Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ГЛАВА_4.doc
Скачиваний:
91
Добавлен:
12.02.2016
Размер:
414.21 Кб
Скачать

4.5. Технология производства карбида кремния

Карбид кремния (карборунд) широко применяется в качестве искусственного абразивного материала с высокой микротвердостью. Абразивный инструмент, изготовленный из карбида кремния (SiС), используют в металлообрабатывающей и металлургической промышленности для зачист-

____________________

*Нехамин С.М. и др. Плавка кремния в руднотермической печи на выпрямленном токе. Цветные металлы. 2000.22 С.6063

ки металлопродукции. Высокая термическая и химическая стойкость позволяет использовать его для изготовления огнеупоров. В сочетании с алюмосиликатными волокнами SiC, SiO2 входят в состав композиционных материалов.

В электрометаллургии кремния и кремнистых ферросплавов карборунд представляет интерес как промежуточный продукт в сложном физико-химическом процессе выплавки кремния технической чистоты, силикокальция, ферросилиция, силикоалюминия и др.

В природе карбид кремния встречается в виде муасса-нита (SiC), который обнаружен в Иркутской области в 1956г. и в песках Днепровско-Донецкой впадины в 1965г. Искусственный карбид кремния получают восстановлением SiО2 углеродом. Процесс в общем виде может быть представлен реакцией:

SiО2 + 3С = SiС + 2СO; ∆G = 555615 – 322,11Т.

Условие ∆G = 0 при рСО 100 кПа соблюдается при 1725 K. Плотность SiС равна 3,22 г/см3, температура разложения 2880 K, теплота образования ∆Н = 66,16 кДж/моль.

Различают черный и зеленый карбокорунд. Оба вида промышленного продукта получают в электрических печах, в которых рабочим сопротивлением является слой кокса (так называемый керн), а также непосредственно шихта, состоящая из углеродистого восстановителя и кварцевого песка. Для получения зеленого карбида кремния в шихту добавляют хлорид натрия, снижающий вредное влияние некоторых шихтовых примесей.

Обращают внимание на вредное влияние глинозема в кварцевом песке. Поэтому кварцевые пески подвергаются тщательной промывке. Однако не исключено, что оставшиеся примазки глины, а также зола восстановителей в восстановительных условиях могут образовывать комплексные карбиды типа Аl4SiС и Al4CSi4, имеющие различную стабильность*. При высоких температурах Аl4SiС4 может диссоциировать с образованием SiС, Аlг, Ст. Давление пара Аlг над системой Аl4SiС4–SiС–Ст зависит от температуры по выражению lgр(Па) = –1856/Т + 12143.

____________________________

*Calphad. Vol. 20. 2. pp 247-256, 1996. РЖ Химия. 2004. №7, реф. 04.07-19М.49. РЖ Химия. 2004. №9. реф. 04.09-19М.31.

По некоторым данным предположительно черный цвет промышленного карбида кремния обусловлен присутствием алюминия. Поваренная соль устраняет это влияние.

Единичная мощность печи сопротивления составляет 4000–4500 кВА. Печь представляет собой самоходную платформу, на концах которой размещены токоподводящие угольные электроды. На дно платформы насыпают возврат, кварцевый песок, а затем выкладывают из кускового нефтяного кокса керн, который и является в начальный период процесса рабочим сопротивлением. Сверху на керн насыпают реакционную шихту (рис. 4.11). Ниже приведен удельный расход шихтовых материалов и электроэнергии при получении черного (числитель) и зеленого (знаменатель) карбида кремния:

Расход материалов, кг/т:

песка кварцевого 1750/2000

антрацита 900/700

кокса нефтяного 300/600

опилок древесных 170/370

соли поваренной (NаСl) –/230

Расход электроэнергии, кВтч/т 8200/10000

Рис. 4.11. Самоходная электропечь сопротивления для получения

карбида кремния:

1 – тележка; 2 – механизм передвижения печи; 3 – узел токоподвода;

4 – торцевые стенки; 5 – съемные щиты; 6 – упорные стойки; 7 – шихта; 8 – керн; 9 – колесные пары

Кварцевый песок должен применяться чистым по примесям (99,6% SiO2; 0,3% FeО; 0,07% Аl2O3; 0,04% СаО; 0,03% Мg0; 0,02% ТiO2). В качестве восстановителя могут использоваться только малозольные углеродистые материалы: антрацит (3% золы, 93% Ст); нефтяной кокс (0,8% золы, 94% Ст, 5% летучих веществ, 3% влаги). В печь загружают 50–65 т шихты и 3200–4500 кг керна, затем ее подключают к печному трансформатору. Процесс получения карбокорунда контролируют в основном по расходу электроэнергии.

Для печи с установленной мощностью трансформатора 3500 кВт процесс считается законченным, если расход электроэнергии составляет 65–70 МВтч. Охлаждают печь в течение 24–32 ч, затем ее содержимое разбирают. Химический состав продуктов приведен табл. 4.6.

Таблица 4.6. Химический состав, %, продуктов получения зеленого карбокорунда

Продукт

Si

SiO2

SiC

Al2O3

Fe2O3

SiС(кусковой)

0,17

0,12

97,82

0,92

0,48

Аморфный

0,16

9,21

71,54

0,78

0,82

Сростки

13,45

70,11

1,33

0,69

Шихта

45,40

11,14

0,30

0,55

Силоксикон

35,14

36,50

3,60

0,52

Спеки

42,14

5,32

0,58

0,41

CaO

MgO

C

NaCl

п.п.п.

SiС(кусковой)

0,30

0,26

Аморфный

0,74

0,47

15,15

0,55

0,50

Сростки

4,60

0,26

0,03

0,46

Шихта

1,00

0,47

31,50

8,78

0,80

Силоксикон

2,30

0,30

14,65

6,98

Спеки

0,35

0,19

19,50

20,0

Кусковой SiС направляют на дальнейшую переработку для получения абразивного зерна различных классов, а «сростки», содержащие до 70% SiС, используют при выплавке ферросилиция, производстве огнеупорных масс, в составе углеродных масс для самообжигающихся электродов и других целей. Карбид кремния, вводимый в шихту для выплавки ферросилиция, сравнительно легко разрушается металлическим железом по реакции:

SiС + Fе = [Si]Fe + Ст.

Эта реакция может протекать до тех пор, пока содержание кремния в сплаве не достигнет 23–24% с образованием силикокарбида Fе5Si3Сx, находящегося в равновесии с карбидом кремния.

Промышленное производство карбида кремния сопровождается выделением большого объема газообразных продуктов химических реакций. В соответствии с конструкцией печи и способом ее загрузки СО, образующийся по реакции SiO2 + 3С = SiC + 2СO должен догореть до СО2. Однако по некоторым причинам имеет место неполное окисление СО до СО2, и часть СО поступает в окружающую среду. Сера, содержащаяся в углеродистых восстановителях, переходит в газообразную фазу в виде различных соединений. При t> 900оС SiС может взаимодействовать с парами серы по реакции

SiС + 4Sпар  SiS2 + СS2,

а также с галогенами с образованием вредных соединений.

Изложенное требует создания систем улавливания и очистки пылегазовых выбросов, что реализовано в промышленности

98

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]