Περίληψη της διαδικασίας παραγωγής καρβιδίου του πυριτίου (SiC).

Καρβίδιο του πυριτίουΤα λειαντικά παράγονται συνήθως χρησιμοποιώντας χαλαζία και οπτάνθρακα πετρελαίου ως πρωτογενείς πρώτες ύλες. Στο προπαρασκευαστικό στάδιο, αυτά τα υλικά υφίστανται μηχανική επεξεργασία για να επιτευχθεί το επιθυμητό μέγεθος σωματιδίων πριν αναλογιστούν χημικά στο φορτίο του κλιβάνου.Για να ρυθμιστεί η διαπερατότητα της γόμωσης του κλιβάνου, προστίθεται κατάλληλη ποσότητα πριονιδιού κατά την ανάμειξη. Για την παραγωγή πράσινου καρβιδίου του πυριτίου, μια ορισμένη ποσότητα αλατιού ενσωματώνεται επίσης στο φορτίο του κλιβάνου.

Το φορτίο του κλιβάνου φορτώνεται σε έναν κλίβανο αντίστασης τύπου παρτίδας, ο οποίος διαθέτει ακραία τοιχώματα και στα δύο άκρα με ηλεκτρόδια γραφίτη τοποθετημένα κοντά στο κέντρο. Το σώμα του πυρήνα του κλιβάνου συνδέει τα δύο ηλεκτρόδια, που περιβάλλονται από αντιδραστικά υλικά φορτίου κλιβάνου, ενώ τα μονωτικά υλικά περιβάλλουν την εξωτερική περίμετρο. Κατά τη λειτουργία, η ηλεκτρική ενέργεια θερμαίνει τον πυρήνα του κλιβάνου σε θερμοκρασίες μεταξύ 2600-2700°C. Η θερμότητα μεταφέρεται από την επιφάνεια του πυρήνα στα υλικά φορτίου, τα οποία, όταν ξεπεράσουν τους 1450°C, υφίστανται χημικές αντιδράσεις για να σχηματίσουν καρβίδιο του πυριτίου ενώ απελευθερώνουν μονοξείδιο του άνθρακα.

Καθώς η διαδικασία συνεχίζεται, η ζώνη υψηλής θερμοκρασίας επεκτείνεται, σχηματίζοντας προοδευτικά περισσότερους κρυστάλλους καρβιδίου του πυριτίου. Αυτοί οι κρύσταλλοι εξατμίζονται, μεταναστεύουν και αναπτύσσονται μέσα στον κλίβανο, εν τέλει συνενώνονται σε μια κυλινδρική κρυσταλλωμένη μάζα. Τα εσωτερικά τοιχώματα αυτής της μάζας αντιμετωπίζουν θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τους 2600°C, προκαλώντας αποσύνθεση που απελευθερώνει πυρίτιο, το οποίο στη συνέχεια ανασυνδυάζεται με άνθρακα για να σχηματίσει νέο καρβίδιο του πυριτίου.

Η διανομή ηλεκτρικής ενέργειας ποικίλλει σε τρεις λειτουργικές φάσεις:

1.Αρχική φάση: Χρησιμοποιείται κυρίως για φόρτιση κλιβάνου θέρμανσης

2. Ενδιάμεση φάση: Αυξημένη αναλογία σχηματισμού καρβιδίου του πυριτίου

3.Τελική φάση: Κυριαρχείται από θερμικές απώλειες

Οι βέλτιστες σχέσεις ισχύος-χρόνου αναπτύσσονται για τη μεγιστοποίηση της θερμικής απόδοσης, με τυπική διάρκεια λειτουργίας περίπου 24 ώρες για κλιβάνους μεγάλης κλίμακας για τη διευκόλυνση του συντονισμού της ροής εργασίας.

Κατά τη λειτουργία, συμβαίνουν δευτερογενείς αντιδράσεις που περιλαμβάνουν διάφορες ακαθαρσίες και άλατα, προκαλώντας μετατόπιση υλικού και μείωση όγκου. Το παραγόμενο μονοξείδιο του άνθρακα διαφεύγει ως ατμοσφαιρικός ρύπος. Μετά την απενεργοποίηση του ρεύματος, οι υπολειμματικές αντιδράσεις επιμένουν για 3-4 ώρες λόγω θερμικής αδράνειας, αν και σε σημαντικά μειωμένη ένταση. Καθώς οι επιφανειακές θερμοκρασίες μειώνονται, η ατελής καύση του μονοξειδίου του άνθρακα γίνεται πιο έντονη, καθιστώντας αναγκαία τη συνέχιση των μέτρων επαγγελματικής ασφάλειας.

