專利名稱：：原位合成高純綠色6H－SiC的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及綠色碳化硅(SiC)的生產(chǎn)，尤其是涉及一種可制備精密SiC陶瓷制品的原位合成高純綠色SiC。技術(shù)背景綠色碳化硅作為普通磨料，廣泛應(yīng)用于金屬機(jī)件、陶瓷、玻璃等材料的磨削加工，國(guó)內(nèi)目前冶煉綠色碳化硅采用的是Acheson(艾其遜)方法，使用的主要原料是石油焦、石英砂，輔料為工業(yè)鹽，以恒功率供電冶煉，生產(chǎn)1噸綠色碳化硅(SiC〉98.5%)，需要耗電8800-9000度，消耗原料3.3噸(1.5噸石油焦，1.8噸石英砂)，并產(chǎn)生1.7噸工業(yè)廢氣(主要為1.4噸C0，及具有刺激性的S02氣體和煙塵)，綠色碳化硅一級(jí)品(SiC〉98.5%)的產(chǎn)出率僅為60%左右，同時(shí)傳統(tǒng)綠色碳化硅冶煉使用的硅基材料要求Si02>99.0%，甚至高達(dá)99.3%以上，而石英砂作為一種礦產(chǎn)資源，由于不停的開采，儲(chǔ)量會(huì)越來越少；石油焦作為石油殘?jiān)够漠a(chǎn)品，隨著石油資源的日益枯竭，以及為獲得高附加值的石油產(chǎn)品而不斷進(jìn)行的石油深加工，可獲取的資源越來越少，其作為傳統(tǒng)生產(chǎn)綠色碳化硅的原料，行業(yè)的未來發(fā)展己受到嚴(yán)重的制約，這將直接威脅著高品級(jí)綠色碳化硅的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種產(chǎn)出率及品質(zhì)都高出傳統(tǒng)生產(chǎn)綠色SiC的原位合成高純綠色6H-SiC。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可采取下述技術(shù)方案本發(fā)明所述的原位合成高純綠色6H-SiC，它主要由無煙煤碳基材料0.62-0.65份、石英砂0.98-1.02份、碳化硅氧化硅復(fù)合材料0.20-0.25份以及輔料工業(yè)鹽0.10-0.15份組成的反應(yīng)原料和1.90-2.00份無煙煤、2.80-3.10份石英砂組成的保^^原料冶煉而成。所述反應(yīng)原料中無煙煤碳基材料的粒度為10-30u，灰份〈4%，固定碳〉88%;石英砂的粒度為50-80u，Si02〉98.5%;碳化硅氧化硅復(fù)合材料的粒度為2-5u，SiD90-95%，Si023-5%;工業(yè)鹽的NaCl〉97%;所述保溫原料中無煙煤的粒度為lOmm，灰份4-6%，石英砂的粒度小于lmm，Si02>98%。所述的冶煉方法為將反應(yīng)原料無煙煤碳基材料0.62-0.65份、石英砂0.98-1.02份、碳化硅氧化硅復(fù)合材料0.20-0.25份和輔料工業(yè)鹽0.10-0.15份充分混合均勻;將保溫原料無煙煤1.90-2.00份和石英砂2.80-3.10份混合均勻，使制得的保溫料與反應(yīng)料的比例為2.8-3.3:1;將其分裝入爐體的上、下、側(cè)部后接通電源進(jìn)行冶煉，通電23-28小時(shí)后斷電自然冷卻18-20小時(shí)，將冷卻的結(jié)晶筒取出分層處理，即可得到高純綠色6H-SiC結(jié)晶塊。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于將碳化硅氧化硅復(fù)合材料作為種料添加劑，充分利用其比表面積大，活性強(qiáng)的特點(diǎn)，使之與原料(石英砂硅基材料和無煙煤碳基材料)充分混合后，在高溫狀態(tài)下，SiC表面出現(xiàn)顯著的熱效應(yīng)，在等離子體的作用下，自身表面被凈化，提高了自身的活化性能，成為Si原子、C原子沉積、發(fā)生化合反應(yīng)的平臺(tái)，形成新的SiC，從而使晶粒不斷長(zhǎng)大；同時(shí)SiC自身作為一種半導(dǎo)體，在電流作用下首先成為發(fā)熱點(diǎn)，局部產(chǎn)生高溫，內(nèi)部缺陷(雜質(zhì))在熱動(dòng)力的作用下向表面高能區(qū)擴(kuò)散排除，從而引起SiC自身的凈化，純度提高；在裝爐時(shí)加入由無煙煤碳基材料和石英砂合成的混合保溫料，在混合保溫料中連續(xù)分布的一個(gè)個(gè)局部熱點(diǎn)使周圍的Si02和C被局部加熱，接觸面處產(chǎn)生瞬間高溫，引起C和Si02的蒸發(fā)擴(kuò)散，并在SiC顆粒表面發(fā)生反應(yīng)，形成新的SiC原子；而SiC顆粒表面作為SiC原子的形核基面，引起新生成SiC原子的生長(zhǎng)；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，更多的SiC原子在SiC顆粒表面沉積，逐漸長(zhǎng)大，最終引起SiC晶粒的生長(zhǎng)和大尺寸SiC的形成；同時(shí)，在局部熱場(chǎng)的作用下，促使SiC的晶型轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)完美生長(zhǎng)結(jié)晶，成為穩(wěn)定的6H晶型。