Краткое описание процесса производства карбида кремния (SiC)

Карбид кремнияабразивы обычно производятся с использованием кварца и нефтяного кокса в качестве основного сырья. На подготовительном этапе эти материалы подвергаются механической обработке для достижения желаемого размера частиц перед химическим дозированием в шихту.Для регулирования проницаемости шихты при перемешивании добавляют соответствующее количество опилок. Для производства зеленого карбида кремния в шихту также вводят определенное количество соли.

Шихту загружают в печь сопротивления периодического типа, имеющую с обоих концов торцевые стенки и графитовые электроды, расположенные ближе к центру. Корпус печи соединяет два электрода, окруженных химически активными материалами шихты, а изоляционные материалы покрывают внешний периметр. Во время работы электроэнергия нагревает сердцевину печи до температуры 2600-2700°C. Передача тепла от поверхности активной зоны к шихтовым материалам, которые при превышении температуры 1450°С вступают в химические реакции с образованием карбида кремния с выделением оксида углерода.

По мере продолжения процесса высокотемпературная зона расширяется, постепенно образуя больше кристаллов карбида кремния. Эти кристаллы испаряются, мигрируют и растут внутри печи, в конечном итоге объединяясь в цилиндрическую кристаллизованную массу. Внутренние стенки этой массы подвергаются воздействию температур, превышающих 2600°C, что приводит к разложению с выделением кремния, который затем ресоединяется с углеродом, образуя новый карбид кремния.

Распределение электроэнергии варьируется в зависимости от трех этапов эксплуатации:

1. Начальная фаза: в основном используется для нагрева шихты печи.

2. Промежуточная фаза: увеличение доли образования карбида кремния.

3. Завершающая фаза: преобладают тепловые потери.

Оптимальные соотношения мощности и времени разработаны для максимизации тепловой эффективности, при этом типичная продолжительность работы крупногабаритных печей составляет около 24 часов, что облегчает координацию рабочего процесса.

В процессе эксплуатации происходят вторичные реакции с участием различных примесей и солей, вызывающие перемещение материала и уменьшение объема. Образующийся угарный газ выбрасывается в атмосферу как загрязнитель. После отключения электроэнергии остаточные реакции сохраняются в течение 3-4 часов из-за тепловой инерции, хотя и со значительно сниженной интенсивностью. По мере снижения температуры поверхности неполное сгорание угарного газа становится более выраженным, что требует постоянного принятия мер по охране труда.

Послепечные материалы от наружного до внутреннего слоев состоят из следующих компонентов:

(1) ‌Непрореагировавший шихтовый материал‌

Части шихты, не достигшие температуры реакции во время плавки, остаются инертными и служат исключительно изоляцией. Эта зона называется изоляционной полосой. Состав и способы утилизации существенно отличаются от зоны реакции. Некоторые процессы включают загрузку свежей шихты в определенные области изоляционных полос во время загрузки печи, которая извлекается после плавки и смешивается с реакционной шихтой в виде прокаленного материала. Альтернативно, непрореагировавший материал изоляционной ленты может быть подвергнут регенерационной обработке путем добавления кокса и опилок для повторного использования в качестве отработанной загрузки.

(2) «Слой окисленного карбида кремния»

Этот полупрореагировавший слой в основном содержит непрореагировавший углерод и кремнезем (20-50% уже преобразованы в SiC). Измененная морфология этих компонентов отличает их от отработанного заряда. Смесь кремнезема и углерода образует аморфные серо-желтые агрегаты с рыхлой связностью, легко измельчаемые под давлением - в отличие от отработанной шихты, где кремнезем сохраняет первоначальную зернистость.

(3) ‌Связывающий слой‌

Компактная переходная зона между окисленным слоем и аморфной зоной, содержащая 5-10% оксидов металлов (Fe, Al, Ca, Mg). Фазовый состав включает непрореагировавший кремнезем/углерод (40-60% SiC) и силикатные соединения. Отличие от соседних слоев становится затруднительным, если примесей не много, особенно в печах для черного карбида кремния.

(4) «Аморфная зона»

Преимущественно кубический β-SiC (70–90% SiC) с остаточным углеродом/кремнеземом (2–5% оксидов металлов). Рыхлый материал легко рассыпается в порошок. Печи с черным SiC дают черные аморфные зоны, а печи с зеленым SiC дают желтовато-зеленые варианты, иногда с цветовыми градиентами. Крупные частицы кремнезема или низкоуглеродистый кокс могут создавать пористые структуры.

(5) «SiC среднего качества»

Состоит из кристаллов α-SiC (чистота 90–95%), слишком хрупких для абразивного использования. В отличие от аморфного β-SiC (порошкового, матового), вторичный сорт имеет гексагональные кристаллические решетки с зеркальным блеском. Разделение на вторичные и первичные сорта чисто функциональное, хотя первые могут сохранять пористую структуру.

(6) «Кристаллы SiC первичного качества»

Основная продукция печи: массивные кристаллы α-SiC (чистота >96%, толщина 50-450 мм). Эти плотно упакованные блоки кажутся черными или зелеными, а толщина зависит от мощности печи и местоположения.

(7) ‌Графитовый сердечник печи‌

Рядом с кристаллическим цилиндром разложившийся SiC образует графитовые копии исходных кристаллических структур. Внутренний сердечник состоит из предварительно загруженного графита с повышенной графитизацией после термоциклирования. Оба типа графита перерабатываются в качестве основного материала для последующих партий печи.