Τα υλικά μετά τον φούρνο από τα εξωτερικά έως τα εσωτερικά στρώματα αποτελούνται από τα ακόλουθα συστατικά:

(1) ‌Υλικό φόρτισης που δεν αντέδρασε

Μέρη του φορτίου που αποτυγχάνουν να φτάσουν τη θερμοκρασία αντίδρασης κατά τη διάρκεια της τήξης παραμένουν αδρανή, χρησιμεύοντας αποκλειστικά ως μόνωση. Αυτή η ζώνη ονομάζεται ζώνη μόνωσης. Η σύνθεση και οι μέθοδοι χρήσης διαφέρουν σημαντικά από τη ζώνη αντίδρασης. Ορισμένες διαδικασίες περιλαμβάνουν φόρτωση φρέσκου φορτίου σε συγκεκριμένες περιοχές μονωτικής ζώνης κατά τη φόρτωση του κλιβάνου, το οποίο ανακτάται μετά την τήξη και αναμιγνύεται στο φορτίο αντίδρασης ως πυρωμένο υλικό. Εναλλακτικά, το υλικό μονωτικής ταινίας που δεν έχει αντιδράσει μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία αναγέννησης προσθέτοντας οπτάνθρακα και πριονίδι για επαναχρησιμοποίηση ως εξαντλημένο φορτίο.

(2) Οξειδωμένο στρώμα καρβιδίου του πυριτίου

Αυτό το στρώμα ημι-αντιδράσματος περιέχει κυρίως άνθρακα και πυρίτιο που δεν αντέδρασε (20-50% έχει ήδη μετατραπεί σε SiC). Η αλλοιωμένη μορφολογία αυτών των συστατικών τα διακρίνει από το εξαντλημένο φορτίο. Το μείγμα πυριτίου-άνθρακα σχηματίζει άμορφα γκριζοκίτρινα αδρανή με χαλαρή συνοχή, που κονιοποιείται εύκολα υπό πίεση—σε αντίθεση με το εξαντλημένο φορτίο όπου το πυρίτιο διατηρεί την αρχική κοκκοποίηση.

(3) Συγκολλητικό στρώμα

Μια συμπαγής μεταβατική ζώνη μεταξύ του οξειδωμένου στρώματος και της άμορφης ζώνης, που περιέχει 5-10% οξείδια μετάλλων (Fe, Al, Ca, Mg). Η σύνθεση φάσης περιλαμβάνει πυρίτιο/άνθρακα που δεν αντέδρασε (40-60% SiC) και πυριτικές ενώσεις. Η διαφοροποίηση από τα παρακείμενα στρώματα καθίσταται δύσκολη, εκτός εάν οι ακαθαρσίες είναι άφθονες, ιδιαίτερα σε φούρνους μαύρου SiC.

(4) Άμορφη ζώνη

Κυρίαρχα κυβικά β-SiC (70-90% SiC) με υπολειμματικό άνθρακα/πυρίτιο (2-5% οξείδια μετάλλων). Το εύθρυπτο υλικό θρυμματίζεται εύκολα σε σκόνη. Οι κάμινοι μαύρου SiC παράγουν μαύρες άμορφες ζώνες, ενώ οι πράσινοι φούρνοι SiC παράγουν κιτρινοπράσινες παραλλαγές — μερικές φορές με χρωματικές διαβαθμίσεις. Τα χονδρόκοκκα σωματίδια πυριτίου ή ο οπτάνθρακας χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα μπορεί να δημιουργήσουν πορώδεις δομές.

(5) SiC δευτεροβάθμιας ποιότητας

Περιλαμβάνει κρυστάλλους α-SiC (καθαρότητα 90-95%) πολύ εύθραυστους για λειαντική χρήση. Διακρίνεται από το άμορφο β-SiC (σκόνη, θαμπό), δευτερεύουσας ποιότητας παρουσιάζει εξαγωνικά κρυσταλλικά πλέγματα με λάμψη που μοιάζει με καθρέφτη. Η διαίρεση μεταξύ δευτεροβάθμιας και πρωτοβάθμιας τάξης είναι καθαρά λειτουργική, αν και η πρώτη μπορεί να διατηρεί πορώδεις δομές.

(6) ‌Κρυστάλλοι SiC πρωτοβάθμιας ποιότητας

Το κύριο προϊόν του κλιβάνου: τεράστιοι κρύσταλλοι α-SiC (καθαρότητα >96%, πάχος 50-450 mm). Αυτά τα σφιχτά συσκευασμένα μπλοκ φαίνονται μαύρα ή πράσινα, με πάχος που ποικίλλει ανάλογα με την ισχύ και την τοποθεσία του κλιβάνου.

(7) Πυρήνας κλιβάνου γραφίτη

Δίπλα στον κρυσταλλικό κύλινδρο, το αποσυντεθειμένο SiC σχηματίζει αντίγραφα γραφίτη των αρχικών κρυσταλλικών δομών. Ο εσωτερικός πυρήνας αποτελείται από προ-φορτωμένο γραφίτη με ενισχυμένη γραφιτοποίηση μετά από θερμική ανακύκλωση. Και οι δύο τύποι γραφίτη ανακυκλώνονται ως υλικό πυρήνα για τις επόμενες παρτίδες κλιβάνων.