CN103964441B - 利用除尘粉冶炼碳化硅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用除尘粉回炉冶炼碳化硅的方法，在碳化硅的冶炼炉中由内至外依次设置炉芯体、反应料和保温料；在所述反应料和保温料中添加除尘粉，所述除尘粉为碳化硅破碎、研磨过程中收集到的粉尘，其碳化硅含量大于70wt％，平均粒度小于45微米；所述保温料中除尘粉的含量为0.2wt％～1wt％；所述反应料中的除尘粉的含量为1.5wt％～4wt％；本发明对除尘粉进行回炉冶炼再利用，使除尘粉参与二次冶炼，提高全炉经济效益；解决新料法中在反应初期内部反应速度快、炉压高，易引发喷炉等安全事故，并降低了反应能耗，同时提高了碳化硅的产量以及品质，有效降低了碳化硅冶炼成本。

Description

利用除尘粉冶炼碳化硅的方法

技术领域

本发明涉及碳化硅冶炼领域，尤其涉及一种利用除尘粉冶炼碳化硅的方法。

背景技术

工业合成碳化硅的方法基本上均为固相合成法，Acheson法为固相合成法中的一种，目前世界碳化硅产量的80％以上是采用Acheson法生产。Acheson法冶炼碳化硅的基本原理是将硅质原料和碳质原料按照一定的比例加入冶炼炉中，在高温条件硅质原料中的SiO₂被碳质原料中的C还原生成碳化硅。得到的碳化硅会进行破碎、研磨，在上述过程中会产生大量的粉尘，收集后得到除尘粉，该除尘粉碳化硅含量大于70％，平均粒度小于45微米，其通常作为废料处理或作为副产品低价销售，未能充分利用，并且导致资源的浪费。同时，由于该除尘粉粒度小，在堆放或转运过程中易扬尘，造成生产厂区环境污染较严重。

另外，Acheson法还可分为新料法和焙烧料法。在碳化硅生产的新料法中，反应料采用的全部是新鲜原料，物料纯度较高，反应活性较好，含有挥发分和较高的水分，但是反应初期能耗较高，内部反应速度快、炉压高，易引发喷炉等安全事故；而焙烧料法是将上一炉未参与反应的物料重新装入冶炼炉反应区进行反应，物料含水量和挥发分少，同时物料中含有碳化硅晶体，促使反应比较容易进行，但是焙烧料中杂质含量较高，使得反应物料成份增多，给冶炼带来负面影响，不利于提高产品纯度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用除尘粉冶炼碳化硅的方法，以降低碳化硅冶炼能耗，并达到除尘粉充分利用的目的。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用除尘粉冶炼碳化硅的方法，在碳化硅的冶炼炉中由内至外依次设置炉芯体、反应料和保温料；

其中，在所述反应料和保温料中添加除尘粉，所述除尘粉为碳化硅破碎、研磨过程中收集到的粉尘，其碳化硅含量不小于70wt％，平均粒度小于45微米；

所述保温料中的除尘粉的含量为0.2wt％～1wt％；所述反应料中的除尘粉的含量为1.5wt％～4wt％。

在本发明中，碳化硅的冶炼炉可以是本领域已知的常规碳化硅冶炼炉。其中，所设置的炉芯体可以是石墨炉芯体，用于在通电时为炉中反应料生成碳化硅的反应提供热量。所述反应料主要用于合成碳化硅，所述保温料设置与所述反应料的外层，起到炉体保温的作用，但不可避免会有部分碳化硅生成。

根据本发明的方法，优选地，所述保温料的碳硅比为0.72～0.95；所述反应料包括第一部分反应料、第二部分反应料以及由所述反应料中其余部分构成的第三部分反应料；所述第一部分反应料填装于所述炉芯体下方的区域；所述第二部分反应料分为两段，分别紧挨所述冶炼炉两端的炉头设置于所述炉芯体之上；其中，所述第一部分反应料的碳硅比为0.55～0.69，所述第二部分反应料的碳硅比为0.70～0.88，所述第三部分反应料碳硅比为0.64～0.75。进一步优选地，所述第三部分反应料的碳硅比高于第一部分反应料的碳硅比，所述第二部分反应料的碳硅比高于第三部分反应料的碳硅比。

根据本发明的方法，优选地，所述第二部分反应料的两段沿所述炉芯体的长度方向的长度之和为所述炉芯体长度的1/5～1/2；进一步优选为所述炉芯体长度的1/4～1/3；所述第二部分反应料的两段沿所述炉芯体的宽度方向的宽度不小于所述炉芯体的宽度；进一步优选地，所述第二部分反应料的两段沿所述炉芯体的宽度方向的宽度为所述炉芯体宽度的1～1.5倍。根据本发明的方法，优选地，所述保温料的碳硅比为0.75～0.85；所述第一部分反应料的碳硅比为0.6～0.67，所述第二部分反应料的碳硅比为0.72～0.79，所述第三部分反应料碳硅比为0.66～0.73。

