碳化硅冶炼工艺设计

1、-学院本科课程设计碳化硅冶炼工艺设计学生：_王鑫林学生*：_9 院系：_材料工程学院年级专业：2021级材料科学与工程3班指导教师：亮助理指导教师：二一六年十月学院本科学生课程设计任务书题目碳化硅冶炼工艺1、课程设计的目的了解碳化硅的用途及前景，熟悉金属碳化硅冶炼技术及生产流程，培养学生的动手能力、分析问题和解决实际问题的能力。为进一步进展该工艺的研究打根底。2、课程设计的容和要求包括原始数据、技术要求、工作要求等设计容：1设备选型；2工艺控制参数的选择和设计；设计要求：1与生产实际应用相结合；2详细数据分析、计算。3、主要参考文献1 游.碳化硅冶炼技术 M.：中国致公, 19982 小明.碳

2、化硅的制备及应用M.化工，20003欢欢. 高性能碳化硅的成型及烧结工艺研究D.交通大学,2021.4 正峰. 金属有机化学与催化M. 科学，20005 术兵，长城，碳化硅的合成研究评述.材料科学与工程学报，20074、课程设计工作进度方案(1)、9周星期一10月24日下达任务，查询资料；(2)、10周10月31日11月4日形成初稿；(3)、11周11月5日11月9日修改定稿。指导教师签字日期年月日教研室意见：年月日学生签字：承受任务时间：年月日. z-摘要碳化硅是用石英砂、石油焦、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。天然的碳化硅很少，工业上使用的为人工合成原料，俗称金刚砂，是一种典型的共价键结

3、合的化合物。碳化硅是耐火材料领域中最常用的非氧化物耐火原料之一。合成碳化硅所用的原料主要是以 SiO2为主要成分的脉石，低档次的碳化硅可用低灰分的无烟煤为原料。辅助原料为木屑和食盐。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体。大型碳化硅冶炼炉的炉子功率一般为10000kW，每1kg SiC电耗为67kW·h，生产周期升温时为2636h，冷却24h。硅质原料与石油焦在 20002500的电阻炉通过以下反响生成碳化硅： SiO2+3CSiC+2CO -526.09Kj CO 通过炉料排出。参加食盐可与 Fe、Al 等杂质生成氯化物而挥发掉。木屑使物料形成多孔烧结

4、体，便于CO 气体排出。关键词碳化硅，冶炼，原料，应用. z-. z-. z-目录摘要11 绪论12 实验方法12.1碳化硅的性质12.2碳化硅的合成方法1艾奇逊法12.2.2 ESK 法13 工艺过程53.1碳化硅冶炼用料5硅砂5石油焦炭53.2碳化硅冶炼炉6碳化硅电阻炉的构造6活动炉、山型炉和U型炉6炉用功率确实定73.3冶炼碳化硅的配料计算83.4碳化硅冶炼操作步骤94 结论11参考文献12. z-. z-. z-1 绪论碳化硅SiC是用石英砂、石油焦或煤焦、木屑生产绿色碳化硅时需要加食盐等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。碳化硅又称碳硅石。在当代C、N

5、、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。目前中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.203.25，显微硬度为28403320kg/mm2。碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂，1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法，也就是大家常说的艾奇逊炉，一直沿用至今，以碳质材料为炉芯体的电阻炉，通电加热石英SiO2和碳的混合物生成碳化硅。纯碳化硅为无色，而工业生产之棕至黑色系由于含铁之不纯物。晶体上彩虹般的光泽则是因为其外表产生

6、之二氧化硅保护层所致。碳化硅至少有70种结晶型态。-碳化硅【1】为最常见的一种同质异晶物，在高于2000 °C高温下形成，具有六角晶系结晶构造似纤维锌矿。-碳化硅，立方晶系构造，与钻石相似，则在低于2000 °C生成。虽然在异相触媒担体的应用上，因其具有比型态更高之单位外表积而引人注目，但直至今日，此型态尚未有商业上之应用。因其3.2g/cm3的比重及较高的升华温度约2700 °C，碳化硅很适合做为轴承或高温炉之原料物件。在任何已能到达的压力下，它都不会熔化，且具有相当低的化学活性。由于其高热导性、高崩溃电场强度及高最大电流密度，在半导体【2】高功率元件的应用上，

