Silicio karbido (SiC) gamybos proceso santrauka

Silicio karbidasabrazyvai paprastai gaminami naudojant kvarcą ir naftos koksą kaip pirmines žaliavas. Parengiamajame etape šios medžiagos yra apdorojamos mechaniškai, kad būtų pasiektas norimas dalelių dydis, prieš jas chemiškai paskirstant į krosnies įkrovą.Krosnies įkrovos pralaidumui reguliuoti maišymo metu įpilama atitinkamo kiekio pjuvenų. Gaminant žalią silicio karbidą, į krosnies įkrovą taip pat įdedama tam tikras druskos kiekis.

Krosnies įkrova pakraunama į partijos tipo atsparumo krosnį, kurios abiejuose galuose yra galinės sienelės su grafito elektrodais, išdėstytais netoli centro. Krosnies šerdies korpusas jungia du elektrodus, apsuptus reaktyviųjų krosnies įkrovimo medžiagų, o izoliacinės medžiagos apgaubia išorinį perimetrą. Veikimo metu elektra įkaitina krosnies šerdį iki 2600–2700°C temperatūros. Šiluma nuo šerdies paviršiaus pereina į įkrovimo medžiagas, kurios, viršijant 1450°C, vyksta cheminėmis reakcijomis, sudarydamos silicio karbidą, išskirdamos anglies monoksidą.

Procesui tęsiantis, aukštos temperatūros zona plečiasi ir palaipsniui susidaro daugiau silicio karbido kristalų. Šie kristalai išgaruoja, migruoja ir auga krosnyje, galiausiai susiliedami į cilindrinę kristalizuotą masę. Šios masės vidinės sienelės patiria aukštesnę nei 2600 °C temperatūrą, sukelia skilimą, dėl kurio išsiskiria silicis, kuris vėliau rekombinuojasi su anglimi ir sudaro naują silicio karbidą.

Elektros energijos paskirstymas skiriasi trimis veikimo etapais:

1. Pradinė fazė: pirmiausia naudojama krosnies šildymui

2.Tarpinė fazė: padidinta silicio karbido susidarymo dalis

3. Galutinė fazė: Dominuoja šiluminiai nuostoliai

Optimalūs galios ir laiko santykiai sukurti siekiant maksimaliai padidinti šiluminį efektyvumą, o didelės apimties krosnyse įprasta darbo trukmė yra apie 24 valandas, kad būtų lengviau koordinuoti darbo eigą.

Eksploatacijos metu vyksta antrinės reakcijos, kuriose dalyvauja įvairios priemaišos ir druskos, dėl kurių medžiaga pasislenka ir sumažėja tūris. Susidaręs anglies monoksidas išsiskiria kaip atmosferos teršalas. Po maitinimo išjungimo likutinės reakcijos dėl šiluminės inercijos išlieka 3–4 valandas, nors ir žymiai sumažinto intensyvumo. Mažėjant paviršiaus temperatūrai, ryškėja nepilnas anglies monoksido degimas, todėl reikia ir toliau imtis darbo saugos priemonių.

Medžiagos po krosnies nuo išorinio iki vidinio sluoksnio susideda iš šių komponentų:

(1) ‌Nesureagavusi įkrovos medžiaga‌

Įkrovos dalys, kurios lydymo metu nepasiekia reakcijos temperatūros, lieka inertiškos ir naudojamos tik kaip izoliacija. Ši zona vadinama izoliacine juosta. Sudėtis ir panaudojimo būdai labai skiriasi nuo reakcijos zonos. Tam tikri procesai apima naujo įkrovimo įkrovimą į konkrečias izoliacinės juostos sritis krosnies pakrovimo metu, kuris paimamas po lydymo ir sumaišomas į reakcijos įkrovą kaip kalcinuota medžiaga. Arba nesureagavusi izoliacinės juostos medžiaga gali būti regeneruojama, pridedant kokso ir pjuvenų pakartotiniam naudojimui kaip išnaudotą įkrovą.

(2) ‌Oksiduoto silicio karbido sluoksnis‌

Šiame pusiau sureaguotame sluoksnyje daugiausia yra nesureagavusios anglies ir silicio dioksido (20–50 % jau paversta SiC). Pakitusi šių komponentų morfologija išskiria juos nuo išeikvoto krūvio. Silicio dioksido ir anglies mišinys sudaro amorfinius pilkai geltonus agregatus, turinčius laisvą rišlumą ir lengvai susmulkinančius esant slėgiui – skirtingai nei išnaudotas įkrovimas, kai silicio dioksidas išlaiko pradinį granuliuotumą.

(3) Surišimo sluoksnis

Kompaktiška pereinamoji zona tarp oksiduoto sluoksnio ir amorfinės zonos, kurioje yra 5-10% metalų oksidų (Fe, Al, Ca, Mg). Fazės sudėtį sudaro nesureagavęs silicio dioksidas/anglis (40-60 % SiC) ir silikatiniai junginiai. Atskirti nuo gretimų sluoksnių tampa sudėtinga, nebent priemaišų yra daug, ypač juodosiose SiC krosnyse.

(4) ‌Amorfinė zona‌

Dominuoja kubinis β-SiC (70–90 % SiC) su anglies dioksidu / silicio dioksidu (2–5 % metalų oksidų). Trapi medžiaga lengvai suyra į miltelius. Juodosios SiC krosnys sukuria juodas amorfines zonas, o žalios SiC krosnys gamina gelsvai žalius variantus, kartais su spalvų gradientais. Stambios silicio dioksido dalelės arba mažai anglies turintis koksas gali sudaryti porėtas struktūras.

(5) ‌Antrinės klasės SiC‌

Sudėtyje yra α-SiC kristalų (90–95 % grynumo), kurie yra per trapūs abrazyviniam naudojimui. Skirtingai nuo amorfinio β-SiC (miltelių pavidalo, nuobodu), antrinės klasės šešiakampės kristalinės gardelės su veidrodiniu blizgesiu. Skirstymas tarp vidurinių ir pradinių klasių yra grynai funkcinis, nors pirmosios gali išlaikyti porėtą struktūrą.

(6) ‌Pirminės klasės SiC kristalai‌

Pagrindinis krosnies produktas: masyvūs α-SiC kristalai (>96% grynumo, 50-450 mm storio). Šie sandariai supakuoti blokai atrodo juodi arba žali, o storis skiriasi priklausomai nuo krosnies galios ir vietos.

(7) grafito krosnies šerdis

Greta kristalinio cilindro suiręs SiC sudaro originalių kristalų struktūrų grafito kopijas. Vidinę šerdį sudaro iš anksto pakrautas grafitas su padidintu grafitizavimu po terminio ciklo. Abu grafito tipai yra perdirbami kaip pagrindinė medžiaga vėlesnėms krosnies partijoms.