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碳化硅的合成及应用环境

http://www.momo35.com   来源:网络  日期:2018/10/22

      碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好,除作磨料用外,还有很多其他用途。

        低品级碳化硅(含SiC约85%)是极好的脱氧剂,用它可加快炼钢速度,并便于控制化学成分,提高钢的质量。此外,碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。

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        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℃转变为碳化硅。

        碳化硅的生成

        (一)用二氧化硅和碳(煤)合成碳化硅

        反应式:Si02+3C→SiC+2CO

        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。

        (二)用金属硅合成碳化硅

        反应式:Si+C=SiC

        采用高纯度金属硅粉和高纯度碳粉(石墨粉)、在真空或保护气氛下加热合成。在1150~1250℃元素硅(Si)与碳(C)反应生成β-SiC,具有非晶态结构,到1350℃开始有β-SiC结晶。在2000℃生成β-SiC结晶。高于2000℃可生成α-SiC。

        用这种方法生产的碳化硅,虽然成本高,但可生产出高纯度的碳化硅材料。

        (三)用气体法合成碳化硅

        用四氯化硅(SiCl4)和碳氢化物(甲苯)反应,在1200~1800℃是生成SiC的最合适的温度。用化学计量比Si:C=1:1的硅有机化合物,甲基三氯硅烷热解可制取SiC。在1400~1900℃生成无色的SiC单晶体。

        用这种方法可以生产出高纯的半导体、单晶体SiC,可在难熔金属或其他化合物及石墨制品上制取致密的保护层。还可制取SiC高强度晶须及纤维。

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        (四)合成碳化硅的理化性能

        (1)合成碳化硅的国家标准(GB/T2480—1981)

        (2)密度:以46号粒度为代表号绿碳化硅不小于3.18g/cm3;黑碳化硅不小于3.12g/cm3;

        (3)粒度组成:应符合GB/T2477-1981《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%。

        碳化硅制品的应用

        (一)在冶金工业上的应用

        (1)炼铁。在炼铁高炉的炉缸、炉腹、炉腰及风口区使用碳化硅砖、氮化硅结合碳化硅砖或石墨碳化硅砖。在高炉风口上使用氮化硅结合的碳化硅套砖。在鱼雷罐和混铁炉的炉衬上,以及铁沟料、出铁口用的炮泥中使用含碳化硅的Al2O3-SiC-C复合砖和不定形材料。

        (2)炼钢。在炼钢方面,用碳化硅制成钢水测温套管,用含碳化硅的不烧砖做盛钢桶内衬,在连铸用长水口砖和整体塞棒上使用含碳化硅质的Al2O3-SiC-C砖。

        (3)轧钢。在轧钢加热炉上用刚玉碳化硅滑轨砖、非金属陶瓷换热器,在铁鱗还原炉上用碳化硅质马弗罩等。

        (二)在有色金属工业中的应用

        (1)炼铜。在炼铜方面,在电解铜熔化竖炉的烧嘴区等易损部位使用碳化硅砖。

        (2)炼铝。在炼铝方面,炼铝反射炉内衬、炉底、液面下侧墙用碳化硅砖或氮化硅、赛隆结合的碳化硅砖。炼铝的电解槽、流铝槽、出铝口、铸铝模都使用碳化硅砖。

        (3)炼锌。在炼锌方面,炼锌竖罐蒸馏炉、冷凝器及转子等热工设备使用碳化硅炉衬。电热蒸馏炉、电极孔、锌蒸气循环管及通道,冷凝器及转子等部位也使用碳化硅砖。锌精馏炉的塔盘也使用碳化硅制品。

        (4)炼镁炉。炼镁炉的炉衬、有色金属冶炼用的坩埚,使用碳化硅质耐火材料。

        (三)在建材工业上的应用

        (1)在陶瓷方面,用于生产日用陶瓷、建筑陶瓷、美术陶瓷、电子陶瓷等的隧道窑、梭式窑、罩式窑、倒焰窑等各种窑炉的碳化硅棚板、水平支柱、匣钵等。在隔焰窑上用碳化硅板做隔焰板、炉底等。在电炉上可做电炉衬套和马弗套。

        (2)在水泥回转窑上,耐磨碳化硅砖用做卸料口炉衬砖。

        (3)在玻璃工业上,用碳化硅砖砌筑罐式窑和槽式窑蓄热室的高温部位,玻璃退火炉和高压锅炉,以及垃圾焚烧炉燃烧室的内衬。

        (四)在石油化工方面的应用

        以硫酸分解食盐制造HCl和Na2S04时用碳化硅材料制造马弗套、制造硫酸用碳化硅雾化喷嘴、溢流槽。用氮化硅结合碳化硅材料制造即送泵零件、在催裂化装置用碳化硅做高温蒸气喷嘴,在纸浆生产中做分离亚硫酸盐蒸压釜内衬。用碳化硅制品做石油化工和热电厂各种锅炉的旋风除尘器的内衬。

        (五)在机械工业上的应用

        (1)做磨料、磨具。

        (2)在气体渗碳炉上做加热辐射管。

        (3)用碳化硅制造各种高温炉管、热电偶管、远红外反射板。

        (4)利用碳化硅材料的良好导电性能,可以制成非金属电热元件。

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