1、攀枝花學院 本科課程設計碳化硅冶煉工藝設計 學生姓名：_王鑫林 學生學號：_201311101079 院（系）：_材料工程學院 年級專業：2013級材料科學與工程3班 指導教師： 李亮 助理指導教師： 二一六年十月攀枝花學院本科學生課程設計任務書題目碳化硅冶煉工藝1、課程設計的目的了解碳化硅的用途及前景，熟悉金屬碳化硅冶煉技術及生產流程，培養學生的動手能力、分析問題和解決實際問題的能力。為進一步進行該工藝的研究打基礎。2、課程設計的內容和要求（包括原始數據、技術要求、工作要求等）設計內容：（1）設備選型；（2）工藝控制參數的選擇和設計；設計要求：（1）與生產實際應用相結合；（2）詳細數據分析、

2、計算。3、主要參考文獻1 李游.碳化硅冶煉技術 M.北京：中國致公出版社, 19982 崔小明.碳化硅的制備及應用M.杭州化工，20003 李歡歡. 高性能碳化硅的成型及燒結工藝研究D.北京交通大學,2009.4 李正峰. 金屬有機化學與催化M. 科學出版社，20005 張術兵，魏長城，碳化硅的合成研究評述.材料科學與工程學報，20074、課程設計工作進度計劃(1)、9周星期一（10月24日）下達任務，查詢資料；(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。指導教師（簽字）日期年 月 日教研室意見：年 月 日學生（簽字）： 接受任務時間： 年

3、 月 日攀枝花學院本科課程設計（論文） 摘 要摘 要碳化硅是用石英砂、石油焦、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。天然的碳化硅很少，工業上使用的為人工合成原料，俗稱金剛砂，是一種典型的共價鍵結合的化合物。碳化硅是耐火材料領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 為主要成分的脈石，低檔次的碳化硅可用低灰分的無煙煤為原料。輔助原料為木屑和食鹽。目前我國工業生產的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體。大型碳化硅冶煉爐的爐子功率一般為10000kW，每1kg SiC電耗為67kW·h，生產周期升溫時為2636h，冷卻24h。硅質原料與石油焦在 2

4、0002500的電阻爐內通過以下反應生成碳化硅： SiO2+3CSiC+2CO -526.09Kj CO 通過爐料排出。加入食鹽可與 Fe、Al 等雜質生成氯化物而揮發掉。木屑使物料形成多孔燒結體，便于CO 氣體排出。關鍵詞 碳化硅，冶煉，原料，應用I攀枝花學院本科課程設計（論文） 1 緒論攀枝花學院本科課程設計（論文） 目 錄目 錄摘 要I1 緒論12 實驗方法32.1碳化硅的性質32.2碳化硅的合成方法32.2.1艾奇遜法32.2.2 ESK 法43 工藝過程53.1碳化硅冶煉用料53.1.1硅砂53.1.2石油焦炭53.2碳化硅冶煉爐63.2.1碳化硅電阻爐的結構63.2.2活動爐、山型

5、爐和U型爐63.2.3爐用功率的確定73.3冶煉碳化硅的配料計算83.4碳化硅冶煉操作步驟94 結論11參考文獻12攀枝花學院本科課程設計（論文） 1 緒論1 緒論碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。 碳化硅又稱碳硅石。在當代C、N、B等非氧化物高技術耐火原料中，碳化硅為應用最廣泛、最經濟的一種，可以稱為金鋼砂或耐火砂。 目前中國工業生產的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.203.25，顯微硬度為28403320kg/mm2。碳化硅是由美國人艾奇遜在18

