El proceso de fundición de carburo de silicio (SiC) negro emplea principalmente el proceso Acheson, un método de fundición en horno de resistencia a alta temperatura. El flujo principal del proceso es el siguiente:
1. Preparación de la materia prima
Principales materias primas: Arena de cuarzo (contenido de SiO₂ ≥ 98%) y coque de petróleo (contenido de carbono ≥ 98%), con pequeñas cantidades de aserrín y cloruro de sodio (NaCl) como materiales auxiliares.
Dosificación: Según la fórmula de reacción del carburo de silicio SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑, en la producción real, se requiere un ligero exceso de carbono (aproximadamente 3-5%) para compensar las pérdidas por oxidación.
Pretratamiento: Las materias primas deben triturarse y tamizarse hasta obtener tamaños de partículas adecuados (normalmente 0,5-5 mm para arena de cuarzo y 0,2-2 mm para coque de petróleo) y mezclarse uniformemente.
2. Carga del Horno y Preparación del Núcleo
Estructura del horno: Horno de resistencia fija de forma rectangular o circular, con ladrillos refractarios recubriendo el fondo y paredes laterales desmontables.
Núcleo del horno: En el centro del cuerpo del horno se coloca un núcleo conductor del horno hecho de polvo de grafito o de carburo de silicio reciclado (que sirve como elemento calefactor).
Carga: La mezcla se coloca en capas y se llena alrededor del núcleo del horno, y el exterior se cubre con material aislante (como polvo de coque o arena de cuarzo) para preservar el calor.
3. Fundición electrolítica Calentamiento
eléctrico: Se aplica un voltaje bajo y una corriente alta (aproximadamente 5000-10000 A) a través de los electrodos en ambos extremos del núcleo del horno, aumentando gradualmente la temperatura del núcleo del horno a 2000-2500 ℃.
Proceso de reacción:
A partir de aproximadamente 1400 ℃, el SiO₂ se reduce por el carbono para producir SiO y CO gaseosos:
SiO₂ + C → SiO↑ + CO↑
El SiO en fase gaseosa reacciona con el carbono para formar SiC:
SiO + 2C → SiC + CO↑
Finalmente, se forma una capa cristalina de carburo de silicio alrededor del núcleo del horno.
Tiempo de fundición: Energización continua durante aproximadamente 24-40 horas, dependiendo el tiempo específico del tamaño y potencia del horno.
4. Enfriamiento y desmontaje del horno
Enfriamiento natural: después de un corte de energía, el cuerpo del horno debe enfriarse lentamente (aproximadamente de 7 a 14 días) para evitar un enfriamiento rápido que podría causar grietas de cristalización.
Desmontaje del horno: Retirar la capa aislante y extraer los bloques cristalinos de carburo de silicio.
5. Clasificación y procesamiento
Área central del producto: El área que rodea el núcleo del horno está formada por bloques cristalinos de carburo de silicio negro de alta pureza (α-SiC, cristales hexagonales).
Procesamiento en capas:
Grado 1: Zona cristalina densa, contenido de SiC ≥97%, utilizada para la fabricación de abrasivos de alta gama y materiales refractarios.
Grado 2: Contiene más impurezas, se utiliza como aditivos metalúrgicos, etc.
Zona Amorfa: Mezcla que no ha reaccionado completamente, reciclable.
Procesamiento Posterior: Trituración, cribado, lavado ácido (para eliminar impurezas metálicas), separación magnética, clasificación hidráulica, etc., para obtener productos terminados de diferentes tamaños de partícula.
6. Procesos auxiliares clave
Astillas de Madera: Aumentan la permeabilidad de la carga del horno, facilitando la descarga de gas CO.
Uso de la Sal: Reacciona con impurezas como aluminio y hierro en las materias primas para formar cloruros que se volatilizan, purificando así el material.
Tratamiento de gases residuales: La fundición genera una gran cantidad de gas CO, que debe recolectarse, utilizarse o quemarse para evitar la contaminación.
Características y desafíos del proceso:
Alto consumo de energía: Producir 1 tonelada de carburo de silicio consume aproximadamente entre 8000 y 10 000 kWh de electricidad.
Control de temperatura crítica: una temperatura insuficiente conduce a una reacción incompleta, mientras que una temperatura excesiva provoca la descomposición del SiC.
Requisitos ambientales: El gas y el polvo de CO deben tratarse; los procesos modernos a menudo incluyen sistemas de recuperación de calor residual.
Instrucciones de mejora modernas:
Tipo de horno más grande: Aumentar la producción de un solo horno (hasta miles de toneladas).
Control de automatización: Optimice la curva de encendido para reducir el consumo de energía.
Fundición Verde: Recuperación de gases residuales para generación de energía, reciclaje de residuos.