CN112978732B - 碳化硅的生产方法以及专用生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了碳化硅的生产方法以及专用生产系统。本发明在原材料的选取上采用易于提纯的液态体系为原材料为生产高纯度纳米级碳化硅粉体奠定了原料基础；在碳化硅生产过程中应用单炉多层流化熔融炉提高物料的充分混合和传质传热，一步实现碳化硅产品的完全转化，无需分离回用乏料；利用石墨化加热芯精准控制单炉多层流化熔融炉内各个床层的温度控制产品类型；应用单炉多层流化熔融炉多个床层有效缩短碳化硅生产过程的反应时间；应用惰性气体作为流化气在床层熔融物料中产生湍动实现物料混合和反应均匀；在碳化硅生产过程中充分应用流化气的余热用于生产原料的干燥和原料进入熔融制备单元气力输送过程，实现了能量的有效回用。

Description

碳化硅的生产方法以及专用生产系统

技术领域

本发明涉及一种碳化硅的生产方法以及生产系统，尤其涉及一种采用单炉多层流化熔融炉的碳化硅生产方法以及实现该生产方法的专用系统，属于碳化硅的制备领域。

背景技术

碳化硅材料用途广泛，主要应用于太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业中。目前，常规碳化硅的制备主要来源于人工合成，其制备方法主要包括升华法和熔解法。其中，升华法是在真空为10-30毫米汞柱的碳管炉内靠装填碳管炉内碳化硅炉料升华在内壁生长合成生产碳化硅；熔解法是在严格控制温度在2600度的电炉内埋入密闭石墨干坩埚，将粘合成型碳化硅配料提前置于密闭石墨干坩埚内熔融生产碳化硅。然而，上述方法在生产过程中存在如下劣势：(1)熔解法和升华法均属于间歇生产，产品出炉人工分级分选；(2)熔解法物料反应不完全，在制备完成后炉内物料仅在中心部位形成碳化硅产品，其他物料反应不完全，如作为保温层、氧碳化硅层、粘合物层和无定形物层存在等；升华法存在碳化硅晶体生长速率低，并且反应空间中的温度管理困难；(3)熔解法和升华法制备碳化硅的过程中原料由于粘合在一起存在，传质和传热效率较低。然而，应用流态化方法可有效提高制备碳化硅原料的混合均匀程度，提高传质和传热效率，避免了升华法碳化硅晶体生成速率慢和操作温度难以控制缺陷，同时也克服了常规熔融法电阻炉由内到外形成不同的炉料层而造成未反应完全原料二次熔炉回用。

常规碳化硅制备方法主要分为熔融法和升华法。

熔融法的特点：熔融法制备碳化硅主要设备是电阻炉。其中，电阻炉两端是端墙，近中心处设有石墨电极，炉芯体则连于两电极之间；而炉芯周围则装填的是参加反应的炉料(主要是石英和碳质原料)，外部则是保温料。在对炉料进行熔融生产碳化硅时，通常通过供电保证炉芯体温度上升达到2600～2700处。此时被电加热的炉芯会把热量传给炉料，使之逐渐加热达到1450℃以上时即可生成碳化硅并逸出一氧化碳。伴随着加热时间延长，炉料高温范围会不断扩大，同时生成的碳化硅也越来越多，最终促使碳化硅在炉内蒸发移动结晶形成圆筒形的结晶筒。当结晶筒内温度超过2600℃时，部分碳化硅产品又会开始分解，所分解出的硅又与炉料中的碳结合而成为新的碳化硅。

常用熔融法碳化硅生产设备主要包括原料混合装置、熔融生产装置(电阻炉)和产品处理装置，如图1所示。破碎成一定粒度的硅原料、碳质原料和辅料在混合装置中混合均匀成型后后送入熔融生产装置；混合料和上一操作所产生的回用乏料一起在熔融生产单元中经过2600℃左右的高温生产出高纯度碳化硅产品。但是在熔融生产单元中，并非所有的原料和回用乏料都在电阻炉内转化为碳化硅产品。因此，在后续的产品处理单元中，未生成合格产品的回用乏料经处理后再次进入熔融生产单元中继续成产碳化硅。同时，在此工艺过程中熔融生产过程产生的高温碳化硅热量也未得到回收利用。

升华法的特点：升华法是目前商业生产碳化硅晶体最常用的方法，它是把预处理制备碳化硅粉料放在石墨坩埚和多孔石墨管之间，在惰性气氛环境(通常氩气)，温度为2500℃的条件下所生成碳化硅进行升华生长制备，但是此法在生产过程中碳化硅生成速率较慢，不易控制所生长碳化硅晶体晶型尺寸；同时，生产中操作温度也不易控制。

