碳化硅培训课件

神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
碳化硅用途



1、磨料；绿碳化硅具较高的硬度和一定的韧性；多用于加工光学玻璃、 硬质合金、钛合金以及轴承钢的研磨抛光、高速钢刀具的刃磨等。黑碳 化硅多用于切割和研磨抗强度低的材料，如；有色金属、灰铸铁工件、 玻璃、陶瓷、石材和耐火制品；微粉磨料专用于轴承的超精磨、其特点 是磨削效率和精度高。 2、耐火材料：碳化硅具有很好的抗热震性能，因此是一种优质耐火材 料，按制品的生产工艺不同可分为再结晶碳化硅、制品、高温热压制品、 以氮化硅或粘土为结合剂的制品等，主要产品及用途有；高温炉窑构件、 支撑件、如匣体衬板等，在电炉中作加热式炉底、换热器、热电 偶套 管等；炼铁高炉用于出铁槽，铁水包内衬或碳化硅耐火砖等，焦化厂使 用碳化硅材料衬砌炽热焦炭用流槽，砌筑碳化室炉底等。 3、冶金行业：多用于各种冶炼的耐火内衬，炼钢脱氧剂，铸铁组织改 良等；比焦炭、硅粉等传统炼钢脱氧剂效果好，可使钢材质量提高；电 工行业：多用于电热原件高温半导体材料、远红外线板，避雷器阀片材 料等。化工行业利用碳化硅的稳定性制作各种化工管道、阀门等 。用 于电镀法将碳化硅微粉涂敷于汽（水）轮机叶轮上，可以大大提高叶轮 的耐磨性能，由于碳化硅具有优良的高温强度和抗氧化性能，它以成为 高温非氧化物陶瓷的主要原材料。
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
第三部分


碳化硅冶炼用料
三、辅助材料和回炉料
盐主用作用是促进碳化硅产品呈绿色，但负作用较大，如下：
（1）盐加多了，单位体积炉料中有效成分（SIO2 C）就ห้องสมุดไป่ตู้了 （2）由于盐的熔体及溶液是电的良导体，会增加冶炼炉的漏电 （3）盐的蒸发到炉料外层冷凝，使物料结块，恶化透气性 （4）盐对设备、炉体、炉墙腐蚀损坏作用较大 （5）需要增加焙烧料水洗操作
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
第一部分

碳化硅的理化性质
一、碳化硅的物理性能
碳化硅：具有硬度高、耐高温、化学稳定性和导热性好特点，成为 优良的耐火材料；同时它具有半导体性质使得是一种好的高温半导体； 它的强度和耐热冲击性能高而成为功能陶瓷的代表性材料。


主要把握四个方面：
硬度：1（滑石）2（石膏）3（方解石）4（萤石）5（磷灰石）6（钾长 石）7（石英玻璃）8（水晶）9（黄玉）10 （石榴石）11（熔融锆石） 12（棕刚玉）13（黑碳化硅）14（碳化硼）15（金刚石）。 颜色：工业碳化硅按其颜色分为黑、绿两个品种，高纯碳化硅是无色的。 通常将黄色、无色归入绿碳化硅，蓝色归入黑碳化硅。 粒度：各号磨料产品都不是单一尺寸的颗粒，也不是尺寸仅在两个相邻 筛网孔径之间的粒群，它们都是跨越几个筛号的若干个粒群的组合。粒 度组成以各粒群所占的重量百分数表示。 颗粒密度：黑、绿碳化硅 堆积密度：黑、绿碳化硅 3.20克∕cm3 1.3-1.6克∕cm3
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
—加强工艺管理 —努力提高各级管理人 员的专业业务素质和管 理水平
主
讲——胡风伟
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
基层工艺管理存在的问题

对生产工艺的情况不了解，造成问题发现不及时、不准确； 数据上报中，原料、产量、产品指标有异常不进行分析，落 实不到位。当设备出现故障时没有分析影响生产的环节问题；



神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
第一部分 碳化硅的理化性质 二、碳化硅的化学成分
碳化硅的分子式：SIC


其中SI占70.045﹪，C占 29.955﹪.除了F.C和Fe2O3外，碳化硅磨料中常见的 杂质还有游离硅、游离SIO2、AL、Ga、Mg等。 存在形式：F.Si一部分溶解在碳化硅晶体中，一部 分与其他金属杂质成合金状态存在。F.SiO2通常存 在与晶体表面，F.C一部分包裹在碳化硅晶体中，一 部分和金属杂质形成碳化物，Fe、AL、Ga 、Mg大都 呈合金状态或碳化物状态 杂质的影响：一般来说，随着碳化硅的粒度变细， 其纯度因杂质成分增加而降低，这主要是因为杂质 往往较SIC晶体易于破碎以及碳化硅采用表面分析法 的缘故。


