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碳化硅的合成及碳化硅耐火材料的性能及用途
发布时间：2017/12/4 16:41:35 点击率： 来源:艾米 作者：荣盛耐材碳化硅是人工合成的材料，其化学计量成分以克分子计：Si50%、C50%，以质量计：Si 70.04%、C 29.96%，相对分子质量为40.09。
碳化硅的合成及碳化硅耐火材料的性能及用途
Si-C二元系统相图，碳化硅无一致熔融点。在封闭系统中、在总压为101kPa的条件下，碳化硅在2735℃分解成石墨和富硅熔体。此温度也是形成碳化硅结晶的高温度。在开放系统中，碳化硅约在2300℃左右开始分解、形成气态硅和残余石墨，如图9-1所示。
碳化硅约在2300℃左右开始分解、形成气态硅和残余石墨
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。
一、碳化硅的合成
（一）用二氧化硅和碳（煤）合成碳化硅
工业上合成碳化硅多以石英砂、石油焦（无烟煤）为主要原料，在电炉内温度在2000~2500℃下，通过下列反应式合成：
Si02+3C→SiC+2CO-46.8kJ(11.20kcal)
1.原料性能及要求
各种原料的性能
回炉料的要求：包括无定形料、二级料，应满足下列要求：SiC>80%,Si02+Si<10%,固定碳<5%,杂质<4.3%。
焙烧料的要求：未反应的物料层需要配入一定的焦炭、木屑、食盐后做焙烧料。加人量(以100t计）焦炭0~50kg，木屑30~50L,食盐3%~4%。
保温料的要求：新开炉需要配保温料。焦炭与石英之比为0.6。如用乏料代替应符合如下要求：SiC<25%，Si02+Si>35%，C20%，其他<3.5%。
2.合成电炉
炉子长度为7~17m,宽度为1.8~4m，高度1.7~3m。长方形电极块固定在两个端墙上,并要伸入到炉子内部。为了防止电极的氧化，在电极块上涂上涂料。
炉芯是由焦炭块构成，粒度为50~100mm，是用以通电的。炉子功率一般为750~2500kW，每1kgSiC电耗为7~9kW.h，生产周期升温时间为26~36h,冷却24h。
3.合成工艺
(1)配料计算：
配料计算
式中，C为碳含量，Si02为二氧化硅含量，M=37.5。碳的加入量允许过量5%。炉内配料的重量比见表9-3。
炉内配料的重量比
合成碳化硅的配料
加入食盐的目的是为了排除原料的铁、铝等杂质，加人木屑是便于排除生成的一氧化碳。
(2)生产操作：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。
工业用碳化硅的合成工艺流程
（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。
（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)见表9-5。
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%。
二、各种碳化硅制品的性能
（一）各种碳化硅制品的化学成分
各种碳化硅制品的化学成分见表9-68。
各种碳化硅制品的化学成分
（二）各种碳化硅砖制品的显气孔率及体积密度各种碳化硅制品的显气孔率及体积密度见表9-49。
各种碳化硅制品的显气孔率及体积密度各种碳化硅制品的显气孔率及体积密度
（三）各种碳化硅制品的耐压强度各种碳化硅制品的耐压强度见表9-70。
各种碳化硅制品的耐压强度各种碳化硅制品的耐压强度
（四）各种破化硅制品的平均线膨胀系数各种碳化硅制品的平均线膨胀系数见表9-71。
各种破化硅制品的平均线膨胀系数各种碳化硅制品的平均线膨胀系数
（五）各种碳化硅制品的热导率
各种碳化硅制品的平均温度的热导率见表9-72。
各种碳化硅制品的热导率
（六）各种碳化硅制品的使用性能
三、碳化硅制品的应用
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。
碳化硅的合成及碳化硅耐火材料的性能及用途
Si-C二元系统相图，碳化硅无一致熔融点。在封闭系统中、在总压为101kPa的条件下，碳化硅在2735℃分解成石墨和富硅熔体。此温度也是形成碳化硅结晶的高温度。在开放系统中，碳化硅约在2300℃左右开始分解、形成气态硅和残余石墨，如图9-1所示。
碳化硅约在2300℃左右开始分解、形成气态硅和残余石墨
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。
一、碳化硅的合成
（一）用二氧化硅和碳（煤）合成碳化硅
工业上合成碳化硅多以石英砂、石油焦（无烟煤）为主要原料，在电炉内温度在2000~2500℃下，通过下列反应式合成：
Si02+3C→SiC+2CO-46.8kJ(11.20kcal)
1.原料性能及要求
各种原料的性能
回炉料的要求：包括无定形料、二级料，应满足下列要求：SiC>80%,Si02+Si<10%,固定碳<5%,杂质<4.3%。
焙烧料的要求：未反应的物料层需要配入一定的焦炭、木屑、食盐后做焙烧料。加人量(以100t计）焦炭0~50kg，木屑30~50L,食盐3%~4%。
保温料的要求：新开炉需要配保温料。焦炭与石英之比为0.6。如用乏料代替应符合如下要求：SiC<25%，Si02+Si>35%，C20%，其他<3.5%。
2.合成电炉
炉子长度为7~17m,宽度为1.8~4m，高度1.7~3m。长方形电极块固定在两个端墙上,并要伸入到炉子内部。为了防止电极的氧化，在电极块上涂上涂料。
炉芯是由焦炭块构成，粒度为50~100mm，是用以通电的。炉子功率一般为750~2500kW，每1kgSiC电耗为7~9kW.h，生产周期升温时间为26~36h,冷却24h。
3.合成工艺
(1)配料计算：
配料计算
式中，C为碳含量，Si02为二氧化硅含量，M=37.5。碳的加入量允许过量5%。炉内配料的重量比见表9-3。
炉内配料的重量比
合成碳化硅的配料
加入食盐的目的是为了排除原料的铁、铝等杂质，加人木屑是便于排除生成的一氧化碳。
(2)生产操作：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。
工业用碳化硅的合成工艺流程
（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。
（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)见表9-5。
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%。
二、各种碳化硅制品的性能
（一）各种碳化硅制品的化学成分
各种碳化硅制品的化学成分见表9-68。
各种碳化硅制品的化学成分
（二）各种碳化硅砖制品的显气孔率及体积密度各种碳化硅制品的显气孔率及体积密度见表9-49。
各种碳化硅制品的显气孔率及体积密度各种碳化硅制品的显气孔率及体积密度
（三）各种碳化硅制品的耐压强度各种碳化硅制品的耐压强度见表9-70。
各种碳化硅制品的耐压强度各种碳化硅制品的耐压强度
（四）各种破化硅制品的平均线膨胀系数各种碳化硅制品的平均线膨胀系数见表9-71。
各种破化硅制品的平均线膨胀系数各种碳化硅制品的平均线膨胀系数
（五）各种碳化硅制品的热导率
各种碳化硅制品的平均温度的热导率见表9-72。
各种碳化硅制品的热导率
（六）各种碳化硅制品的使用性能
三、碳化硅制品的应用
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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