6、91年電熔金剛石實驗時，在實驗室偶然發現的一種碳化物，當時誤認為是金剛石的混合體，故取名金剛砂，1893年艾奇遜研究出來了工業冶煉碳化硅的方法，也就是大家常說的艾奇遜爐，一直沿用至今，以碳質材料為爐芯體的電阻爐，通電加熱石英SiO2和碳的混合物生成碳化硅。純碳化硅為無色，而工業生產之棕至黑色系由于含鐵之不純物。晶體上彩虹般的光澤則是因為其表面產生之二氧化硅保護層所致。碳化硅至少有70種結晶型態。-碳化硅【1】為最常見的一種同質異晶物，在高于2000 °C高溫下形成，具有六角晶系結晶構造（似纖維鋅礦）。-碳化硅，立方晶系結構，與鉆石相似，則在低于2000 °C生成。雖然在異相

7、觸媒擔體的應用上，因其具有比型態更高之單位表面積而引人注目，但直至今日，此型態尚未有商業上之應用。因其3.2g/cm3的比重及較高的升華溫度（約2700 °C），碳化硅很適合做為軸承或高溫爐之原料物件。在任何已能達到的壓力下，它都不會熔化，且具有相當低的化學活性。由于其高熱導性、高崩潰電場強度及高最大電流密度，在半導體【2】高功率元件的應用上，不少人試著用它來取代硅。此外，它與微波輻射有很強的耦合作用，并其所有之高升華點，使其可實際應用于加熱金屬。碳化硅制品可以分為很多類，根據不同的使用環境，分為不同的種類。一般使用到機械上比較多。例如使用到機械密封件上，可以稱為碳化硅密封環，可以分

8、為靜環、動環、平環等。也可以根據客戶的特別要求，制作出各種形狀的碳化硅制品，例如碳化硅異形件，碳化硅板，碳化硅環等。碳化硅的制品之一的碳化硅陶瓷具有的高硬度、高耐腐蝕性以及較高的高溫強度等特點，這使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應用。在應用在密封環上：碳化硅陶瓷【3】的耐化學腐蝕性好、強度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系數小，且耐高溫，因而是制造密封環的理想材料。它與石墨材料組合配對時，其摩擦系數比氧化鋁陶瓷和硬質合金小，因而可用于高PV值，特別是輸送強酸、強堿的工況中使用。中國有碳化硅冶煉企業200多家，年生產能力220多萬噸（其中：綠碳化硅塊120多萬噸，黑碳化硅塊約100萬噸）。冶煉變壓器功率大

9、多為630012500kVA，最大冶煉變壓器為32000kVA。加工制砂、微粉生產企業300多家，年生產能力200多萬噸。2012年，中國碳化硅產能利用率不足45%。約三分之一的冶煉企業有加工制砂微粉生產線。碳化硅加工制砂微粉生產企業主要分布在河南、山東、江蘇、吉林、黑龍江等省。中國碳化硅冶煉生產工藝、技術裝備和單噸能耗達到世界領先水平。黑、綠碳化硅原塊的質量水平也屬世界級。中國碳化硅與世界先進水平的差距主要集中在四個方面：一是在生產過程中很少使用大型機械設備，很多工序依靠人力完成，人均碳化硅產量較低；二是在碳化硅深加工產品上，對粒度砂和微粉產品的質量管理不夠精細，產品質量的穩定性不夠；三是某

10、些尖端產品的性能指標與發達國家同類產品相比有一定差距；四是冶煉過程中一氧化碳直接排放。國外主要企業基本實現了封閉冶煉，而中國碳化硅冶煉幾乎全部是開放式冶煉，一氧化碳全部直排。2012年，中國企業開發出了封閉冶煉技術，實現了一氧化碳全部回收，但是距離全行業普及還有很長的路要走。根據中國機床工業協會磨料磨具專委會碳化硅專家委員會的數據，截至2012年底，全球碳化硅產能達260萬噸以上，產能達到1萬噸以上的國家有13個，占全球總產能的98%。其中中國碳化硅產能達到220萬噸，占全球總產能的84%。2攀枝花學院本科課程設計（論文） 2 實驗方法2 實驗方法2.1碳化硅的性質碳化硅由于化學性能穩定、導熱

11、系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機葉輪或汽缸體的內壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命12倍；用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強度高，節能效果好。低品級碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學成分，提高鋼的質量。此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），具有優良的導熱性能，是一種半導體，高溫時能抗氧化。純碳化硅是無色透明的晶體。工業碳化硅因所含雜質的種類和含量不同，而呈淺黃、綠、藍乃至黑色，透明度隨其純

