Способ получения карбида кремния Российский патент 2023 года по МПК C04B35/626 C04B35/573 C01B32/97 

Изобретение относится к области электротермии, неорганической химии, касается технологии производства карбида кремния в электрических печах сопротивления. Полученный карбид кремния может быть использован для производства абразивного инструмента, огнеупоров, высокотемпературных электрических нагревательных элементов и электронных компонентов, а также, для восстановительных процессов металлургической промышленности.

Известен способ получения концентрированного карборунда как побочного продукта процесса графитации угольных заготовок (патент РФ №2108969, С01В 31/04, опубл. 10.04.98), включающий загрузку в электропечь угольных изделий и теплоизоляционной кремнийсодержащей шихты и термообработку при температуре выше 2000°С, в качестве теплоизоляционной кремнийсодержащей шихты используют смесь кокса или антрацита, высококремнеземистого кварцевого песка, древесных опилок и хлористого натрия, причем песок и хлористый натрий берут в количестве, не приводящем к ухудшению теплоизоляционных свойств шихты, а отработанную шихту по окончании процесса подвергают гравитационному разделению. Недостатком данного способа является высокий расход технологической электроэнергии за счет использования хлористого натрия: его содержание резко увеличивает теплопроводность (и электропроводность) шихты, что приводит к значительному увеличению потерь и уменьшению полезных затрат тепла.

Известен способ получения карбида кремния карботермическим восстановлением диоксида кремния в электрических печах сопротивления. В качестве сырьевых материалов используются кремнеземсодержащие материалы и углеродистые восстановители. В электрическую печь сопротивления загружают шихту из кварцевого песка и нефтяного кокса в расчетном стехиометрическом соотношении (SiO₂+3C) и ведут восстановительную плавку карбида кремния при температурах 1600-2500 градусов Цельсия. По окончании выделения газов из печи, что соответствует окончанию восстановления карбида кремния, печь отключают, охлаждают, проводят извлечение продуктов плавки, отбор карбида кремния и отделение промежуточных продуктов. (Парада А.Н., Гасик М.И. «Электротермия неорганических материалов», М., Металлургия, 1990, 230 с.). Недостатком данного способа получения карбида кремния является низкая степень использования кремнезема в процессе плавки карбида кремния, а также высокий расход потребляемого сырья и электроэнергии, высокое количество вредных выбросов технологический газов, таких как СО, CO₂, и различных соединений серы (H₂S, SO₂ и т.д.), выделяемых в процессе производства карбида кремния, отсутствие возможности рециклинга непрореагировавшей шихты, мелкокристаллического карбида кремния, невостребованных фракций карбида кремния и отходов производства, содержащих карбид кремния.

Данный способ получения карбида кремния является ближайшим к предлагаемому и принят за прототип.

Задачей создания настоящего технического решения и его техническим результатом является уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду при снижении затрат на производство, а также возможность получения объемных кристаллов изометричной формы, что ценно с точки зрения переработки карбида кремния в различные виды зернистостей и фракции.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения карбида кремния карботермическим восстановлением диоксида кремния в электрических печах сопротивления, включающем приготовление шихты из кварцевого песка и нефтяного кокса, загрузку ее в электрическую печь сопротивления и ведение восстановительной плавки при температурах 1600-2500 градусов Цельсия., имеются отличия, а реакционная шихта дополнительно содержит в себе возвратную шихту предыдущей плавки и содержащие карбид кремния невостребованные материалы фракции 0-0,1 мм в виде мелкодисперсных фракций процесса переработки карбида кремния, процесса переработки абразивных шламов и циклонной пыли, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

кварцевый песок 21-24 нефтяной кокс 17-19,5 возвратная шихта 56,5-60 невостребованные материалы фракции 0-0,1 мм, содержащие SiC 0-2,0,

при этом содержание карбида кремния в реакционной шихте должно быть не менее 4,5%, а содержание железа в возвратной шихте-не более 3%.

