В процессе плавки черного карбида кремния (SiC) в основном используется процесс Ачесона, метод высокотемпературной плавки в резистивной печи. Основной технологический процесс выглядит следующим образом:
1. Подготовка сырья.
Основное сырье: кварцевый песок (содержание SiO₂ ≥ 98%) и нефтяной кокс (содержание углерода ≥ 98%), а также небольшое количество древесных опилок и хлорида натрия (NaCl) в качестве вспомогательных материалов.
Дозирование: Исходя из формулы реакции карбида кремния SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑, в реальном производстве требуется небольшой избыток углерода (приблизительно 3-5%) для компенсации потерь от окисления.
Предварительная обработка: Сырье необходимо измельчить и просеять до подходящего размера частиц (обычно 0,5-5 мм для кварцевого песка и 0,2-2 мм для нефтяного кокса) и равномерно перемешать.
2. Загрузка печи и подготовка активной зоны.
Конструкция печи: прямоугольная или круглая печь стационарного сопротивления с огнеупорной облицовкой дна и съемными боковыми стенками.
Сердечник печи: В центре корпуса печи расположен проводящий сердечник из графитового порошка или переработанного карбида кремния (служащий нагревательным элементом).
Загрузка: Смесь послойно наносится и заполняется вокруг сердечника печи, а снаружи покрывается теплоизоляционным материалом (например, коксовой пылью или кварцевым песком) для сохранения тепла.
3. Электролитическая плавка с
электрическим нагревом: через электроды на обоих концах сердечника печи подается низкое напряжение и высокий ток (приблизительно 5000-10000 А), постепенно повышая температуру сердечника печи до 2000-2500℃.
Процесс реакции:
Начиная примерно с 1400℃, SiO₂ восстанавливается углеродом с образованием газообразных SiO₂ и CO₂:
SiO₂ + C → SiO↑ + CO↑
Газообразный SiO реагирует с углеродом, образуя SiC:
SiO + 2C → SiC + CO↑
В конечном итоге вокруг сердцевины печи образуется кристаллический слой карбида кремния.
Время плавки: Непрерывная подача энергии в течение приблизительно 24-40 часов, конкретное время зависит от размера и мощности печи.
4. Охлаждение и демонтаж печи
Естественное охлаждение: После отключения электроэнергии корпус печи должен медленно остывать (примерно 7-14 дней), чтобы предотвратить резкое охлаждение, которое может привести к образованию трещин кристаллизации.
Демонтаж печи: Удалите изоляционный слой и извлеките кристаллические блоки карбида кремния.
5. Сортировка и обработка
Основной продукт зоны: Область, окружающая ядро печи, состоит из высокочистых кристаллических блоков карбида кремния (α-SiC, гексагональные кристаллы).
Послойная обработка:
Марка 1: Плотная кристаллическая зона, содержание SiC ≥97%, используется для производства высококачественных абразивных и огнеупорных материалов.
2-й класс: Содержит больше примесей, используется в качестве металлургических добавок и т. д.
Аморфная зона: Неполностью прореагировавшая смесь, пригодная для повторного использования.
Последующая обработка: дробление, просеивание, кислотная промывка (для удаления металлических примесей), магнитная сепарация, гидравлическая классификация и т. д., для получения готовой продукции с различными размерами частиц.
6. Ключевые вспомогательные процессы
Древесная щепа: повышает проницаемость шихты в печи, облегчая отвод газа CO.
Применение соли: Она реагирует с примесями, такими как алюминий и железо, в сырье, образуя хлориды, которые испаряются, тем самым очищая материал.
Очистка отходящих газов: В процессе плавки образуется большое количество CO₂, который необходимо собирать, использовать или сжигать для предотвращения загрязнения окружающей среды.
Характеристики и проблемы процесса:
Высокое энергопотребление: производство 1 тонны карбида кремния потребляет приблизительно 8000-10000 кВт·ч электроэнергии.
Критический контроль температуры: Недостаточная температура приводит к неполной реакции, а избыточная температура вызывает разложение SiC.
Экологические требования: газ CO и пыль должны быть очищены; современные технологические процессы часто включают системы рекуперации отработанного тепла.
Современные направления модернизации:
Печи большего типа: Увеличение производительности одной печи (до тысяч тонн).
Автоматическое управление: оптимизация кривой включения для снижения энергопотребления.
«Зеленая» плавка: утилизация отходящих газов для выработки электроэнергии, переработка отходов.