تعتمد عملية صهر كربيد السيليكون الأسود (SiC) بشكل أساسي على عملية أتشيسون، وهي طريقة صهر في فرن مقاوم للحرارة العالية. ويكون تسلسل العملية الرئيسي كما يلي:
1. تحضير المواد الخام
المواد الخام الرئيسية: رمل الكوارتز (محتوى SiO₂ ≥ 98٪) وفحم الكوك البترولي (محتوى الكربون ≥ 98٪)، مع كميات صغيرة من نشارة الخشب وكلوريد الصوديوم (NaCl) كمواد مساعدة.
التناسب: بناءً على صيغة تفاعل كربيد السيليكون SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑، في الإنتاج الفعلي، يلزم وجود فائض طفيف من الكربون (حوالي 3-5٪) للتعويض عن خسائر الأكسدة.
المعالجة المسبقة: يجب سحق المواد الخام وغربلتها إلى أحجام جسيمات مناسبة (عادةً 0.5-5 مم لرمل الكوارتز و0.2-2 مم لفحم الكوك البترولي)، وخلطها بالتساوي.
2. تحميل الفرن وإعداد القلب
هيكل الفرن: فرن مقاومة ثابتة مستطيل أو دائري، مع طوب حراري يبطن الجزء السفلي وجدران جانبية قابلة للإزالة.
قلب الفرن: يتم وضع قلب فرن موصل مصنوع من مسحوق الجرافيت أو مادة كربيد السيليكون المعاد تدويرها (يعمل كعنصر تسخين) في مركز جسم الفرن.
الشحن: يتم وضع الخليط على شكل طبقات وملء حول قلب الفرن، ويتم تغطية الجزء الخارجي بمادة عازلة (مثل مسحوق فحم الكوك أو رمل الكوارتز) للحفاظ على الحرارة.
3.
التسخين الكهربائي للصهر الإلكتروليتي: يتم تطبيق جهد منخفض وتيار عالي (حوالي 5000-10000 أمبير) من خلال الأقطاب الكهربائية في كلا طرفي قلب الفرن، مما يؤدي إلى رفع درجة حرارة قلب الفرن تدريجياً إلى 2000-2500 درجة مئوية.
عملية التفاعل:
ابتداءً من حوالي 1400 درجة مئوية، يتم اختزال SiO₂ بواسطة الكربون لإنتاج غاز SiO و CO:
SiO₂ + C → SiO↑ + CO↑
يتفاعل SiO في الحالة الغازية مع الكربون لتكوين SiC:
SiO + 2C → SiC + CO↑
في النهاية، تتشكل طبقة بلورية من كربيد السيليكون حول قلب الفرن.
وقت الصهر: تشغيل مستمر لمدة تتراوح بين 24 و40 ساعة تقريبًا، ويعتمد الوقت المحدد على حجم الفرن وقوته.
4. التبريد وتفكيك الفرن
التبريد الطبيعي: بعد انقطاع التيار الكهربائي، يحتاج جسم الفرن إلى التبريد ببطء (حوالي 7-14 يومًا) لمنع التبريد السريع الذي قد يتسبب في تشققات التبلور.
تفكيك الفرن: قم بإزالة طبقة العزل واستخرج الكتل البلورية من كربيد السيليكون.
5. الفرز والمعالجة
منتج المنطقة الأساسية: تتكون المنطقة المحيطة بقلب الفرن من كتل بلورية من كربيد السيليكون الأسود عالي النقاء (α-SiC، بلورات سداسية).
المعالجة الطبقية:
الدرجة 1: منطقة بلورية كثيفة، محتوى SiC ≥97%، تستخدم في تصنيع المواد الكاشطة والمواد المقاومة للحرارة عالية الجودة.
الدرجة الثانية: تحتوي على المزيد من الشوائب، وتستخدم كمضافات معدنية، إلخ.
المنطقة غير المتبلورة: خليط غير متفاعل بشكل كامل، قابل لإعادة التدوير.
المعالجة اللاحقة: التكسير، والغربلة، والغسل الحمضي (لإزالة الشوائب المعدنية)، والفصل المغناطيسي، والتصنيف الهيدروليكي، وما إلى ذلك، للحصول على منتجات نهائية بأحجام جسيمات مختلفة.
6. العمليات المساعدة الرئيسية
رقائق الخشب: تزيد من نفاذية شحنة الفرن، مما يسهل إطلاق غاز أول أكسيد الكربون.
استخدام الملح: يتفاعل مع الشوائب مثل الألومنيوم والحديد في المواد الخام لتكوين كلوريدات تتطاير، وبالتالي تنقية المادة.
معالجة غازات النفايات: ينتج عن عملية الصهر كمية كبيرة من غاز ثاني أكسيد الكربون، والذي يجب جمعه أو استخدامه أو حرقه لمنع التلوث.
خصائص العملية والتحديات:
استهلاك الطاقة العالي: إنتاج طن واحد من كربيد السيليكون يستهلك ما يقرب من 8000-10000 كيلوواط ساعة من الكهرباء.
التحكم الحرج في درجة الحرارة: تؤدي درجة الحرارة غير الكافية إلى تفاعل غير مكتمل، بينما تؤدي درجة الحرارة الزائدة إلى تحلل كربيد السيليكون.
المتطلبات البيئية: يجب معالجة غاز ثاني أكسيد الكربون والغبار؛ وغالبًا ما تتضمن العمليات الحديثة أنظمة استعادة الحرارة المهدرة.
توجيهات التحسين الحديثة:
نوع الفرن الأكبر: زيادة إنتاج الفرن الواحد (حتى آلاف الأطنان).
التحكم الآلي: تحسين منحنى التشغيل لتقليل استهلاك الطاقة.
الصهر الأخضر: استعادة الغازات المهدرة لتوليد الطاقة، وإعادة تدوير النفايات.