CN104477917B

CN104477917B - 碳化硅冶炼方法

Info

Publication number: CN104477917B
Application number: CN201410666277.8A
Authority: CN
Inventors: 朱立起; 胡顺武; 顾小方; 李佩健
Original assignee: JIANGSU LEYUAN NEW MATERIALS GROUP CO Ltd
Current assignee: JIANGSU LEYUAN NEW MATERIALS GROUP CO Ltd
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-11-20
Also published as: CN104477917A

Abstract

本发明是一种碳化硅冶炼方法，其步骤如下：对已选择的将作为晶种的碳化硅进行如下处理：破碎处理筛分处理，选取粒径达到3~8毫米的碳化硅采用酸洗方法进行提纯处理，然后用纯水进行冲洗；以石墨电极为中心，在0~10cm内放置6H碳化硅晶种0.1%~5%，在10cm~25cm范围内放置6H碳化硅晶种0.3%~8%，在25cm~40cm范围内放置4H碳化硅晶种1%~10%。本发明方法设计合理，可操作性强。通过在碳化硅冶炼中添加晶种有效地提高碳化硅生长效率，有效地控制碳化硅晶型，降低能耗。

Description

碳化硅冶炼方法

技术领域

技术发明涉及一种冶炼方法，特别是一种碳化硅冶炼方法。

背景技术

天然碳化硅极少存在，在陨石中发现过天然碳化硅，目前碳化硅一般采用高温冶炼生成。碳化硅没有通常意义上的熔点和沸点，只有分解温度。工业上通常用2600度表示碳化硅的分解温度。

工业合成碳化硅主要以石英砂和石油焦为原料，经高温冶炼合成碳化硅。工业冶炼碳化硅有艾奇逊法和ESK法。碳化硅冶炼合成过程为电阻炉通电，炉芯体温度上升，达到2500度左右，通过炉心体表面传热给周围的混合料，使之发生反应生成碳化硅，并逸出一氧化碳气体，一氧化碳在炉体表面燃烧生成二氧化碳，部分没有燃烧的进入空气。艾奇逊法的主要优点是炉体简单、设备投资少、工艺成熟，目前应用最广。ESK法是对艾奇逊法进行改进，冶炼炉没有端墙和侧墙，电极位于炉子底部，并采用聚乙烯袋子进行密封以回收炉内逸出的气体，提取硫后将其通过管道给小型火电厂发电。该法的优点是可采用成本低、活性高的高硫石油焦或焦炭作为原料，但因其工艺复杂、可操作性差，国内很少采用。

艾奇逊法生产碳化硅的原理为：石英砂与石油焦在2000--2500度的电阻炉内通过以下反应生成碳化硅，一氧化碳气体通过炉料排出，添加的食盐可与铁、铝等杂质生成氯化物而挥发掉。反应过程：约在1700度开始，石英砂变为熔体，进而变为蒸汽（白烟），二氧化硅熔体和蒸汽钻进碳质材料的气孔，渗入碳颗粒反应生成碳化硅，温度升高至1700-1900度时，生成β-sic,温度进一步升高至1900--2000度时，细小的β-sic转变为α--sic，α--sic晶粒逐渐长大和密室，炉温再升至2500度左右，sic开始分解变为硅蒸汽和石墨。但实际反应中间还有一系列复杂的反应，由于在中间过程上形成SiO和SiC，SiO在炉膛内的高温下呈气体状态存在，如处理不当极易挥发逸出，造成物料损失，降低硅的回收率，增加能耗。SiC的熔点高，导电性强，在炉内积存较多时会严重恶化炉况。目前艾奇逊法主要存在碳化硅晶型杂且不易控制、能耗高、炉产不稳定问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对目前国内艾奇逊冶炼法中存在的晶型混杂、炉产不稳定、能耗高等问题，提供一种新的碳化硅冶炼方法，可以提高炉产、降低能耗，有效控制晶型。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种碳化硅冶炼方法，其特点是，其步骤如下：