7、不少人试着用它来取代硅。此外，它与微波辐射有很强的耦合作用，并其所有之高升华点，使其可实际应用于加热金属。碳化硅制品可以分为很多类，根据不同的使用环境，分为不同的种类。一般使用到机械上比较多。例如使用到机械密封件上，可以称为碳化硅密封环，可以分为静环、动环、平环等。也可以根据客户的特别要求，制作出各种形状的碳化硅制品，例如碳化硅异形件，碳化硅板，碳化硅环等。碳化硅的制品之一的碳化硅瓷具有的高硬度、高耐腐蚀性以及较高的高温强度等特点，这使得碳化硅瓷得到了广泛的应用。在应用在密封环上：碳化硅瓷【3】的耐化学腐蚀性好、强度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系数小，且耐高温，因而是制造密封环的理想材料。它与

8、石墨材料组合配对时，其摩擦系数比氧化铝瓷和硬质合金小，因而可用于高PV值，特别是输送强酸、强碱的工况中使用。中国有碳化硅冶炼企业200多家，年生产能力220多万吨其中：绿碳化硅块120多万吨，黑碳化硅块约100万吨。冶炼变压器功率大多为630012500kVA，最大冶炼变压器为32000kVA。加工制砂、微粉生产企业300多家，年生产能力200多万吨。2021年，中国碳化硅产能利用率缺乏45%。约三分之一的冶炼企业有加工制砂微粉生产线。碳化硅加工制砂微粉生产企业主要分布在、等省。中国碳化硅冶炼生产工艺、技术装备和单吨能耗到达世界领先水平。黑、绿碳化硅原块的质量水平也属世界级。中国碳化硅与世界先

9、进水平的差距主要集中在四个方面：一是在生产过程中很少使用大型机械设备，很多工序依靠人力完成，人均碳化硅产量较低；二是在碳化硅深加工产品上，对粒度砂和微粉产品的质量管理不够精细，产品质量的稳定性不够；三是*些尖端产品的性能指标与兴旺国家同类产品相比有一定差距；四是冶炼过程中一氧化碳直接排放。国外主要企业根本实现了封闭冶炼，而中国碳化硅冶炼几乎全部是开放式冶炼，一氧化碳全部直排。2021年，中国企业开发出了封闭冶炼技术，实现了一氧化碳全部回收，但是距离全行业普及还有很长的路要走。根据中国机床工业协会磨料磨具专委会碳化硅专家委员会的数据，截至2021年底，全球碳化硅产能达260万吨以上，产能到达1万

10、吨以上的国家有13个，占全球总产能的98%。其中中国碳化硅产能到达220万吨，占全球总产能的84%。. z-. z-2 实验方法2.1碳化硅的性质碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命12倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好。低品级碳化硅含SiC约85%是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金

11、刚石10级，具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体构造分为六方或菱面体的-SiC和立方体的-SiC称立方碳化硅)。-SiC由于其晶体构造中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。-SiC于2100以上时转变为-SiC。碳化硅的工业制法是用优质石英砂和石油焦在电阻炉炼制。炼得的碳化硅块，经破碎、酸碱洗、磁选和筛分或水选【4】而制成各种粒度的产品。碳化硅的物理性能：真密度型3.22g/cm3、型3.21g/cm3，莫氏硬度9.2线膨胀系数为(4

12、.75.0)×10-6 /，热导率(20)41.76W/(m·K)，电阻率(50)50·cm，1000 2·cm，辐射能力0.950.98。2.2碳化硅的合成方法艾奇逊法艾奇逊法：传统的艾奇逊法电阻炉的外形像一个长方形的槽子，它是有耐火砖砌成的炉床。两组电极穿过炉墙深入炉床之中，专用的石墨粉炉芯体配置在电极之间，提供一条导电通道，通电时下产生很大的热量。炉芯体周围装盛有硅质原料、石油焦和木屑等组成的原料，外部为保温料。熔炼时，电阻炉通电，炉芯体温度上升，到达 2600左右，通过炉芯体外表传热给周围的混合料，使之发生反响生成碳化硅，并逸出 CO 气体。一氧

13、化碳在炉外表燃烧生成二氧化碳，形成一个柔和、起伏的蓝色至黄色火焰毡被，一小局部为燃烧的一氧化碳进入空气。待反响完全并冷却后，即可撤除炉墙，将炉料分层分级拣选，经破碎后获得所需粒度，通过水洗或酸碱洗、磁选等除去杂质，. z-. z-提高纯度，再经枯燥、筛选即得成品。艾奇逊法设备简单、投资少，广泛为石阶上冶炼 SiC 的工厂所采用。但该法的主要缺点在于无法防止粉尘和废气造成的污染，冶炼过程排出的废气无法收集和再利用，无法减轻取料和分级时的繁重体力劳动，同时炉子的长度也不够，通常仅几米至几十米长，生产经济性不高。2.2.2 ESK 法ESK 法 1973 年，德国 ESK 公司对艾奇逊法进展了改进，