Применение предлагаемого технического решения позволяет увеличить производительность печей на 10%, снизить удельный расход электроэнергии на 19%, повысить извлечение карбида кремния на 19,9%, снизить выбросы CO₂ на 30% и выше. Кроме того, снижается уровень таких летучих компонентов как соединения серы, оксида и диоксида азота и других.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Выполняют следующие основные операции: подготовку реакционной шихты, подготовку и загрузку печи, пребывание печи под током - плавку или синтез карбида кремния, охлаждение и разборку печи, сортировку карбида кремния. Готовят шихту, смешивая в смесительных машинах (мас %) кварцевый песок-21-24, нефтяной кокс-17-19,5, возвратную шихту-56,5-60, при этом, содержание карбида кремния в реакционной шихте должно быть не менее 4,5%, а содержание железа в возвратной шихте -не более 3%. При необходимости (если общее содержание карбида кремния в реакционной шихте менее 4,5%) к данным материалам дополнительно добавляют невостребованные материалы фракции 0-0,1 мм в виде мелкодисперсных фракций процесса переработки карбида кремния, процесса переработки абразивных шламов и циклонной пыли, содержащие карбид кремния в количестве до 2 мас. %, используя процессы дополнительной переработки абразивных шламов и циклонной пыли, а также мелкодисперсные фракции из производственного процесса переработки карбида кремния. Загрузку печи осуществляют подвижным дозатором в несколько этапов:

1) Загрузка уровня под керн: под загрузочной площадкой, в самоходную печь через течку, из бункера, заполненного шихтой, ленточным конвейером насыпается шихта от пода до уровня около 1000 мм (приблизительно 1/3 часть глубины печи от пода до полной вместимости)

2) Укладка керна: Печь перегоняется на участок, в зону действия крана, где в центр рабочего пространства по всей длине устанавливаются керновые щиты. В установленную опалубку из щитов засыпают проводник тока из графита (керн). После заполнения керновых щитов, печь перегоняется на участок, в зону действия крана, где вынимаются керновые щиты, после чего печь возвращается под загрузочную площадку.

3) Загрузка до полной вместимости: Печь заполняется шихтой до максимума, в том числе выше уровня боковых бетонных щитов, насколько позволяет угол естественного откоса (чтобы шихта не высыпалась на пол).

Далее, загруженная самоходная печь транспортируется к печному трансформатору и подключается к источнику питания. Включают печь в работу, и система автоматического управления поддерживает заданную среднечасовую мощность. Плавка печи продолжается до заданного выбора электроэнергии. Продолжительность процесса определяется окончанием выделения газов из печи, что соответствует окончанию восстановления карбида кремния. Печь отключают, охлаждают, после чего осуществляют разборку печи: с помощью мостового крана снимают боковые щиты, снимают остатки не полностью прореагировавшего материала с поверхности образовавшегося блока карбида кремния. Процесс сортировки заключается в отделении от куска карбида кремния кернового материала и мелкокристаллического карбида кремния.

Предложенный способ иллюстрируется следующими примерами получения карбида кремния с использования шихты различного состава. Во всех примерах содержание железа в возвратной шихте - не более 3%.

Пример 1:

Соотношение компонентов реакционной шихты для получения карбида кремния: мас. %

кварцевый песок 24 нефтяной кокс 19,5 возвратная шихта (SiC - 8,1%) 56,5 невостребованные материалы фракции 0-0,1 мм, содержащие SiC 0,0

При этом, содержание SiC в реакционной шихте составило 4,58%.

По сравнению с использованием типовой реакционной шихты, состоящей лишь из кварцевого песка и нефтяного кокса:

удельный расход электроэнергии составил 6,72 мВт-ч/т карбида кремния, что меньше на 0,48 мВт-ч/т карбида кремния;

удельный выброс CO₂ на 1 тн SiC составил: 1,79 тн/тн и уменьшился на 0,63 тн/тн;

удельный выброс летучих компонентов на 1 тн SiC составил 109 кг/тн и уменьшился на 155 кг/тн.

Скорость образования карбида кремния составила 384 кг/час и увеличилась на 82 кг/час.

Пример 2:

Соотношение компонентов реакционной шихты для получения карбида кремния: мас. %

кварцевый песок 24 нефтяной кокс 19,5 возвратная шихта (SiC - 12,0%) 56,5 невостребованные материалы фракции 0-0,1 мм, содержащие SiC 0,0

При этом, содержание SiC в реакционной шихте составило 6,78%).