（1）SiC晶种处理：（碳化硅结晶规律从内向外的晶型为6H—4H—3C，晶体尺寸从内到外逐渐变小；）根据碳化硅晶型不同选择不同晶型的碳化硅作为晶种，对已选择的将作为晶种的碳化硅进行如下处理：先对碳化硅进行破碎处理筛分处理，选取粒径达到3~8毫米的碳化硅进行提纯处理，提纯采用酸洗方法，然后用纯水进行冲洗至pH值在6.5~7.5，烘干；

（2）碳化硅晶种的添加：碳化硅晶种的添加位置以及添加量如下：以石墨电极为中心，在0~10cm内放置6H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的0.1%~5%，在10cm~25cm范围内放置6H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的0.3%~8%，在25cm~40cm范围内放置4H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的1%~10%。

本发明所述的一种碳化硅冶炼方法技术方案中，进一步优选的技术方案或者技术特征如下：

1.在步骤（1）中，提纯采用质量浓度为10%-15%的氢氟酸进行酸洗；进一步优选采用质量浓度为12%的氢氟酸进行酸洗；

2.在步骤（1）中，酸洗后纯水进行冲洗至pH值在6.9~7.2；

3.在步骤（2）中，在0~10cm内放置6H碳化硅晶种占混料质量百分比的1%~2%，在10cm~25cm范围内放置6H碳化硅晶种占混料质量百分比的2%~4%，在25cm~40cm范围内放置4H碳化硅晶种占混料质量百分比的3%~6%；进一步优选：在0~10cm内放置6H碳化硅晶种占混料质量百分比的1.5%，在10cm~25cm范围内放置6H碳化硅晶种占混料质量百分比的3%，在25cm~40cm范围内放置4H碳化硅晶种占混料质量百分比的4.5%。

在冶炼工序中，由于反应不充分或碳化硅在高温条件下分解形成硅和二氧化硅杂质，导致碳化硅产量偏低。虽然碳化硅冶炼温度场从内到外逐渐降低，理论上生成的碳化硅晶型按温度梯度变化规律变化，但实际分析碳化硅晶型存在混合杂乱现象。本发明通过对温度场变化规律和实际碳化硅结晶块晶型分布规律的研究，根据石油焦与石英砂的混配比例以及装料量进行计算，确定了最佳的碳化硅晶种的添加位置以及添加量。

与现有技术相比，本发明方法设计合理，可操作性强。通过在碳化硅冶炼中添加晶种有效地提高碳化硅生长效率，有效地控制碳化硅晶型。本发明通过添加晶种提高碳化硅结晶速率，将原送电时间缩短1/5左右,把温度控制在2500℃以下，有效防止生成的碳化硅因高温二次分解，提高碳化硅生成效率，降低能耗。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1，一种碳化硅冶炼方法，其步骤如下：

（1）SiC晶种处理：根据碳化硅晶型不同选择不同晶型的碳化硅作为晶种，对已选择的将作为晶种的碳化硅进行如下处理：先对碳化硅进行破碎处理筛分处理，选取粒径达到3毫米的碳化硅进行提纯处理，提纯采用酸洗方法，然后用纯水进行冲洗至pH值在6.5，烘干；

（2）碳化硅晶种的添加：碳化硅晶种的添加位置以及添加量如下：以石墨电极为中心，在0~10cm内放置6H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的0.1%，在10cm~25cm范围内放置6H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的0.3%，在25cm~40cm范围内放置4H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的1%%。

实施例2一种碳化硅冶炼方法，其步骤如下：

（1）SiC晶种处理：根据碳化硅晶型不同选择不同晶型的碳化硅作为晶种，对已选择的将作为晶种的碳化硅进行如下处理：先对碳化硅进行破碎处理筛分处理，选取粒径达到8毫米的碳化硅进行提纯处理，提纯采用酸洗方法，然后用纯水进行冲洗至pH值在7.5，烘干；

（2）碳化硅晶种的添加：碳化硅晶种的添加位置以及添加量如下：以石墨电极为中心，在0~10cm内放置6H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的5%，在10cm~25cm范围内放置6H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的8%，在25cm~40cm范围内放置4H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的10%。

实施例3一种碳化硅冶炼方法，其步骤如下：

（1）SiC晶种处理：根据碳化硅晶型不同选择不同晶型的碳化硅作为晶种，对已选择的将作为晶种的碳化硅进行如下处理：先对碳化硅进行破碎处理筛分处理，选取粒径达到5米的碳化硅进行提纯处理，提纯采用酸洗方法，然后用纯水进行冲洗至pH值在7.0，烘干；

