碳化硅生产工艺

碳化硅的生产工艺和投资估算

碳化硅是人工合成的材料，其化学计量成分以克分子计：Si 50%、C 50%以质量计：Si 70.04%、C 29.96%，相对分子质量为40.09。

碳化硅有两种晶形：β-碳化硅类似闪锌矿结构的等轴晶系；α-碳化硅则为晶体排列致密的六方晶系。β-碳化硅约在2100℃转变为α-碳化硅。

碳化硅的物理性能：真密度α型3.22g/cm3、β型3.21g/cm3，莫氏硬度9.2，线膨胀系数为(4.7~5.0)×10-6 /℃，热导率(20℃)41.76W/(m·K)，电阻率(50℃)50Ω·cm，1000℃2Ω·cm，辐射能力0.95~0.98。

碳化硅的合成方法

(一)用二氧化硅和碳（煤）合成碳化硅

工业上合成碳化硅多以石英砂、石油焦（无烟煤）为主要原料，在电炉内温度在2000~2500℃下，通过下列反应式合成：

SiO2+3C SiC+2CO -46.8kJ(11.20kcal)

1. 原料性能及要求

各种原料的性能：石英砂，SiO2>99%，无烟煤的挥发分<5%。

2. 合成电炉

大型碳化硅冶炼炉的炉子功率一般为10000kW，

每1kg SiC电耗为6~7kW·h，生产周期升温时为26~36h，冷却24h。

3. 合成工艺

(1) 配料计算：

式中，C为碳含量，SiO2为二氧化硅含量，M=37.5。碳的加入量允许过量5%。炉内配料的重量比见表3。

表1 炉体内各部位装料的配比

项目上部中部下部

C/SiO20.64～0.65 0.64～0.65 0.59～0.61

食盐% 8～10 8～10 6～9

木屑/L 180 360 180

一般合成碳化硅的配料见表4。

表2合成碳化硅的配料

配料/% 绿SiC 黑SiC 配料/% 绿SiC 黑SiC

硅质材料32～56 44.5～59 食盐2～6 0～8

在碳化硅的生产过程中，回炉料的要求：包括无定形料、二级料，应满足下列SiC>80%，SiO2+Si<10%，固定碳<5%，杂质<4.3%。

焙烧料的要求：未反应的物料层必须配人一定的焦炭、木屑、食盐后做焙烧料。加入量(以100t计)焦炭0~50kg，木屑30~50L，食盐3%~4%。

保温料的要求：新开炉需要配保温料。焦炭与石英之比为0.6。如用乏料代特应符合如下要求：SiC<25%，SiO2+Si>35%，C 20%，其他<3.5%。

加入食盐的目的是为了排除原料的铁、铝等杂质，加人木屑是便于排除生成的一氧化碳。

(2) 生产操作：采用混料机混料，控制水分为2%~3%，混合后料容重为1.4~1.6g/cm3。

装料顺序是在炉底先铺上一层未反应料，然后添加新配料到一定高度(约炉芯到炉底的二分之一)，在其上面铺一层非晶形料，然后继续加配料至炉芯水平。

炉芯放在配料制成的底盘上，中间略凸起以适应在炉役过程中出现的塌陷。炉芯上部铺放混好的配料，同时也放非晶质料或生产未反应料，炉子装好后形成中间高、两边低（与炉墙平）。

炉子装好后即可通电合成，以电流电压强度来控制反应过程。当炉温升到1500℃时，开始生成β-SiC，从2100℃开始转化成α-SiC，2400℃全部转化成α-SiC。合成时间为26~36h，冷却24h后可以浇水冷却，出炉后分层、分级拣选。破碎后用硫酸酸洗，除掉合成料中的铁、铝、钙、镁等杂质。

工业用碳化硅的合成工艺流程，如图1所示。

图1合成碳化硅流程图

(四)合成碳化硅的理化性能

1. 合成碳化硅的化学成分

(一)合成碳化硅的国家标准(GB/T 2480—1981)见表5。

表3 碳化硅的国家标准（GB/T 2480—1981）

粒度范围

化学成分/%

SiC（不少于）游离碳（不多于）Fe2O3（不多于）

黑碳化硅12号至80号98.5 0.20 0.60

(2)密度：以46号粒度为代表号绿碳化硅不小于3.18g/cm 3；黑碳化硅不小于3.12g/cm 3。 (3)粒度组成：应符合GB/T 2477—1981《磨料粒度及其组成》的规定； (4)铁合金粒允许含量为零； (5)磁性物允许含量：不大于0.2%。 2. 相组成

工业碳化硅的相组成是以α-SiC Ⅱ型为主，含有一定量的β-SiC 。其总量为92%~99.5%，其中还有少量的α-SiC I 和

α-SiC Ⅲ型。

3. 物理性能

(1)真密度在3.12~3.22 g/cm 3，莫氏硬度为9.2一9.5，开始分解温度为2050℃。 (2)碳化硅试样的线膨胀系数和电阻率见表6，表7。

表4 各种温度SiC 的线膨胀系数

表5各种温度SiC 的电阻率

(3)碳化硅试样的热导率在500℃时，λ=64.4W/(m·K)，在875℃时入二41.4W/(m·K)。 (4)碳化硅在1400℃与氧气开始反应。在900~1300℃开始氧化、分离出SiO 2，或产生CO 气体。

(四)制备碳化硅的投资预算

总投资约11500~12000万元，建成年产11万吨左右的碳化硅生产基地。（主要设备：变压器，整流柜，高低压柜，碳化硅冶炼电炉等）

如果投资14000万元，可建成年产12.5 万吨左右的碳化硅生产基地。