碳化硅的合成及碳化硅耐火材料的性能及用途

碳化硅是人工合成的材料，其化學(xué)計量成分以克分子計：Si50%、C50%，以質(zhì)量計：Si 70.04%、C 29.96%，相對分子質(zhì)量為40.09。

碳化硅的合成及碳化硅耐火材料的性能及用途

Si-C二元系統(tǒng)相圖，碳化硅無一致熔融點。在封閉系統(tǒng)中、在總壓為101kPa的條件下，碳化硅在2735℃分解成石墨和富硅熔體。此溫度也是形成碳化硅結(jié)晶的高溫度。在開放系統(tǒng)中，碳化硅約在2300℃左右開始分解、形成氣態(tài)硅和殘余石墨，如圖9-1所示。

碳化硅約在2300℃左右開始分解、形成氣態(tài)硅和殘余石墨

碳化硅有兩種晶形：β-碳化硅類似閃鋅礦結(jié)構(gòu)的等軸晶系；α-碳化硅則為晶體排列致密的六方晶系。β-碳化硅約在2100℃轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟�硅�?br />
一、碳化硅的合成

（一）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2000~2500℃下，通過下列反應(yīng)式合成：

Si02+3C→SiC+2CO-46.8kJ(11.20kcal)

1.原料性能及要求

各種原料的性能

回爐料的要求：包括無定形料、二級料，應(yīng)滿足下列要求：SiC>80%,Si02+Si<10%,固定碳<5%,雜質(zhì)<4.3%。

焙燒料的要求：未反應(yīng)的物料層需要配入一定的焦炭、木屑、食鹽后做焙燒料。加人量(以100t計）焦炭0~50kg，木屑30~50L,食鹽3%~4%。

保溫料的要求：新開爐需要配保溫料。焦炭與石英之比為0.6。如用乏料代替應(yīng)符合如下要求：SiC<25%，Si02+Si>35%，C20%，其他<3.5%。

2.合成電爐

爐子長度為7~17m,寬度為1.8~4m，高度1.7~3m。長方形電極塊固定在兩個端墻上,并要伸入到爐子內(nèi)部。為了防止電極的氧化，在電極塊上涂上涂料。

爐芯是由焦炭塊構(gòu)成，粒度為50~100mm，是用以通電的。爐子功率一般為750~2500kW，每1kgSiC電耗為7~9kW.h，生產(chǎn)周期升溫時間為26~36h,冷卻24h。

3.合成工藝

(1)配料計算：

配料計算

式中，C為碳含量，Si02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9-3。

爐內(nèi)配料的重量比

合成碳化硅的配料

加入食鹽的目的是為了排除原料的鐵、鋁等雜質(zhì)，加人木屑是便于排除生成的一氧化碳。

(2)生產(chǎn)操作：采用混料機混料，控制水分為2%~3%,混合后料容重為1.4~1.6g/cm3。裝料順序是在爐底先鋪上一層未反應(yīng)料，然后添加新配料到一定高度（約爐芯到爐底的二分之一），在其上面鋪一層非晶形料，然后繼續(xù)加配料至爐芯水平。

爐芯放在配料制成的底盤上，中間略凸起以適應(yīng)在爐役過程中出現(xiàn)的塌陷。爐芯上部鋪放混好的配料，同時也放非晶質(zhì)料或生產(chǎn)未反應(yīng)料，爐子裝好后形成中間高、兩邊低（與爐墻平）。

爐子裝好后即可通電合成，以電流電壓強度來控制反應(yīng)過程。當爐溫升到1500℃時，開始生成β-SiC,從2100℃開始轉(zhuǎn)化成α-SiC，2400℃全部轉(zhuǎn)化成α-SiC。合成時間為26~36h,冷卻24h后可以澆水冷卻，出爐后分層、分級揀選。破碎后用硫酸酸洗，除掉合成料中的鐵、鋁、鈣、鎂等雜質(zhì)。

工業(yè)用碳化硅的合成工藝流程

（二）用金屬硅合成碳化硅反應(yīng)式：Si+C=SiC

采用高純度金屬硅粉和高純度碳粉（石墨粉）、在真空或保護氣氛下加熱合成。在1150~1250℃元素硅（Si)與碳（C)反應(yīng)生成β-SiC，具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，到1350℃開始有β-SiC結(jié)晶。在2000℃生成β-SiC結(jié)晶。高于2000℃可生成α-SiC。

用這種方法生產(chǎn)的碳化硅，雖然成本高，但可生產(chǎn)出高純度的碳化硅材料。

（三）用氣體法合成碳化硅

用四氯化硅（SiCl4)和碳氫化物（甲苯）反應(yīng)，在1200~1800℃是生成SiC的合適的溫度。用化學(xué)計量比Si:C=1:1的硅有機化合物，甲基三氯硅烷熱解可制取SiC。在1400~1900℃生成無色的SiC單晶體。

用這種方法可以生產(chǎn)出高純的半導(dǎo)體、單晶體SiC,可在難熔金屬或其他化合物及石墨制品上制取致密的保護層。還可制取SiC高強度晶須及纖維。

（四）合成碳化硅的理化性能

(1)合成碳化硅的國家標準（GB/T2480—1981)見表9-5。

合成碳化硅的國家標準（GB/T2480—1981)

