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解決方案

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碳化硅(SiC)又名金剛砂,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3.20~3.25,顯微硬度為2840~3320kg/mm2。


發展歷史

碳化硅是由美國人艾奇遜在1891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SiO?和碳的混合物生成碳化硅。

關于碳化硅的幾個事件:

1905年 第一次在隕石中發現碳化硅。

1907年 第一只碳化硅晶體發光二極管誕生。

1955年 理論和技術上重大突破,LELY提出生長高品質碳化概念,從此將SiC作為重要的電子材料。

1958年 在波士頓召開第一次世界碳化硅會議進行學術交流。

1978年 六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯進行研究。到1978年首次采用“LELY改進技術”的晶粒提純生長方法。

1987年~至今以CREE的研究成果建立碳化硅生產線,供應商開始提供商品化的碳化硅基。


物質品種

碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個常用的基本品種,都屬α-SiC。①黑碳化硅含SiC約95%,其韌性高于綠碳化硅,大多用于加工抗張強度低的材料,如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等。②綠碳化硅含SiC約97%以上,自銳性好,大多用于加工硬質合金、鈦合金和光學玻璃,也用于珩磨汽缸套和精磨高速鋼刀具。此外還有立方碳化硅,它是以特殊工藝制取的黃綠色晶體,用以制作的磨具適于軸承的超精加工,可使表面粗糙度從Ra32~0.16微米一次加工到Ra0.04~0.02微米。


理化性質

物質特性

碳化硅由于化學性能穩定、導熱系數高、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1~2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。

碳化硅至少有70種結晶型態。α-碳化硅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)。β-碳化硅,立方晶系結構,與鉆石相似,則在低于2000 °C生成,結構如頁面附圖所示。雖然在異相觸媒擔體的應用上,因其具有比α型態更高之單位表面積而引人注目,而另一種碳化硅,μ-碳化硅最為穩定,且碰撞時有較為悅耳的聲音,但直至今日,這兩種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。

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。


物質結構

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,透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結構分為六方或菱面體的 α-SiC和立方體的β-SiC(稱立方碳化硅)。α-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。β-SiC于2100℃以上時轉變為α-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、磁選和篩分或水選而制成各種粒度的產品。


制作工藝

由于天然含量甚少,碳化硅主要多為人造。常見的方法是將石英砂與焦炭混合,利用其中的二氧化硅和石油焦,加入食鹽和木屑,置入電爐中,加熱到2000°C左右高溫,經過各種化學工藝流程后得到碳化硅微粉。

碳化硅SiC)因其很大的硬度而成為一種重要的磨料,但其應用范圍卻超過一般的磨料。例如,它所具有的耐高溫性、導熱性而成為隧道窯或梭式窯的首選窯具材料之一,它所具有的導電性使其成為一種重要的電加熱元件等。制備SiC制品首先要制備SiC冶煉塊或稱:SiC顆粒料,因含有C且超硬,因此SiC顆粒料曾被稱為:金剛砂。但要注意:它與天然金剛砂(也稱:石榴子石的成分不同。在工業生產中,SiC冶煉塊通常以石英、石油焦等為原料,輔助回收料、乏料,經過粉磨等工序調配成為配比合理與粒度合適的爐料(為了調節爐料的透氣性需要加入適量的木屑,制備綠碳化硅時還要添加適量食鹽)經高溫制備而成。高溫制備SiC冶煉塊的熱工設備是專用的碳化硅電爐,其結構由爐底、內面鑲有電極的端墻、可卸式側墻、爐心體(全稱為:電爐中心的通電發熱體,一般用石墨粉或石油焦炭按一定的形狀與尺寸安裝在爐料中心,一般為圓形或矩形。其兩端與電極相連)等組成。該電爐所用的燒成方法俗稱:埋粉燒成。它一通電即為加熱開始,爐心體溫度約2500℃,甚至更高(2600~2700℃),爐料達到1450℃時開始合成SiC(但SiC主要是在≥1800℃時形成),且放出CO。然而,≥2600℃時SiC會分解,但分解出的si又會與爐料中的C生成SiC。每組電爐配備一組變壓器,但生產時只對單一電爐供電,以便根據電負荷特性調節電壓來基本上保持恒功率,大功率電爐要加熱約24 h,停電后生成SiC的反應基本結束,再經過一段時間的冷卻就可以拆除側墻,然后逐步取出爐料。

