Способ получения карбида кремния

Изобретение относится к неорганической химии и касается технологии получения карбида кремния восстановлением в электрических печах сопротивления. Способ включает дозирование кремнеземсодержащих материалов и углеродистых восстановителей, загрузку их в электрическую печь сопротивления и ведение восстановительной плавки, при этом вначале вокруг керна загружают слой шихты, содержащей кварцит фракцией 6-10 мм, затем следующим слоем загружают шихту, содержащую кварцевый песок и/или кварцит фракцией 0,3-6,0 мм, после чего в верхнюю часть печи и на периферию загружают слой шихты, содержащий кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм и мелкодисперсный кремнезем фракцией менее 0,22 мм, при следующем соотношении компонентов кремнеземсодержащего сырья, мас. %: кварцит фракцией 6,0-10 мм - 20-30, кварцевый песок (кварцит) фракцией 0,3-6,0 мм - 50-70, кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм - 5-8, мелкодисперсный кремнезем фракцией менее 0,22 мм - 5-15. Кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм и мелкодисперсный кремнезем перед загрузкой шихты предварительно могут быть смешаны с кварцевым песком фракцией 0,3-6 мм. Технический результат изобретения состоит в увеличении производительности процесса при использовании дешевых кремнеземсодержащих материалов. 1 з.п. ф-лы, 9 пр.

 

Изобретение относится к неорганической химии и касается способа получения карбида кремния, который может быть использован для получения керамики, абразивного инструмента, высокотемпературных нагревательных элементов.

Карбид кремния получают карботермическим восстановлением диоксида кремния в электрических печах сопротивления. В качестве сырьевых материалов используются кремнеземсодержащие материалы и углеродистые восстановители.

В электрических печах образование карбида кремния проходит в две стадии, в том числе с образованием газообразного монооксида кремния (SiO):

Удельная поверхность является сильным активирующим газификацию кремнезема фактором. Другим фактором, определяющим скорость газификации кремнезема, является температура. Фазовый анализ продуктов взаимодействия показал, что отношение количества непрореагировавшего крумнезема к количеству остаточного углерода с ростом удельной поверхности кварцита и температуры уменьшается, стремясь к нулю. Для выравнивания скоростей процессов газификации кремнезема и образования карбида кремния необходимо применять реагенты с различной удельной поверхностью (Зельберг Б.И., Черных А.Е., Ёлкин К.С. Шихта для электротермического производства кремния. Челябинск, Металл, 1994, С. 192-195).

Известен способ получения карбида кремния (патент SU 1699917, C01B 31/36, опубл. 23.12.1991) в виде нитевидных кристаллов и мелкодисперсного порошка, включающий термообработку продукта кислотной обработки рисовой шелухи в инертной атмосфере, а для сокращения длительности процесса в качестве исходного продукта используют гидролизный лигнин, полученный после выделения из рисовой шелухи фурфурола и кормовых дрожжей, на который перед термообработкой осаждают гидроокись железа в качестве катализатора. Недостатком данного способа является длительный синтез карбида кремния и низкая производительность установки.

Известен способ получения карбида кремния (патент RU 1730035, C01B 31/36, опубл. 30.04.1992), включающий приготовление шихты из мелкозернистого буроугольного полукокса и аморфной ультрадисперсной пыли сухой газоочистки производства ферросилиция при их массовом соотношении 0,55-0,60, гранулирование полученной шихты в присутствии 15-25 мас. % связующего, в качестве которого используют водный раствор концентрата лигносульфонатов или жидкого стекла при концентрации последних в растворе 5-50 мас. %. Гранулированную шихту подвергают термообработке в электропечах. Недостатком способа является сложное аппаратурное оформление и высокий уровень нежелательных примесей, переходящих в карбид кремния из пыли газоочисток производства ферросилиция.

Известен способ получения металлургического карбида кремния (патент RU 2004493, С01B 31/36, опубл. 15.12.1993). Сущность изобретения: в шахтную печь подают смесь из кремнезема и углеродсодержащего вещества. Печь включает вертикальную шахту, средства для загрузки шихты и выгрузки готового продукта, электроды, установленные соосно горизонтально в нижней части печи с возможностью перемещения навстречу друг другу с торцами, скошенными вверх, а также подвижный в горизонтальной плоскости перпендикулярно движению электродов под, представляющий собой два бункера, сообщающиеся с шахтой поочередно и снабженные днищем в форме короба с перфорированной крышкой и патрубком для подачи газа, установленные с возможностью вертикального перемещения. Шихта прогревается при движении по шахте сверху вниз за счет тепла реакционных газов. Шихту прокаливают и одновременно уплотняют пропусканием электрического тока через электроды. Прокаленный продукт периодически выгружают на перфорированную крышку короба при разведении электродов и опускании днища с одновременным охлаждением газом, поступающим через патрубок короба. Недостатком данного способа является использование достаточно сложного оборудования для его осуществления.

