碳化硅工業(yè)生產(chǎn)輔導(dǎo)資料

樺南報春磨料有限公司 1 前前 言言 碳化硅為一種典型的共價鍵結(jié)合的化合物 它在自然界中不存在 屬于人工 合成制造的材料 碳化硅材料有許多優(yōu)異的性能 如耐磨削 耐高溫 耐腐蝕 高熱導(dǎo)率 高化學(xué)穩(wěn)定性 寬帶隙以及高電子遷移率等 由于碳化硅的超常硬度 最初應(yīng)用于各種磨削工具 如砂輪 砂布 砂及各種磨料 在機械行業(yè)材料加工 與磨削時大量使用 后來又作為鋼鐵冶煉中的還原劑與加熱元件 從而又發(fā)現(xiàn)它 還有高溫?zé)岱€(wěn)定性 高熱傳導(dǎo)性 耐酸堿腐蝕性 低膨脹系數(shù) 抗熱震好等等一 系列的優(yōu)良性能 在 年代中期 美國科學(xué)家首先成功以亞微米級的 和 少量硼 碳添加劑為原料 通過無壓燒結(jié)工藝技術(shù) 成功制作出致密碳化硅陶瓷 后來 碳化硅燒結(jié)成陶瓷材料 制作成各種陶瓷部件取代原金屬部件獲得成功 我國 年代許多單位都能生產(chǎn)碳化硅陶瓷制品 其中利用反應(yīng)燒結(jié)法制成的精 密陶瓷碳化硅密封環(huán) 圈 墊及燒成用噴嘴等 獲得廣泛應(yīng)用 如用作汽車 潛 艇 化工 石油等行業(yè)的碳化硅密封圈在解決油封 液體密封方面取得非常好的 效果 利用碳化硅結(jié)合氮化硅制造陶瓷發(fā)動機的研究亦有突破性進展 目前 世界 總產(chǎn)量約 萬噸 年 中國產(chǎn)量最大 約占 年產(chǎn)量約 萬噸左右 作為世界最大的碳化硅生產(chǎn)國與出口國 中國碳化硅的產(chǎn)銷對于世界 碳化硅行業(yè)有著重要影響 但我國碳化硅行業(yè)目前絕大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)仍采用舊生 產(chǎn)工藝 而且生產(chǎn)技術(shù)十分落后 其生產(chǎn)特點是爐型小 供電時間短 生產(chǎn)周期 短 產(chǎn)品檔次不高 提高生產(chǎn)工藝技術(shù) 產(chǎn)品質(zhì)量 降低成本 開發(fā)新產(chǎn)品是當(dāng) 務(wù)之急 本書集理論與實踐于一體 對碳化硅生產(chǎn)原料 結(jié)構(gòu)性能 合成工藝技術(shù) 生產(chǎn) 技術(shù)條件 燒結(jié)技術(shù) 粉末制備技術(shù)及設(shè)備 碳化硅陶瓷材料制備 碳化硅質(zhì)耐 火材料制作技術(shù)作了詳細闡述 是現(xiàn)今碳化硅生產(chǎn)技術(shù)的集成 樺南報春磨料有限公司 2 第一章碳化硅生產(chǎn)原料概述 合成碳化硅所用的原料主要是以SiO2為主要成分的脈石英或石英砂 以及以C 為主成分的石油焦 低檔次的碳化硅也有以灰分低的無煙煤為原料的 輔助原料 有木屑和食鹽 脈石英是一種火成巖 由酸性巖漿分異后發(fā)育于其它巖石的縫隙 之中形成礦脈 其中有些呈乳白色半透明的礦石是制造碳化硅的優(yōu)質(zhì)原料 石英 砂包括河沙 海沙和湖沙 是一種沉積砂礦 由含石英的礦石經(jīng)自然力破碎 沖 擊而成 其中成分 粒度適宜者就可以做為冶煉碳化硅的原料 目前此種原料應(yīng) 用更為普遍 碳化硅有黑 綠兩個品種 冶煉綠碳化硅時要求硅質(zhì)原料中SiO2的含量盡可 能高 雜質(zhì)含量盡可能低 而冶煉黑碳化硅時 硅質(zhì)原料中的SiO2含量可以稍低 些 表1 1為對硅質(zhì)原料的成分要求 表表1 1 1 1硅質(zhì)原料的技術(shù)要求硅質(zhì)原料的技術(shù)要求 冶煉SiC品種SiO2含量 LOI 殘渣量 綠色碳化硅 99 3 0 4 0 6 黑色碳化硅 98 5 0 4 1 0 硅質(zhì)原料的粒度也是很重要的 一般可采用6 20 混合粒度砂 粒度過粗會 影響表面活性 過細則會降低爐料透氣性 對石油焦的要求是固定碳含量盡可能高 灰分含量小于1 2 揮發(fā)分小于 12 這樣才能提高碳化硅的產(chǎn)量與質(zhì)量 石油焦的粒度通?？