Quá trình nấu chảy cacbua silic đen (SiC) chủ yếu sử dụng phương pháp Acheson, một phương pháp nấu chảy bằng lò điện trở ở nhiệt độ cao. Quy trình chính như sau:
1. Chuẩn bị
nguyên liệu Nguyên liệu chính: Cát thạch anh (hàm lượng SiO₂ ≥ 98%) và than cốc dầu mỏ (hàm lượng cacbon ≥ 98%), cùng một lượng nhỏ mùn cưa và natri clorua (NaCl) làm nguyên liệu phụ trợ.
Định lượng: Dựa trên công thức phản ứng của silic cacbua SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑, trong sản xuất thực tế, cần một lượng cacbon dư nhẹ (khoảng 3-5%) để bù đắp cho lượng hao hụt do quá trình oxy hóa.
Xử lý sơ bộ: Nguyên liệu thô cần được nghiền và sàng lọc đến kích thước hạt phù hợp (thường là 0,5-5mm đối với cát thạch anh và 0,2-2mm đối với than cốc dầu mỏ), và trộn đều.
2. Nạp liệu vào lò và chuẩn bị lõi lò
Cấu trúc lò: Lò điện trở cố định hình chữ nhật hoặc hình tròn, có gạch chịu lửa lót đáy và các vách bên có thể tháo rời.
Lõi lò: Một lõi lò dẫn điện được làm từ bột than chì hoặc vật liệu silicon carbide tái chế (đóng vai trò là bộ phận gia nhiệt) được đặt ở trung tâm thân lò.
Nạp liệu: Hỗn hợp được xếp lớp và đổ đầy xung quanh lõi lò, và bên ngoài được phủ bằng vật liệu cách nhiệt (như bột than cốc hoặc cát thạch anh) để giữ nhiệt.
3.
Nấu chảy điện phân gia nhiệt bằng điện: Điện áp thấp và dòng điện cao (khoảng 5000-10000A) được cấp vào các điện cực ở hai đầu lõi lò, dần dần nâng nhiệt độ lõi lò lên 2000-2500℃.
Quá trình phản ứng:
Bắt đầu từ khoảng 1400℃, SiO₂ bị khử bởi cacbon để tạo ra khí SiO và CO:
SiO₂ + C → SiO↑ + CO↑
SiO ở thể khí phản ứng với cacbon để tạo thành SiC:
SiO + 2C → SiC + CO↑
Cuối cùng, một lớp tinh thể silicon carbide hình thành xung quanh lõi lò nung.
Thời gian nấu chảy: Cấp điện liên tục trong khoảng 24-40 giờ, thời gian cụ thể tùy thuộc vào kích thước và công suất lò.
4. Làm nguội và tháo dỡ lò nung
Làm nguội tự nhiên: Sau khi mất điện, thân lò cần nguội từ từ (khoảng 7-14 ngày) để tránh làm nguội nhanh có thể gây ra các vết nứt do kết tinh.
Tháo dỡ lò nung: Tháo lớp cách nhiệt và lấy các khối tinh thể cacbua silic ra.
5. Phân loại và xử lý
Sản phẩm vùng lõi: Vùng xung quanh lõi lò nung bao gồm các khối tinh thể cacbua silic đen có độ tinh khiết cao (α-SiC, tinh thể lục giác).
Xử lý theo lớp:
Loại 1: Vùng tinh thể dày đặc, hàm lượng SiC ≥97%, được sử dụng để sản xuất vật liệu mài mòn và vật liệu chịu nhiệt cao cấp.
Loại 2: Chứa nhiều tạp chất hơn, được sử dụng làm chất phụ gia luyện kim, v.v.
Vùng vô định hình: Hỗn hợp chưa phản ứng hoàn toàn, có thể tái chế.
Các bước xử lý tiếp theo: Nghiền, sàng lọc, rửa bằng axit (để loại bỏ tạp chất kim loại), tách từ, phân loại thủy lực, v.v., để thu được sản phẩm hoàn thiện với kích thước hạt khác nhau.
6. Các quy trình phụ trợ chính
Mùn cưa: Tăng khả năng thấm khí của vật liệu nạp vào lò, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thoát khí CO.
Công dụng của muối: Muối phản ứng với các tạp chất như nhôm và sắt trong nguyên liệu thô để tạo thành clorua, sau đó các clorua này bay hơi, giúp tinh chế nguyên liệu.
Xử lý khí thải: Quá trình luyện kim tạo ra một lượng lớn khí CO, cần được thu gom, sử dụng hoặc đốt cháy để ngăn ngừa ô nhiễm.
Đặc điểm và thách thức của quy trình:
Tiêu thụ năng lượng cao: Sản xuất 1 tấn silicon carbide tiêu thụ khoảng 8000-10000 kWh điện.
Kiểm soát nhiệt độ tối ưu: Nhiệt độ không đủ dẫn đến phản ứng không hoàn toàn, trong khi nhiệt độ quá cao gây ra sự phân hủy SiC.
Yêu cầu về môi trường: Khí CO và bụi phải được xử lý; các quy trình hiện đại thường bao gồm hệ thống thu hồi nhiệt thải.
Các hướng cải tiến hiện đại:
Loại lò nung lớn hơn: Tăng sản lượng của một lò nung duy nhất (lên đến hàng nghìn tấn).
Điều khiển tự động: Tối ưu hóa đường cong khởi động để giảm tiêu thụ năng lượng.
Luyện kim xanh: Thu hồi khí thải để phát điện, tái chế chất thải.