Известен способ получения карбида кремния (патент RU 2163563, C01B 31/36, опубл. 27.02.2001), включающий электронагрев, со скоростью 200-300°C/ч, природной горной породы - шунгита, содержащей кремнезем и углерод, при 1600-1800°C, отличающийся тем, что нагрев шунгита ведут в вакуумной печи при остаточном давлении в рабочем пространстве 0,25-1,3 кПа. Недостатком данного способа является необходимость использования сложного оборудования для создания вакуума в рабочем пространстве печи.

Известен способ получения карбида кремния восстановлением кварцевого песка нефтяным коксом в высокотемпературных печах сопротивления. При этом гранулометрический состав кварцевого песка имеет ограничения по фракционному составу: содержанию и крупных (+6 мм не более 10%), и мелких (менее 0,3 мм не более 10%, в том числе менее 0,22 мм не более 2%) фракций. В электрическую печь сопротивления на подсыпку из кварцевого песка загружают керн из нефтяного кокса, затем дозируют и загружают шихту из кварцевого песка и нефтяного кокса в расчетном стехиометрическом соотношении SiO2+3C (SiO2 - 62,5%, C - 37,5%) и ведут восстановительную плавку карбида кремния. 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, с. 152-154). Переход кремнезема в карбид кремния составляет 63-65% от массы загруженного с шихтой кремнезема.

По технической сущности, по наличию общих признаков данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.

Недостатком данного способа получения карбида кремния является невысокая степень перехода кремнезема в карбид кремния, что сдерживает производительность печей.

В основу изобретения положена задача, направленная на увеличение производительности печей сопротивления на выпуске карбида кремния.

При этом техническим результатом является повышение степени использования кремнеземсодержащих материалов, используемых в восстановительной плавке карбида кремния.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения карбида кремния, включающем в себя дозирование кремнеземсодержащих материалов и углеродистых восстановителей, загрузку их в электрическую печь сопротивления и ведение восстановительной плавки, вначале, вокруг керна, загружают слой шихты, содержащей кварцит фракцией 6-10 мм, затем следующим слоем загружают шихту, содержащую кварцевый песок и/или кварцит, фракцией 0,3-6,0 мм, после чего в верхнюю часть печи и на периферию загружают слой шихты, содержащий кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм и мелкодисперсный кремнезем, фракцией менее 0,22 мм, при следующем соотношении компонентов кремнеземсодержащего сырья, мас. %:

кварцит фракцией 6,0-10 мм 20-30
кварцевый песок (кварцит) фракцией 0,3-6,0 мм 50-70
кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 5-8
мелкодисперсный кремнезем фракцией менее 0,22 мм 5-15

Кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм и мелкодисперсный кремнезем перед загрузкой шихты могут предварительно смешивать с кварцевым песком фракцией 0,3-6 мм.

При загрузке печи в разные зоны печи загружается шихта из восстановителя (нефтяного кокса) и кремнеземсодержащего материала разного гранулометрического состава.

Способ осуществляется следующим образом: вокруг углеродистого керна из нефтяного кокса проводят загрузку шихты стехиометрического состава, в состав которой входит углеродистый восстановитель и кварцит фракцией 6-10 мм, затем загружают шихту с кварцевым песком и/или кварцитом фракцией 0,3-6 мм. Затем в верхние горизонты печи, загружают шихту, содержащую кремнезем фракцией менее 0,3 мм и мелкодисперсный кремнезем фракцией менее 0,22 мм, предварительно смешанный с фракцией 0,3-6 мм. Загрузка в высокотемпературную зону печи, к керну, кремнезема крупной фракции, а мелкодисперсного кремнезема в менее теплонапряженную зону усредняет газификацию кремнезема, в зависимости от удельной поверхности загруженного кремнезема, увеличивает количество образовавшегося монооксида кремния, приводит к увеличению количества карбида кремния, повышает производительность печи и степень использования шихтовых материалов, загруженных в печь.

