فرآیند ذوب کاربید سیلیکون سیاه (SiC) عمدتاً از فرآیند آچسون، یک روش ذوب کورهای مقاوم در برابر دمای بالا، استفاده میکند. جریان اصلی فرآیند به شرح زیر است:
۱. آمادهسازی مواد اولیه
مواد اولیه اصلی: ماسه کوارتز (محتوای SiO₂ ≥ ۹۸٪) و کک نفتی (محتوای کربن ≥ ۹۸٪)، به همراه مقادیر کمی خاک اره و کلرید سدیم (NaCl) به عنوان مواد کمکی.
تناسب: بر اساس فرمول واکنش کاربید سیلیکون SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑، در تولید واقعی، مقدار کمی کربن اضافی (تقریباً 3-5٪) برای جبران تلفات اکسیداسیون مورد نیاز است.
پیش تصفیه: مواد اولیه باید خرد شده و تا رسیدن به اندازه ذرات مناسب (معمولاً 0.5 تا 5 میلیمتر برای ماسه کوارتز و 0.2 تا 2 میلیمتر برای کک نفتی) الک شوند و به طور یکنواخت مخلوط شوند.
۲. بارگیری کوره و آمادهسازی مغزه
ساختار کوره: کوره مقاومتی ثابت مستطیلی یا دایرهای، با آجرهای نسوز که کف آن را پوشاندهاند و دیوارههای جانبی قابل جابجایی.
هسته کوره: یک هسته کوره رسانا از پودر گرافیت یا مواد کاربید سیلیکون بازیافتی (به عنوان عنصر گرمایش) در مرکز بدنه کوره قرار داده شده است.
شارژ: مخلوط به صورت لایه لایه در اطراف هسته کوره پر میشود و قسمت بیرونی آن برای حفظ گرما با مواد عایق (مانند پودر کک یا ماسه کوارتز) پوشانده میشود.
۳. گرمایش الکتریکی ذوب الکترولیتی
: ولتاژ پایین و جریان بالا (تقریباً ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ آمپر) از طریق الکترودها در دو انتهای هسته کوره اعمال میشود و به تدریج دمای هسته کوره را به ۲۰۰۰ تا ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد میرساند.
فرآیند واکنش:
با شروع از دمای تقریباً ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد، SiO₂ توسط کربن احیا میشود و SiO و CO گازی تولید میکند:
SiO₂ + C → SiO↑ + CO↑
SiO2 فاز گازی با کربن واکنش میدهد و SiC تشکیل میدهد:
SiO + 2C → SiC + CO↑
در نهایت، یک لایه کریستالی کاربید سیلیکون در اطراف هسته کوره تشکیل میشود.
زمان ذوب: برقدار کردن مداوم به مدت تقریباً ۲۴ تا ۴۰ ساعت، زمان خاص بسته به اندازه و توان کوره دارد.
۴. خنکسازی و برچیدن کوره
خنکسازی طبیعی: پس از قطع برق، بدنه کوره باید به آرامی (تقریباً ۷ تا ۱۴ روز) خنک شود تا از خنکسازی سریع که میتواند باعث ترکهای کریستالیزاسیون شود، جلوگیری شود.
جداسازی قطعات کوره: لایه عایق را برداشته و بلوکهای کریستالی کاربید سیلیکون را استخراج کنید.
۵. درجهبندی و پردازش
محصول ناحیه هسته: ناحیه اطراف هسته کوره از بلوکهای کریستالی کاربید سیلیکون سیاه با خلوص بالا (α-SiC، کریستالهای شش ضلعی) تشکیل شده است.
پردازش لایهای:
درجه ۱: ناحیه کریستالی متراکم، محتوای SiC ≥۹۷٪، که برای تولید سایندههای مرغوب و مواد نسوز استفاده میشود.
درجه ۲: حاوی ناخالصیهای بیشتری است که به عنوان افزودنیهای متالورژیکی و غیره استفاده میشود.
ناحیه آمورف: مخلوطی که به طور ناقص واکنش داده است، قابل بازیافت.
پردازشهای بعدی: خردایش، غربالگری، اسیدشویی (برای حذف ناخالصیهای فلزی)، جداسازی مغناطیسی، طبقهبندی هیدرولیکی و غیره، برای به دست آوردن محصولات نهایی با اندازه ذرات مختلف.
۶. فرآیندهای کمکی کلیدی
تراشههای چوب: نفوذپذیری بار کوره را افزایش میدهند و تخلیه گاز CO را تسهیل میکنند.
استفاده از نمک: نمک با ناخالصیهایی مانند آلومینیوم و آهن موجود در مواد اولیه واکنش میدهد و کلریدهایی تشکیل میدهد که تبخیر میشوند و در نتیجه ماده را خالص میکنند.
تصفیه گازهای زائد: ذوب فلزات مقدار زیادی گاز CO تولید میکند که برای جلوگیری از آلودگی باید جمعآوری، استفاده یا سوزانده شود.
ویژگیها و چالشهای فرآیند:
مصرف بالای انرژی: تولید ۱ تن کاربید سیلیکون تقریباً ۸۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ کیلووات ساعت برق مصرف میکند.
کنترل دمای بحرانی: دمای ناکافی منجر به واکنش ناقص میشود، در حالی که دمای بیش از حد باعث تجزیه SiC میشود.
الزامات زیستمحیطی: گاز و گرد و غبار CO باید تصفیه شوند؛ فرآیندهای مدرن اغلب شامل سیستمهای بازیابی گرمای تلفشده هستند.
دستورالعملهای بهبود مدرن:
نوع کوره بزرگتر: افزایش خروجی تک کوره (تا هزاران تن).
کنترل خودکار: بهینه سازی منحنی روشن شدن دستگاه برای کاهش مصرف انرژی.
ذوب سبز: بازیابی گاز زائد برای تولید برق، بازیافت زباله.