刂圃?mm或1 5mm以 下 冶煉爐功率較大時粒度可適當(dāng)放粗一些 但是若石油焦粒度過粗 則C與SiO2 的反應(yīng)不易完全 碳化硅結(jié)晶層里容易夾雜炭粒 冶煉黑碳化硅要用到木屑 木屑是用來調(diào)整爐料透氣性能的 對其技術(shù)要求 無特別規(guī)定 但不要混入較多明顯的不潔物 木屑在爐料中的比例 因石英砂粒 度的不同而在0 10 體積百分數(shù) 范圍內(nèi)變動 一般約為3 5 體積百分 數(shù) 食鹽僅在冶煉綠碳化硅時采用 關(guān)于食鹽的作用說法不一 有說它可以加速 排除雜質(zhì) 也有說它可起催化作用 但不管如何 目前冶煉綠碳化硅時都要加入 食鹽 加入量通常為6 8 樺南報春磨料有限公司 3 第二章 碳化硅結(jié)構(gòu)及性能 第一節(jié)碳化硅晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)碳化硅晶體結(jié)構(gòu) 天然的碳化硅即碳硅石 又稱莫桑石 很少 工業(yè)上使用的碳化硅是一種人 工合成的材料 俗稱金剛砂 1891年由美國科學(xué)家艾奇遜首先以工業(yè)規(guī)模合成出 這種人造礦物 1904年法國人莫桑 首次在美國亞歷山大州的隕石里發(fā)現(xiàn)了這種 物質(zhì) 后來在金伯利巖 也稱角礫云母橄欖巖 中也有所發(fā)現(xiàn) 但含量甚微 沒 有開采價值 目前工業(yè)上所使用的碳化硅全部是人工合成產(chǎn)品 碳化硅是耐火材 料領(lǐng)域最常用的非氧化物耐火原料之一 以碳化硅為原料生產(chǎn)的粘土結(jié)合碳化硅 氧化物結(jié)合碳化硅 氮化硅結(jié)合碳化硅 重結(jié)晶碳化硅 反應(yīng)燒結(jié)滲硅碳化硅等 制品以及不定形耐火材料廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè)的高爐 煉鋅爐 陶瓷工業(yè)的窯具 等 碳化硅分子式為四面體 硅原子位于中心 周圍為碳原子 分子量為40 07 其中 含Si70 045 含C29 955 以共價鍵為主 共價鍵占88 結(jié)合而成的化合物 其基本單元為Si C四面體 硅原子位于中心 周圍為碳原子 所有結(jié)構(gòu)的SiC均 由Si C四面體堆積而成 所不同的只是平行堆積或者反平行堆積 如圖1 1所 示 第二節(jié)碳化硅的化學(xué)成分第二節(jié)碳化硅的化學(xué)成分 工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅砂除主成分SiC外 通常含有2 5 的雜質(zhì) 這些雜質(zhì)主要 有 1 游離硅 它一部分溶解于SiC晶體中 一部分與其雜質(zhì) 如鐵 鋁 鈣 等 形成合金而粘附于晶體上或嵌在晶體中 2 游離二氧化硅 通常存在于晶體表面 大都是由于電阻爐冷卻過程中SiC與空 樺南報春磨料有限公司 4 氣中氧氣或水蒸汽接觸氧化而生成的 當(dāng)配料中硅質(zhì)原料過剩時 它也會通過蒸 發(fā) 凝聚在碳化硅晶體表面上 爐內(nèi)還可能出現(xiàn)白色絨毛狀SiO2 3 碳 碳一部分包裹在SiC晶體 一部分和金屬雜質(zhì)形成碳化物 當(dāng)配料中碳過 量 時 可看到明顯的游離狀態(tài)的碳粒 4 鐵 鋁 鈣 鎂等 由于爐內(nèi)的高溫還原氣氛 含在結(jié)晶塊中的這些雜質(zhì)大都 呈合金狀態(tài)或碳化物狀態(tài) 鐵 鎂 鈣等雜質(zhì)不進入 晶格 而堆積在晶粒的 界面上和氣孔中 進入SiC晶格的主要雜質(zhì)有氮 鋁 硼等 它們對晶體的導(dǎo)電性 有重要影響 第三節(jié)碳化硅的色澤第三節(jié)碳化硅的色澤 純碳化硅是無色透明的結(jié)晶 工業(yè)碳化硅則有無色 淡黃色 淺綠色 深綠 色 淺藍色 深藍色乃至黑色 透明程度依次降低 按色澤一般將碳化硅分為黑 碳化硅 國內(nèi)常用代號C 表示 和綠碳化硅 代號GC 兩類 其中從無色的直到 深綠色的SiC都歸入綠碳化硅 暗藍色的至黑色的則都歸入黑碳化硅 碳化硅呈色的原因還未完全清楚 一般認為 多與各種雜質(zhì)的存在有關(guān) 當(dāng) 結(jié)晶中溶有較多的碳時 SiC結(jié)晶呈黑色 鋁對SiC色澤有較大影響 能使SiC結(jié)晶 呈棕黑色或黑色 硼也能使SiC結(jié)晶呈黑色 鐵的存在對綠碳化硅的形成無影響 有些稀土氧化物能使SiC結(jié)晶呈綠色或深綠色 另外 氮原子在SiC結(jié)晶中的分散 能使結(jié)晶變綠色 氮原子的濃度越大 則SiC結(jié)晶顏色越深 碳化硅的色澤與結(jié)晶 類型之間有一定的統(tǒng)計關(guān)系 綠碳化硅基本上都是6H型為主 由化學(xué)成分可知 黑碳化硅所含游離Si C 石墨狀 Fe2O3 Mg