Ведение плавки карбида кремния с использованием в шихте кремнезема различного гранулометрического состава, загружаемого в различные зоны печи, является новизной технического решения и отвечает критерию существенное отличие.

В лабораторной печи сопротивления проводили плавки получения карбида кремния с различным соотношением кремнеземсодержащих материалов в зависимости от гранулометрического состава.

Пример 1. Вокруг углеродистого керна проводилась загрузка шихты из углеродистого восстановителя и кварцита фракцией 6-10 мм, затем загружалась шихта, содержащая кварцевый песок (кварцит) фракцией 0,3-6,0 мм, и в верхней части печи и на периферии загруженная шихта содержала мелкодисперсный кремнезем, фракция менее 0,22 мм, предварительно смешанный с кремнеземом фракцией 0,3-6 мм, при следующем соотношении компонентов кремнеземсодержащего сырья (типовая шихта), мас. %:

кварцит фракцией 6,0-10 мм 10
кварцевый песок фракцией 0,3-6,0 мм 80
кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 8
мелкодисперсный кремнезем 2

Выход товарного карбида кремния составил - 65%, в пересчете на количество загруженного в печь кремнезема.

Пример 2. Затем проводилась загрузка шихты, как и в предыдущем, при следующем соотношении компонентов кремнеземсодержащего сырья, мас. %:

кварцит фракцией 6,0-10 мм 10
кварцевый песок фракцией 0,3-6,0 мм 85
кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 3
мелкодисперсный кремнезем 2

Выход товарного карбида кремния составил - 68%, в пересчете на количество загруженного в печь кремнезема.

Пример 3. При следующем испытании соотношение компонентов кремнеземсодержащего сырья было следующим, мас. %:

кварцит фракцией 6,0-10 мм 20
кварцевый песок фракцией 0,3-6,0 мм 75
кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 3
мелкодисперсный кремнезем 2

Выход товарного карбида кремния составил - 67%, в пересчете на количество загруженного в печь кремния.

Пример 4. Соотношение компонентов кремнеземсодержащего сырья, мас. %:

кварцит фракцией 6,0-10 мм 20
кварцевый песок фракцией 0,3-6,0 мм 70
кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 5
мелкодисперсный кремнезем 5

Выход товарного карбида кремния составил - 70%, в пересчете на количество загруженного в печь кремнезема.

Пример 5. Соотношение компонентов кремнеземсодержащего сырья, мас. %:

кварцит фракцией 6,0-10 мм 25
кварцевый песок фракцией 0,3-6,0 мм 60
кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 8
мелкодисперсный кремнезем 7

Выход товарного карбида кремния составил - 72%, в пересчете на количество загруженного в печь кремнезема.

Пример 6. Соотношение компонентов кремнеземсодержащего сырья, мас. %:

кварцит фракцией 6,0-10 мм 30
кварцевый песок фракцией 0,3-6,0 мм 50
кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 8
мелкодисперсный кремнезем 12

Выход товарного карбида кремния составил - 75%, в пересчете на количество загруженного в печь кремнезема.

Пример 7. Соотношение компонентов кремнеземсодержащего сырья, мас. %:

кварцит фракцией 6,0-10 мм 30
кварцевый песок фракцией 0,3-6,0 мм 50
кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 5
мелкодисперсный кремнезем 15

Выход товарного карбида кремния составил - 76%, в пересчете на количество загруженного в печь кремнезема.

Пример 8. Соотношение компонентов кремнеземсодержащего сырья, мас. %:

кварцит фракцией 6,0-10 мм 35
кварцевый песок фракцией 0,3-6,0 мм 45
кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 5
мелкодисперсный кремнезем 15

Выход товарного карбида кремния составил - 68%, в пересчете на количество загруженного в печь кремнезема.

Пример 9. Соотношение компонентов кремнеземсодержащего сырья, мас. %:

кварцит фракцией 6,0-10 мм 30
кварцевый песок фракцией 0,3-6,0 мм 50
кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 10
мелкодисперсный кремнезем 10

Выход товарного карбида кремния составил - 70%, в пересчете на количество загруженного в печь кремнезема.