现有技术存在的缺点：

(1)熔解法和升华法均属于间歇生产，产品出炉人工分级分选；

(2)熔解法物料反应不完全，在制备完成后炉内物料仅在中心部位形成碳化硅产品，其他物料反应不完全，如作为保温层、氧碳化硅层、粘合物层和无定形物层存在等；升华法存在碳化硅晶体生长速率低，并且反应空间中的温度管理困难；

(3)熔解法和升华法制备碳化硅的过程中原料由于粘合在一起存在，传质和传热效率较低。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种碳化硅的生产方法，以解决传统碳化硅生产过程传质传热不均匀问题，实现碳化硅的连续化生产过程和各个阶段温度操控，克服传统碳化硅生产过程物料单程转化效率低，产品乏料继续分离回用的弊端。

本发明的目的之二是提供一种实现上述碳化硅的生产方法的采用单炉多层流化熔融炉的碳化硅生产系统；

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明首先提供了一种碳化硅的生产方法，包括：

(1)将液态硅原料和液态碳原料在提纯装置中进行提纯处理；

(2)将提纯处理后的液体混合原料在干燥破碎装置中通过高温惰性气体干燥后进行破碎处理；

(3)破碎处理后的物料进入到单炉多层流化熔融炉内，由炉内最上面的流态化床层依次进入下面的流态化床层，在每层流态化床层上逐步进行熔融反应直至生产碳化硅，其中，使用惰性气体作为流化气体使物料保持流化状态；

(4)将步骤(3)生产的碳化硅在具有冷却功能的产品处理装置中进行冷却处理后包装，即得。

在本发明的一些具体的实施方案中，所述的液态硅源包括但不限于液态二氧化硅、硅溶胶、硅酸或硅油等水溶性液态硅源。

在本发明的一些具体的实施方案中，所述的液态碳源包括但不限于水溶性糖类，譬如葡萄糖、蔗糖、水溶性淀粉、麦芽糖等。

在本发明的一些优选的实施方案中，液态硅原料和液态碳原料的摩尔比优选为1:1-1:5。

在本发明的一些优选的实施方案中，还可以根据需要向液态硅原料和液态碳原料添加辅料，所述的辅料选自木屑和食盐等，其中，木屑的作用是调节原材料混合物的透气性；当生产绿碳化硅时，还需要加入适量的食盐。

在本发明的一些优选的实施方案中，木屑的重量占总原料(硅源+碳源+辅料)重量的2％-6％。食盐的重量占总原料(硅源+碳源+辅料)重量的3％-11％。

其中，步骤(1)中所述的提纯处理可以是采用诸如膜过滤、离子交换、重结晶、萃取等常规的提纯处理方式对液体原料进行提纯处理，所有原料在提纯阶段就直接混合，通过对液体原料进行提纯处理，使得硅源和碳源的纯度在99.5％以上。

步骤(2)中采用高温惰性气体对提纯后的液体原料进行干燥处理时，可以是将提纯后的液态混合原料与温度为1900-2700℃的高温惰性气体(主要为Ar气)进行逆流或者顺流干燥方式将提纯后的液体原料进行干燥，同时将干燥后的原材料进行破碎处理，控制原料的粒度在8mm以下。作为优选的实施方案，步骤(2)中的高温惰性气体来自单炉多层流化熔融炉所排出的高温惰性气体，以实现回用。

本发明中所使用的惰性气体主要为Ar气，在一些优选的实施方案中，步骤(3)所用惰性气体可以来自步骤(2)高温惰性气体干燥液体原料后的回收的惰性气体以进行循环回用。

作为一种优选的实施方案，步骤(3)中在进行流态化熔融反应生产碳化硅时，将惰性气体通过风孔的风速控制在25～55米/秒，通过高速气流来推动熔融态床层的反应物湍动，确保每层床面内的物料都处于流化状态，实现床内床层的均匀流动和传质传热；将床面的惰性气体流速控制在0.6～1.2米/秒，以确保物料被充分加热。

步骤(3)中通过控制流态化熔融反应的反应温度和反应时间控制碳化硅产品类型；譬如，将单炉多层流化熔融炉中的石墨加热芯的温度控制在2600℃左右进行流态化熔融反应，生产得到纯α-SiC相产品；将单炉多层流化熔融炉中的石墨加热芯的温度控制在2000℃左右进行流态化熔融反应，生产得到β-SiC相产品；将单炉多层流化熔融炉中的石墨加热芯的温度控制在2000-2600℃左右进行流态化熔融反应，生产得到α-SiC/β-SiC混合相产品。

本发明进一步提供了一种实现上述碳化硅的生产方法的专用生产系统，包括通过原料输送管道依次连接的物料混合装置、熔融生产装置和产品处理装置，其中，所述的熔融生产装置采用单炉多层流化熔融炉，该单炉多层流化熔融炉的顶面设有氩气出口。

