Способ получения карбида кремния
METHOD FOR PRODUCING SILICON CARBIDE

Предлагаемое техническое решение относится к производству карбида кремния из кремнезем-углеродсодержащей шихты и может быть использовано при электротермической реализации этого процесса.
Известен способ получения карбида кремния, включающий электронагрев природной горной породы - шунгита, содержащей кремнезем и углерод, при 1600-1800°С, при этом, нагрев шунгита ведут в вакуумной печи при остаточном давлении в ее рабочем пространстве 0,25-1,3 кПа. Шунгит нагревают до 1600-1800°С со скоростью 200-300°С/ч, выдерживают при указанной температуре в течение 1-2 ч, а затем охлаждают с сохранением в печи остаточного давления в пределах 0,25-1,3 кПа (RU №2163563, МПК С01В 31/36, опубликовано 27.02.2001).
Недостатком способа является невысокий выход конечного продукта (около 30%), который обусловлен тем, что в процессе нагрева шунгита при непрерывном удалении выделяющегося монооксида углерода из рабочего пространства печи вместе с ним удаляется и монооксид кремния, что неизбежно ведет к потерям по кремнию.
Известен способ получения карбида кремния, включающий высокотемпературный нагрев кремний- и углеродсодержащего сырья, в котором нагрев ведут в атмосфере азота при давлении 0,049-0,13 МПа или в токе азота со скоростью 0,5-3,3 л/ч (RU №2240979, МПК С01В 31/36, опубликовано 27.11.2001). По назначению, по технической сущности, по наличию сходных признаков данное техническое принято в качестве ближайшего аналога.
Недостатки известного решения - недостаточно высокий выход конечного продукта, значительные энергетические затраты на реализацию процесса.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение технико-экономической эффективности процесса производства карбида кремния.
Техническими результатами являются: снижение энергетических затрат и повышение выхода товарного продукта.
Технические результаты достигаются тем, что в способе получения карбида кремния, включающем смешивание кремнеземсодержащего материала с углеродистым материалом, термообработку смеси, последующее охлаждение полученного продукта, в качестве кремнеземсодержащего материала используют кварцит, в качестве углеродистого материала используют нефтяной кокс, полученный процессом замедленного коксования при температуре 1150-1300°С в течении 0,3-0,5 часа совместно с тяжелой смолой пиролиза при соотношении, мас. %:
нефтяной кокс
75-95
тяжелая смола пиролиза
5-25
термообработку смеси проводят поэтапно при температурах
1000-1900°С.
При этом, смесь на первом этапе нагревают до температуры 1000°С и выдерживают в течение 0,3-0,5 часа, на втором этапе нагревают до температуры 1600-1900°С со скоростью не более 300 град/минуту, а термообработка смеси может быть проведена при подаче аргона.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, показывает следующее.
Технология по предлагаемому решению и решение по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками:
- способ получения карбида кремния;
- смешивание кремнеземсодержащего материала с углеродистым материалом;
- термообработка смеси;
- последующее охлаждение полученного продукта.
Технология по предлагаемому решению отличается от способа по ближайшему аналогу следующими признаками:
- в качестве углеродистого материала используют нефтяной кокс;
- используют нефтяной кокс, полученный процессом замедленного коксования при температуре 1150-1300°С в течении 0,3-0,5 часа совместно с тяжелой смолой пиролиза при соотношении, мас. %:
нефтяной кокс
75-95
тяжелая смола пиролиза
5-25;
- термообработку смеси проводят поэтапно при температурах
1000-1900°С.
При этом, смесь на первом этапе нагревают до температуры 1000°С и выдерживают в течение 0,3-0,5 часа, на втором этапе нагревают до температуры 1600-1900°С со скоростью не более 300 град/минуту, а термообработка смеси может быть проведена при подаче аргона.
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.
1. Известен способ получения ультрадисперсного порошка карбида кремния, включающий смешивание диоксида кремния и углеродистого компонента, взятого с избытком, брикетирование смеси и высокотемпературный нагрев ее 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 (SU №1555279, МПК С01В 31/36, опубликовано 07.04.1990). Используют смесь диоксида кремния с высокодисперсным углеродным компонентом в молярном соотношении 1:4.
2. Известен способ получения р-карбида кремния, включающий приготовление исходной шихты из смеси кремния, углерода и добавки, выбранной из ряда (CO(NH2)2; (NH-02C204 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 (SU №1706963, МПК С01В 31/36, 1992).
