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1、1题目：鄂尔多斯东祥碳化硅厂生产工艺操作要点作者：单位：日期：2鄂尔多斯东祥碳化硅厂生产工艺操作要点生产线基本状态电流：由两台 30000kw 发电机组并联供给电源，独网运行。稳定输出功率 24000kw2配套设计运行碳化硅冶炼炉 2 台，每台设计运行功率25000kW。炉长 106 米、炉宽 6.5 米。变压器：每套冶炼炉两台 12500kVA，并联口脉输出供电最大电流 40000A。基本参数：网侧电压 35000V， 网侧电流 241.8A。阀侧电压 252.6V-520.4V，阀侧电流 32640A-16261A。核 计：恒 功 率： KVAAV142803260.5输入功率： 6584
2、1生产线存在的问题1炉体设计偏长，与发电机组输出功率不配套，将会影响碳化硅结晶块的质量、成品率。2炉体设计偏宽，装料量偏多，回收料会多于反应消耗料，回收料有多余现象、破坏物料平衡。回收料循环返炉使用的频次增加、加速回收料的老化，形成爆发的现象，影响冶炼工艺的正态进行。3生产线以上这些状态是无法改变的现实。为了能够使该生产线能够较正常的运行，产出的产品质量能够满足市场的要求，本人提出以下运行方案供参考：炉体偏长、米长功率偏小,造成炉内的分解能力弱，炉内的热动力不足，炉料中的杂质外排移动程度和动力要小得多，碳化硅的晶格中会残留着杂质金属氧化物；使碳化硅含量降低，结晶中有较多杂质。为了提高冶炼的反应
3、和分解能力，提高反应热动力、冶炼炉的运行功率必须达到 30000kVA，方能保持足够的反应分解能力，提高热动力，增强冶炼炉杂质外排的能力。具体操作： 方案一第一组冶炼炉为 A 组第二组冶炼炉为 B 组发电机组输出功率 50000KW第一段 运行时间 8 小时（6 小时）KVA203组 运 行 功 率组 运 行 功 率A第二段 运行时间 8 小时（6 小时）B组 运 行 功 率组 运 行 功 率第三段 运行时间 8 小时（6 小时）KVA203组 运 行 功 率组 运 行 功 率A这样反复循环运行每组冶炼炉在开始送电的第一天，和送电结束的前一天要用30000KVA 的运行功率连续运行 24 小时
4、。能够实现节能和提高产品4质量的双重目的。提高炉用功率，是提高炉温的必要条件，高温为分子移动提高热动力唯一条件，优质的碳化硅结晶是在大于 2100以上的高温形成。要保证冶炼出碳化硅具有足够大的尺寸，必须保证碳化硅晶体生产过程中，电阻炉内的温度要高于碳化硅的结晶温度。保持炉内有较强的热动力，有利于物质的移动促进不同物质分子间的碰撞几率。碳化硅的合成机理，从广义地讲，应该是固相反应，尤其是在工业生产碳化硅冶炼炉中，无论是在冶炼开始的低温阶段的固相反应物之间的反应，还是在反应中后期有液相参与或气相参与的反应都看作是固相反应，碳化硅合成是一种吸热反应，提高炉用功率升高炉温则有利于固相反应的进行。升温能
5、加强离子在固相反应中自扩散力，使 Si 分子和 C 分子碰撞机会增多，大大提高反应速率。（碳化硅的反应过程是：碳化硅的形成温度开始于 1450，这时反应的物质处于固态，只有极小的蒸汽压，反应是极微弱的。实际上反应是在较高的温度（高于 1700）下进行的。此时 SiO2颗粒的自由表面大量蒸发、并力求进入较低的温度区，在移动中与碳颗粒表面接触，被碳粒所吸附并沿其微孔渗入碳粒的深处，碳粒的吸附表面上 SiO2被还原，同时反应生成 SiC，逸出一氧化碳气体。与此同时在吸附层中，分子有一定移动性，碳氧化物形成并逸出，使碳粒的晶格松缓，促进了 SiO2分子往深处渗透，促使整个碳粒硅化形成 SiC 结晶。
6、）5低功率运行的时段目的特征碳化硅合成过程是一个复杂的过程，特别是在冶炼的中后期，是有液相和气相参与的反应。因此提高功率增大碳化硅晶筒内压力，并不表现出积极作用，内压增大一定的时候甚至会适得其反，在高温气氛状态中，炉内会形成很高的正压，这种压力会大大降低炉内的反应动力，使反应能力减小，反应速率大降，会出现结晶反应向反方向发展现实，从而严重影响冶炼炉的产量和产品质量。炉内的正高压会使炉芯温度不正常迅速升高，炉料区间温度梯度不正常，会造成冶炼炉结晶筒中心部位有甚高的分解温度。而结晶筒以为炉料无再结晶温度，使结晶筒过度分解，影响碳化硅的产出率，这种现象阻碍了碳化硅结晶反应向正方向发展。当结晶筒内的压
7、力升高到一定数值后，将会使结晶筒内层的碳化硅形成“多硅”结晶或“富硅性熔体” 。在这种高温高压环境气氛状态冶炼，高温高热气体不能顺利转移到炉料的低温区，加快了炉芯周围结晶层不正常分解速度，大量的分解，炉芯的截面积迅速扩大，必然使炉芯电阻快速减小，导致冶炼炉运行电流很快上升。使冶炼变压器的调压档位不够使用，逼迫提前退出运行，无法维持冶炼的正常运行，减少了送电量，即影响产品的产量又影响产品的质量。为了不使上述现象出现在冶炼过程，在采用高功率运行中间隔采用一段低功率运行时段，使炉内的正压缓慢释放，缓解炉芯的过度分解，抑制出现“多硅”结晶现象，能优化结晶筒的结晶，会有6效提高碳化硅结晶体质量。同时，由
