简述碳化硅冶炼炉的返炉料.doc

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简述碳化硅冶炼炉的返炉料
——作者：宁夏天净冶金公司晨光碳化硅分公司王明孝
碳化硅冶炼生产中返炉料的意义是指从上一冶炼炉中得到的各种物料、产物可以回收利用到下一冶炼炉中继续使用的物料。它包括旧炉芯体、分解石墨、细结晶、无定形物、粘合物、氧碳化硅、保温料、焙烧料等；SiC含量较高的细结晶、无定物、粘合物、氧碳化硅以及沉淀砂、收尘器中的碳化硅细粉的混合物；可以回炉投入到碳化硅冶炼炉的反应区，这是真正意义上的回炉料。返炉料还应该包括保温料和焙烧料。
就目前碳化硅冶炼行业现状而言，冶炼黑碳化硅和冶炼绿碳化硅的返炉料含义有差别。
冶炼黑碳化硅时，细结晶、无定型物可作为碳化硅的二级产品出售。粘合物可作为碳化硅的三级品出售，这些物料比回炉冶炼所产生的经济效益要好。冶炼黑碳化硅时的返炉料概念主要是指回炉循环使用的保温料。冶炼碳化硅使用得碳质原料一般是石油焦碳和无烟煤，或干馏弱粘煤（兰炭）。
冶炼绿碳化硅时的返炉料包括保温料、焙烧料、细结晶和无定型物和保温乏料。焙烧料、细结晶和无定型物要返炉投入到反应区参与反应。以提高成品率和炉产量。生产绿碳化硅的碳质原料一般使用石油焦炭。本文只对焙烧料、细结晶、无定形物作简单描述，对保温料作较为详细概述。
焙烧料、细结晶和无定形物
用石油焦碳作碳原料冶炼碳化硅的性质和特点：
石油焦碳其微观结构和无烟煤不同。石油焦碳是一种黑色或者暗灰色蜂窝状焦，是各种石油渣油、石油沥青或重质油经焦化而得到的固体产物。焦块内气孔多呈椭圆形，而且一般相互贯通，多数为大中孔结构，微孔结构少。虽然有较大的气孔率，但孔隙的比表面积小、化学反应能力不及年青无烟煤和干馏弱粘煤（兰炭）。
石油焦碳的微观结构显示，碳微晶颗粒偏大，定向性较好，微晶间交叉连接结构较少，微晶规则排列，是典型的易石墨化碳。石油焦在500℃--800℃是挥发份排除阶段，此阶段石油焦碳电阻下降很快。这是由于挥发份大量逸出并引起周围的键断开，生成不对称电子的结果。加热煅烧后比电阻小于500×106欧•米，在冶炼炉的高温状态中很容易形成石墨化为定形碳,化学反应能很弱,比电阻降低,增加炉料的漏电性,尤其是保温料反复循环使用时,恶化程度更为严重。作为保温料多次循环返炉使用时，增加产品的耗电量，使生产成本上升。保温料漏电严重时，不能继续作为保温料再继续使用，只能当废料淘汰掉。
鉴于以上原因：使用石油焦碳作冶炼碳化硅的原料时，应采用焙烧料法工艺进行冶炼，不宜采用新料法。保温料不能反复多次循环使用。
使用石油焦碳作碳质原料采用焙烧料工艺冶炼碳化硅有以下特点：
石油焦碳虽然有蜂窝状的多孔结构，气孔率也较大。但空隙基本上是大中孔结构，微孔结构很少。大中孔隙孔壁四周的物体分散力较弱，进入大中孔隙中的硅蒸气分子，由于孔径大距离孔壁较远而不能被孔壁的物理吸附力有效吸附，进行化学置换反应，难于发生“晶籽”成核的反应过程。在这种反应气氛中只能是以“气相成核”为主导作用的成核反应。气相成核需要较大的“过饱和”蒸气压，结晶反应的速率缓慢，这是石油焦碳化学活性低的主要原因。由于结晶速度较迟缓，所以碳化硅产品的生成产率偏低。
若采用焙烧料法冶炼碳化硅,石油焦碳预装于焙烧区进行预焙烧,使其经过高温的煅烧,体积得到充分聚缩，焦炭结构中的中大孔隙的孔径因体积收缩而缩小，大孔变中孔，中孔变微孔，孔壁的物理吸附力增强。大大加快碳的置换反应，使反应活性提高。保温料在上一循环中的高温焙烧过程中，由于高温热动力作用下已经形成了一定量的碳化硅微细“晶籽”，加上返炉使用的细结晶和无定形物中的碳化硅细结晶体，这些含有碳化硅“晶籽”的焙烧料和返炉料返回到冶炼炉中的高温反应区，在高温反应过程中，这些“晶籽”能起“诱导”作用。在“晶籽”的表面上吸附外来更多的碳化硅分子，合成为晶核，而后逐步成长为碳化硅结晶。有了这些“晶籽”的诱导作用，加上结晶反应中的气相成核的双重作用，能明显提高碳化硅的结晶速率。这就是用焙烧料法冶炼碳化硅能提高炉产量的基本原理。所以有些学者提出：利用碳化硅产品在加工破碎过程中收尘超细粉作为“晶种”投入到冶炼炉中以提高结晶反应的速率，达到提高炉产量，降低成本的作用。实际它不是广泛意义上“种子”的作用，而是一种“晶籽成核”的基本原理。
所以，碳化硅制造企业，用石油焦原料冶炼时，一般采用焙烧料工艺法进行冶炼，这样能收到良好的效果。
保温料：
保温料性能的优劣对碳化硅冶炼炉的正常运行影响很大。若没有保温措施时要把碳化硅的冶炼炉温度加热到2700℃的高温，炉芯发热体必须要900A/cm2以上的电流密度才能实现。实际上碳化硅冶炼炉炉芯发热体的电流密度仅有1.5-2.5A/cm2。因此，冶炼炉必须要有良好的保温条件，尽量限制或减小