碳化硅冶煉工藝設(shè)計(jì)初稿

1、攀枝花學(xué)院 本科課程設(shè)計(jì)碳化硅冶煉工藝設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：_王鑫林 學(xué)生學(xué)號(hào)：_201311101079 院（系）：_材料工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè)：2013級(jí)材料科學(xué)與工程3班 指導(dǎo)教師： 李亮 助理指導(dǎo)教師： 二一六年月攀枝花學(xué)院本科學(xué)生課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目碳化硅冶煉工藝1、課程設(shè)計(jì)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(shù)及生產(chǎn)流程，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問題和解決實(shí)際問題的能力。為進(jìn)一步進(jìn)行該工藝的研究打基礎(chǔ)。2、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）設(shè)計(jì)內(nèi)容：（1）設(shè)備選型；（2）工藝控制參數(shù)的選擇和設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)要求：（1）與生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合；（2）詳細(xì)數(shù)據(jù)分析、計(jì)

2、算。3、主要參考文獻(xiàn) 1 李游.碳化硅冶煉技術(shù) M.北京：中國(guó)致公出版社, 19982 崔小明.碳化硅的制備及應(yīng)用M.杭州化工，20003 崔小明.碳化硅的制備及應(yīng)用M.杭州化工，20004 李正峰. 金屬有機(jī)化學(xué)與催化M. 科學(xué)出版社，20005 張術(shù)兵，魏長(zhǎng)城，碳化硅的合成研究評(píng)述.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，20074、課程設(shè)計(jì)工作進(jìn)度計(jì)劃(1)、15周星期1（12月7日）下達(dá)任務(wù)，查詢資料；(2)、16周（12月14日12月18日）形成初稿；(3)、17周（12月21日12月25日）修改定稿。指導(dǎo)教師（簽字）日期年 月 日教研室意見：年 月 日學(xué)生（簽字）： 接受任務(wù)時(shí)間： 年 月 日摘 要1

3、 緒論碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)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(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅為應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的一種，可以稱為金鋼砂或耐火砂。 目前中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)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(guó)人艾奇遜在1891年電熔金剛石實(shí)驗(yàn)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室偶然發(fā)現(xiàn)的一種碳化物，當(dāng)時(shí)誤認(rèn)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(yè)冶煉碳化硅的方法，也就是大家常說

4、的艾奇遜爐，一直沿用至今，以碳質(zhì)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(yè)生產(chǎn)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?yàn)槠浔砻娈a(chǎn)生之二氧化硅保護(hù)層所致。碳化硅至少有70種結(jié)晶型態(tài)。-碳化硅為最常見的一種同質(zhì)異晶物，在高于2000 °C高溫下形成，具有六角晶系結(jié)晶構(gòu)造（似纖維鋅礦）。-碳化硅，立方晶系結(jié)構(gòu)，與鉆石相似，則在低于2000 °C生成。雖然在異相觸媒擔(dān)體的應(yīng)用上，因其具有比型態(tài)更高之單位表面積而引人注目，但直至今日，此型態(tài)尚未有商業(yè)上之應(yīng)用。因其3.2g/cm3的比重及較高的升華溫度（約2700 °

5、;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(dá)到的壓力下，它都不會(huì)熔化，且具有相當(dāng)?shù)偷幕瘜W(xué)活性。由于其高熱導(dǎo)性、高崩潰電場(chǎng)強(qiáng)度及高最大電流密度，在半導(dǎo)體高功率元件的應(yīng)用上，不少人試著用它來取代硅。此外，它與微波輻射有很強(qiáng)的耦合作用，并其所有之高升華點(diǎn)，使其可實(shí)際應(yīng)用于加熱金屬。碳化硅制品可以分為很多類，根據(jù)不同的使用環(huán)境，分為不同的種類。一般使用到機(jī)械上比較多。例如使用到機(jī)械密封件上，可以稱為碳化硅密封環(huán)，可以分為靜環(huán)、動(dòng)環(huán)、平環(huán)等。也可以根據(jù)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(huán)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