14、开展了 ESK 法。Esk 法的大型 SiC 冶炼炉建立在户外，没有端墙和侧墙，直线性或 U 型电极位于炉子底部，炉长达 60m，用聚乙烯袋子进展密封以回收炉逸出的气体，提取硫后将其通过管道小型火电厂发电。该炉可采用本钱低、活性高、易反响的高硫分石油焦【5】或焦炭作为原料，将原料硫含量由原来的 1.5%提高到 5.0%。. z-. z-3 工艺过程31碳化硅冶炼用料制造碳化硅结晶决所用原材料有三大类：(1)主要原料，包括硅砂和石油焦炭；(2)辅助材料，包括木屑和食盐； (3)回收料，这里指的是焙烧料、细结晶、粘合物、保温乏料、分解石墨相旧炉心体材料等。主要原料是制造碳化硅产品必不可少的，它提供

15、根本化学反响的参与物。辅助材科不直接参与根本的反响过程，如木屑只起使炉科透气的作用，食盐仅在绿碳化硅的形成中有促进作用，它们在*些条件下可以少用或不用。回收料的合理利用可节省许多原料，改善冶炼的技术经济指标，但必须注意控制其质量。硅砂硅砂是制造破化硅的主要原料之一，系由天然含硅原料加工制成*其主要成分是二氧化硅SiO2。 SiO2的同质多晶变体很多，其转变系列如下：图1SiO2同质多晶体转变图其中最常见的、在地球上分布最广的是低温石英，即日一石英，一般称为石英而高温石英(e一石英)则少见；其次分布较广的为隐品质的石英，如五镣、腰石、玛蹈以及含水的二氧化硅一一蛋白石。SiO2，的高温变体(鳞石英

16、、方石英等)在自然界少见，而多存在于人造硅酸盐制品中。石英是分布很广的矿物。在地壳中石英成分白百分之十二，仅次于长石。如果按化学成分来说，5iO：占地壳平均成分的59.8田，比其他任何成分都多。但是制造碳化硅所用的石英，要求纯度较高(985以上)和一定的粒度，所以适用的主要是脉石英和石英砂。石油焦炭工业上可资利用的含碳量南的材料很多，如石油焦炭、冶金焦炭(煤焦)、沥青焦炭、泥焦炭、石墨、木炭等，但是满足冶炼碳化硅需要的台碳材料，不仅要求含职员高，而且要求有害物质(灰分)少，反响能力强和填充重量大我们强调填充重量，是因为它和碳化硅冶炼沪的产量有密切的关系：在其他条件一样时，含碳材料的填充重量愈大

17、，装入妒的单位容积中的有效碳成分就愈多，炉的产量就愈高32碳化硅冶炼炉碳化硅电阻炉的构造图2 艾奇逊的最初的碳化硅冶炼炉它表示丁最早的冶炼碳化硅的电阻炉。这是一个用耐火砖做的砌床，里面装有硅砂、焦炭、食盐配成的混合料，两根炭素电极深入砌床之中。专用的石墨炉心配置在电报之间，提供了一条最初的导电通路发电机接到电极上。大电流通过炉心，产生很大的热量，包围炉心的混合料按如下总的方程转化为碳化硅： SiO2十3CSiC十2CO一氧化碳透过炉料跑出来，并在炉外表燃烧成二氧化碳成了个柔和的、起伏的、蓝色至黄色的火焰毡被。活动炉、山型炉和U型炉上局部介绍的电阻炉是目前冶炼碳化硅应用最广的固定式长方槽型炉近年

18、来又出现了一些新的炉型以适应不同的需要。下面介绍其中比较有影响的几种。其中活动炉已得到比较广泛的应用。一、活动炉固定式电阻炉是把炉子砌筑在地面上，46个炉排成一列，与一台变压器相配合，称为一组。这46个炉子交替进展装炉、供电、冷却、出炉、电炉准备等顷作业。其优点是构造简单、造价低廉、维修方便。但是冶炼产生的高温、一氧化破等有害气体和各工序粉尘使作业环境恶劣，而且不便于生产的机械化；当采用固定变压器时，一组沪中的各炉与变压器距离远近不一，设计上稍不注意就容易使各炉的电压、功率因数等电气参数相距其远。二山型炉为了便于炉的大型化并最大眼度地降低建筑本钱，在七十年代西德开展了一种山型炉。这种护是一种露

