ملخص عملية تصنيع كربيد السيليكون (SiC).

كربيد السيليكونيتم إنتاج المواد الكاشطة عادةً باستخدام الكوارتز وفحم الكوك كمواد خام أولية. في المرحلة التحضيرية، تخضع هذه المواد للمعالجة الميكانيكية لتحقيق حجم الجسيمات المطلوب قبل أن يتم تناسبها كيميائيًا مع شحنة الفرن.لتنظيم نفاذية شحنة الفرن، تتم إضافة كمية مناسبة من نشارة الخشب أثناء الخلط. لإنتاج كربيد السيليكون الأخضر، يتم أيضًا دمج كمية معينة من الملح في شحنة الفرن.

يتم تحميل شحنة الفرن في فرن مقاومة من النوع الدفعي، والذي يتميز بجدران نهائية عند كلا الطرفين مع وجود أقطاب كهربائية من الجرافيت بالقرب من المركز. يربط جسم قلب الفرن القطبين الكهربائيين، وتحيط به مواد شحن الفرن التفاعلية، بينما تغطي المواد العازلة المحيط الخارجي. أثناء التشغيل، تعمل الطاقة الكهربائية على تسخين قلب الفرن إلى درجات حرارة تتراوح بين 2600-2700 درجة مئوية. تنتقل الحرارة من السطح الأساسي إلى المواد المشحونة، والتي عند تجاوز درجة حرارتها 1450 درجة مئوية، تخضع لتفاعلات كيميائية لتكوين كربيد السيليكون مع إطلاق أول أكسيد الكربون.

ومع استمرار العملية، تتوسع المنطقة ذات درجة الحرارة المرتفعة، لتشكل تدريجيًا المزيد من بلورات كربيد السيليكون. تتبخر هذه البلورات، وتهاجر، وتنمو داخل الفرن، وتتجمع في النهاية لتشكل كتلة بلورية أسطوانية. تتعرض الجدران الداخلية لهذه الكتلة لدرجات حرارة تتجاوز 2600 درجة مئوية، مما يتسبب في التحلل الذي يطلق السيليكون، والذي يتحد بعد ذلك مع الكربون لتكوين كربيد السيليكون الجديد.

يختلف توزيع الطاقة الكهربائية عبر ثلاث مراحل تشغيلية:

1.المرحلة الأولية: تستخدم في المقام الأول لشحن فرن التسخين

2. المرحلة المتوسطة: زيادة نسبة تكوين كربيد السيليكون

3. المرحلة النهائية: تهيمن عليها الخسائر الحرارية

تم تطوير العلاقات المثالية بين وقت الطاقة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة الحرارية، مع فترات تشغيل نموذجية تبلغ حوالي 24 ساعة للأفران كبيرة الحجم لتسهيل تنسيق سير العمل.

أثناء التشغيل، تحدث تفاعلات ثانوية تشتمل على شوائب وأملاح مختلفة، مما يتسبب في إزاحة المواد وتقليل الحجم. يتسرب أول أكسيد الكربون الناتج كملوث للغلاف الجوي. بعد إيقاف تشغيل الطاقة، تستمر التفاعلات المتبقية لمدة 3-4 ساعات بسبب القصور الذاتي الحراري، على الرغم من انخفاض شدتها بشكل ملحوظ. ومع انخفاض درجات الحرارة السطحية، يصبح الاحتراق غير الكامل لأول أكسيد الكربون أكثر وضوحا، مما يستلزم استمرار تدابير السلامة المهنية.

تتكون مواد ما بعد الفرن من الطبقات الخارجية إلى الداخلية من المكونات التالية:

(١) ‌مادة الشحنة غير المتفاعلة‌

تظل أجزاء الشحنة التي تفشل في الوصول إلى درجة حرارة التفاعل أثناء الصهر خاملة، وتعمل فقط كعزل. وتسمى هذه المنطقة بشريط العزل. تختلف طرق التركيب والاستخدام بشكل كبير عن منطقة التفاعل. تتضمن بعض العمليات تحميل شحنة جديدة في مناطق معينة من شريط العزل أثناء تحميل الفرن، والتي يتم استرجاعها بعد الصهر ومزجها في شحنة التفاعل كمواد مكلسة. وبدلاً من ذلك، يمكن أن تخضع مادة الشريط العازل غير المتفاعلة لمعالجة التجديد عن طريق إضافة فحم الكوك ونشارة الخشب لإعادة استخدامها كشحنة مستنفدة.

(2) ‌طبقة كربيد السيليكون‌ المؤكسدة‌

تحتوي هذه الطبقة شبه المتفاعلة بشكل أساسي على الكربون غير المتفاعل والسيليكا (20-50% تم تحويلها بالفعل إلى SiC). إن الشكل المتغير لهذه المكونات يميزها عن الشحنة المستنفدة. يشكل خليط كربون السيليكا كتلا غير متبلورة ذات لون رمادي-أصفر مع تماسك فضفاض، وتسحق بسهولة تحت الضغط - على عكس الشحنة المستنفدة حيث تحتفظ السيليكا بالحبيبات الأصلية.

(3) ‌طبقة الترابط‌

منطقة انتقالية مدمجة بين الطبقة المؤكسدة والمنطقة غير المتبلورة، تحتوي على 5-10% من أكاسيد المعادن (Fe، Al، Ca، Mg). تشتمل تركيبة الطور على سيليكا/كربون غير متفاعل (40-60% SiC) ومركبات سيليكات. يصبح التمايز عن الطبقات المجاورة أمرًا صعبًا ما لم تكن الشوائب وفيرة، خاصة في أفران SiC السوداء.

(4) ‌منطقة غير متبلورة‌

β-SiC مكعب في الغالب (70-90% SiC) مع بقايا الكربون/السيليكا (2-5% أكاسيد معدنية). تتفتت المادة القابلة للتفتيت بسهولة إلى مسحوق. تنتج أفران SiC السوداء مناطق غير متبلورة سوداء، بينما تنتج أفران SiC الخضراء متغيرات خضراء مصفرة - أحيانًا مع تدرجات لونية. قد تؤدي جزيئات السيليكا الخشنة أو فحم الكوك منخفض الكربون إلى إنشاء هياكل مسامية.

(5) ‌كربيد السيليكون من الدرجة الثانوية‌

تشتمل على بلورات α-SiC (نقاوة 90-95%) هشة للغاية بحيث لا يمكن استخدامها في المواد الكاشطة. تتميز الدرجة الثانوية عن β-SiC غير المتبلور (المسحوق، الباهت)، بشبكات بلورية سداسية ذات بريق يشبه المرآة. يعتبر التقسيم بين الصفين الثانوي والابتدائي وظيفيًا بحتًا، على الرغم من أن الأول قد يحتفظ بهياكل مسامية.

(6) ‌بلورات SiC من الدرجة الأولية‌

المنتج الرئيسي للفرن: بلورات α-SiC الضخمة (> نقاء 96%، وسمك 50-450 مم). تظهر هذه الكتل المعبأة بإحكام باللون الأسود أو الأخضر، ويختلف سمكها حسب قوة الفرن وموقعه.

(7) ‌قلب فرن الجرافيت‌

بجوار الأسطوانة البلورية، يشكل SiC المتحلل نسخًا جرافيتية طبق الأصل من الهياكل البلورية الأصلية. يتكون القلب الداخلي من الجرافيت المحمل مسبقًا مع الجرافيت المعزز بعد التدوير الحراري. يتم إعادة تدوير كلا النوعين من الجرافيت كمواد أساسية لدفعات الفرن اللاحقة.