Способ приготовления шихты для производства карбида кремния
METHOD FOR PREPARATION OF CHARGE FOR THE PRODUCTION OF SILICON CARBIDE

Способ приготовления шихты для производства карбида кремния.
Предлагаемое техническое решение относится к приготовлению кремнезём-углеродсодержащей шихты и может быть использовано при электротермическом производстве карбида кремния.
Известен способ получения карбида кремния (патент РФ № 1777312, С01В 31/36, опубликовано 30.09.1994), включающий смешение мелкодисперсного кремнеземсодержащего сырья, углерода и магния, термообработку смеси в режиме горения, кислотную обработку, в котором с целью получения продукта в виде мелкодисперсного однородного по гранулометрическому составу порошка, смешение осуществляют при следующих соотношениях компонентов, мас. %
Кремнеземсодержащие сырье
45-55
Углерод
9-11
Магний
36-44
3
затем смесь трамбуют до плотности 1,04-1,63 г/см и термообработку осуществляют при 1400-2200°С Основной недостаток известной шихты в том, что использование данной шихты приводит к необходимости поддержания более высоких температур при реализации процесса, необходимости дополнительной обработки целевого продукта раствором соляной кислоты. Повышается себестоимость товарного продукта, снижается технико-экономическая эффективность процесса.
Известен способ получения кремния (патент РФ № 2082670, С01В 33/025, опубликовано 08.02.1994), включающий электротермическое воздействие на шихту, состоящую из кремнезема и восстановительной смеси, содержащей древесный уголь, нефтяной кокс, каменный уголь и древесную щепу, в которой нефтяной кокс используют крупностью 5-8 мм в количестве 3,5-6,0% мас. от количества шихты, причем перед подачей в печь нефтяной кокс смешивают сначала с древесной щепой до получения однородной массы, затем вводят остальные компоненты шихты.
По технической сущности, по наличию сходных признаков, данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.
Основные недостатки известного решения: многокомпонентность восстановительной смеси снижает эффективность процесса, требует дополнительных затрат на её подготовку. Использование в составе каменного угля может приводить к повышению содержания серы, как в процессе, так и в товарном продукте, что ухудшает экологическую ситуацию и снижает качество целевого продукта. Недостаточно высоко электросопротивление шихты - недостаточно высокая эффективность процесса.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение технико-экономической эффективности процесса производства карбида кремния.
Техническими результатами являются: повышение электрического сопротивления шихты, снижение энергетических затрат и повышение выхода товарного продукта.
Технические результаты достигаются тем, что в способе приготовления шихты для производства карбида кремния, включающем смешивание кремнезёмсодержащего материала с углеродистым материалом, в качестве кремнезёмсодержащего материала на смешивание подают кварцит крупностью до 0,5 мм, в качестве углеродистого материала на смешивание подают нефтяной кокс, предварительно прошедший стадию замедленного коксования при температуре 1150-1300 °С в течение 0,3-0,5 часа совместно с тяжёлой смолой пиролиза, измельчённый до крупности не более 5 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кварцит
75-80
Нефтяной кокс
15-22
Тяжелая смола пиролиза
1-6
При этом, кварцит предварительно может быть термообработан при температурах 180-200 °С в течение 0,1-0,5 часа, а смесь шихтовых материалов может быть окускована.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, показывает следующее.
Шихта по предлагаемому решению и решение по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками:
- кремнезёмсодержащий материал в виде кварцита;
- нефтяной кокс.
Шихта по предлагаемому решению отличается от шихты по ближайшему аналогу следующими признаками:
- на смешивание подают кварцит крупностью до 0,5 мм;
- в качестве углеродистого материала на смешивание подают нефтяной кокс, предварительно прошедший стадию замедленного коксования при температуре 1150-1300 °С в течение 0,3-0,5 часа совместно с тяжёлой смолой пиролиза;
- смешивание шихтовых материалов производят при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кварцит
75-80
Нефтяной кокс
15-22
Тяжелая смола пиролиза
1-6
При этом, кварцит предварительно может быть термообработан при температурах 180-200 °С в течение 0,1-0,5 часа, а смесь шихтовых материалов может быть окускована.
Наличие в предлагаемом техническом решении признаков, отличительных от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения условию патентоспособности изобретения «новизна».
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области показывает следующее.
1. Известен способ производства технического кремния (патент РФ № 2078035, С01В 33/025, 14.04.1995), включающий дозирование, смешение, загрузку и непрерывное проплавление шихты из кварцита, нефтяного кокса, древесного угля и древесной щепы, в котором нефтяной кокс перед введением в шихту обрабатывают раствором каустической соды, подсушивают до влажности 6-12% и смешивают с кварцитом, древесным углем и древесной щепой
Повышается реакционная способность кокса и шихты. Однако значительны затраты на реагентную обработку нефтяного кокса.