根据本发明的方法，优选地，所述保温料的除尘粉含量为0.4wt％～1wt％；所述第一部分反应料中除尘粉的含量为1.5wt％～3.5wt％，所述第二部分反应料中除尘粉的含量为1.5wt％～3wt％；所述第三部分反应料中除尘粉的含量为1.6wt％～4wt％。进一步优选地，所述第一部分反应料的除尘粉的含量为2.0wt％～3.0wt％；所述第二部分反应料的除尘粉的含量为1.5wt％～2.5wt％；所述第三部分反应料的除尘粉的含量为2.5wt％～3.5wt％。更进一步优选地，所述第三部分反应料中除尘粉的含量高于第一部分反应料中除尘粉的含量，所述第一部分反应料中除尘粉的含量高于第二部分反应料中除尘粉的含量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明对碳化硅破碎、研磨过程中收集到的除尘粉进行回炉冶炼再利用，使除尘粉参与二次冶炼，提高全炉经济效益；

(2)本发明在碳化硅冶炼炉料中添加不同含量的除尘粉，解决新料法中反应初期内部反应速度快、炉压高，易引发喷炉等安全事故，并降低了反应能耗，同时提高了碳化硅的产量以及品质，有效降低了碳化硅冶炼成本；

(3)本发明在所述炉芯体上填装第二部分反应料，通过控制所述第二部分反应料的碳硅比等，很好地调节了炉芯体两端的温度异常，减小了对碳化硅生产的影响，保护了炉体。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式沿炉芯体方向的物料布置示意图；

图2为图1沿A-A处的剖视图。

其中，1-第一部分反应料；2-第二部分反应料；3-第三部分反应料；4-炉芯体；5-保温料；6-炉体；7-反应料；8-炉头

具体实施方式

本发明提供了一种除尘粉回炉冶炼高品质碳化硅的方法，在碳化硅冶炼原料中加入除尘粉，利用除尘粉中的碳化硅晶体作为晶核，使得反应物料可以直接在晶核表面生成碳化硅，避免了晶体成核所需的能耗和时间。

在本发明中，用于形成碳化硅的原料包括碳质原料和硅质原料，其中所述碳质原料并无特殊要求，可以是常见合成碳化硅的碳质原料，比如石油焦或无烟煤等；同样，所述硅质原料也无特殊要求，可以是常见合成碳化硅的硅质原料，比如硅砂等。

在本发明中，如图1和图2所示，碳化硅的冶炼炉炉体6中由内至外依次设置炉芯体4、反应料7和保温料5；所述炉芯体4为石墨，在冶炼时通电为炉中的反应提供热量；所述反应料7和保温料5为碳质原料与硅质原料的混合物。本领域技术人员公知，所述反应料7主要用于合成碳化硅，所述保温料5设置与所述反应料7的外层，起到炉体保温的作用，但不可避免会有部分碳化硅生成。

碳质原料和硅质原料中碳与二氧化硅的质量比称为碳硅比。在碳化硅冶炼中，保温料5需要具备一定的厚度，才能具有良好的保温性，但保温料5过厚又会导致反应料的量相对减少。另外，不同炉型的碳化硅冶炼炉，其保温料5的厚度也会相应变化，因此在实际生产中本领域技术人员可以根据生产实践适当地调整保温料5的厚度，本申请不再赘述。此外，冶炼碳化硅的过程中，炉内要产生大量的一氧化碳气体，这些一氧化碳气体必须能顺利从冶炼炉内外排，以减小所述反应料内的压力。优选地，所述保温料5的碳硅比为0.72～0.95；进一步优选为0.75～0.85，利用生产碳化硅后的体积收缩，以使所述保温料5具有良好的透气性。

在碳化硅冶炼炉内，所述反应料7布置在所述炉芯体4的周围，以吸收炉芯体4的热量进行反应。然而反应时，反应料7中的二氧化硅会首先气化，在反应料7中扩散；另外，所述炉芯体4通电后与冶炼炉两端炉头8的连接处电阻较大，温度较高，影响碳化硅合成以及炉体6寿命。