12、度不同而異。碳化硅晶體結構分為六方或菱面體的 -SiC和立方體的-SiC（稱立方碳化硅)。-SiC由于其晶體結構中碳和硅原子的堆垛序列不同而構成許多不同變體，已發現70余種。-SiC于2100以上時轉變為-SiC。碳化硅的工業制法是用優質石英砂和石油焦在電阻爐內煉制。煉得的碳化硅塊，經破碎、酸堿洗、磁選和篩分或水選【4】而制成各種粒度的產品。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線膨脹系數為(4.75.0)×10-6 /，熱導率(20)41.76W/(m·K)，電阻率(50)50·cm，1000 2·cm，輻射

13、能力0.950.98。2.2碳化硅的合成方法2.2.1艾奇遜法艾奇遜法：傳統的艾奇遜法電阻爐的外形像一個長方形的槽子，它是有耐火磚砌成的爐床。兩組電極穿過爐墻深入爐床之中，專用的石墨粉爐芯體配置在電極之間，提供一條導電通道，通電時下產生很大的熱量。爐芯體周圍裝盛有硅質原料、石油焦和木屑等組成的原料，外部為保溫料。 熔煉時，電阻爐通電，爐芯體溫度上升，達到 2600左右，通過爐芯體表面傳熱給周圍的混合料，使之發生反應生成碳化硅，并逸出 CO 氣體。一氧化碳在爐表面燃燒生成二氧化碳，形成一個柔和、起伏的藍色至黃色火焰氈被，一小部分為燃燒的一氧化碳進入空氣。待反應完全并冷卻后，即可拆除爐墻，將爐料分

14、層分級揀選，經破碎后獲得所需粒度，通過水洗或酸堿洗、磁選等除去雜質，4攀枝花學院本科課程設計（論文） 2 實驗方法提高純度，再經干燥、篩選即得成品。 艾奇遜法設備簡單、投資少，廣泛為石階上冶煉 SiC 的工廠所采用。但該法的主要缺點在于無法避免粉塵和廢氣造成的污染，冶煉過程排出的廢氣無法收集和再利用，無法減輕取料和分級時的繁重體力勞動，同時爐子的長度也不夠，通常僅幾米至幾十米長，生產經濟性不高。2.2.2 ESK 法ESK 法 1973 年，德國 ESK 公司對艾奇遜法進行了改進，發展了 ESK 法。Esk 法的大型 SiC 冶煉爐建立在戶外，沒有端墻和側墻，直線性或 U 型電極位于爐子底部，

15、爐長達 60m，用聚乙烯袋子進行密封以回收爐內逸出的氣體，提取硫后將其通過管道小型火電廠發電。該爐可采用成本低、活性高、易反應的高硫分石油焦【5】或焦炭作為原料，將原料硫含量由原來的 1.5%提高到 5.0%。 14攀枝花學院本科課程設計（論文） 2 實驗方法攀枝花學院本科課程設計（論文） 3 工藝過程 3 工藝過程31碳化硅冶煉用料制造碳化硅結晶決所用原材料有三大類：(1)主要原料，包括硅砂和石油焦炭；(2)輔助材料，包括木屑和食鹽； (3)回收料，這里指的是焙燒料、細結晶、粘合物、保溫乏料、分解石墨相舊爐心體材料等。主要原料是制造碳化硅產品必不可少的，它提供基本化學反應的參與物。輔助材科不

16、直接參與基本的反應過程，如木屑只起使爐科透氣的作用，食鹽僅在綠碳化硅的形成中有促進作用，它們在某些條件下可以少用或不用。回收料的合理利用可節省許多原料，改善冶煉的技術經濟指標，但必須注意控制其質量。3.1.1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的同質多晶變體很多，其轉變系列如下：圖1SiO2同質多晶體轉變圖其中最常見的、在地球上分布最廣的是低溫石英，即日一石英，一般稱為石英而高溫石英(e一石英)則少見；其次分布較廣的為隱品質的石英，如五鐐、腰石、瑪蹈以及含水的二氧化硅一一蛋白石。SiO2，的高溫變體(鱗石英、方石英等)在自然界少

