碳化硅冶炼工艺摘要：碳化硅的冶炼方法合成碳化硅所用的原料主要是以SiO2为主要成分的脉石英或石英砂与以C为主要成分的石油焦，低档次的碳化硅可用地灰分的无烟煤为原料辅助原料为木屑和食盐碳化硅有黑、绿两种冶炼绿碳化硅时要求硅质原料中SiO2含量尽可能高，杂质含量尽量低生产黑碳化硅时，硅质原料中的SiO2可稍低些对石油焦的要求是固定碳含量尽可能高，灰分含量小于1.2%，挥发分小于12.0%，石油焦的粒度通常在2mm或1.5mm以下木屑用于调整炉料的透气性能，通常的加入量为3%~5%（体积）食盐仅在冶炼绿碳化硅时使用硅质原料与石油焦在2000~2500℃的电阻炉内通过以下反应生成碳化硅：SiO2+3C→SiC+2CO↑-526.09KjCO通过炉料排出加入食盐可与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体，便于CO气体排出关键词：碳化硅 冶炼方法 原料 石油焦 调整Silicon carbide way to the focal raw materialsABSTRACT：Silicon carbide Synthetic method of combining Silicon carbide the raw materials, mainly SiO2 for the main ingredient quartz or sands and quartz in c for the main elements of the oil is burnt，Lower-end establishments Silicon carbide use gray points in the anthracite for raw materials.Auxiliary materials as chips and Table salt,Silicon carbide black, green two.Smelting green silicon Silicon carbide that the quality of the material SiO2 content as content as low, impurityBlack Silicon carbide production, quality materials in the silicon SiO2 but a little lowOil is burnt to the requirements of the fixed carbon content as content, gray points less than 1.2% to 12.0% in less than volatile oil of granularity usually 2mm or subtracting. the following.Wood shavings used for adjustment of the training material, usually to the performance of 3% ~ 5% ，only in volume. Table salt Smelting green Silicon carbide using quality raw materials. the silicon with oil burnt in 2000 ~ 2500 ℃ resistance by the fire in response to generate Silicon carbide ：SiO2+3C→SiC+2CO↑-526.09KjCo made by the fire. add Table salt with other impurities fe, things that al had generated Chloride and volatile. the material of a porous burned Ties the body for co gas venting.Keywords ： Silicon carbide Smelting way to the focal adjustment of raw oil quality目 录1 前 言 12 碳化硅的性质与生产原料 32.1碳化硅的性质 32.2碳化硅生产原料 43 工业硅合成工艺 53.1碳化硅冶炼基本原理 53.2.1艾奇逊法 63.2.2 ESK法 74 碳化硅的应用 115 结论 12致谢 13参考文献 141 前 言工业用碳化硅于1891年研制成功，是最早的人造磨料。
在陨石和地壳中虽有少量碳化硅存在，但迄今尚未找到可供开采的矿源 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结构分为六方或菱面体的 α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现七十余种β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC[1]碳化硅又称金钢砂或耐火砂碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成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，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2其中：黑碳化硅是以石英砂,石油焦和优质硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉 常用的碳化硅磨料有两种不同的晶体，一种是绿碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于磨硬质含金工具。