本發(fā)明從根本上區(qū)別于長(zhǎng)期以來所遵從的Acheson方法中的自由凝聚原理，使SiC小顆粒作為凝聚、反應(yīng)基體，提高了SiC的生成效率，降低了溫度，可以在1800-2000'C的溫度下實(shí)現(xiàn)高純綠色SiC的冶煉；由于在本發(fā)明的技術(shù)方案中保溫料與反應(yīng)料之間的比例為3:1，起到了冶煉過程中熱量的保持，使綠色碳化硅產(chǎn)品噸電耗較傳統(tǒng)配方工藝降低15-20%以上，也使生產(chǎn)的綠色碳化硅在適宜的溫度下生成顆粒狀結(jié)晶，而非傳統(tǒng)生產(chǎn)方法生成的鏈狀細(xì)結(jié)晶，使產(chǎn)品的硬度和韌度更高；同時(shí)在該發(fā)明中，以原料無煙煤替代了石油焦(這在傳統(tǒng)碳化硅生產(chǎn)中是不可能生產(chǎn)出綠色碳化硅的)，同時(shí)對(duì)硅基材料^石英砂的等級(jí)要求卻有所下降(使用的石英砂要求Si02〉98.5%)，與傳統(tǒng)黑色碳化硅冶煉使用的硅基材料相當(dāng)，在原料成本隨之下降的前提下，也擴(kuò)大了高純綠色碳化硅的硅基材料的選擇范圍。傳統(tǒng)方式生產(chǎn)綠色碳化硅產(chǎn)品，由于雜質(zhì)多，硬度較低，只能作為磨料級(jí)產(chǎn)品應(yīng)用于研磨領(lǐng)域，同時(shí)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量(30—40%)的二級(jí)品(細(xì)結(jié)晶),碳化硅含量只有85-90%，由于其含量低、結(jié)晶細(xì)小(0.5咖以上)，一般作為回爐料再循環(huán)投入冶煉生產(chǎn)；采用本發(fā)明的技術(shù)方案生產(chǎn)時(shí)二級(jí)品最高只有20%，且碳化硅含量大于95%，由于返回量少且含量高，在次爐冶煉中可以繼續(xù)反應(yīng)，在較少能量的輸入下即可生成高純的綠色碳化硅產(chǎn)品。在傳統(tǒng)冶煉綠色碳化硅生產(chǎn)中，原料與產(chǎn)品投入產(chǎn)出之比為3.3:1，即3.3噸混配原料生產(chǎn)出1噸一級(jí)綠色碳化硅(SiC含量大于98.5呢)，而本發(fā)明的技術(shù)方案原料與產(chǎn)品投入產(chǎn)出之比為2.5:1，即2.5噸混配原料生產(chǎn)出1噸一級(jí)綠色碳化硅(SiC含量大于99.590，原料投入是傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的75%;碳化硅由于原料中含有碳、硫、磷等雜質(zhì)，在冶煉過程中產(chǎn)生工業(yè)廢氣，由于本發(fā)明的技術(shù)方案原料投入降低，產(chǎn)生的工業(yè)廢氣也減少25%以上；因使用無煙煤碳基材料替代石油焦，消除了刺激性極大的S02氣體和高濃度褐色煙塵，對(duì)環(huán)境起到了極大的保護(hù)作用。本發(fā)明技術(shù)方案生產(chǎn)的綠色碳化硅與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的綠色碳化硅的性能比較見下表。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>*#20，指韌性值測(cè)試以tt20粒度砂為測(cè)試粒度規(guī)格。圖l是本發(fā)明的工藝流程圖。