（2）碳化硅晶种的添加：碳化硅晶种的添加位置以及添加量如下：以石墨电极为中心，在0~10cm内放置6H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的1%，在10cm~25cm范围内放置6H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的1%，在25cm~40cm范围内放置4H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的5%。

实施例4，一种碳化硅冶炼方法，其步骤如下：

（1）SiC晶种处理：根据碳化硅晶型不同选择不同晶型的碳化硅作为晶种，对已选择的将作为晶种的碳化硅进行如下处理：先对碳化硅进行破碎处理筛分处理，选取粒径达到5~6毫米的碳化硅进行提纯处理，提纯采用酸洗方法，然后用纯水进行冲洗至pH值在6.9，烘干；

（2）碳化硅晶种的添加：碳化硅晶种的添加位置以及添加量如下：以石墨电极为中心，在0~10cm内放置6H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的3%，在10cm~25cm范围内放置6H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的5%，在25cm~40cm范围内放置4H碳化硅晶种，添加的晶种占混料质量百分比的6%。

实施例5，实施例1 －4任何一项所述的一种碳化硅冶炼方法的步骤（1）中：提纯采用质量浓度为10%-15%的氢氟酸进行酸洗。

实施例6，实施例1 －4任何一项所述的一种碳化硅冶炼方法的步骤（1）中：提纯采用质量浓度为12%的氢氟酸进行酸洗。

实施例7，实施例3所述的一种碳化硅冶炼方法，在步骤（2）中：在0~10cm内放置6H碳化硅晶种占混料质量百分比的1%~2%，在10cm~25cm范围内放置6H碳化硅晶种占混料质量百分比的2%~4%，在25cm~40cm范围内放置4H碳化硅晶种占混料质量百分比的3%~6%。其余与实施例3相同。

实施例8，实施例4所述的一种碳化硅冶炼方法，在步骤（2）中，在0~10cm内放置6H碳化硅晶种占混料质量百分比的1.5%，在10cm~25cm范围内放置6H碳化硅晶种占混料质量百分比的3%，在25cm~40cm范围内放置4H碳化硅晶种占混料质量百分比的4.5%。其余与实施例4相同。

实施例9，发明人按实施例1方法进行硅冶炼方法实验，实验方法为：除下表中有注明的外，步骤和参数与实施例1相同，实验结果如下：

Claims

1.一种碳化硅冶炼方法，其特征在于，其步骤如下：

（1）SiC晶种处理：根据碳化硅晶型不同选择不同晶型的碳化硅作为晶种，对已选择的将作为晶种的碳化硅进行如下处理：先对碳化硅进行破碎处理筛分处理，选取粒径达到3~8毫米的碳化硅进行提纯处理，提纯采用酸洗方法，然后用纯水进行冲洗至pH值在6.5~7.5，烘干；

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅冶炼方法，其特征在于：在步骤（1）中，提纯采用质量浓度为10%-15%的氢氟酸进行酸洗。

3.根据权利要求2所述的一种碳化硅冶炼方法，其特征在于：在步骤（1）中，提纯采用质量浓度为12%的氢氟酸进行酸洗。

4.根据权利要求1所述的一种碳化硅冶炼方法，其特征在于：在步骤（1）中，酸洗后纯水进行冲洗至pH值在6.9~7.2。

5.根据权利要求1所述的一种碳化硅冶炼方法，其特征在于：在步骤（2）中，在0~10cm内放置6H碳化硅晶种占混料质量百分比的1%~2%，在10cm~25cm范围内放置6H碳化硅晶种占混料质量百分比的2%~4%，在25cm~40cm范围内放置4H碳化硅晶种占混料质量百分比的3%~6%。

6.根据权利要求5所述的一种碳化硅冶炼方法，其特征在于：在步骤（2）中，在0~10cm内放置6H碳化硅晶种占混料质量百分比的1.5%，在10cm~25cm范围内放置6H碳化硅晶种占混料质量百分比的3%，在25cm~40cm范围内放置4H碳化硅晶种占混料质量百分比的4.5%。