СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕТА-КАРБИДА КРЕМНИЯ Российский патент 2001 года по МПК C01B31/36 

Изобретение относится к области производства керамических, износостойких, жаростойких и абразивных изделий, в частности к области получения сырьевых материалов для производства указанных изделий, и может быть использовано при получении карбида кремния β-модификаций.

Карбид кремния β-модификации в небольших количествах образуется при обычном способе получения карбида кремния в электрических печах сопротивления путем нагрева смеси кремнезема и кокса. При этом температура в керне составляет 2400-2500 град.С. Карбид кремния β-модификации образуется в небольших количествах в виде мечевидных или игольчатых кристаллов только на периферии керна (Францевич А. Н., Карбид кремния, Киев, Наукова думка, 1966, с.607). Извлечение β-карбида кремния из керна чрезвычайно затруднено.

Известен способ получения β-карбида кремния разложением хлоридов кремния на подогретой углеродной подложке (Патент США N 3011912, 05.12.1961). Процесс осуществляют при температуре 1400-1500 град.С с использованием смеси водорода с парами метилтрихлорсилана (CH₃SiCl). Этот способ отличается низкой производительностью и требует соблюдения строгих мер по обеспечению взрывобезопасности и защиты окружающей среды.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является известный способ получения β-карбида кремния, включающий высокотемпературный нагрев кремний- и углеродсодержащего материала (Заявка Великобритании N 2162504, 05.02.1986). Недостатком этого известного способа является применение дорогостоящего сырья и низкая производительность процесса.

Целью изобретения является повышение производительности процесса и снижение затрат на производство β-карбида кремния.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе, включающем высокотемпературный нагрев кремний- и углеродсодержащего материала используют только хемогенные калиевые породы шунгита III или II разновидностей с величиной глиноземо-железистого модуля - (Al₂O₃ + FeO + Fe₂O₃)/C не более 0,2, где C, Al₂O₃, FeO, Fe₂O₃ - содержание углерода и оксидов алюминия и железа в шунгитовой породе.

Указанная цель достигается также тем, что нагрев шунгита ведут при давлении 300-1100 Па до температуры 1900-2100 К со скоростью 200-300 К в час.

Сущность изобретения заключается в следующем. Хемогенная калиевая порода III-й и II-й разновидностей шунгита содержит максимальное количество углерода (не менее 20% по массе) и имеет равномерное распределение по объему породы мелкодисперсной (зерна крупностью 0,2-5 мкм) кремнеземистой составляющей, что обеспечивает высокую удельную поверхность контактов частиц углерода и кремнезема и максимальную степень завершения реакций карбидообразования в процессе высокотемпературного нагрева шунгита. На основе опытов установлено, что абразивные свойства частиц карбида кремния ухудшаются с ростом глиноземо-железистого модуля (Al₂O + FeO + Fe₂O₃)/C в составе шунгита, использованного для получения этого карбида, что связано с негативным влиянием на эти свойства соединений на основе оксида алюминия. При значениях указанного модуля менее 0,2 это влияние несущественно.

При использовании хемогенной калиевой породы III-й и/или II-й разновидностей шунгита и его нагреве со скоростью 200-300 К в час до температуры 1900-2100 К при давлении 300-1100 Па образуется до 80-98% карбида β-модификации. Указанные пределы скорости нагрева обеспечивают равномерный прогрев шунгита по всем объему при максимальной производительности процесса. При температурах 1900-2100 К интенсивно идут реакции карбидообразования. Выход за эти пределы вызывает либо прекращение карбидообразования, либо начало диссоциации карбида кремния. Давление в печи в пределах 300-1100 Па обеспечивает удаление монооксида углерода из рабочего пространства печи, что ускоряет реакции карбидообразования. Выход за указанные пределы давления вызывает либо перерасход электроэнергии (нижний предел), либо снижает скорость реакций (верхний предел).

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Для получения β-карбида кремния использовали хемогенную калиевую породу шунгита III-й разновидности с содержанием углерода 30,16%, кремнезема 59,6% и значением глиноземо-железистого модуля (Al₂O₃ + FeO + Fe₂O₃)/C = 0,19. Шунгит нагревали в вакуумной электропечи до температуры 2050 К со скоростью 260 К в час при давлении 1050 Па и выдерживали при этой температуре 1 час. Содержание β-модификации карбида кремния составило в продукте 98% при выходе карбида кремния 0,265 кг/кг шунгита.

Таким образом, применение изобретения позволяет получать высокоабразивный β-карбид кремния при значительно более низких энергозатратах и более высоком выходе годного продукта по сравнению с известными способами.

Изобретение предназначено для химической и горноперерабатывающей промышленности и может быть использовано при получении керамических жаростойких и абразивных изделий. Хемогенную калиевую породу шунгита III и/или II разновидностей с величиной глиноземо-железистого модуля (Аl₂О₃ + FeO + Fe₂О₃)/C не более 0,2, где С, Аl₂О₃, FeO, Fe₂О₃ - содержание углерода и оксидов алюминия и железа в шунгитовой породе, нагревают в вакуумной электропечи до 1900-2100 К со скоростью 200-300 К/ч при давлении 300-1100 Па. Выдерживают при этой температуре 1 ч. Получают 80-98% бета-карбида кремния. Способ прост, экономичен за счет использования дешевого и доступного сырья. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения бета-карбида, кремния, включающий высокотемпературный нагрев кремний- и углеродсодержащего материала, отличающийся тем, что в качестве кремний- и углеродсодержащего материала используют хемогенные калиевые породы шунгита III и/или II разновидностей с величиной глиноземо-железистого модуля (Al₂O₃ + FeO + Fe₂O₃)/C не более 0,2, где C, Al₂O₃, FeO, Fe₂O₃ - содержание углерода и оксидов алюминия и железа в шунгитовой породе. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев шунгита ведут при давлении 300 - 1100 Па до температуры 1900-2100 K со скоростью 200 - 300 K в час.