19、天设置的固定炉，没有端墙，也没有佣。外表看来，只是一个堰成小山形的料堆，故称山型炉。在电炉中，碳质炉心水平地安置在炉料之中，电极以炉底电极的方式排布，通过一导体把它和炉心连接起来，这个连接体不是炉心的组成局部，而具有比炉心大得多的截面和小得多的电阻。它可由参加结合剂的焦炭、百里经捣实制成。这样，连接体上的电热缺乏以生成碳化硅，联化桂只是围绕炉心而形成。三、U型炉西德肯普顿(Kempten)电冶公司在山型炉的根底上进而开展了U型炉，其特点是炉心布置成型。该厂设在美国分厂的U型炉长36米，宽65米。变压器容量15000千伏安，共三台变压器，每台变压据带四台炉子。变压器的实际使用容量为10000千伏

20、安。该炉炉料总装入量为30 00吨，每炉送电150万度，按电量停炉。该炉最大特点是每天可根据地区电网供电情况躲顶峰停顿送电由于炉子建得很大，并且是u型，停电时炉温度下降不多，所以炉子每天两次躲峰停电，每次24小时，并不影响炉的产量和质量。每炉冶炼时间长达10一14天。由于送电时间长，结晶十分粗大。炉用功率确实定电阻炉的大小是由炉用功率决定的，而炉用功率又是由生产任务量决定的。所以我们首先介绍如何根据方案的成品被化硅年产量确定炉用功率的方法。计算公式如下：P=+式中P一炉用功率(千瓦)一绿碳化硅结品块的单位耗电千瓦小时/吨一黑碳化硅结晶块的单位耗电(千瓦小时/吨一成品绿碳化硅的年产量(吨)；一成

21、品黑陨化硅的年产量(吨)；一绿碳化硅加工成品牟，可取8588；一黑碳化硅加工成品率，可取8690T一年时基数，即变压器的每年运行时致， 720080004、时；设备利用率，它是考虑到电阻炉停电至送电的切换时间以及送电韧朗电阻炉不能到达规定功率等情况而规定的系数，可取5798； N一炉组数或变压器台数。33冶炼碳化硅的配料计算工业上合成碳化硅多以石英砂、石油焦无烟煤为主要原料在电炉温度在20002500下，通过以下反响式合成：SiO2+3C SiC+2CO -46.8kJ(11.20kcal)1. 原料性能及要求各种原料的性能：石英砂，SiO2>99%，无烟煤的挥发分<5%。 2.

22、合成电炉大型碳化硅冶炼炉的炉子功率一般为10000kW，每1kg SiC电耗为67kW·h，生产周期升温时为2636h，冷却24h。 3. 合成工艺 (1) 配料计算 M=C/C+SiO2 100式中,C为碳含量,SiO2为二氧化硅含量,M=37.5。碳的参加量允许过量5%。炉配料的重量比见表1。表1 炉体各部位装料的配比工程上部中部下部C/SiO20.64.650.64.650.590.61食盐%81081069木屑/L180360180表2合成碳化硅的配料配料/%硅质材料炭质材料木屑食盐非晶材料未反响料绿SiC3256184526265102535黑SiC44.559344431

23、108在碳化硅的生产过程中，回炉料的要求：包括无定形料、二级料，应满足以下SiC>80%，SiO2+Si<10%，固定碳<5%，杂质<4.3%。焙烧料的要求：未反响的物料层必须配人一定的焦炭、木屑、食盐后做焙烧料。参加量 (以100t计)焦炭050kg，木屑3050L，食盐3%4%。保温料的要求：新开炉需要配保温料。焦炭与石英之比为0.6。如用乏料代特应符合如下要求：SiC<25%，SiO2+Si>35%，C20%，其他<3.5%。参加食盐的目的是为了排除原料的铁、铝等杂质加人木屑是便于排除生成的一氧化碳。34碳化硅冶炼操作步骤采用混料机混料，控制水分为2%3%，混合后料容重为1.41.6g/cm3。装料顺序是在炉底先铺上一层未反响料然后添加新配料到一定高度(约炉芯到炉底的二分之一)在其上面铺一层非晶形料然后继续加配料至炉芯水平。炉芯放在配料制成的底盘上中间略凸起以适应在炉役过程中出现的塌陷。炉芯上部铺放混好的配料同时也放非晶质料或生产未反响料炉子装好后形成中间高、两边低与炉墙平。炉子装好后即可通电合成以电流电压强度来控制反响过程。当炉温升到1500时开场生成-SiC从2100开场转化成-SiC，2400全部转化成-SiC。合成时间为263