17、見，而多存在于人造硅酸鹽制品中。石英是分布很廣的礦物。在地殼中石英成分白百分之十二，僅次于長石。如果按化學成分來說，5iO：占地殼平均成分的59.8田，比其他任何成分都多。但是制造碳化硅所用的石英，要求純度較高(985以上)和一定的粒度，所以適用的主要是脈石英和石英砂。3.1.2石油焦炭工業上可資利用的含碳量南的材料很多，如石油焦炭、冶金焦炭(煤焦)、瀝青焦炭、泥焦炭、石墨、木炭等，但是滿足冶煉碳化硅需要的臺碳材料，不僅要求含職員高，而且要求有害物質(灰分)少，反應能力強和填充重量大我們強調填充重量，是因為它和碳化硅冶煉滬的產量有密切的關系：在其他條件相同時，含碳材料的填充重量愈大，裝入妒內的

18、單位容積中的有效碳成分就愈多，爐的產量就愈高 32碳化硅冶煉爐3.2.1碳化硅電阻爐的結構圖2 艾奇遜的最初的碳化硅冶煉爐它表示丁最早的冶煉碳化硅的電阻爐。這是一個用耐火磚做的砌床，里面裝有硅砂、焦炭、食鹽配成的混合料，兩根炭素電極深入砌床之中。專用的石墨爐心配置在電報之間，提供了一條最初的導電通路發電機接到電極上。大電流通過爐心，產生很大的熱量，包圍爐心的混合料按如下總的方程轉化為碳化硅： SiO2十3CSiC十2CO一氧化碳透過爐料跑出來，并在爐表面燃燒成二氧化碳成了個柔和的、起伏的、藍色至黃色的火焰氈被。 3.2.2活動爐、山型爐和U型爐上部分介紹的電阻爐是目前冶煉碳化硅應用最廣的固定式

19、長方槽型爐近年來又出現了一些新的爐型以適應不同的需要。下面介紹其中比較有影響的幾種。其中活動爐已得到比較廣泛的應用。一、活動爐 固定式電阻爐是把爐子砌筑在地面上，46個爐排成一列，與一臺變壓器相配合，稱為一組。這46個爐子交替進行裝爐、供電、冷卻、出爐、電爐準備等頃作業。其優點是結構簡單、造價低廉、維修方便。但是冶煉產生的高溫、一氧化破等有害氣體和各工序粉塵使作業環境惡劣，而且不便于生產的機械化；當采用固定變壓器時，一組滬中的各爐與變壓器距離遠近不一，設計上稍不注意就容易使各爐的電壓、功率因數等電氣參數相距其遠。二山型爐 為了便于爐的大型化并最大眼度地降低建筑成本，在七十年代西德發展了一種山型

20、爐。這種護是一種露天設置的固定爐，沒有端墻，也沒有傭。外表看來，只是一個堰成小山形的料堆，故稱山型爐。 在電爐中，碳質爐心水平地安置在爐料之中，電極以爐底電極的方式排布，通過一導體把它和爐心連接起來，這個連接體不是爐心的組成部分，而具有比爐心大得多的截面和小得多的電阻。它可由加入結合劑的焦炭、百里經搗實制成。這樣，連接體上的電熱不足以生成碳化硅，聯化桂只是圍繞爐心而形成。三、U型爐 西德肯普頓(Kempten)電冶公司在山型爐的基礎上進而發展了U型爐，其特點是爐心布置成型。該廠設在美國分廠的U型爐長36米，寬65米。變壓器容量15000千伏安，共三臺變壓器，每臺變壓據帶四臺爐子。變壓器的實際使