。
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
第三部分 碳化硅冶炼用料 制造碳化硅结晶块主要有三大材料 一碳质材料：石油焦碳、沥青焦炭、无烟煤等 二硅质材料：石英砂 三辅助材料：食盐、细结晶、粘合物、分解石墨、
焙烧料、木屑、氯化物等。
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
第三部分


碳化硅冶炼用料

细结晶、粘合物：增加炉产，降低单位电耗、物耗。 分解石墨：炉芯制作 焙烧料：是一种特殊的未反应料，它是把碳质材料与硅质材料按一定
配比配成炉料在冶炼炉的底部或侧部，利用炉内温度将物料中的挥发份 排除，颗粒聚合以增大透气性，可供下一次投入反应区使用。

木屑：增加物料透气性
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂

神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
第三部分


碳化硅冶炼用料
二、碳质原料
工业上可以利用的含碳量高的材料很多，如石油焦炭、冶金 焦炭、沥青焦炭、石墨、木炭等。 适用碳化硅冶炼的碳质材料有三种：低灰分无烟煤、石 油焦炭、沥青焦炭。在我国目前条件下，石油焦炭主要用于 冶炼绿质碳化硅，低灰分无烟煤主要用于冶炼黑质碳化硅。 沥青焦炭因产量较低未被采用，有文献显示在美国、加拿大 广泛采用。


碳化硅的脱氧性：由于碳化硅本质上是容易被氧化 的，而且在1600 ℃以上温度下氧化作用十分明显， 因此在高温下可以作为脱氧剂使用，尤其是在炼钢 中被广泛使用。
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
第二部分


碳化硅的生成
一、与碳化硅形成过程有关的元素及化合物
碳系：碳原子量12 原子序数6 熔点3550 ℃ 沸点4827 ℃。 碳在自然界中有三种同位素异形体：无定型碳、石墨、金刚 石、富勒烯、石墨烯。 硅系：硅原子量28 原子序数14 熔点1420 ℃沸点2355 ℃.硅 有无定型硅（褐色）与结晶硅（银灰色、金属光泽）两种。 碳-氧系：碳氧化气氛中主要生成CO2，还原气氛中（如碳化 硅冶炼炉中）则生成CO。空气中CO含量在0.16—0.2﹪时， 人在1—1.5小时后死亡，大于0.5 ﹪时人在15分钟后死亡。 硅-氧系：硅和氧的主要化合物SIO2，它占地球59.08%，熔 点1710 ℃沸点2227 ℃在1200--1350 ℃直接转化为方石英。 在碳化硅冶炼炉内发生的正式这种反应。 碳-硅系：在碳硅系中唯一的固相二元化合物就是碳化硅。

管理人员责任心、职业素质和业务能力参差不齐，凸显管理 执行力落实不到位；
主动学习的意识和积极性不高，生产现场问题掌握不及时； 解决不及时

神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
碳化硅发展史


1893年 艾奇逊 发表了第一个制碳化硅的专利，该专利提出 了制取碳化硅的工业方法，其主要特点是，在以碳制材料为 炉芯的电阻炉中通过加热二氧化硅和碳的混合物，使之相互 反应，从而生成碳化硅，到1925年卡普伦登公司，又宣布研 制成功绿碳化硅。 我国的碳化硅于1949年6月由 赵广和 研制成功，1951年6月， 第一台制造碳化硅的工业炉在第一砂轮厂建成，从此结束了 中国不能生产碳化硅的历史，到1952年8月，第一砂轮厂， 在东北科学院、大连科学研究所曹子让的指导下，又试制成 功了绿碳化硅。
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
第三部分 碳化硅冶炼用料 二、硅质材料
硅砂是制造碳化硅的主要原料之一 脉石英：一种火成岩，它是由酸性岩浆分异后，发育 于其它岩石的缝隙之中而形成矿脉的。它主要由 SIO2结晶的集合体连生在一起，具有平坦的或鳞纹 状断口。其矿脉厚度可达数米至数十米，长度延绵 数十米至数百米。呈半透明或乳白色。 石英砂：有河砂、海砂、湖砂等，是一种沉积砂矿。 它是由含石英的矿石经自然力破碎、冲击而成。 冶炼绿质碳化硅，应选择纯度高于99.3%的硅砂，否则 需要加入过多的盐，既影响技术经济指标，又不容 易稳定产品质量。 冶炼黑质碳化硅时，硅砂纯度高于98.5%就可以了。