高溫煅燒后的爐料從外到內分別是:未反應料在爐中起保溫作用)、氧碳化硅羼(半反應料,主要成分是C與SiO)、粘結物層(是粘結很緊的物料層,主要成分是C、SiO?、40%~60%SiC以及Fe、Al、Ca、Mg的碳酸鹽)、無定形物層(主要成分是70%~90%SiC,而且是立方SiC即β-sic,其余是C、SiO?及Fe、Al、Ca、Mg的碳酸鹽)、二級品SiC層(主要成分是90%~95%SiC,該層已生成六方SiC即口一SiC,但結晶體較小、很脆弱,不能作為磨料)、一級品SiC層(SiC含量<96%,而且是六方SiC即口一SiC的粗大結晶體)、爐芯體石墨。在上述各層料中,通常將未反應料和一部分氧碳化硅層料作為乏料收集,將氧碳化硅層的另一部分料與無定形物、二級品、部分粘結物一起收集為回爐料,而一些粘結很緊、塊度大、雜質多的粘結物則拋棄之。而一級品則經過分級、粗碎、細碎、化學處理、干燥與篩分、磁選后就成為各種粒度的黑色或綠色的SiC顆粒。要制成碳化硅微粉還要經過水選過程;要做成碳化硅制品還要經過成型與結燒的過程。


產能

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)。冶煉變壓器功率大多為6300~12500kVA,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。


應用領域

碳化硅的用途十分廣泛,如:冶金、機械、化工、建材、輕工、電子、發熱體。磨料可作為冶金工業的凈化劑、脫氧劑和改良劑。在機械加工方面可作為合成硬質合金刀具;加工后的硅碳板可作為耐火材料用于陶瓷燒制的棚板。通過精加工后生產的微粉,可用于高科技電子元器件和遠紅外線輻射材料的涂料。高純度精微粉可供國防工業航空航天器皿的涂層。對國際國內各經濟領域的用途十分廣闊。 


用途分類

1、磨料:主要因為碳化硅具有很高硬度,化學穩定性和一定韌性,所以碳化硅能用于制造固結磨具、涂附磨具和自由研磨,從而來加工玻璃、陶瓷、石材、鑄鐵及某些非鐵金屬、硬質合金、鈦合金、高速鋼刀具和砂輪等。

2、耐火材料和耐腐蝕材料:主要因為碳化硅具有高熔點(分解溫度)、化學惰性和抗熱振性,所以碳化硅能用于磨具、陶瓷制品燒成窯爐中用棚板和匣缽、煉鋅工業豎缸蒸餾爐用碳化硅磚、鋁電解槽襯、坩鍋、小件爐材等多種碳化硅陶瓷制品。

3、化工用途:因為碳化硅可在溶融鋼水中分解并和鋼水中游離氧、金屬氧化物反應生成一氧化碳和含硅爐渣。所以它可作為冶煉鋼鐵凈化劑,即用作煉鋼脫氧劑和鑄鐵組織改良劑。這一般使用低純度碳化硅,以降低成本。同時還可以作為制造四氯化硅原料。

4、電工用途:用作加熱元件、非線性電阻元件和高溫半導體材料。加熱元件如硅碳棒(適用于1100~1500℃工作各種電爐),非線性電阻元件,各式避雷閥片。高科技電子元器件和遠紅外線輻射材料的涂料等。