所述单炉多层流化熔融炉包括炉体，在炉体内从上至下间隔设置有多个床层，每一床层的一端与炉体内壁的一侧的连接，另一端与炉体内壁的另一侧之间设有用于物料向下流通的导流口，相邻的床层的导流口相对交替设置；该床层包括布风板、石墨加热芯和溢流堰，布风板水平设置，在该布风板上布满风帽或风孔，在该布风板与该导流口相邻的一端设有向上延伸的溢流堰，在该布风板的上面设有石墨加热芯，在该炉体的底面设有产品出口，在该炉体的顶部和底部分别设有原料入口和氩气入口。

本发明的一种优选的具体实施方案，所述的炉体的横截面为圆形或方形，其内径或边长为1.0～8.0米；其中，对于横截面为圆形的炉体，所述的布风板为直径与炉体内径相同的圆缺形状，该圆缺缺少的部分作为所述的导流口，所述的溢流堰设在该圆缺的直线边；圆缺的直线边的中点与跨过导流口对侧的炉体内壁的距离为布风板直径的1/8～1/16；对于横截面为方形的炉体，所述的布风板的长度与炉体横截面的边长相等，其导流口的宽度为布风板长度的1/8～1/16。

本发明的一种优选的具体实施方案，所述的石墨加热芯安装在风帽或者风孔的行间，设在距离布风板0.03～0.2m的上方，石墨加热芯的安装距离为风帽或者风孔直径的2倍距离；所述的风帽直径为30～80毫米，所述的风孔直径为3～8毫米。每层流态化床层均设置多组石墨加热芯，根据产品类型精确控制开启石墨加热芯的数量保证反应温度。

本发明的一种优选的具体实施方案，风帽或风孔之间的中心间距为风帽或者风孔直径的1.0～1.5倍；每层该布风板的间距为0.1～0.8米。

本发明的一种优选的具体实施方案，该单炉多层流化熔融炉的氩气出口通过输入管道与干燥破碎装置的循环的高温惰性气体入口连接，在输入管道上装有空气燃烧器；干燥破碎装置的循环的冷却惰性气体出口通过输出管道与该单炉多层流化熔融炉的氩气入口连接；该单炉多层流化熔融炉的产品出口与该产品处理装置的入口连接。

本发明的一种优选的具体实施方案，在所述的干燥破碎装置的前面还设有提纯装置，原料经该提纯装置提高纯度后送入该干燥破碎装置进行干燥和破碎。本发明中所述的提纯装置属于现有技术设备，譬如采用膜过滤、离心分离、电化学分离等只要是用于分离或提纯物料的设备均可适用于本发明。

本发明的一种优选的具体实施方案，在所述的单炉多层流化熔融炉的氩气出口装有在线煤气分析仪，用于实时监测高温流化气中一氧化碳的浓度，一氧化碳的体积浓度控制在0.3％以下；在线煤气分析仪上面有一氧化碳浓度的数字显示，当高于此数值时，可通过开启空气燃烧器对高温流化气进行过火燃烧，降低一氧化碳浓度至0.3％以下；当低于此数值时，不必开启空气燃烧器对高温流化气进行过火燃烧。在线煤气分析仪属于现有技术设备，可以通过各种商业途径购买得到，均能适用于本发明。

本发明的一种优选的具体实施方案，所述的物料混合装置采用干燥破碎装置，所述的干燥破碎装置包括外壳、破碎叶片和液体槽，在外壳内从上至下间隔设有多层液体槽，在每一该液体槽内设有进行驱动转动的破碎叶片；在该外壳相对的两侧分别设有提纯原料入口和提纯原料出口，在该外壳的顶端和底端分别设有循环的高温惰性气体入口和循环的冷却惰性气体出口。

在使用本发明单炉多层流化熔融装置进行碳化硅产品生产时，主要依据操作温度和反应时间控制碳化硅产品类型。生产纯α-SiC相产品的实施方式中，石墨加热芯的温度控制在2600℃左右；生产β-SiC相产品的实施方式中，石墨加热芯的温度控制在2000℃左右；α/β-SiC混合相产品的实施方式中，石墨加热芯的温度控制在2000～2600℃。

在单炉多层流化熔融炉内进行碳化硅产品生产时，单炉多层流化熔融炉的每层床层物料通过溢流管相互连接实现上下床层的物料流动，经干燥破碎的生产原料进入单炉多层流化熔融炉最上面的床层时，开启石墓加热芯进行加热，将炉内生产原料慢慢熔融成液态，然后依次通过各床层的溢流堰和导流管参与各级床层的熔融反应，每个床层熔融态生产原料在惰性气体的流化作用下呈液体沸腾状态，实现了在一个炉体内进行碳化硅的生产，并且可以在炉内进行多层流化熔融温度的控制，炉内每层床层的温度可以控制为相同或不同，物料进入炉内后被逐渐加热，并慢慢由固态转变成熔融态，最终在一定数目的床层内通过控制反应温度实现不同晶态碳化硅产品的完全反应转化，由此实现连续化生产且所得的产品是稳定的。

