Le procédé de fusion du carbure de silicium noir (SiC) utilise principalement le procédé Acheson, une méthode de fusion dans un four à résistance à haute température. Le déroulement principal du procédé est le suivant :
1. Préparation des matières premières
Matières premières principales : sable de quartz (teneur en SiO₂ ≥ 98 %) et coke de pétrole (teneur en carbone ≥ 98 %), avec de petites quantités de sciure de bois et de chlorure de sodium (NaCl) comme matériaux auxiliaires.
Proportionnement : Sur la base de la formule de réaction du carbure de silicium SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑, dans la production réelle, un léger excès de carbone (environ 3 à 5 %) est nécessaire pour compenser les pertes par oxydation.
Prétraitement : Les matières premières doivent être concassées et tamisées à des tailles de particules appropriées (généralement 0,5 à 5 mm pour le sable de quartz et 0,2 à 2 mm pour le coke de pétrole), et mélangées uniformément.
2. Chargement du four et préparation du noyau
Structure du four : Four à résistance fixe rectangulaire ou circulaire, avec des briques réfractaires tapissant le fond et les parois latérales amovibles.
Noyau du four : Un noyau conducteur de four, composé de poudre de graphite ou de carbure de silicium recyclé (servant d’élément chauffant), est placé au centre du corps du four.
Chargement : Le mélange est disposé en couches et remplit le noyau du four, et l’extérieur est recouvert d’un matériau isolant (tel que de la poudre de coke ou du sable de quartz) pour la conservation de la chaleur.
3. Fusion électrolytique
Chauffage électrique : Une basse tension et un courant élevé (environ 5000-10000A) sont appliqués à travers les électrodes aux deux extrémités du noyau du four, augmentant progressivement la température du noyau du four à 2000-2500℃.
Processus de réaction :
À partir d’environ 1400 °C, le SiO₂ est réduit par le carbone pour produire du SiO gazeux et du CO :
SiO₂ + C → SiO↑ + CO↑
Le SiO en phase gazeuse réagit avec le carbone pour former du SiC :
SiO + 2C → SiC + CO↑
Finalement, une couche cristalline de carbure de silicium se forme autour du noyau du four.
Durée de fusion : Alimentation électrique continue pendant environ 24 à 40 heures, la durée précise dépendant de la taille et de la puissance du four.
4. Refroidissement et démontage du four
Refroidissement naturel : Après une coupure de courant, le corps du four doit refroidir lentement (environ 7 à 14 jours) pour éviter un refroidissement rapide qui pourrait provoquer des fissures de cristallisation.
Démontage du four : Retirez la couche isolante et extrayez les blocs cristallins de carbure de silicium.
5. Calibrage et traitement
Produit de la zone centrale : La zone entourant le noyau du four est constituée de blocs cristallins de carbure de silicium noir de haute pureté (α-SiC, cristaux hexagonaux).
Traitement par couches :
Grade 1 : Zone cristalline dense, teneur en SiC ≥97 %, utilisée pour la fabrication d’abrasifs et de matériaux réfractaires haut de gamme.
Grade 2 : Contient davantage d’impuretés, utilisées comme additifs métallurgiques, etc.
Zone amorphe : Mélange ayant réagi incomplètement, recyclable.
Traitement ultérieur : concassage, tamisage, lavage à l’acide (pour éliminer les impuretés métalliques), séparation magnétique, classification hydraulique, etc., pour obtenir des produits finis de différentes tailles de particules.
6. Principaux processus auxiliaires
Copeaux de bois : Ils augmentent la perméabilité de la charge du four, facilitant ainsi l’évacuation du CO.
Utilisation du sel : Il réagit avec les impuretés telles que l’aluminium et le fer présentes dans les matières premières pour former des chlorures qui se volatilisent, purifiant ainsi le matériau.
Traitement des gaz résiduaires : La fusion génère une grande quantité de CO₂, qui doit être collecté, utilisé ou brûlé pour prévenir la pollution.
Caractéristiques et défis du procédé :
Forte consommation d’énergie : La production d’une tonne de carbure de silicium consomme environ 8 000 à 10 000 kWh d’électricité.
Contrôle critique de la température : une température insuffisante entraîne une réaction incomplète, tandis qu’une température excessive provoque la décomposition du SiC.
Exigences environnementales : Le CO et les poussières doivent être traités ; les procédés modernes incluent souvent des systèmes de récupération de chaleur résiduelle.
Orientations modernes d’amélioration :
Type de four plus grand : Augmenter la production d’un seul four (jusqu’à des milliers de tonnes).
Contrôle de l’automatisation : Optimiser la courbe de mise sous tension pour réduire la consommation d’énergie.
Fusion verte : Récupération des gaz résiduaires pour la production d’électricité, recyclage des déchets.