为保护所述炉芯体4与炉头8的连接处，同时优化炉内二氧化硅的分布，优选地，所述反应料7包括第一部分反应料1、第二部分反应料2以及由所述反应料7中其余部分构成的第三部分反应料3；所述第一部分反应料1填装于所述炉芯体4下方的区域；所述第二部分反应料2分为两段，分别紧挨所述冶炼炉两端的炉头8设置于所述炉芯体4之上。所述第一部分反应料1的碳硅比为0.55～0.69，进一步优选为0.6～0.67；所述第二部分反应料2的碳硅比为0.70～0.88，进一步优选为0.72～0.79；所述第三部分反应料3的碳硅比为0.64～0.75，进一步优选为0.66～0.73。同时所述第三部分反应料3的碳硅比高于第一部分反应料1的碳硅比，这样在反应时二氧化硅受热气化向上扩散，从而更有利于二氧化硅在各部分料中的平衡。所述第二部分反应料2的碳硅比高于第三部分反应料3的碳硅比，由于碳硅比相对高，所述第二部分反应料2在高温下的电阻小于第三部分反应料3，有利于减小两端炉头8处的温度。

根据本发明的优选实施方式，所述第二部分反应料2的两段沿所述炉芯体4的长度方向的长度之和为所述炉芯体4长度的1/5～1/2；进一步优选为所述炉芯体4长度的1/4～1/3；其中，所述炉芯体4的长度方向指的是从所述冶炼炉一端的炉头8到另一端炉头的方向。所述第二部分反应料的两段沿所述炉芯体的宽度方向的宽度不小于所述炉芯体的宽度，以便所述第二部分反应料可以充分覆盖所述炉芯体两端的上表面；进一步优选地，所述第二部分反应料的两段沿所述炉芯体的宽度方向的宽度为所述炉芯体宽度的1～1.5倍，以便在合理调节温度的同时减小对碳化硅生产的影响。

本发明在所述反应料7和保温料5中添加除尘粉，所述除尘粉是在碳化硅进行破碎、研磨过程中收集到的粉尘，该除尘粉碳化硅含量不小于70wt％，优选70wt％～85wt％，平均粒度小于45微米。其中，所述保温料5中除尘粉的含量为0.2wt％～1wt％，优选为0.4wt％～1wt％；生产中，添加除尘粉的保温料也有部分会参与反应生成碳化硅，有利于反应区的扩大，提高炉产。

所述反应料7中的除尘粉的含量为1.5wt％～4wt％；优选地，所述第一部分反应料1中除尘粉的含量为1.5～3.3wt％，所述第二部分反应料2中除尘粉的含量为1.5wt％～3wt％；所述第三部分反应料3中除尘粉的含量为1.6wt％～4wt％，并且所述第三部分反应料中除尘粉的含量高于第一部分反应料中除尘粉的含量，所述第一部分反应料中除尘粉的含量高于第二部分反应料中除尘粉的含量，以根据不同部位的温度不同，促进反应料生产碳化硅的反应。

进一步优选地，所述第一部分反应料1的除尘粉含量为2.0wt％～3.0wt％；所述第二部分反应料2的除尘粉含量为1.5wt％～2.5wt％；所述第三部分反应料3的除尘粉含量为2.5wt％～3.5wt％。这样，利用晶核原理，使反应生成的碳化硅气体上升扩散后可以更好地在除尘粉中的碳化硅周围转变为碳化硅晶体，加速碳化硅晶体的形成、生长。

下面通过实施例对本发明进行进一步的说明。

以下实施例和对比例中所用原料包括：无烟煤、除尘粉和硅砂，其中：

所用无烟煤购自宁煤集团公司红梁矿，含水10wt％，其固定碳含量为88wt％；

所用除尘粉为神宁集团太西炭基工业有限公司自产碳化硅破碎、研磨时收集，其碳化硅的含量约为75wt％，平均粒度约为40微米；

所用硅砂中含水2wt％，固相中SiO₂的含量为99wt％。

冶炼碳化硅的步骤为：把原料无烟煤、硅砂以及除尘粉分别破碎至200目筛的通过率不小于90％；按炉中各部位物料的碳硅比以及除尘粉的含量分别对无烟煤、硅砂和除尘粉进行配料；把配好的炉中各部位所需的无烟煤、硅砂和除尘粉计量，在混料机中混合均匀；将混合均匀的原料分别填装至各部位；其中，所述第二部分反应料的两段的长度均为所述炉芯体长度的1/5，宽度均为所述炉芯体宽度的1.2倍；电热合成；停止供电后，冷却和扒炉，扒下保温料，取出碳化硅晶体块和炉芯体石墨块。

实施例1

按照上述的冶炼碳化硅的步骤进行操作，炉中各部位物料的用量由表1给出。反应条件：用8000kw功率电热合成51小时，冶炼炉的温度控制在1800℃，炉中心温度最高不超过2600℃。

表1

原料部位	无烟煤(公斤)	硅砂(公斤)	除尘粉(公斤)
				保温料	86010	93607	383
第一部分反应料	26705	29295	1120
				第二部分反应料	20982.5	23017.5	880
第三部分反应料	38150	41850	1600
				合计	171847.5	187769.5	3983