另一种是黑碳化硅，有金属光泽，含SiC 95%以上，强度比绿碳化硅大，但硬度较低，主要用于磨铸铁和非金属材料分子式为SiC，其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，可作为磨料和其他某些工业材料使用碳化硅材料有许多优异的性能，如耐磨削、耐高温、耐腐蚀、高热导率、高化学稳定性、宽带隙以及高电子迁移率等由于碳化硅的超常硬度，最初应用于各种磨削工具、如砂轮、纱布、砂及各种磨料，在机械行业材料加工与磨削时大量使用，后来又作为钢铁冶炼中的还原剂与加热元件从而又发现了他还有高温热稳定性、高热传导性、耐酸碱腐蚀性、低膨胀系数、抗热震好等等一系列的优良性能在70年代中期，美国科学家首先成功以亚微米级的β-SiC和少量硼碳添加剂为原料，通过无压烧结工艺技术，成功制作出致密碳化硅陶瓷后来，碳化硅烧结成的陶瓷材料，制作成各种陶瓷部件取代原金属部件获得成功我国80年代许多单位都能生产碳化硅陶瓷制品，其中利用反应烧结法制成的精密陶瓷碳化硅密封环圈、垫及烧成用喷嘴等，获得广泛应用，如用作汽车、潜艇、化工、石油等行业的碳化硅密封圈在解决油封、液体密封方面取得非常好的效果利用碳化硅结合氯化硅制造陶瓷发动机的研究亦有突破性进展。
目前世界SiC总产量约150万吨/年，中国产量最大，约占30%，年产量约45万吨左右作为世界最大的碳化硅生产国与出口国，中国碳化硅的产销对于世界碳化硅行业有着重要影响因此其冶炼工艺很值得我们去研究 2 碳化硅的性质与生产原料2.1碳化硅的性质天然的碳化硅很少，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碳化硅主要有两种结晶形态：b-SiC和a-SiCb-SiC为面心立方闪锌矿型结构，晶格常数a=0.4359nma-SiC是SiC的高温型结构，属六方晶系，它存在着许多变体碳化硅的折射率非常高，在普通光线下为2.6767~2.6480.各种晶型的碳化硅的密度接近，a-SiC一般为3.217g/cm3，b-SiC为3.215g/cm3.纯碳化硅是无色透明的，工业SiC由于含有游离Fe、Si、C等杂质而成浅绿色或黑色绿碳化硅和黑碳化硅的硬度在常温和高温下基本相同SiC热膨胀系数不大，在25~1400℃平均热膨胀系数为4.5×10-6/℃碳化硅具有很高的热导率，500℃时为64.4W/(m·K)常温下SiC是一种半导体[2]。
碳化硅的基本性质列于下表（1-1）碳化硅基本性质表1-1性质指标性质指标摩尔质量/(g/mol)颜色密度/(g/cm3)40.097纯SiC为黄色，添加B、N、Al为棕色a-SiC 3.217g/cm3b-SiC 3.215g/cm3德拜温度/Ka-SiC 1200b-SiC 1430能隙/eVa-SiC（6H） 2.86b-SiC 2.60超导转变温度/K5摩尔热容/[J/(mol·K)]a-SiC 27.69b-SiC 28.63弹性模量/GPa293K为4751773K为441生成热（198.15K时）/(kJ/mol)a-SiC 25.73±0.63b-SiC 28.03±2.00弹性模量/GPa192热导率/[W/(m·K)]a-SiC 40.0b-SiC 25.5体积模量/GPa96.6线膨胀系数/(10-6/K)a-SiC 5.12b-SiC 3.80泊松比n0.142300K时的介电常数a-SiC(6H)9.66~10.03b-SiC 9.72抗弯强度/Mpa350~600电阻率/Ω·ma-SiC 0.0015~103b-SiC 10-2~106耐腐蚀性在室温下几乎是惰性碳化硅具有耐高温、耐磨、抗冲刷、耐腐蚀和质量轻的特点。
碳化硅在高温下的氧化是其损害的主要原因2.2碳化硅生产原料 冶炼工业硅的原料主要有硅石、碳质还原剂由于对工业硅中铝、钙、铁含量限制严格，对原料的要求也特别严格 硅石中SiO2>99.0%，Al2O3<0.3%，Fe2O3<0.15%，CaO<0.2%，MgO<0.15%；粒度为15~80mm 选择碳质还原剂的原则是：固定碳高，灰分低，化学活性好通常是采用低灰分的石油焦或沥青焦作还原剂但是，由于这两种焦炭电阻率小，反应能力差，因而必须配用灰分低，电阻率大和反应能力强的木炭（或木块）代替部分石油焦为使炉料烧结，还应配入部分低灰分烟煤必须指出，过多或全部用木炭，不但会提高产品成本，而且还会使炉况紊乱，如因料面烧结差而引起刺火塌料、难以形成高温反应区、炉底易开成SiC层、出铁困难等[3]对几种碳质还原剂的要求如表1-2所示碳质还原剂成分粒度要求 表1-2名称挥发分%灰分%固定碳%粒度/mm木炭25～30<265～753～100木块<3<150石油焦12～16<0.582～860～13烟煤<30<80～13此外，碳质还原剂含水量要低且稳定，不能含其他杂物3 工业硅合成工艺 3.1碳化硅冶炼基本原理碳还原氧化硅的反应，通常以下式表示：SiO+2C= Si +2CO这是硅冶炼主反应的表达式，也是一般计算和控制正常熔炼依据的基础。
但就碳还原氧化硅的整个反应过程来说，却有着复杂。