8、于在高功率运行时段，结晶筒内富存有高温高压能量，有很大的热动力，到低功率运行时，还继续维持正常碳化硅合成反应，这样还能有节约能量的机理。 方案二：保持较长时间的冶炼 方案三：黄大块从返炉料清理出去。“黄大块”书中称“氧碳化硅” ，它处于碳化硅结晶筒之外，是结晶筒和保温料的过度料，呈淡绿色，它的外层质脆，内层融结成比较紧密的碳质物，过去以为它是 Si2C2O 的化合物，取名为氧碳化硅，后来发现它不过是二氧化硅、碳和碳化硅的混合物，只是由于硅砂已部分熔融，把碳、碳化硅粘结在一起，形成三者高度分散，外观难以区分罢了。此层的温度范围约为 1600-1700，它虽未达到 SiO2的熔点（1710） 。但
9、是由于杂质成分的存在，完全可能产生部分的液相。黄大块中的杂质物含量视原料纯度不同，原料品种不同，原料产地的差异，差别较大。如果是很纯的原料组成的炉料，黄大块中的杂质并不多，可以仔细回块投炉。但是应该注意其杂质在回炉循环使用过程中变坏，发现杂质含量超过要求，即应停止使用。炉料中杂质含量较高时， “黄大块”层中杂质也随着增加，并且碳化硅含量并不多。因此，一般主张不把“黄大块”返炉使用。只有在使用低灰的石油焦和高品质的硅砂作原料冶炼碳化硅时， “黄大块”才可返炉使用。使用无烟煤作原料冶炼碳化硅，就不能返炉使用。特别7是太西无烟煤，更要注意，为什么？关于太西无烟煤：所谓太西煤是指贺兰山含煤区的汝箕沟矿
10、区所产的无烟煤。具有低灰、低硫、低磷、高发热量、高比电阻、高化学活性，是国内外最佳的优质煤种，世界少有，中国不多。它具中国之首、世界第二，是极其特别的珍惜煤种，笔者曾对太西煤、外蒙进口煤、越南鸿基煤、府谷的兰炭、新疆的无烟煤和兰炭、云南？的无烟煤等能够取得的煤样都做过分析，检测数据表明，任何煤种的碳化反应性能都不如太西煤的性能好。实际运行结果也证明笔者的分析数据是可信的。中国有两家公司在越南投资的碳化硅厂，运行结果表明，原料消耗、电耗都比使用太西煤高，炉产量还低。太西煤有种种优越性，但是在冶炼碳化硅也有它的缺点：太西煤是中生代下侏罗纪沉积年青无烟煤，侏罗纪沉积煤，煤灰中 CaO 含量较高达 3
11、0%、Fe 2O3也可高达 40%左右（主要是来自白菱铁矿中） ，致使灰熔点一般都在 1300以下，还含有一定量的碱金属与碱土金属。这些杂质在合成碳化硅的反应过程中是有害因素。它们一直在炉内的物料中循环。根据有关检测数据表明：冶炼炉反应所逸出的气体中气体分析可以证明：除了食盐的烟雾外，并未发现有 Fe、Al、Ca、Mg 等金属氧化物气体逸出炉外。因此吗，在碳化硅冶炼过程中，炉料中所有金属氧化物杂质仍然留于炉内。其中较少一部分混着 SiC 晶体的内部或表面，成为影响产品质量的因素。较大部分杂质则转移到回炉8料中。这些回炉料被重新投炉时，杂质又进入了炉内。所以，为了控制炉料中的杂质，就必须严格控制
12、原料及回炉料的纯度。那么金属氧化物是怎样在回炉料中重复循环的呢？用于碳化硅合成原料硅和碳中杂质成分，它们呈高度分散的状态存在于原料中。在冶炼炉内高温煅烧过程中，即可部分被还原并汽化逸出。虽然许多金属的熔点和沸点并不高，但其氧化物熔点和沸点却很高。这些金属氧化物在碳化硅炉中，首先被还原成单质金属，然后汽化逸出。例如：CaO（沸点 2850）+C=Ca（沸点 1440）+COAl2O3（沸点 3500）+C=2Al（沸点 2057）+3COMgO（沸点 3600）+C=Mg（沸点 1107）+CO这些逸出的金属气体，向气温较低的区域扩散，在 1600-1900区域冷凝被保温料吸收，在那里沉积。碳化
13、硅冶炼的氧碳化硅质的形成温度为 1600-1700，被高温汽化的金属被氧化后很大部分都外排沉积于此层。尤其是 CaO、Al 2O3在此处沉积数量达到一定比例时，与二氧化碳混合存在的比值达到一定程度时，CaO、SiO 2、Al 2O3，三元素中出现液相混合温度将变得很低。很快形成熔融物，这种共融物流动性很大。包裹于结晶筒外层，严重阻碍结晶筒高热高压气体外排。破坏结晶反应过程的热平衡和压力平衡环境，使结晶反应正常循环受到破坏，结晶筒内正向不正常升高，晶筒压力高到一定数值后，会造成结晶反应逆方向进行，会使晶筒内层过度分解，结晶筒外层无再结晶条件。反应规律遭到破坏，影9响产品的产出率。以上是炉料杂质成分在冶炼过程中的移动规律，所以笔者主张冶炼过程中结晶筒以外的“黄大块”要从返炉料中清理出去，不能遗留于返炉料中，重新投入回炉料中反复循环使用，避免杂质过度集中累积，造成恶心循环。特别是在使用太西煤这种高钙灰分的煤冶炼碳化硅时，一定要把黄大块从炉料中彻底干净的清理出去，才能保证产品的质量和产品的产出率。