2. Известен способ получения ультрадисперсного порошка карбида кремния (А.с. СССР № 1555279, С01В 31/36, опубликовано 07.04.1990), включающий смешивание диоксида кремния и углеродистого компонента, взятого с избытком, брикетирование смеси и высокотемпературный нагрев её в атмосфере аргона, в котором на смешивание дополнительно подают катализатор - нитрид алюминия в количестве 0,3 - 0,5 мас.%, а нагрев смеси проводят при 1400 - 1450°С в течение 4-6 ч в атмосфере аргона, содержащей 10-20% азота. Используют смесь диоксида кремния с высокодисперсным углеродным компонентом в молярном соотношении 1:4.
3. Известен способ получения p-карбида кремния (А.с. СССР № 1706963, С01В 31/36, 28.04.1988), включающий приготовление исходной шихты из смеси кремния, углерода и добавки, выбранной из ряда (CO(NH2)2; (NH-О2C2О4 в количестве 0.5-10% от массы шихты, размещение смеси с плотностью 0,8-1,5 г/см в оболочку из материала с теплопроводностью 1-9 10 кал/см-с град., выбранного из ряда асбест, картон, бумага, слюда, и затем размещение шихты с оболочкой в замкнутый объем реакторов; термообработку шихты в газовой среде и проведение процесса в атмосфере воздуха с добавкой 10-50% аб.аргона, либо в смеси азота (60-80% об.) с оксидом углерода (40-20% об.), или в смеси азота (60-80% об.) с диоксидом углерода (40-20% об.), или аргоном (10-40% об.) под давлением 0,5-10 МПа. В данном способе порошок кремния чистотой 95 - 98% с частицами менее 12 мкм смешивают в стехиометрическом отношении с техническим углеродом П804Т и добавкой карбоната аммония в количестве 0,5 мас.% от массы кремния и углерода.
4. Известен способ получения карбидов металлов (А.с. СССР № 1820572, B22F 9/16, опубликовано 10.04.1995), 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, в котором 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°С, а вторую стадию выплавки начинают при увеличении температуры на колошнике более, чем на 150°С, при этом процесс ведут при вращении ванны печи вокруг вертикальной оси со скоростью 0,5-4 об/сутки.
В процессе поиска и сравнительного анализа не выявлено технических решений, которые бы характеризовались идентичной или аналогичной совокупностью признаков с предлагаемым решением и давали бы при использовании аналогичные результаты, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
Для повышения технико-экономической эффективности процесса шихта, используемая в процессах электротермической обработки материала, должна иметь высокое электрическое сопротивление, иметь в своём составе минимальное количество легколетучих углеродистых соединений, иметь высокую реакционную способность.
В предлагаемом решении для обеспечения вышеуказанных свойств шихтового материала в состав шихты вводят высокоуглеродистые материалы нефтепереработки - нефтяной кокс и тяжёлую смолу пиролиза. При этом, на смешивание подают нефтяной кокс, предварительно прошедший стадию замедленного коксования при температуре 1150-1300 °С в течение 0,3-0,5 часа. Такая предварительная подготовка восстановителя способствует улучшению его физико-химических показателей: повышение плотности материала, повышение его реакционной способности. Конкурентные преимущества нефтяного пека, по сравнению с каменноугольным пеком: отсутствие канцерогенных полиароматических углеводородов –(3,4 бенз(а)пиренов, IV класса опасности), минимальное содержание золы - (не более 0,8 %), достаточное высокое содержание α-фракций, низкое содержание сернистых соединений. То есть, используемый углеродистый материал в виде нефтяного кокса обладает более высокими потребительскими свойствами, как технологическими, так и более приемлем экологически. Дополнительные введение в состав углеродистого восстановителя тяжелой смолы пиролиза позволяет еще более уплотнить структуру нефтяного кокса и повысить содержание высокореакционного углерода.
Наиболее эффективный состав шихты для производства карбида кремния, в зависимости от технологических показателей процесса, при содержании углеродистого восстановителя в шихте от 16 мас. % (нефтяной кокс - 15 + 1 - тяжёлая смола пиролиза), до 28 мас. % (нефтяной кокс -22 + 6 - тяжёлая смола пиролиза). При содержании в шихте менее 16 мас. % углеродистого восстановителя снижается выход товарного продукта, при содержании в шихте более 28 мас. % углеродистого восстановителя дестабилизируется технологический процесс, повышается непроизводительный расход углеродистого восстановителя.
Использование в составе шихты мелкодисперсных материалов - кварцит крупностью до 0,5 мм, нефтяной кокс, измельчённый до крупности не более 5 мм, значительно повышает площадь и объём зоны реакции, значительно повышает электрическое сопротивление шихтового материала, и, следовательно, повышает реакционную способность и эффективность использования шихты, повышает эффективность процесса и выход товарного продукта.
Также для повышения эффективности предлагаемой шихты, при необходимости, кварцит предварительно может быть термообработан при температурах 180-200 °С в течение 0,1-0,5 часа для удаления гигроскопической влаги, а смесь шихтовых материалов может быть окускована.