本发明的基于单炉多层流化熔融炉的碳化硅生产系统生产碳化硅的方法，首先在原材料的选取上采用易于提纯的液态体系为原材料，实现了生产高纯度纳米级碳化硅粉体的原料基础；其次，在碳化硅生产过程中应用单炉多层流化熔融炉提高物料的充分混合和传质传热，反应一步实现碳化硅产品的完全转化，无需分离回用乏料；利用石墨化加热芯精准控制单炉多层流化熔融炉内各个床层的温度控制产品类型(非晶、纯β相、纯α相、α/β混合相)；应用单炉多层流化熔融炉多个床层有效缩短碳化硅生产过程的反应时间，完全生产出合格碳化硅产品的反应时间可由过去大约15～25个小时缩短为现在的1～2小时，极大提高了生产效率；应用惰性气体作为流化气在床层熔融物料中产生湍动实现物料混合和反应均匀；最后，在碳化硅生产过程中充分应用流化气的余热用于生产原料的干燥和原料进入熔融制备单元气力输送过程，实现了能量的有效回用。

本发明基于单炉多层流化熔融炉的碳化硅生产系统生产碳化硅的方法可实现碳化硅制备过程分段反应和分段控制，不仅可以实现碳化硅生产过程的连续性和过程余热回用，而且还有效提高碳化硅晶体转化率，解决了传统碳化硅生产过程为间歇生产和生产过程物料单程转化效率低、产品分离乏料继续回用的一系列问题。

附图说明

图1是传统熔融法生产碳化硅的系统构成(兼生产流程)图；

图2是本发明生产碳化硅系统的构成(兼生产流程)示意图；

图3是本发明的单炉多层流化熔融炉的外形结构示意图；

图4是本发明的单炉多层流化熔融炉的内部结构示意图；

图5是图4的A-A剖视图(圆形炉体)；

图6是图4的A-A剖视图(矩形炉体)；

图7是图5的尺寸标注图(不含石墨加热芯)；

图8是图6的尺寸标注图(不含石墨加热芯)；

图9是本发明干燥破碎装置的结构示意图；

图10是本发明空气燃烧器的安装结构示意图。

附图标记说明：A、提纯装置，B、干燥破碎装置，C、单炉多层流化熔融炉，D、产品处理装置，E、空气燃烧器；1、炉体，2、溢流堰，3、导流口，4、布风板，5、产品出口，6、氩气入口，7、石墨加热芯，8、原料入口，9、氩气出口，10、风帽或风孔，11、床面(被加工原料)，12、(氩气)输入管道，13、(氩气)输出管道，14、外壳，15、破碎叶片，16、液体槽，17、提纯原料入口，18、提纯原料出口，19、循环的高温惰性气体入口，20、循环的冷却惰性气体出口。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但是应理解这些实施例仅是范例性的，不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改或替换均落入本发明的保护范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请实施例的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

参见图2-图10，本发明一种采用单炉多层流化熔融炉的碳化硅生产系统的实施例，包括通过原料输送管道依次连接的提纯装置A、干燥破碎装置B、单炉多层流化熔融炉C、产品处理装置D和空气燃烧器E，该单炉多层流化熔融炉C的氩气出口9通过输入管道12与该干燥破碎装置B的循环的高温惰性气体入口19连接，在该输入管道12上装有空气燃烧器E；该干燥破碎装置B的循环的冷却惰性气体出口20通过输出管道13与该单炉多层流化熔融炉C的氩气入口6连接；该单炉多层流化熔融炉C的产品出口5与该产品处理装置D的入口连接。所述的提纯装置A和产品处理装置D均采用现有设备。

所述的单炉多层流化熔融炉C包括竖向设置的筒形的炉体1，在该炉体1内从上至下间隔设置有多个床层，每一床层的一端与炉体1内壁的一侧的连接，另一端与炉体1内壁的另一侧之间设有用于物料向下流通的导流口3，相邻的床层的导流口3相对交替设置；该床层包括布风板4、石墨加热芯7和溢流堰2，布风板4水平设置，在该布风板4上布满风帽或风孔10，在该布风板4与该导流口3相邻的一端设有向上延伸的溢流堰2，在该布风板4的上面设有石墨加热芯7；在该炉体1的顶面和底面分别设有氩气出口9和产品出口5；在该炉体1的顶部和底部分别设有原料入口8和氩气入口6。

