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1、攀枝花学院 本科课程设计碳化硅冶炼工艺设计 学生姓名：_王鑫林 学生学号：_201311101079 院（系）：_材料工程学院 年级专业：2013级材料科学与工程3班 指导教师： 李亮 助理指导教师： 二一六年十月攀枝花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。为进一步进行该工艺的研究打基础。2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）设计内容：（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、
2、计算。3、主要参考文献1 李游.碳化硅冶炼技术 M.北京：中国致公出版社, 19982 崔小明.碳化硅的制备及应用M.杭州化工，20003 李欢欢. 高性能碳化硅的成型及烧结工艺研究D.北京交通大学,2009.4 李正峰. 金属有机化学与催化M. 科学出版社，20005 张术兵，魏长城，碳化硅的合成研究评述.材料科学与工程学报，20074、课程设计工作进度计划(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）： 接受任务时间： 年
3、 月 日攀枝花学院本科课程设计（论文） 摘 要摘 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67kWh，生产周期升温时为2636h，冷却24h。硅质原料与石油焦在 2000250
4、0的电阻炉内通过以下反应生成碳化硅： SiO2+3CSiC+2CO -526.09Kj CO 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，原料，应用I攀枝花学院本科课程设计（论文） 1 绪论攀枝花学院本科课程设计（论文） 目 录目 录摘 要I1 绪论12 实验方法32.1碳化硅的性质32.2碳化硅的合成方法32.2.1艾奇逊法32.2.2 ESK 法43 工艺过程53.1碳化硅冶炼用料53.1.1硅砂53.1.2石油焦炭53.2碳化硅冶炼炉63.2.1碳化硅电阻炉的结构63.2.2活动炉、山型炉和U型炉6
5、3.2.3炉用功率的确定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攀枝花学院本科课程设计（论文） 1 绪论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、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
6、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表面产生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，立方晶系结构，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
7、之单位表面积而引人注目，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。在任何已能达到的压力下，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，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，
8、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陶瓷具有的高硬度、高耐腐蚀性以及较高的高温强度等特点，这使得碳化硅陶瓷得到了广泛的应用。在应用在密封环上：碳化硅陶瓷【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。它与石墨材料组合配对时，其摩擦系数比氧化铝陶瓷和硬质合金小，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3
9、2000kVA。加工制砂、微粉生产企业300多家，年生产能力200多万吨。2012年，中国碳化硅产能利用率不足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河南、山东、江苏、吉林、黑龙江等省。中国碳化硅冶炼生产工艺、技术装备和单吨能耗达到世界领先水平。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；三是某些尖端产品的性能指标与发达国家同类产品相比有一定
10、差距；四是冶炼过程中一氧化碳直接排放。国外主要企业基本实现了封闭冶炼，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。2012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2012年底，全球碳化硅产能达260万吨以上，产能达到1万吨以上的国家有13个，占全球总产能的98%。其中中国碳化硅产能达到220万吨，占全球总产能的84%。1攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 实验方法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，
11、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内壁，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。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的 -
12、SiC和立方体的-SiC（称立方碳化硅)。-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内炼制。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(4.75.0)10-6 /，热导率(20)41.76W/(mK)，电阻率(50)50cm，1000 2cm，辐射能力0.950.98。2.2碳化硅的合成方法2.2.1艾奇逊法艾奇逊法：传统的艾奇逊法电阻炉的外
13、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，达到 2600左右，通过炉芯体表面传热给周围的混合料，使之发生反应生成碳化硅，并逸出 CO 气体。一氧化碳在炉表面燃烧生成二氧化碳，形成一个柔和、起伏的蓝色至黄色火焰毡被，一小部分为燃烧的一氧化碳进入空气。待反应完全并冷却后，即可拆除炉墙，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，3攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 实验方法提高纯度，再经干燥、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避免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 公司对艾奇逊法进行了改进，发展了 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，用聚乙烯袋子进行密封以回收炉内逸出的气体，提取硫后将其通过管道小型火电厂发
