温自蔓延法[]
高温自蔓延法生产氮化铝粉的实质就是铝粉的直接氮化，不同的是Al粉在氮气中引燃后不需要外部热源了。
反应方程式为：
2Al+N2=AlN
该方法在开始反应后无需在进行加热，因此能耗少，生产效率高，成本较低。
与铝粉直接氮化法一样，其反应太快，不利于控制反应速度，氮化铝粉体容易结块，纯度不高。
1.5总结
制备氮化铝制品的主要原料是铝、氮气、碳等，而我国的这些资源都比较丰富，丰富的原料为氮化铝粉体的工厂建设提供了前提条件；近几年我国科研工作者对氮化铝的研究取得了一系列的进展，并且对于氮化铝的研究在不断加深，这些已经取得或者即将取得的科研成果为氮化铝粉体工厂建设提供了技术保障；氮化铝材料具有优良的性能，应用广泛，市场需求量大，我国氮化铝市场目前还处于需求量远大于供货量的状态，这就为氮化铝粉体工厂建设提供了市场保障；再加上各级政府的支持，这些因素加在一起就使得氮化铝粉体工厂建设成为了可能。
尽管还存在着一些挑战，但是我们一定能够迎难而上，使之成为现实。
2厂址的选择
2.1厂址选择要求
氮化铝粉体厂厂址的选择首先要遵循国家的方针与政策，比如厂址最好选择在荒地上，不要去占居民区或者种植区。
其次要考虑氮化铝粉体厂的一些具体要求，比如厂址最好选在地势较平坦的地区，这样运输较方便；厂址应选在居民区的下风处、其他产生粉尘企业的上风处，前者是为了居民的身体健康，后者是为了产品不被污染；厂址应有丰富的水源以及电力资源。
最后还要考虑成本问题，氮化铝粉体厂厂址要选在离原料、燃料以及销售地区比较近而且交通比较方便的地区，这样将会减少运输成本；另外还要考虑建设成本，厂址不要选在不易建厂的地区以及地皮较贵的地区。
2.2厂址的选择
本氮化铝粉体工厂厂址选择在湖南衡阳白沙州工业园，其具有以下优点，交通方便、离居民区距离不远也不近、水源充足等。
3原料的选择及配方的确定
3.1选择原则
所选原料能够充分满足工艺要求，有利于制备高品质的氮化铝粉体；
在满足工艺生产要求及保证产品优良性能的前提下，尽量选择低成本的原料，从而降低氮化铝粉体制备成本；
在满足上述两条原则的前提下，所选原料对于环境的污染要小，并且尽量无毒；
如果当地存在制备原料，尽量在选择当地的原料，这样可以节约运输成本；
所选原料要易于保存及运输，性价比要高。
3.2原料的选择
氮化铝粉体制备的原料主要是铝源以及氮源，不同的方法所采用的原料也有差异，有的直接是以铝粉作为原料，有的是以氧化铝粉作为原料，还有些方法用的是卤化铝或者有机铝作为铝源，本工厂采用的是氧化铝粉作为铝源。
氧化铝有多种晶形，比如α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3、η-Al2O3以及θ-Al2O3等[]，查阅相关资料，我们可以发现γ-Al2O3的反应活性最好[]，所以本工厂采用γ-Al2O3作为铝源；因为本工厂选择的是碳热还原法制备氮化铝粉体，故除了铝源外，还需要碳源以及氮源，氮源采用的是氮气，因为氮气原料比较丰富；碳源选择的是乙炔黑，因为其反应活性较高。
选购的氧化铝及乙炔黑的主要性能如下：
表3.1选购的原料
原料
主要性能
单价
氧化铝粉体
流动性良好、氧化铝含量为99.0%、粒度均匀
20000元/吨
乙炔黑粉体
碳含量大于等于99%
12000元/吨
3.3配方的确定
本工厂选用的是碳热还原法制备氮化铝粉体，其原料有氧化铝，氮气以及活性碳。
根据反应方程式计算配比过程如下：
Al2O3+3C+N2=2AlN+3CO
131
27×2+16×312×314×2
摩尔数之比氧化铝：
碳：
氮气=1:
3:
1
理论质量比氧化铝：
碳：
氮气=102:
36：
28
在实际生产过程中，为了使反应充分进行，一般会使碳与氮气过量。
根据上述计算，可以发现氧化铝与碳反应的理论重量之比为2.8：
1，但是为了氧化铝能够全部被还原，碳会过量，但是碳加入过多也会产生麻烦，将会导致后续除碳过程的时间加长，同时也增加了成本，综合两方面因素的考虑，以及查阅相关资料后，氧化铝与碳的重量比确定在2:
1,在此比例下生产所得的氮化铝粉体质量最佳[]。
氮气的量要求充足，能够保证工厂正常生产。
4工艺设计
4.1工艺流程的选择原则
工艺流程的选择原则[]如下：
所选工艺必须要满足产品的相关要求；
工艺流程要尽可能的简单、生产周期尽可能的
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