获得碳化硅59000公斤，其中符合GB/T2480--2008的一级品32600公斤，二级品22200公斤。

实施例2

实验步骤和反应条件同实施例1，炉中各部料的用量由表2给出。

表2

原料部位	无烟煤(公斤)	硅砂(公斤)	除尘粉(公斤)
				保温料	86010	93607	383
第一部分反应料	24825	31175	1260
				第二部分反应料	20620	23380	990
第三部分反应料	36350	43650	1800
				合计	167805	191812	4433

获得碳化硅60500公斤，其中符合GB/T2480--2008的一级品34480公斤，二级品21780公斤。

实施例3

实验步骤和反应条件同实施例1，炉中各部料的用量由表3给出。

表3

原料部位	无烟煤(公斤)	硅砂(公斤)	除尘粉(公斤)
				保温料	86010	93607	383
第一部分反应料	24825	31175	1400
				第二部分反应料	20620	23380	880
第三部分反应料	36350	43650	2400
				合计	167850	191812	5063

获得碳化硅61000公斤，其中符合GB/T2480--2008的一级品35070公斤，二级品21960公斤。

实施例4

实验步骤和反应条件同实施例1，炉中各部料的用量由表3给出。

表4

原料部位	无烟煤(公斤)	硅砂(公斤)	除尘粉(公斤)
				保温料	86010	93607	383
第一部分反应料	24394	31606	1680
				第二部分反应料	20620	23380	1100
第三部分反应料	36400	43600	2800
				合计	167424	192193	5963

获得碳化硅62500公斤，其中符合GB/T2480--2008的一级品36250公斤，二级品22800公斤。

对比例1

实验步骤和反应条件同实施例1，炉中各部料的用量由表4给出。

表4

原料部位	无烟煤(公斤)	硅砂(公斤)	除尘粉(公斤)
				保温料	84375	95625	0
第一部分反应料	27125	28875	0
				第二部分反应料	21312.5	22687.5	0
第三部分反应料	38750	41250	0
				合计	171562.5	188437.5	0

获得碳化硅57000公斤，其中符合GB/T2480--2008的一级品31350公斤，二级品21090公斤。

Claims (9)

1.一种利用除尘粉冶炼碳化硅的方法，在碳化硅冶炼炉中由内至外依次设置炉芯体、反应料和保温料；

其特征在于，在所述反应料和保温料中添加除尘粉，所述除尘粉为碳化硅破碎、研磨过程中收集到的粉尘，其碳化硅含量为70wt％～85wt％，平均粒度小于45微米；

所述保温料中的除尘粉的含量为0.2wt％～1wt％；所述反应料中的除尘粉的含量为1.5wt％～4wt％。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保温料的碳硅比为0.72～0.95；所述反应料包括第一部分反应料、第二部分反应料以及由所述反应料中其余部分构成的第三部分反应料；所述第一部分反应料填装于所述炉芯体下方的区域；所述第二部分反应料分为两段，分别紧挨所述冶炼炉两端的炉头设置于所述炉芯体之上；其中，所述第一部分反应料的碳硅比为0.55～0.69，所述第二部分反应料的碳硅比为0.70～0.88，所述第三部分反应料碳硅比为0.64～0.75。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第三部分反应料的碳硅比高于第一部分反应料的碳硅比，所述第二部分反应料的碳硅比高于第三部分反应料的碳硅比。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二部分反应料的两段沿所述炉芯体的长度方向的长度之和为所述炉芯体长度的1/5～1/2；所述第二部分反应料的两段沿所述炉芯体的宽度方向的宽度不小于所述炉芯体的宽度。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二部分反应料的两段沿所述炉芯体的长度方向的长度之和为所述炉芯体长度的1/4～1/3；所述第二部分反应料的两段沿所述炉芯体的宽度方向的宽度为所述炉芯体宽度的1～1.5倍。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述保温料的碳硅比为0.75～0.85；所述第一部分反应料的碳硅比为0.6～0.67，所述第二部分反应料的碳硅比为0.72～0.79，所述第三部分反应料碳硅比为0.66～0.73。

7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述保温料的除尘粉含量为0.4wt％～1wt％；所述第一部分反应料中除尘粉的含量为1.5wt％～3.5wt％，所述第二部分反应料中除尘粉的含量为1.5wt％～3wt％；所述第三部分反应料中除尘粉的含量为1.6wt％～4wt％。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一部分反应料的除尘粉的含量为2.0wt％～3.0wt％；所述第二部分反应料的除尘粉的含量为1.5wt％～2.5wt％；所述第三部分反应料的除尘粉的含量为2.5wt％～3.5wt％。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第三部分反应料中除尘粉的含量高于第一部分反应料中除尘粉的含量，所述第一部分反应料中除尘粉的含量高于第二部分反应料中除尘粉的含量。