6、及較高的高溫強(qiáng)度等特點(diǎn)，這使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用在密封環(huán)上：碳化硅陶瓷的耐化學(xué)腐蝕性好、強(qiáng)度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系數(shù)小，且耐高溫，因而是制造密封環(huán)的理想材料。它與石墨材料組合配對(duì)時(shí)，其摩擦系數(shù)比氧化鋁陶瓷和硬質(zhì)合金小，因而可用于高PV值，特別是輸送強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的工況中使用。中國(guó)有碳化硅冶煉企業(yè)200多家，年生產(chǎn)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630012500kVA，最大冶煉變壓器為32000kVA。加工制砂、微粉生產(chǎn)企業(yè)300多家，年生產(chǎn)能力200多萬噸。2012年，中國(guó)碳化硅產(chǎn)能利用率不足45%。約三分之一

7、的冶煉企業(yè)有加工制砂微粉生產(chǎn)線。碳化硅加工制砂微粉生產(chǎn)企業(yè)主要分布在河南、山東、江蘇、吉林、黑龍江等省。中國(guó)碳化硅冶煉生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備和單噸能耗達(dá)到世界領(lǐng)先水平。黑、綠碳化硅原塊的質(zhì)量水平也屬世界級(jí)。中國(guó)碳化硅與世界先進(jìn)水平的差距主要集中在四個(gè)方面：一是在生產(chǎn)過程中很少使用大型機(jī)械設(shè)備，很多工序依靠人力完成，人均碳化硅產(chǎn)量較低；二是在碳化硅深加工產(chǎn)品上，對(duì)粒度砂和微粉產(chǎn)品的質(zhì)量管理不夠精細(xì)，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性不夠；三是某些尖端產(chǎn)品的性能指標(biāo)與發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品相比有一定差距；四是冶煉過程中一氧化碳直接排放。國(guó)外主要企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了封閉冶煉，而中國(guó)碳化硅冶煉幾乎全部是開放式冶煉，一氧化碳全部直排。2

8、012年，中國(guó)企業(yè)開發(fā)出了封閉冶煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一氧化碳全部回收，但是距離全行業(yè)普及還有很長(zhǎng)的路要走。根據(jù)中國(guó)機(jī)床工業(yè)協(xié)會(huì)磨料磨具專委會(huì)碳化硅專家委員會(huì)的數(shù)據(jù)，截至2012年底，全球碳化硅產(chǎn)能達(dá)260萬噸以上，產(chǎn)能達(dá)到1萬噸以上的國(guó)家有13個(gè)，占全球總產(chǎn)能的98%。其中中國(guó)碳化硅產(chǎn)能達(dá)到220萬噸，占全球總產(chǎn)能的84%。2 實(shí)驗(yàn)方法2.1碳化硅的性質(zhì)碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)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(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長(zhǎng)使用壽命12倍；用以制成的高級(jí)耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高，節(jié)能

9、效果好。低品級(jí)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(xué)成分，提高鋼的質(zhì)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(jí)，僅次于世界上最硬的金剛石（10級(jí)），具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時(shí)能抗氧化。純碳化硅是無色透明的晶體。工業(yè)碳化硅因所含雜質(zhì)的種類和含量不同，而呈淺黃、綠、藍(lán)乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。1 碳化硅晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中碳和硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成許多不同變體，已發(fā)現(xiàn)70余種。-SiC于2100以上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)?SiC。碳化

10、硅的工業(yè)制法是用優(yōu)質(zhì)石英砂和石油焦在電阻爐內(nèi)煉制。煉得的碳化硅塊，經(jīng)破碎、酸堿洗、磁選和篩分或水選而制成各種粒度的產(chǎn)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(shù)為(4.75.0)×10-6 /，熱導(dǎo)率(20)41.76W/(m·K)，電阻率(50)50·cm，1000 2·cm，輻射能力0.950.98。2.2碳化硅的合成方法2.2.1用二氧化硅和碳（煤）合成碳化硅工業(yè)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(nèi)溫度在20002500下，通過下列反應(yīng)式合成：SiO2+3C SiC+2CO -46.8kJ(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(fā)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(chǎn)周期升溫時(shí)為2636h冷卻24h。 3. 合成工藝 (1) 配料計(jì)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(nèi)配料的重量比見表1。表1 爐體內(nèi)各部位裝料的配比項(xiàng)目上部中部下部C/SiO20.64.650.64.650.