По сравнению с использованием типовой реакционной шихты, состоящей из кварцевого песка и нефтяного кокса:

Удельный расход электроэнергии составил 6,7 мВт-ч/т карбида кремния, что меньше на 0,5 мВт-ч/т карбида кремния;

Удельный выброс CO₂ на 1 тн SiC составил 1,7 тн/тн, и уменьшился на 0,72 тн/тн;

Удельный выброс летучих компонентов на 1 тн SiC составил 96 кг/тн и уменьшился на 168 кг/тн.

Скорость образования карбида кремния составила 388 кг/час и увеличилась на 86 кг/час.

Пример 3:

Соотношение компонентов реакционной шихты для получения карбида кремния: мас. %

кварцевый песок 21 нефтяной кокс 17 возвратная шихта (SiC - 17.8%) 60 невостребованные материалы фракции 0-0,1 мм, содержащие SiC 2,0

(SiC-85%)

При этом, содержание SiC в реакционной шихте составило 12,38%.

По сравнению с использованием типовой реакционной шихты, состоящей из кварцевого песка и нефтяного кокса:

Удельный расход электроэнергии составил 6,46 мВт-ч/т карбида кремния и уменьшился на 0,74 мВт-ч/т;

Удельный выброс CO₂ на 1 тн SiC составил 1,3 тн/тн и уменьшился на 1,12 тн/тн карбида кремния;

Удельный выброс летучих компонентов на 1 тн SiC составил 94 кг/т и уменьшился на 170 кг/тн;

Скорость образования карбида кремния составила 412 кг/час и увеличилась на 110 кг/час.

Таким образом, проведенные испытания показали, что при предлагаемом способе получения карбида кремния наилучшие результаты получены при использовании соотношения компонентов в реакционной шихте, использованном в примере 3.

Предлагаемый способ не только относится к обогатительным технологиям производства карбида кремния, но и является методом регулирования воздействия качества сырьевых компонентов на окружающую среду.

Изобретение относится к технологии производства карбида кремния. Полученный карбид кремния может быть использован для производства абразивного инструмента, огнеупоров, высокотемпературных электрических нагревательных элементов и электронных компонентов, а также для восстановительных процессов металлургической промышленности. Способ получения карбида кремния карботермическим восстановлением диоксида кремния в электрических печах сопротивления включает приготовление реакционной шихты, содержащей, мас.%: кварцевый песок 21-24, нефтяной кокс 17-19,5, возвратную шихту 56,5-60, невостребованные материалы, содержащие SiC, 0-2,0, загрузку ее в электрическую печь сопротивления и ведение восстановительной плавки при температурах 1600-2500°С. При этом содержание карбида кремния в реакционной шихте должно быть не менее 4,5%, а содержание железа в возвратной шихте - не более 3%. Применение предлагаемого технического решения позволяет увеличить производительность печей на 10%, снизить удельный расход электроэнергии на 19%, повысить извлечение карбида кремния на 19,9%, снизить выбросы CO₂ на 30% и выше. Способ обеспечивает возможность получения объемных кристаллов SiC изометричной формы. Кроме того, снижается уровень таких летучих компонентов, как соединения серы, оксида и диоксида азота и других. 3 пр.

Способ получения карбида кремния карботермическим восстановлением диоксида кремния в электрических печах сопротивления, включающий приготовление реакционной шихты из кварцевого песка и нефтяного кокса, загрузку ее в электрическую печь сопротивления и ведение восстановительной плавки при температурах 1600-2500°С, отличающийся тем, что реакционная шихта дополнительно содержит в себе возвратную шихту предыдущей плавки и содержащие карбид кремния невостребованные материалы фракции 0-0,1 мм в виде мелкодисперсных фракций процесса переработки карбида кремния, процесса переработки абразивных шламов и циклонной пыли при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кварцевый песок 21-24 нефтяной кокс 17-19,5 возвратная шихта 56,5-60 невостребованные материалы фракции 0-0,1 мм, содержащие SiC 0-2,0,

при этом содержание карбида кремния в реакционной шихте должно быть не менее 4,5%, а содержание железа в возвратной шихте - не более 3%.