所述的布风板4上布满风帽或者风孔10，风帽直径一般在30～80毫米，风孔直径在3～8毫米，具体尺寸视布风板4得大小而定。风帽或者风孔10一般采用圆形结构，风帽或者风孔10之间中心间距为风帽或者风孔直径的1.0～1.5倍。床层上的风帽或者风孔10在生产碳化硅的状态下要保证惰性气体出风帽和风孔的小孔风速控制在25～55米/秒，确保炉内每层床层内的物料都处于流化状态。熔融炉每层床层控制床面11高度可(即床层内物料的高度)控制在0.1～0.8米，视炉内床层数目而定，床面11的气体流速控制在0.6～1.2米/秒。通过控制石墨加热芯7的电流强度来控制炉内各床层的反应温度，实现生产不同碳化硅产品的温度控制要求。比如，控制炉内各流化床层温度在2000℃时，实现生产原料全部转化β-SiC结晶产品。当控制炉内各层温度高于2600℃时，则最终可生成α-SiC结晶产品。

炉体1的横截面采用圆形或者正四边形，其内径或边长为1.0～8.0米。布风板通过耐高温不锈钢或者异形高温耐材成型加工而成，通过炉体耐材砖和耐高温不锈钢筋板将床层固定。对于圆形床层(参见图5和图7)，所述的布风板4为直径与炉体1内径相同的圆缺形状，该圆缺缺少的部分作为所述的导流口3。每层床层的床径(也就是布风板4的直径)D在1.0～8.0米，每层床层布风板4的上面布置有溢流堰2，溢流堰2离炉内壁的距离L1为床径D的1/8～1/16。而对于正四边形床层(参见图6和图8)，炉体1的横截面的边长L为在1.0～2.8米，每层床层的长度为L，宽度为W。每层布风板4一边设有溢流堰2，溢流堰2离炉体内壁的距离L1(即导流口3的宽度)为床层长度L的1/8～1/16，床层的宽度W＝L-L1。每层布风板4之间的间距H在0.1～0.8米，视炉内床层数目而定。由于多层流化，每层床层布置一层石墨加热芯7，布置方式如图5和图6所示。石墨加热芯7安装在风帽或者风孔10的行间，并在距离布风板4上方0.03～0.2m的高度上，石墨加热芯7的安装距离一般为风帽或者风孔10的直径的2倍距离左右，一般在60～160毫米范围。

参见图9，所述的干燥破碎装置B包括外壳14、破碎叶片15(破碎叶片形状类似螺旋桨，安装方式采用立杆固定安装，电动驱动转动)和液体槽16，在外壳14内从上至下间隔设有多层液体槽16，在每一该液体槽16内设有破碎叶片15。在该外壳14相对的两侧分别设有提纯原料入口17和提纯原料出口18，在该外壳14的顶端和底端分别设有循环的高温惰性气体(氩气)入口19和循环的冷却惰性气体(氩气)出口20。其主要的工作原理是，高温氩气从循环的高温惰性气体(氩气)入口19进入干燥破碎装置B中多层液体槽16后，高温氩气将热量传递给多层液体槽16并使得多层液体槽16中的水分蒸发实现原料干燥，干燥之后氩气从循环的冷却惰性气体(氩气)出口20排出，多层液体槽16中的原料则在失水干燥后应用破碎叶片15进行破碎。

本发明的主要工作过程如下：生产碳化硅产品的原材料(包括硅原料、碳质原料和辅料)首先在提纯装置A中进行预处理和制备(属于常规技术)；新型熔融法生产工艺中所采用的原料体系为液态体系，硅原料可采用液态二氧化硅，如硅溶胶、硅酸等；碳质原料可采用水溶性糖类，如葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉和麦芽糖等(溶性糖类是提供碳源的，要求直接可水溶性的)；辅料一般为木屑和食盐等(辅料采用木屑是为了调节生产用碳化硅混合原料的透气性；制炼绿碳化硅时，生产用碳化硅的混合原料中还要加适量的食盐)。在原料提纯装置中，首先采用膜过滤、离子交换、重结晶、萃取等方式对液体原材料进行提纯(提纯步骤是对辅料、硅原料和碳质原料分别提纯，但原材料来源纯度满足要求可不进行提纯步骤(省去提纯装置A)，生产用辅料一般是满足生产纯度要求，不存在提纯要求；提纯后的硅原料和碳质原料纯度在99.5％以上)。然后与辅料进行混合均匀形成混合料，混合是在破碎干燥单元中进行，所有原料在提纯阶段就直接混合。硅原料:碳质原料的摩尔比在1:1～1:5之间，辅料木屑质量占总原料(硅原料+碳质原料+辅料)质量的2％～6％；辅料食盐质量占总原料(硅原料+碳质原料+辅料)质量的3％～11％。然后，混合料进入干燥破碎装置B；在干燥破碎装置B中，经提纯的液态混合原料与来自单炉多层流化熔融炉C回用的1900～2700℃高温惰性气体(主要为Ar气)进行逆流或者顺流干燥进而通过破碎成满足熔融生产单元所需要0～8mm粒度的生产原料进行碳化硅的生产。在单炉多层流化熔融炉C中，一定粒度的生产原料在炉体内进行流态化熔融反应生产碳化硅，熔融炉内所用流化气体为惰性气体(主要为Ar气)，所用惰性气体来自循环回用于干燥破碎装置B内的干燥过程的惰性气体。