Проведенные испытания показали, что при предлагаемом способе получения карбида кремния наибольший выход карбида кремния (%) отмечается при следующем соотношении компонентов кремнеземсодержащего сырья (примеры 3, 4, 5, 6), мас. %:

кварцит фракцией 6,0-10 мм 20-30
кварцевый песок (кварцит) фракцией 0,3-6,0 мм 50-70
кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 5-8
мелкодисперсный кремнезем фракцией менее 0,22 мм 5-15

1. Способ получения карбида кремния, включающий в себя дозирование кремнеземсодержащих материалов и углеродистых восстановителей, загрузку их в электрическую печь сопротивления и ведение восстановительной плавки, отличающийся тем, что вначале, вокруг керна, загружают слой шихты, содержащей кварцит фракцией 6-10 мм, затем следующим слоем загружают шихту, содержащую кварцевый песок и/или кварцит фракцией 0,3-6,0 мм, после чего в верхнюю часть печи и на периферию загружают слой шихты, содержащий кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм и мелкодисперсный кремнезем фракцией менее 0,22 мм, при следующем соотношении компонентов кремнеземсодержащего сырья, мас. %:

кварцит фракцией 6,0-10 мм 20-30
кварцевый песок (кварцит) фракцией 0,3-6,0 мм 50-70
кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм 5-8
мелкодисперсный кремнезем фракцией менее 0,22 мм 5-15

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм и мелкодисперсный кремнезем перед загрузкой шихты предварительно смешивают с кварцевым песком фракцией 0,3-6 мм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к производству керамических огнеупорных изделий на основе карбида кремния, используемых в полупроводниковой технологии, ядерной энергетике, например при изготовлении пеналов для захоронения радиоактивных отходов.

Изобретение относится к области создания высокотемпературных конструкционных керамических композиционных материалов с матрицей на основе Ti3SiC2, а именно к способу получения композитов с мультиканальной структурой, т.е.

Изобретение относится к технологии получения окислительно-стойких ультравысокотемпературных керамических композиционных материалов состава MB2/SiC, где М=Zr и/или Hf с нанокристаллическим карбидом кремния, которые могут быть использованы в качестве окислительно-, химически- и эрозионно-стойких материалов в потоках воздуха при температурах выше 2000°С, для создания авиационной, космической и ракетной техники, отопительных систем, теплоэлектростанций, а также в технологиях атомной энергетики, в химической и нефтехимической промышленности.

Изобретение относится к неорганической химии и неорганическому материаловедению, конкретно к получению порошковых материалов состава MB2-SiC, где М = Zr, Hf, содержащих нанокристаллический карбид кремния.

Изобретение относится к химической промышленности для получения термостойких высокопористых изделий из карбида кремния, которые используют в качестве фильтров, теплоизоляции, абсорбентов.

Настоящее изобретение относится к области композитных конструкций, применяемых в качестве жаростойкого теплообменника или фильтра в летательных аппаратах гражданской авиации, авиакосмической и ракетной техники.

Изобретение относится к огнеупорным материалам, которые могут быть использованы в черной и цветной металлургии в качестве футеровки доменных, шахтных и других печей.
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении деталей и узлов неохлаждаемых конструкций нового поколения авиационных газотурбинных двигателей с повышенными характеристиками удельной мощности и топливной экономичности, работающих при температурах до 1750°С в условиях воздействия окислительных сред.
Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений, характеризующегося высокой прочностью, термической и окислительной стойкостью, стойкостью к термоудару при градиенте температуры до 2000 К в условиях воздействия высокоскоростного окислительного потока.

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению композиционного материала для высокотемпературного применения на основе тугоплавких бескислородных и оксидных соединений.

Изобретение относится к технологии получения окислительно-стойких ультравысокотемпературных керамических композиционных материалов состава MB2/SiC, где М=Zr и/или Hf с нанокристаллическим карбидом кремния, которые могут быть использованы в качестве окислительно-, химически- и эрозионно-стойких материалов в потоках воздуха при температурах выше 2000°С, для создания авиационной, космической и ракетной техники, отопительных систем, теплоэлектростанций, а также в технологиях атомной энергетики, в химической и нефтехимической промышленности.

Изобретение относится к неорганической химии и неорганическому материаловедению, конкретно к получению порошковых материалов состава MB2-SiC, где М = Zr, Hf, содержащих нанокристаллический карбид кремния.

