Resumo do Processo de Fabricação de Carboneto de Silício (SiC)

Carboneto de silícioos abrasivos são normalmente produzidos usando quartzo e coque de petróleo como matérias-primas primárias. Na fase preparatória, esses materiais passam por processamento mecânico para atingir o tamanho de partícula desejado antes de serem dosados ​​quimicamente na carga do forno.Para regular a permeabilidade da carga do forno, uma quantidade adequada de serragem é adicionada durante a mistura. Para a produção de carboneto de silício verde, uma certa quantidade de sal também é incorporada à carga do forno.

A carga do forno é carregada em um forno de resistência tipo lote, que apresenta paredes finais em ambas as extremidades com eletrodos de grafite posicionados próximos ao centro. O corpo do núcleo do forno conecta os dois eletrodos, rodeados por materiais reativos de carga do forno, enquanto materiais isolantes envolvem o perímetro externo. Durante a operação, a energia elétrica aquece o núcleo do forno a temperaturas entre 2600-2700°C. Transferências de calor da superfície do núcleo para os materiais de carga, que, ao excederem 1450°C, sofrem reações químicas para formar carboneto de silício enquanto liberam monóxido de carbono.

À medida que o processo continua, a zona de alta temperatura se expande, formando progressivamente mais cristais de carboneto de silício. Esses cristais evaporam, migram e crescem dentro do forno, eventualmente coalescendo em uma massa cristalizada cilíndrica. As paredes internas dessa massa sofrem temperaturas superiores a 2.600°C, causando decomposição que libera silício, que então se recombina com carbono para formar novo carboneto de silício.

A distribuição de energia elétrica varia em três fases operacionais:

1. Fase inicial: Usado principalmente para carga de forno de aquecimento

2. Fase intermediária: Maior proporção para formação de carboneto de silício

3.Fase final: Dominada por perdas térmicas

As relações ideais entre potência e tempo são desenvolvidas para maximizar a eficiência térmica, com durações típicas de operação em torno de 24 horas para fornos de grande escala para facilitar a coordenação do fluxo de trabalho.

Durante a operação ocorrem reações secundárias envolvendo diversas impurezas e sais, causando deslocamento de material e redução de volume. O monóxido de carbono produzido escapa como poluente atmosférico. Após o desligamento da energia, as reações residuais persistem por 3-4 horas devido à inércia térmica, embora com intensidade significativamente reduzida. À medida que as temperaturas da superfície diminuem, a combustão incompleta do monóxido de carbono torna-se mais pronunciada, necessitando de medidas contínuas de segurança ocupacional.

Os materiais pós-forno das camadas externas para as internas consistem nos seguintes componentes:

(1) ‌Material de carga não reagido‌

Porções da carga que não conseguem atingir a temperatura de reação durante a fusão permanecem inertes, servindo apenas como isolamento. Esta zona é denominada faixa de isolamento. A composição e os métodos de utilização diferem significativamente da zona de reação. Certos processos envolvem o carregamento de carga nova em áreas específicas da faixa de isolamento durante o carregamento do forno, que é recuperada após a fundição e misturada à carga de reação como material calcinado. Alternativamente, o material da faixa de isolamento que não reagiu pode passar por tratamento de regeneração adicionando coque e serragem para reutilização como carga esgotada.

(2) ‌Camada de carboneto de silício oxidado‌

Esta camada semi-reagida contém principalmente carbono e sílica não reagidos (20-50% já convertidos em SiC). A morfologia alterada destes componentes os distingue da carga esgotada. A mistura de sílica-carbono forma agregados amorfos amarelo-acinzentados com coesão frouxa, pulverizando-se facilmente sob pressão - ao contrário da carga exaurida, onde a sílica retém a granularidade original.

(3) ‌Camada de ligação‌

Uma zona de transição compacta entre a camada oxidada e a zona amorfa, contendo 5-10% de óxidos metálicos (Fe, Al, Ca, Mg). A composição da fase inclui sílica/carbono que não reagiu (40-60% SiC) e compostos de silicato. A diferenciação das camadas adjacentes torna-se um desafio, a menos que as impurezas sejam abundantes, particularmente em fornos de SiC preto.

(4) ‌Zona amorfa‌

β-SiC predominantemente cúbico (70-90% SiC) com carbono/sílica residual (2-5% de óxidos metálicos). O material friável desintegra-se facilmente em pó. Os fornos de SiC preto produzem zonas amorfas pretas, enquanto os fornos de SiC verdes produzem variantes verde-amareladas – às vezes com gradientes de cor. Partículas grossas de sílica ou coque com baixo teor de carbono podem criar estruturas porosas.

(5) ‌SiC de grau secundário‌

Composto por cristais α-SiC (90-95% de pureza) muito frágeis para uso abrasivo. Distinto do β-SiC amorfo (pulverulento, opaco), o grau secundário exibe redes cristalinas hexagonais com brilho espelhado. A divisão entre classes secundárias e primárias é puramente funcional, embora as primeiras possam reter estruturas porosas.

(6) ‌Cristais de SiC de grau primário‌

O principal produto do forno: cristais maciços de α-SiC (>96% de pureza, 50-450 mm de espessura). Esses blocos compactados aparecem em preto ou verde, com espessura variando de acordo com a potência e localização do forno.

(7) ‌Núcleo do forno de grafite‌

Adjacente ao cilindro cristalino, o SiC decomposto forma réplicas de grafite de estruturas cristalinas originais. O núcleo interno consiste em grafite pré-carregado com grafitização aprimorada após ciclagem térmica. Ambos os tipos de grafite são reciclados como material de núcleo para lotes subsequentes de fornos.