神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
第二部分 碳化硅的生成 二、碳化硅生成的过程的几个观点
第一种观点认为碳与氧在高温下先把二氧化硅还原成硅，硅 与碳发生化合反应生成碳化硅： SIO2+2C=SI+2CO SI+C=SIC 第二种观点二氧化硅在高温下先被碳还原为一氧化硅，再生 成二氧化硅： SIO2+C=SIO+CO SIO+2C=SIC+CO 第三种观点认为因该是二氧化硅与碳作用直接生成碳化硅 SIO2+2C=SIC+CO2
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
第二部分 碳化硅的生成 三、碳化硅生成的过程的分析
根据热力学1541 ℃反应开始发生，1803 ℃以上那种反应 物的蒸汽压力高，那种反应占优势。同一温度下，SIO的蒸 汽压比SI和SIO2的蒸汽压力都要高，因此，一些美、日文献 倾向第三种观点，认为工业碳化硅的形成如下：
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
第一部分 碳化硅的理化性质 三、碳化硅的化学性质

抗氧化性：碳化硅在1000℃的高温下很容易氧化， 但是氧化作用生成了一层二氧化硅薄膜，使得碳化 硅制品可以在1600 ℃的高温下长期稳定使用。 对酸、碱、氧化物和化学元素的稳定性：2000℃以 下一般不受酸性物质侵蚀（浓磷酸除外），除在 1300 ℃的氧化气氛下极易被硅酸钠侵蚀外，对于其 他具有较高的高温稳定性。
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
——加强工艺管理，增强工艺管控能力 努力提高各级管理人员的业务素质和管理水平



第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 第五部分 第六部分 第七部分 第八部分
碳化硅的理化性质 碳化硅的生成 碳化硅的用料 炉料组成 碳化硅冶炼炉 碳化硅加工 热平衡与物料平衡 环境污染及其防治
SIO2(石英) →SIO2（方石英) SIO2（方石英）+C →SIO(气)+CO (气) SIO(气)+2C →SIC+CO(气)
神宁集团太西炭基工业有限公司—碳化硅厂
第二部分 碳化硅的生成


四、温度、压力和原料粒度对碳化硅生成过程的影响
温度：一般的说，化学反应的速度随着温度的升高而增大。工业碳化硅 生成总的来说是一个吸热反应，根据吕.查德里定律升高温度将促进这一 反应的发生，观察冶炼后的结晶筒，发现越是靠近炉芯的高温区，反应 越彻底。但在温度超过2600 ℃时已经生成的碳化硅将分解，分解物将二 次生成。 压力：根据反应方程式可见它是一个大量产生CO气体的过程，根据吕.查 德里定律，如果这些气体不能顺利排出，势必加大炉内压力，阻碍反应 继续进行，严重时发生喷炉。但一定的压力有利于大颗粒结晶的生成。 原料粒度：碳化硅的生成是固相反应，减小原料的粒度有助于反应的进 行。碳质原料在反应中是相对静止的，二氧化硅变成硅化剂在炉内扩散。 因此碳质原料粒度要相对小一些，二氧化硅粒度要大一些。
第三部分
四

碳化硅冶炼用料
碳化硅晶体生长
在冶炼炉内碳化硅晶体发育有下列规律 1、晶体大小由炉芯表面层向外逐渐减小，愈靠近炉芯的晶体 愈大，离炉芯愈远晶体愈小。 2、靠近炉芯的晶体粗大，结成清晰的放射状链条，这就说明 在高温时分解的气体，到低温区再次结晶。 3、在链状结构中，晶体的方向是一定的，晶体的六角片总是 顺着链条方向、垂直于炉的轴向。(这说明结晶体内的压力是 向外扩散的) 4、不同部位晶体的发育是不均衡的，这和炉料的透气性是密 切相关。（比如；炉头部分和炉芯上部） 5、在靠近炉芯的碳化硅层中，有时会出现空腔，由下部通向 侧部及上部，使结晶筒内表面凹凸不平，空腔内呈溶化状态， 有时长着大片晶体；（这说明结晶筒内、炉芯温度高、且压 力较大）
一、粉、粒料基本性质
一般将粉粒料按其大小划分为两大类：小于1毫米的为粉料；大于一毫米 的为粒料。 （1）增快反应速度:粒子间的的接触表面积是影响基本化学反应速度重要 因素之一。 （2）均化混合：原料粉体化有利于混合均匀，可避免碳化硅冶炼炉内碳过 量或硅过量。 （3）便于不同成分的分离：为了剔除物料中某些有害的包裹物，如硅石中 的铁质，必须减小其尺寸，使包裹物分裂出来，才能进行分离操作。 （4）提高流动性：固体原料粉体化后，具有较高的流动性，便于输送，也 便于仓口放料。 粉、粒料的特点： （1）不连续性（2）表面积大（3）形状的不规则性（4）磨损性 粒度分布：冶炼用料的粒度分布通常用筛析法测定。 填充性质：粉粒料的填充性质指料层内部粒子在空间的排列状态，一般 主要研究静止时的粉粒料。填充性质有粉粒料的物理性质决定，它与粉 料的压缩性、热学性质、电性质、填充层内流体流动等问题有密切关系。 休止角