(2)密度：以46號粒度為代表號綠碳化硅不小于3.18g/cm3;黑碳化硅不小于3.12g/cm3；

(3)粒度組成：應(yīng)符合GB/T2477-1981《磨料粒度及其組成》的規(guī)定；

(4)鐵合金粒允許含量為零；

(5)磁性物允許含量：不大于0.2%。

二、各種碳化硅制品的性能

（一）各種碳化硅制品的化學(xué)成分

各種碳化硅制品的化學(xué)成分見表9-68。

各種碳化硅制品的化學(xué)成分

（二）各種碳化硅磚制品的顯氣孔率及體積密度各種碳化硅制品的顯氣孔率及體積密度見表9-49。

各種碳化硅制品的顯氣孔率及體積密度各種碳化硅制品的顯氣孔率及體積密度

（三）各種碳化硅制品的耐壓強度各種碳化硅制品的耐壓強度見表9-70。

各種碳化硅制品的耐壓強度各種碳化硅制品的耐壓強度

（四）各種破化硅制品的平均線膨脹系數(shù)各種碳化硅制品的平均線膨脹系數(shù)見表9-71。

各種破化硅制品的平均線膨脹系數(shù)各種碳化硅制品的平均線膨脹系數(shù)

（五）各種碳化硅制品的熱導(dǎo)率

各種碳化硅制品的平均溫度的熱導(dǎo)率見表9-72。

各種碳化硅制品的熱導(dǎo)率

（六）各種碳化硅制品的使用性能

三、碳化硅制品的應(yīng)用

碳化硅制品的應(yīng)用

（一）在冶金工業(yè)上的應(yīng)用

(1)煉鐵。在煉鐵高爐的爐缸、爐腹、爐腰及風(fēng)口區(qū)使用碳化硅磚、氮化硅結(jié)合碳化硅磚或石墨碳化硅磚。在高爐風(fēng)口上使用氮化硅結(jié)合的碳化硅套磚。在魚雷罐和混鐵爐的爐襯上，以及鐵溝料、出鐵口用的炮泥中使用含碳化硅的Al2O3-SiC-C復(fù)合磚和不定形材料。

(2)煉鋼。在煉鋼方面，用碳化硅制成鋼水測溫套管，用含碳化硅的不燒磚做盛鋼桶內(nèi)襯,在連鑄用長水口磚和整體塞棒上使用含碳化硅質(zhì)的Al2O3-SiC-C磚。

(3)軋鋼。在軋鋼加熱爐上用剛玉碳化硅滑軌磚、非金屬陶瓷換熱器，在鐵鱗還原爐上用碳化硅質(zhì)馬弗罩等。

（二）在有色金屬工業(yè)中的應(yīng)用

(1)煉銅。在煉銅方面，在電解銅熔化豎爐的燒嘴區(qū)等易損部位使用碳化硅磚。

(2)煉鋁。在煉鋁方面，煉鋁反射爐內(nèi)襯、爐底、液面下側(cè)墻用碳化硅磚或氮化硅、賽隆結(jié)合的碳化硅磚。煉鋁的電解槽、流鋁槽、出鋁口、鑄鋁模都使用碳化硅磚。

(3)煉鋅。在煉鋅方面，煉鋅豎罐蒸餾爐、冷凝器及轉(zhuǎn)子等熱工設(shè)備使用碳化硅爐襯。電熱蒸餾爐、電極孔、鋅蒸氣循環(huán)管及通道，冷凝器及轉(zhuǎn)子等部位也使用碳化硅磚。鋅精餾爐的塔盤也使用碳化硅制品。

(4)煉鎂爐。煉鎂爐的爐襯、有色金屬冶煉用的坩堝，使用碳化硅質(zhì)耐火材料。

（三）在建材工業(yè)上的應(yīng)用

(1)在陶瓷方面，用于生產(chǎn)日用陶瓷、建筑陶瓷、美術(shù)陶瓷、電子陶瓷等的隧道窯、梭式窯、罩式窯、倒焰窯等各種窯爐的碳化硅棚板、水平支柱、匣缽等。在隔焰窯上用碳化硅板做隔焰板、爐底等。在電爐上可做電爐襯套和馬弗套。

(2)在水泥回轉(zhuǎn)窯上，耐磨碳化硅磚用做卸料口爐襯磚。

(3)在玻璃工業(yè)上，用碳化硅磚砌筑罐式窯和槽式窯蓄熱室的高溫部位，玻璃退火爐和高壓鍋爐，以及垃圾焚燒爐燃燒室的內(nèi)襯。

（四）在石油化工方面的應(yīng)用

以硫酸分解食鹽制造HCl和Na2S04時用碳化硅材料制造馬弗套、制造硫酸用碳化硅霧化噴嘴、溢流槽。用氮化硅結(jié)合碳化硅材料制造即送泵零件、在催裂化裝置用碳化硅做高溫蒸氣噴嘴，在紙漿生產(chǎn)中做分離亞硫酸鹽蒸壓釜內(nèi)襯。用碳化硅制品做石油化工和熱電廠各種鍋爐的旋風(fēng)除塵器的內(nèi)襯。

（五）在機械工業(yè)上的應(yīng)用

(1)做磨料、磨具。

(2)在氣體滲碳爐上做加熱輻射管。

(3)用碳化硅制造各種高溫爐管、熱電偶管、遠紅外反射板。

(4)利用碳化硅材料的良好導(dǎo)電性能，可以制成非金屬電熱元件。

 

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