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к способу получения наноразмерных порошков карбида кремния, покрытых углеродной оболочкой. Способ заключается в том, что смесь прекурсоров: моносилана, аргона и ацетилена, в которую ацетилен вводят в количестве 2,5-15 об.%, при начальном давлении Р0=0,105 МПа и начальной температуре Τ0=170°С подвергают термическому разложению в процессе адиабатического сжатия до образования целевого продукта.

Изобретение относится к химической промышленности для получения термостойких высокопористых изделий из карбида кремния, которые используют в качестве фильтров, теплоизоляции, абсорбентов.

Изобретение относится к производству неорганических соединений, конкретно к карботермическому способу получения полидисперсных порошков карбида бора, предназначенных для получения на их основе абразивных порошков для шлифования и ударопрочной керамики.
Изобретение относится к производству неорганических соединений, а именно к карботермическому способу получения в промышленном масштабе химически стабильных полидисперсных порошков карбида кремния заданного зернового состава (5-150 мкм), предназначенных для получения на их основе абразивных порошков для шлифования и ударопрочной керамики.

Изобретение может быть использовано при изготовлении изделий из композиционных материалов, предназначенных для работы в условиях воздействия внутреннего давления среды с высоким окислительным потенциалом.

Изобретение относится к технологии получения нанокристаллического карбида кремния. Способ включает плазмодинамический синтез карбида кремния в гиперскоростной струе электроразрядной плазмы, содержащей кремний и углерод в соотношении 3,0:1, которую генерируют коаксиальным магнитоплазменным ускорителем с графитовыми электродами и направляют в замкнутый объем, заполненный газообразным аргоном при нормальном давлении и температуре 20°C, при этом температуру газообразного аргона в замкнутом объеме изменяют в диапазоне от -20°C до 19°C и от 21°C до 60°C.
Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при финишной металлообработке, для производства керамической брони, при износостойкой наплавке.
Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ получения β-карбида кремния стехиометрического состава в виде готовых пористых изделий включает нагревание заготовки изделий из полимерной композиции до 800°C в защитной от окисления среде со скоростью 400-600°C/ч при атмосферном давлении и выдержку при 800°C в течение 1 ч с последующим охлаждением.

Изобретение относится к технологии получения карбида кремния для изготовления приборов СВЧ-техники, оптоэлектроники и силовой техники. Карбид кремния получают из шихты, содержащей нанопорошки кремнийсодержащего (SiO, SiO2, H2SiO3) и углеродсодержащего (углевод общей формулы Cn(H2O)m, где n≥12; m=n-1, многоатомный спирт общей формулы CnH2n+2On, где n≥2, альдегидные либо кетонные производные многоатомных спиртов общей формулы (CH2O)n, где n≥3 компонентов, приготовленной в деионизованной воде, с последующим ступенчатым нагревом в три стадии: до температуры 145-195°C с выдержкой 1,5-3 ч, до 800-1000°C с выдержкой 0,4-1 ч и до 1450-1650°C с выдержкой в течение 1-1,5 ч. Получают порошок карбида кремния белого цвета высокой чистоты - 1⋅10-5 ат.% с выходом годного продукта порядка 80-85%. 3 пр.

Изобретение относится к неорганической химии и касается технологии получения карбида кремния восстановлением в электрических печах сопротивления. Способ включает дозирование кремнеземсодержащих материалов и углеродистых восстановителей, загрузку их в электрическую печь сопротивления и ведение восстановительной плавки, при этом вначале вокруг керна загружают слой шихты, содержащей кварцит фракцией 6-10 мм, затем следующим слоем загружают шихту, содержащую кварцевый песок иили кварцит фракцией 0,3-6,0 мм, после чего в верхнюю часть печи и на периферию загружают слой шихты, содержащий кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм и мелкодисперсный кремнезем фракцией менее 0,22 мм, при следующем соотношении компонентов кремнеземсодержащего сырья, мас. : кварцит фракцией 6,0-10 мм - 20-30, кварцевый песок фракцией 0,3-6,0 мм - 50-70, кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм - 5-8, мелкодисперсный кремнезем фракцией менее 0,22 мм - 5-15. Кварцевый песок фракцией менее 0,3 мм и мелкодисперсный кремнезем перед загрузкой шихты предварительно могут быть смешаны с кварцевым песком фракцией 0,3-6 мм. Технический результат изобретения состоит в увеличении производительности процесса при использовании дешевых кремнеземсодержащих материалов. 1 з.п. ф-лы, 9 пр.

Наверх