21、用容量為10000千伏安。 該爐爐料總裝入量為30 00噸，每爐送電150萬度，按電量停爐。該爐最大特點是每天可根據地區電網供電情況躲高峰停止送電由于爐子建得很大，并且是u型，停電時爐內溫度下降不多，所以爐子每天兩次躲峰停電，每次24小時，并不影響爐的產量和質量。每爐冶煉時間長達10一14天。由于送電時間長，結晶十分粗大。3.2.3爐用功率的確定 電阻爐的大小是由爐用功率決定的，而爐用功率又是由生產任務量決定的。所以我們首先介紹如何根據計劃的成品被化硅年產量確定爐用功率的方法。計算公式如下：P=（WTLZTLCTL+WTHZTHCTH）1TN式中P一爐用功率(千瓦)WTL一綠碳化硅結品塊的單位

22、耗電千瓦小時/噸WTH一黑碳化硅結晶塊的單位耗電(千瓦小時/噸ZTL一成品綠碳化硅的年產量(噸)；ZTH一成品黑隕化硅的年產量(噸)；CTL一綠碳化硅加工成品牟，可取8588；CTH一黑碳化硅加工成品率，可取8690T一年時基數，即變壓器的每年運行時致， 720080004、時；設備利用率，它是考慮到電阻爐停電至送電的切換時 間以及送電韌朗電阻爐不能達到規定功率等情況而規定的系數，可取5798； N一爐組數或變壓器臺數。33冶煉碳化硅的配料計算工業上合成碳化硅多以石英砂、石油焦（無煙煤）為主要原料在電爐內溫度在20002500下，通過下列反應式合成：SiO2+3C SiC+2CO -46.8k

23、J(11.20kcal)1. 原料性能及要求 各種原料的性能：石英砂，SiO2>99%，無煙煤的揮發分<5%。 2. 合成電爐 大型碳化硅冶煉爐的爐子功率一般為10000kW，每1kg SiC電耗為67kW·h，生產周期升溫時為2636h，冷卻24h。 3. 合成工藝 (1) 配料計算 M=C/C+SiO2 100 式中,C為碳含量,SiO2為二氧化硅含量,M=37.5。碳的加入量允許過量5%。爐內配料的重量比見表1。表1 爐體內各部位裝料的配比項目上部中部下部C/SiO20.64.650.64.650.590.61食鹽%81081069木屑/L180360180表2合成

24、碳化硅的配料 配料/%硅質材料炭質材料木屑食鹽非晶材料未反應料綠SiC3256184526265102535黑SiC44.559344431108在碳化硅的生產過程中，回爐料的要求：包括無定形料、二級料，應滿足下列SiC>80%，SiO2+Si<10%，固定碳<5%，雜質<4.3%。 焙燒料的要求：未反應的物料層必須配人一定的焦炭、木屑、食鹽后做焙燒料。加入量 (以100t計)焦炭050kg，木屑3050L，食鹽3%4%。 保溫料的要求：新開爐需要配保溫料。焦炭與石英之比為0.6。如用乏料代特應符合如下要求：SiC<25%，SiO2+Si>35%，C20%，

25、其他<3.5%。 加入食鹽的目的是為了排除原料的鐵、鋁等雜質加人木屑是便于排除生成的一氧化碳。34碳化硅冶煉操作步驟采用混料機混料，控制水分為2%3%，混合后料容重為1.41.6g/cm3。 裝料順序是在爐底先鋪上一層未反應料然后添加新配料到一定高度(約爐芯到爐底的二分之一)在其上面鋪一層非晶形料然后繼續加配料至爐芯水平。 爐芯放在配料制成的底盤上中間略凸起以適應在爐役過程中出現的塌陷。爐芯上部鋪放混好的配料同時也放非晶質料或生產未反應料爐子裝好后形成中間高、兩邊低與爐墻平。 爐子裝好后即可通電合成以電流電壓強度來控制反應過程。當爐溫升到1500時開始生成-SiC從2100開始轉化成-SiC，2400全部轉化成-SiC。合成時間為2636h，冷卻24h后可以澆水冷卻出爐后分層、分級揀選。破碎后用硫酸