具體實(shí)施方式如圖所示，本發(fā)明所述的原位合成高純綠色6H-SiC，是將無煙煤碳基材料0.62-0.65份(粒度為10-30u，灰份<4%，固定碳〉88%)、石英砂0.98-1.02份(粒度為50-80u，Si02>98.5%)、碳化硅氧化硅復(fù)合材料0.20-0.25份(粒度為2-5u)和輔料工業(yè)鹽O.10-0.15份(NaCl>97%)充分混合均勻后(為了保證各組分間物理-化學(xué)作用的順利進(jìn)行，應(yīng)對(duì)原料進(jìn)行充分的混合，要求每次混料時(shí)間不少于10分鐘)制備成反應(yīng)料；將無煙煤1.90-2.00份(粒度為10mm，灰份4_6%)和石英砂2.80-3.10份(粒度小于lmm，Si02>98%)混合均勻后制備成混合保溫料，使制得的混合保溫料與反應(yīng)料之間的比例為2.8-3.3:1;按照爐體的容量進(jìn)行配料，根據(jù)內(nèi)部布局將其分裝入爐體的上、下、側(cè)部后接通電源進(jìn)行冶煉，整個(gè)冶煉過程可以分為三個(gè)階段，第一階段在供電1-3小時(shí)內(nèi)將供電功率調(diào)整為額定功率的75-85%，使?fàn)t體內(nèi)原料形成碳化硅結(jié)晶筒；第二階段在6-8小時(shí)后將供電功率設(shè)定為額定功率的100-110%，晶體顆粒形成，由微米級(jí)向毫米級(jí)生長(zhǎng)；第三階段在20-22小時(shí)后將供電功率降為額定功率的65-75%,供電量達(dá)到工藝要求后(以每2.3-2.7噸反應(yīng)原料耗電7500-7800度電計(jì)算)即停止供電(一般為24-30小時(shí))，斷電后自然冷卻18-20小時(shí)，將冷卻的結(jié)晶筒取出后，分層處理，即可得到結(jié)晶顆?！?腿，SiC〉99.5%的高純結(jié)晶塊(可占80%以上)，其余為總含量為20%的一級(jí)結(jié)晶塊(結(jié)晶顆粒1-3mm，SiC〉98.0%)、耐火材料(SiC〉92.0%)和半分解結(jié)晶塊(SiC〉50.0-80.0%)等二級(jí)產(chǎn)品，由于二級(jí)品最高只有20%,且碳化硅含量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的二級(jí)品，在次爐冶煉中可以繼續(xù)反應(yīng)，在較少能量的輸入下即可生成高純的綠色碳化硅產(chǎn)品。權(quán)利要求1、一種原位合成高純綠色6H-SiC，其特征在于它主要由無煙煤碳基材料0.62-0.65份、石英砂0.98-1.02份、碳化硅氧化硅復(fù)合材料0.20-0.25份以及輔料工業(yè)鹽0.10-0.15份組成的反應(yīng)原料和由1.90-2.00份無煙煤、2.80-3.10份石英砂組成的保溫原料冶煉而成。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位合成高純綠色6H-SiC，其特征在于所述反應(yīng)原料中無煙煤碳基材料的粒度為10-30u，灰份<4%，固定碳>88%;石英砂的粒度為50-80u，Si02〉98.5%;碳化硅氧化硅復(fù)合材料的粒度為2-5",SiC〉90-95%，Si023-5%;工業(yè)鹽的NaCl〉97%;所述保溫原料中無煙煤的粒度為lOram，灰份4-6%，石英砂的粒度小于lmm，Si02〉98%。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位合成高純綠色6H-SiC，其特征在于所述的冶煉方法為.-將反應(yīng)原料無煙煤碳基材料0.62-0.65份、石英砂0.98-L02份、碳化硅氧化硅復(fù)合材料0.20-0.25份和輔料工業(yè)鹽0.10-0.15份充分混合均勻；將保溫原料無煙煤1.90-2.00份和石英砂2.80-3.10份混合均勻，使制得的保溫料與反應(yīng)料的比例為2.8-3.3:1;將其分裝入爐體的上、下、側(cè)部后接通電源進(jìn)行冶煉，通電24-30小時(shí)后斷電自然冷卻18-20小時(shí)，將冷卻的結(jié)晶筒取出分層處理，即可得到高純綠色6H-SiC結(jié)晶塊。全文摘要本發(fā)明公開了一種原位合成高純綠色6H-SiC，它主要由無煙煤碳基材料0.62-0.65份、石英砂0.98-1.02份、碳化硅氧化硅復(fù)合材料0.20-0.25份以及輔料工業(yè)鹽0.10-0.15份組成的反應(yīng)原料和1.90-2.00份無煙煤、2.80-3.10份石英砂組成的保溫原料冶煉而成。本發(fā)明從根本上區(qū)別于長(zhǎng)期以來所遵從的Acheson方法中的自由凝聚原理，使SiC小顆粒作為凝聚、反應(yīng)基體，提高了SiC的生成效率，降低了溫度，可以在1800-2000℃的溫度下實(shí)現(xiàn)高純綠色SiC的冶煉。文檔編號(hào)C04B35/565GK101254919SQ20081004948公開日2008年9月3日申請(qǐng)日期2008年4月7日優(yōu)先權(quán)日2008年4月7日發(fā)明者楊東平申請(qǐng)人:河南醒獅高新技術(shù)股份有限公司