本发明由于将混合原料进行了提纯和在干燥破碎处理，并且，所述的单炉多层流化熔融炉C采用多层床层反应，温度均匀，物料混合均匀，因此反应后所得产品无需分离，直接经产品处理装置处理后获取碳化硅成品，也不存在回炉料回用问题。

本发明所述的产品处理装置D主要是对产品进行冷却，因此能够具有冷却产品功能的设备均能作为本发明的产品处理装置；进一步优选的，所述的产品处理装置D可以附加有对冷却后的产品进行自动装袋的功能。

现有技术的产品处理装置会造成人工分选出不合理的乏料进行回用，而本产品处理装置不存在人工分选不合格乏料的问题，其原因是本发明的熔融生产装置与原有熔融生产装置不同导致，采用本发明的熔融生产装置原料基本上完全转化为合格产品。而传统碳化硅生产工艺由于是固定床反应，热量由炉体中心向炉外传热反应，因此，所生产的最终产品中含有相当一部分未参与反应硅原料和碳质原料，需要分离进一步作为回炉料回用，经上述分离后才获得合格碳化硅产品。

本发明的单炉多层流化熔融炉C采用单炉多层流化熔融方式，在一个炉体1内进行生产碳化硅，但是可以在炉体1内进行多层流化熔融温度控制每层床层的温度可以控制不同，能够使得混合原料进入炉内后有个不断被加热升温的过程，原料缓慢从固态转变为熔融液态。

床层内物料慢慢由固态转变成熔融态，但最终会在一定数目的床层内通过控制反应温度实现不同晶态碳化硅产品的完全反应转化，实现生产过程连续化和产品稳定。从干燥破碎装置B输出的一定粒度的生产原料，可通过气力输送或者螺旋绞龙方式送入单炉多层流化熔融炉C的顶部的原料入口8，进入炉体内的第一层床层内，在一定温度下熔融态的反应物料依次通过导流口3进入最后一层床层，碳化硅成品由炉底的产品出口5收集冷却运出。炉内Ar气(流化气)从炉底进入，单炉多层流化熔融炉的每层床层物料通过导流口3相互连接实现上下床层的物料流动。

在单炉多层流化熔融炉C内进行碳化硅产品生产时，主要依据操作温度控制碳化硅产品类型。一般生产纯α-SiC相产品控制加热芯温度在2600℃左右，β-SiC相产品控制加热芯温度在2000℃左右，而α/β-SiC混合相则控制加热芯温度在2000～2600℃。经干燥破碎的生产原料进入单炉多层流化熔融炉最上面的床层时，已开启加热芯加热的炉内将生产原料慢慢熔融成液态，然后依次通过各床层的溢流堰和导流管参与各级床层的熔融反应，每个床层熔融态生产原料在惰性气体(一般为Ar气)的流化作用下呈液体沸腾状态。

为提高熔融生产过程中用于流化的惰性气体的余热，考虑对其进行余热回用：首先在单炉多层流化熔融炉C内熔融生产碳化硅的过程中会产生部分一氧化碳气体，因此应应用在线煤气分析仪实时监测高温流化气中一氧化碳的浓度(未图示)，一氧化碳浓度控制在体积浓度在0.3％以下。在回用到干燥破碎装置前通过空气燃烧器进行实时在线过火燃烧生成二氧化碳，确保干燥破碎制备单元生产安全。经在线过火燃烧处理过的流化气进入干燥破碎装置B对液体原料进行充分干燥后循环回用至单炉多层流化熔融炉C，实现整个过程的余热利用。

所述的单炉多层流化熔融炉C在工作时，流化惰性气(氩气)通过风帽小孔和风孔10产生25～55米/秒的高速气流来推动熔融态床层的原料湍动，实现床内床层的均匀流动和传质传热。同时，每层流态化床层均设置多组石墨加热芯7，根据产品类型精确控制开启加热芯的数量保证反应温度。

所述的干燥破碎装置B在惰性环境下进行保证原材料在干燥过程不被燃烧氧化；生产原料经干燥破碎可通过部分经间壁换热后的冷却惰性气体(一般为Ar气)经加压气力输送至单炉多层流化熔融炉C的Ar气入口6。

本发明的单炉多层流化熔融炉C采用单炉多层流化熔融方式生产碳化硅产品，可保证物料的充分混合和传质传热，与传统的熔融法和升华法相比，完全生产出合格碳化硅产品的反应时间可由过去大约15～25个小时缩短为现在的1～2小时，极大提高了生产效率；同时，在生产原料制备上采用液态原料体系，原料易于提纯、易实现高纯度(4纳米以上)，同时原料提纯干燥后充分混合均匀，易于较低温度下烧制得纳米级碳化硅粉体，进而通过控制反应温度精确控制碳化硅的晶相(非晶、纯β相、纯α相、α/β混合相)。以下进一步结合具体的生产实施例说明利用本发明提供的基于单炉多层流化熔融炉的碳化硅生产系统生产碳化硅的方法