3. Известен способ получения карбида кремния, в котором на углеродистый материал воздействуют при 1900-2200°С парами кремния, полученными при восстановлении кремниевого ангидрида углем при 1500-2000°С (SU №50630, МПК С01В 31/36, 1937).
4. Известен способ получения кристаллического карбида кремния путем термической обработки кварцевого песка и углеродного материала в движущемся слое с последующим охлаждением полученного продукта, в котором кварцевый песок предварительно науглероживают, нагревают до 1900-2300°С и выдерживают при этой температуре сначала в течение 1-2 ч в электротермическом кипящем слое, а затем в течение. 4-8 ч в движущемся слое, полученный продукт в процессе охлаждения обрабатывают водяным паром при 900-700°С, при этом науглероживание ведут до содержания углерода 17-35 мас. % (SU №538623, МПК С01В 31/36, опубликовано 23.01.1984).
5. Известен способ получения карбида кремния, включающий нагревание шихты из кремнезем- и углеродсодержащего материалов за счет тепла реакционных газов при перемещении ее сверху вниз в вертикальной шахтной печи, последующее ее прокаливание и охлаждение прокаленного продукта, в котором прокаливание шихты ведут при пропускании через нее электрического тока с одновременным уплотнением и периодической выгрузкой прокаленного продукта (RU №2004493, МПК С01В 31/36, 1993).
2
3
2
3
2
3
2
3
6. Известен способ получения бета-карбида, кремния, включающий высокотемпературный нагрев кремний- и углеродсодержащего материала, в котором в качестве кремний- и углеродсодержащего материала используют хемогенные калиевые породы шунгита III и/или II разновидностей с величиной глиноземо-железистого модуля (AlO+FeO+FeO)/С не более 0,2, где С, AlO, FeO, FeO - содержание углерода и оксидов алюминия и железа в шунгитовой породе, при этом, нагрев шунгита ведут при давлении 300-1100 Па до температуры 1900-2100 К со скоростью 200-300 К в час (RU №2169701, МПК С01В 31/36, опубликовано 27.06.2001).
7. Известен способ получения β-карбида кремния (RU №2472703, МПК С01В 31/36, опубликовано 20.01.2013), включающий нагревание заготовок, содержащих шунгит III-й разновидности, до температуры 1900-2100 К со скоростью 200-300 К/ч при давлении 0,3-1,1 кПа, выдержку 1-2 ч при максимальной температуре и охлаждение при указанном давлении, отличающийся тем, что материал для заготовок дополнительно содержит порошкообразное фенольное связующее и смазку при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Шунгит III-й разновидности
64-90
Связующее
34-6
Смазка
2-4
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 своем составе минимальное количество легколетучих углеродистых соединений, иметь высокую реакционную способность.
В предлагаемом решении на смешивание подают нефтяной кокс, полученный процессом замедленного коксования при температуре 1150-1300°С в течении 0,3-0,5 часа. Такая предварительная подготовка восстановителя способствует улучшению его физико-химических показателей: повышение плотности материала, повышение его реакционной способности.
Поэтапную (ступенчатую) термообработку смеси проводят поэтапно при температурах 1000-1900°С.
При этом, смесь на первом этапе нагревают до температуры 1000°С и выдерживают в течение 0,3-0,5 часа, на втором этапе нагревают до температуры 1600-1900°С со скоростью не более 300 град/минуту, а термообработка смеси может быть проведена при подаче аргона.
Нагрев смеси на первом этапе до температуры 1000°С и выдержка в течение 0,3-0,5 часа является необходимым и достаточным условием подготовки шихтовых материалов для целевой реакции.
При температурах менее 1600°С реакция образования карбида кремния проходит не достаточно интенсивно.
При температурах более 1900°С снижается выход целевого продукта, увеличиваются непроизводительные потери кремния и углерода.
При скоростях нагрева на втором этапе более 300 град/минуту увеличиваются непроизводительные потери кремния и углерода в газовую фазу.
Предлагаемый режим термообработки и температуры нагрева шихтовой смеси обеспечивают эффективное протекание реакции образования карбида кремния, минимизирует потери углерода, в значительной мере предотвращает потери кремния через газовую фазу.
В зависимости от соотношений шихтовых компонентов определяют режимы термообработки, в заявляемых пределах, и, при необходимости, термообработка смеси может быть проведена при подаче аргона.
Полученный таким способом карбид кремния содержит меньшее количество серы и оптимальное количество углерода.
Использование заявляемого способа позволит снизить энергетические затраты и повысить выход товарного продукта.