Il processo di fusione del carburo di silicio nero (SiC) impiega principalmente il processo Acheson, un metodo di fusione in forno a resistenza ad alta temperatura. Il flusso principale del processo è il seguente:
1. Preparazione delle materie prime
Materie prime principali: sabbia di quarzo (contenuto di SiO₂ ≥ 98%) e coke di petrolio (contenuto di carbonio ≥ 98%), con piccole quantità di segatura e cloruro di sodio (NaCl) come materiali ausiliari.
Proporzionamento: in base alla formula di reazione del carburo di silicio SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑, nella produzione effettiva è necessario un leggero eccesso di carbonio (circa il 3-5%) per compensare le perdite per ossidazione.
Pretrattamento: le materie prime devono essere frantumate e setacciate fino a ottenere particelle di dimensioni adeguate (in genere 0,5-5 mm per la sabbia di quarzo e 0,2-2 mm per il coke di petrolio) e miscelate uniformemente.
2. Caricamento del forno e preparazione del nucleo
Struttura del forno: forno a resistenza fissa rettangolare o circolare, con mattoni refrattari che rivestono il fondo e pareti laterali rimovibili.
Nucleo del forno: al centro del corpo del forno è posizionato un nucleo conduttivo in polvere di grafite o materiale in carburo di silicio riciclato (che funge da elemento riscaldante).
Caricamento: la miscela viene disposta a strati e riempita attorno al nucleo del forno, mentre l’esterno viene ricoperto con materiale isolante (ad esempio polvere di coke o sabbia di quarzo) per la conservazione del calore.
3. Fusione elettrolitica Riscaldamento
elettrico: una bassa tensione e una corrente elevata (circa 5000-10000 A) vengono applicate attraverso gli elettrodi su entrambe le estremità del nucleo del forno, aumentando gradualmente la temperatura del nucleo del forno fino a 2000-2500 ℃.
Processo di reazione:
A partire da circa 1400°C, il SiO₂ viene ridotto dal carbonio per produrre SiO e CO gassosi:
SiO₂ + C → SiO↑ + CO↑
La SiO in fase gassosa reagisce con il carbonio per formare SiC:
SiO + 2C → SiC + CO↑
Infine, attorno al nucleo del forno si forma uno strato cristallino di carburo di silicio.
Tempo di fusione: energizzazione continua per circa 24-40 ore, il tempo specifico dipende dalle dimensioni e dalla potenza del forno.
4. Raffreddamento e smantellamento del forno
Raffreddamento naturale: dopo un’interruzione di corrente, il corpo della caldaia deve raffreddarsi lentamente (circa 7-14 giorni) per evitare un raffreddamento rapido che potrebbe causare crepe da cristallizzazione.
Smontaggio del forno: rimuovere lo strato isolante ed estrarre i blocchi cristallini di carburo di silicio.
5. Classificazione e lavorazione
Prodotto dell’area centrale: l’area che circonda il nucleo del forno è costituita da blocchi cristallini di carburo di silicio nero ad alta purezza (α-SiC, cristalli esagonali).
Elaborazione a strati:
Grado 1: zona cristallina densa, contenuto di SiC ≥97%, utilizzato per la produzione di abrasivi di alta qualità e materiali refrattari.
Grado 2: contiene più impurità, utilizzato come additivi metallurgici, ecc.
Zona amorfa: miscela non completamente reagita, riciclabile.
Lavorazioni successive: frantumazione, vagliatura, lavaggio acido (per rimuovere le impurità metalliche), separazione magnetica, classificazione idraulica, ecc., per ottenere prodotti finiti di diverse granulometrie.
6. Processi ausiliari chiave
Trucioli di legno: aumentano la permeabilità della carica del forno, facilitando lo scarico del gas CO.
Utilizzo del sale: reagisce con impurità come alluminio e ferro presenti nelle materie prime per formare cloruri che volatilizzano, purificando così il materiale.
Trattamento dei gas di scarico: la fusione genera una grande quantità di gas CO, che deve essere raccolto, utilizzato o bruciato per prevenire l’inquinamento.
Caratteristiche e sfide del processo:
elevato consumo energetico: la produzione di 1 tonnellata di carburo di silicio consuma circa 8000-10000 kWh di elettricità.
Controllo critico della temperatura: una temperatura insufficiente porta a una reazione incompleta, mentre una temperatura eccessiva provoca la decomposizione del SiC.
Requisiti ambientali: il gas e la polvere di CO devono essere trattati; i processi moderni spesso includono sistemi di recupero del calore di scarto.
Moderne indicazioni di miglioramento:
Tipo di forno più grande: aumento della produzione di un singolo forno (fino a migliaia di tonnellate).
Controllo dell’automazione: ottimizza la curva di accensione per ridurre il consumo energetico.
Fusione verde: recupero dei gas di scarico per la produzione di energia, riciclaggio dei rifiuti.