实施例1基于单炉多层流化熔融炉的碳化硅生产系统生产碳化硅的方法

在常温下将液态二氧化硅以及水溶性淀粉通过膜过滤设备进行提纯得到高纯度的原料，将提纯后的液态二氧化硅，水溶性淀粉与木屑和食盐混合均匀(液态二氧化硅与水溶性淀粉的摩尔比为1:1，木屑重量占总原材料(硅源+碳源+辅料)重量的2％-6％，食盐的重量占总原材料(硅源+碳源+辅料)重量的3％-11％)得到液态混合原料；

在干燥破碎装置B中，将提纯后的液态混合原料与温度为1900-2700℃的高温惰性气体(主要为Ar气)进行逆流或者顺流干燥方式将提纯后的液体原料进行干燥，同时将干燥后的原材料进行破碎处理，控制原材料的粒度在8mm以下，其中的高温惰性气体来自单炉多层流化熔融炉所排出的高温惰性气体；

将干燥破碎后的原料输送至单炉多层流化熔融炉的原料进口，控制熔融炉内温度在2040℃左右，熔融态的原料在此温度下由炉内最上面的床层由溢流堰和导流管依次进入下面的4个流态化床层逐层进行熔融反应，床层高度在0.3米左右，风帽直径45mm，床面气体流速控制在1.0米/秒左右，风帽小孔气速控制在40米/秒左右。在熔融炉下部出料口排出熔融态的β-SiC产品，将高温惰性气体通过流化熔融炉顶部的出口输送到干燥破碎装置中进行循环利用；

将生产出熔融态的β-SiC产品在具有冷却功能的产品处理装置中进行冷却后再进行成品包装。所生产出的产品为5～8纳米左右的细粉β-SiC晶体，晶体纯度在99.9％以上，整个碳化硅生产过程原料转化率在99％以上。

实施例2基于单炉多层流化熔融炉的碳化硅生产系统生产碳化硅的方法

在常温下将液态硅溶胶以及蔗糖通过膜过滤设备进行提纯得到高纯度的原料，将提纯后的液态硅溶胶，蔗糖与木屑和食盐混合均匀(液态硅溶胶与蔗糖的摩尔比为1:2，木屑重量占总原材料(硅源+碳源+辅料)重量的2％-6％，食盐的重量占总原材料(硅源+碳源+辅料)重量的3％-11％)得到液态混合原料；

在干燥破碎装置B中，将提纯后的液态混合原料与温度为1900-2700℃的高温惰性气体(主要为Ar气)进行逆流或者顺流干燥方式将提纯后的液体原料进行干燥，同时将干燥后的原材料进行破碎处理，控制原材料的粒度在8mm以下，其中的高温惰性气体来自单炉多层流化熔融炉所排出的高温惰性气体；

将干燥破碎后的原料输送至多炉串联分级熔融炉第一级熔融炉的原料进口，各级熔融炉控制反应温度在2600℃左右，熔融态的原料在此温度下由熔融态的原料在此温度下由炉内最上面的床层由溢流堰和导流管依次进入下面的5个流态化床层逐层进行熔融反应，每个熔融炉床层高度在0.2米左右，风帽直径50mm，床面气体流速控制在1.2米/秒左右，风帽小孔气速在35米/秒左右。在熔融炉出料口排出熔融态的α-SiC产品，将高温惰性气体通过流化熔融炉顶部的出口输送到干燥破碎装置中进行循环利用；

将生产出熔融态的α-SiC产品在具有冷却功能的产品处理装置中进行冷却后再进行成品包装。所生产出的产品为4～6纳米左右的细粉α-SiC晶体，晶体纯度在99.9％以上，整个碳化硅生产过程原料转化率在99.5％以上。

实施例3基于单炉多层流化熔融炉的碳化硅生产系统生产碳化硅的方法

在常温下将液态硅酸以及麦芽糖通过膜过滤设备进行提纯得到高纯度的原料，将提纯后的液态硅酸，麦芽糖与木屑和食盐混合均匀(液态硅硅酸与麦芽糖的摩尔比为1:4，木屑重量占总原材料(硅源+碳源+辅料)重量的2％-6％，食盐的重量占总原材料(硅源+碳源+辅料)重量的3％-11％)得到液态混合原料；

在干燥破碎装置B中，将提纯后的液态混合原料与温度为1900-2700℃的高温惰性气体(主要为Ar气)进行逆流或者顺流干燥方式将提纯后的液体原料进行干燥，同时将干燥后的原材料进行破碎处理，控制原材料的粒度在8mm以下，其中的高温惰性气体来自单炉多层流化熔融炉所排出的高温惰性气体；

