Способ получения карбидов металлов

 

Сущность изобретения: шихту, содержащую твердый углеродистый восстановитель и окислы металлов, выплавляют в руднотермической электропечи в две стадии, при этом окомкованную шихту на 1 и 2 стадиях подают в печь соответственно в соотношении 1 : (1,5 - 4) поддерживают температуру 400-500°С на колошнике слоя шихты, содержащей восстановителя на 3,0 - 10,0% больше стехиометрического, регулируя электрический режим (сила тока, напряжение), а при увеличении температуры на колошнике более, чем 150°С, начинают вторую стадию процесса и загружают в печь шихту с содержанием восстановителя на 0,1 - 2,5% больше стехиометрического синтез спека кристаллов карбида металлов осуществляют при вращении ванны печи вокруг вертикальной оси со скоростью 0,5-4 об/сут. 5 табл.

Изобретение относится к области металлургии. Цель изобретения повышение производительности процесса получения карбида кремния. Сущность изобретения заключается в том, что окомкованную шихту на 1 и 2 стадиях подают в печь соответственно в соотношении 1:(1,5-4), поддерживают темпе- ратуру 400-500^оС на колошнике верхнего слоя шихты, содержащей восстановителя на 3,0-10,0% больше стехиометрического, регулируя электрический режим (сила тока, напряжение) существующими методами, а при увеличении температуры на колошнике более, чем на 150^оС, начинают вторую стадию процесса и загружают в печь окомкованную шихту с содержанием восстановителя на 0,1-2,5 больше стехиометрического, синтез спека кристаллов карбида металла осуществляют при вращении ванны печи вокруг вертикальной оси со скоростью 0,5-0,4 об/сут. Выбор указанного соотношения шихтовок на 1 и 2 стадиях 1:(1,5-4), параметров вращения корпуса печи 0,5-4 об/сут и увеличения температуры на колошнике верхнего слоя шихты, определенных экспери- ментальным путем, обусловлен характером проведения процесса получения карбида кремния. Отклонение от оптимальных режимов отрицательно сказывается на технико-экономических показателях процесса. Окомкованную шихту с избытком восстановителя 3,0-10,0 больше стехиометрического подают в печь с соотношением ее к шихте на 2 стадии (1:(1,5-4,0) для того, чтобы получить связанный углерод, близкий к cтехиометрии, и cвободный углерод не более 0,5% Применение же на 1 стадии окомкованной шихты с избытком восста- новителя на 0,1-2,5% выше стехиометрического позволит получить в низу спека кристаллов карбида металла продукт с содержанием С_связ на 2-10% ниже стехиометрического для С ввиду низкой температуры и меньшей растворимости углерода в кремнии. Если соотношение шихтовок больше 1:1,5, то избыток свободного углерода приводит к резкому увеличению проводимости шихты, выходу электродов в верх печи и прекращению плавки, если отношение меньше 1:4, то получают брак по С_связ, т.е. С_связ будет на 1-3% ниже стехиометрического. В процессе получения карбида кремния осуществляют вращение ванны печи со скоростью 0,5-4 об/сут. Если вращение осуществляют со скоростью меньше 0,5 об/сут, то невозможно достичь равномерного распределения углерода по всему объему спека кристаллов карбида кремния, скорость вращения больше 4 об/сут электроды выходят из строя ввиду резкого увеличения на них давления шихты. Процесс осуществляют в руднотермической печи, включающей футеровку ванны, выполненную в разъемном корпусе печи, графитированные электроды диаметром 100 или 200 мм, расположенные равномерно по окружности, графитовую подину ванны. Дуга горит в начале процесса между электродами и подиной. Процесс получения карбида кремния осуществляется под слоем брикетов. Избыток углеродистого восстановителя против стехиометрии по реакции SiO₂+3C=SiC+2CO, компенсируя частичное сгорание его в верхней части печи и избирательный улет, способствуя синтезу спека кристаллов карбида металлов, однофазного по составу. Тонкое совместное измельчение и брикетирование шихты увеличивает скорость твердофазного восстановителя, повышает газопроницаемость шихты, способствуя спокойному режиму введения процесса. Выбранные величины тока 3000-7000 А и напряжения 25-60 В, регулировка электрических режимов обеспечивает устойчивую на 1 стадии посадку электродов. Из тонкоизмельченной и тщательно перемешанной смеси порошка кварцевого песка, технического углерода ПМ-75 (сажа) готовили окомкованную шихту. Было изготовлено несколько партий брикетов из окомкованной шихты. Состав брикетов приведен в табл. 1. Для выплавки карбида кремния использовали руднотермическую печь мощностью 1200 ква с диаметром ванны 890 мм. Партии брикетов погружали в печь и вели процесс по способу-прототипу (см. табл. 2). Химический состав продукта и показатели процесса приведены в табл. 3. Т. о. результаты выплавки свидетельствуют о том, что по основному изобретению невозможно получить продукт с содержанием SiC более 97% На плавках 5-8 был осуществлен процесс по изобретению. Комбинация шихты представлена в табл. 4. Температуру колошника на 1 стадии поддерживали в интервале 400-500^оС, при увеличении ее на 150^оС осуществляли загрузку шихты 2 стадии. Химический состав карбида кремния по изобретению и показатели процесса приведены в табл. 5. Предложенная комбинация шихты (табл. 4) позволяет стабильно получать карбид кремния требуемого состава по содержанию SiC с высокой производительностью и выхода годного. Спек кристаллов карбида кремния монолитен. После охлаждения и разборки ванны он очищается от шихты, дробится, измельчается и отмывается от свободного углерода. Отходы составляют 8-17% от веса спека и используются на следующей плавке. Спек кристаллов карбида кремния однороден и представлен фазой α SiC. Микротвердость карбида кремния составляет 3460-3730 кг/мм². Количество примесей не превышает 1,7% Выход годного карбида кремния составляет 83-92% что в 4-4,5 раза превышает этот показатель для традиционной (базовой) технологии. По составу, микротвердости, однородности карбид кремния соответствует требованиям к технологическому продукту.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДОВ МЕТАЛЛОВ, включающий периодическую загрузку шихты, содержащей твердый углеродистый восстановитель и окислы металлов, и выполнение ее в руднотермической электропечи в две стадии: сначала при содержании восстановителя в окомкованной шихте на 3,0 10,0% больше стехиометрического, а затем при содержании восстановителя в шихте на 0,1 - 2,5% больше стехиометрического, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса, загрузку шихты на первой и второй стадиях выплавки осуществляют в соотношении 1 (1,5 4) причем, на первой стадии выплавки на колошнике слоя шихты поддерживают температуру 400 500^oС, а вторую стадию выплавки начинают при увеличении температуры на колошнике более, чем на 150^oС, при этом процесс ведут при вращении ванны печи вокруг вертикальной оси со скоростью 0,5 4 об/сут.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2