行業分類

火電行業應用

?    輸煤系統:斗輪機筒體、皮帶頭料斗 、落煤斗 、原煤斗、 給煤機(抗沖擊陶瓷)

?    制粉系統:磨煤機出口管道彎頭至直管2米處(抗沖擊陶瓷)、磨煤機出口管道直管2米以上、木塊(木屑)分離器、粗粉分離器進口管及錐體、粗粉分離器粉管及彎頭、細粉分離器粉管及錐體、 排粉機窩殼、一次風管彎頭、燃煤器錐體、煙道尾部、中速磨、磨煤機桶體、分離擋板、內錐斗、出口管道、一次風管及彎頭、風扇磨、煤粉管道及彎頭

?    除塵系統:除塵管道及彎頭

?    排灰系統:除灰管道 、除渣分場、干灰風選機內殼

?    脫硫系統:石膏漿液管道、石灰石漿液管道、閥門、旋流器

?    循環流化床爐:石灰石管路、除灰管路、旋風分離器內襯

鋼鐵行業應用

?    原料輸料系統:皮帶頭部料斗、皮帶頭部料倉、臺車三通斗、授料斗 

?    配料系統:混合料倉、一次混合圓筒、二次混合圓筒、混合圓盤、造球盤 

?    燒結料輸送系統:振動篩下選礦料斗、遠距離選礦料斗、料倉、 

?    除塵、排灰系統:除塵管道、彎頭、三通、落灰管、機尾除塵管 

?    焦化系統:焦炭料斗

?    煉鐵噴煤系統:錐斗、分離擋板、出口管、 煤粉管道、燃燒器錐體、鋼球磨、出口管、粗粉分離器、 細粉分離器、煤粉管道、彎頭、排粉機內殼 

煤炭行業應用

?    輸煤系統:料斗、料倉、介質輸送管路、洗選設備給料管路、洗選設備排料管路、無壓自流管路、洗煤廠各類輸送管道、重介質旋流器

水泥行業應用 

?    輸料系統:皮帶頭部料斗、料倉、皮帶機裙板、臺車三通斗、授料斗、

?    配料系統:混合料倉、一次混合圓筒、二次混合圓筒、混合圓盤、造球盤

?    燒結料輸送系統:振動篩下選礦料斗、原料運輸溜槽、旋風除塵器及其管路、耐磨風機葉輪

?    除塵、排灰系統:除塵管道、彎頭、三通、落灰管、機尾除塵管

?    焦化系統:焦炭料斗、漏斗、焦炭轉運溜槽、耐磨抗沖擊焦炭接收漏斗、煤轉運溜槽、皮帶運輸機裙板、格皮篩

?    煉鐵噴煤系統:中速磨、錐料斗、分離器擋板、出口管、煤粉管道、燃燒器錐體、鋼球磨、出口管、粗粉分離器、細粉分離器、煤粉管道、彎頭、排粉機內殼、葉輪

化工行業應用

?    輸料系統:料斗、料倉

?    除塵系統:除塵管道

港口行業應用:輸料系統、泊位固定漏斗、斗輪機固定漏斗、皮帶機轉運站固定漏斗、卸船機料斗 

礦山行業應用

?    輸料系統:料斗、料倉、精礦管路、尾礦管路、回填礦物、

?    粉磨系統:輸料槽和料斗內襯、出口管道

?    選礦系統:振動溜槽、旋流器

機械行業應用:電廠設備、輸煤設備、制粉設備、除塵設備、排灰設備、鋼廠設備、輸料設備、除塵設備、阻力平衡器、礦山設備、 料斗、料倉、各類磨損大設備

冶煉行業應用

?    輸料系統:頭部溜子、中間倉、尾部倉、振動篩料槽、焦炭斗、計量斗

?    配料系統:配料斗、一次(二次)混合機

?    焙燒系統:單倉泵焙砂管、配料斗、灰斗、中間倉料斗 

?    除塵系統:除塵管道及彎頭 


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