将干燥破碎后的原料输送至输送多炉串联分级熔融炉第一级熔融炉的原料进口，各级熔融炉控制反应温度在2000-2600℃左右，熔融态的原料在此温度下熔融态的原料在此温度下由炉内最上面的床层由溢流堰和导流管依次进入下面的7个流态化床层逐层进行熔融反应，每个熔融炉床层高度在0.3米左右，风帽直径50mm，床面气体流速控制在1.5米/秒左右，风帽小孔气速在55米/秒左右。熔融炉出料口排出熔融态的α-SiC和β-SiC混合相产品，将高温惰性气体通过流化熔融炉顶部的出口输送到干燥破碎装置中进行循环利用；

将生产出熔融态的α-SiC和β-SiC混合相产品在具有冷却功能的产品处理装置中进行冷却后再进行成品包装。所生产出的产品为4～8纳米左右的细粉α-SiC和β-SiC混合晶体，晶体纯度在98.9％以上，整个碳化硅生产过程原料转化率在99％以上。

Claims (7)

1.一种碳化硅生产系统，包括：通过原料输送管道依次连接的物料混合装置、熔融生产装置和产品处理装置(D)，其特征在于，所述的熔融生产装置采用单炉多层流化熔融炉(C)，所述单炉多层流化熔融炉(C)包括炉体(1)，在炉体(1)内从上至下间隔设置有多个床层，每一床层的一端与炉体(1)内壁的一侧的连接，另一端与炉体(1)内壁的另一侧之间设有用于物料向下流通的导流口(3)，相邻的床层的导流口(3)相对交替设置；该床层包括布风板(4)、石墨加热芯(7)和溢流堰(2)，布风板(4)水平设置，在该布风板(4)上布满风帽或风孔(10)，在该布风板(4)与该导流口(3)相邻的一端设有向上延伸的溢流堰(2)，在该布风板(4)的上面设有石墨加热芯(7)，在该炉体(1)的底面设有产品出口(5)，在该炉体(1)的顶部分别设有原料入口(8)和设有氩气出口(9),该炉体(1)的底部在氩气入口(6)。

2.根据权利要求1所述的碳化硅生产系统，其特征在于，所述的炉体(1)的横截面为圆形或方形，其内径或边长为1.0～8.0米。

3.根据权利要求2所述的碳化硅生产系统，其特征在于，对于横截面为圆形的炉体(1)，布风板(4)为直径与炉体(1)内径相同的圆缺形状，圆缺缺少的部分作为导流口(3)，溢流堰(2)设在该圆缺的直线边；圆缺的直线边的中点与跨过导流口(3)对侧的炉体(1)内壁的距离为布风板(4)直径的1/8～1/16。

4.根据权利要求2所述的碳化硅生产系统，其特征在于，对于横截面为方形的炉体(1)，布风板(4)的长度与炉体(1)横截面的边长相等，导流口(3)的宽度为布风板(4)长度的1/8～1/16。

5.根据权利要求1所述的碳化硅生产系统，其特征在于，所述的石墨加热芯(7)安装在风帽或者风孔(10)的行间，设在距离布风板(4)0.03～0.2m的上方，石墨加热芯(7)安装距离为风帽或者风孔(10)直径的2倍距离；所述的风帽直径为30～80毫米，所述的风孔直径为3～8毫米；风帽或风孔(10)之间的中心间距为风帽或者风孔直径的1.0～1.5倍；每层布风板(4)的间距为0.1～0.8米。

6.根据权利要求1所述的碳化硅生产系统，其特征在于，在所述的单炉多层流化熔融炉(C)的氩气出口(9)装有在线煤气分析仪；

所述物料混合装置是干燥破碎装置(B)；该单炉多层流化熔融炉(C)的氩气出口(9)通过输入管道(12)与干燥破碎装置(B)的循环的高温惰性气体入口(19)连接，在输入管道(12)上装有空气燃烧器(E)；干燥破碎装置(B)的循环的冷却惰性气体出口(20)通过输出管道(13)与该单炉多层流化熔融炉(C)的氩气入口(6)连接；该单炉多层流化熔融炉(C)的产品出口(5)与该产品处理装置(D)的入口连接。

7.根据权利要求6所述的碳化硅生产系统，其特征在于，在所述的干燥破碎装置(B)的前面还设有提纯装置(A)，原料经该提纯装置(A)提高纯度后送入该干燥破碎装置(B)进行干燥和破碎；

所述的干燥破碎装置(B)包括外壳(14)、破碎叶片(15)和液体槽(16)，在外壳(14)内从上至下间隔设有多层液体槽(16)，在每一该液体槽(16)内设有进行驱动转动的破碎叶片(15)；在该外壳(14)相对的两侧分别设有提纯原料入口(17)和提纯原料出口(18)，在该外壳(14)的顶端和底端分别设有循环的高温惰性气体入口(19)和循环的冷却惰性气体出口(20)。