Металлургический чёрный карбид кремния – синтетический материал, получаемый в электрических печах сопротивления при температуре выше 2200 °C. Основным сырьем для него служат высококачественный кварцевый песок (SiO₂) и нефтяной кокс (C). Он характеризуется чёрным или тёмно-сине-чёрным цветом, металлическим блеском и более низкой чистотой (обычно около 98,5% SiC) по сравнению с зелёным карбидом кремния (более чистым, >99% SiC, и используемым для прецизионного шлифования и производства полупроводников).
Ключевые свойства
К свойствам, которые делают его незаменимым в металлургии и других отраслях промышленности, относятся:
Прочность при высоких температурах: сохраняет свою структуру и прочность при очень высоких температурах.
Отличные термодинамические свойства:
Сильная восстанавливаемость: при высоких температурах легко отдает углерод и кремний, реагируя с кислородом и другими элементами.
Экзотермическая реакция: реакции окисления выделяют значительное количество тепла.
Высокая теплопроводность: эффективно передает тепло.
Хорошая абразивность: хотя он и не такой твердый, как зеленый SiC, он все же тверже большинства металлов и многих минералов.
Химическая инертность: устойчив к воздействию кислот, шлаков и расплавленных металлов.
Основные приложения и функции
Применение металлургического SiC почти полностью основано на его роли мощного высокотемпературного восстановителя, легирующего агента и энергосберегающей добавки.
1. Сталелитейное производство (наиболее широкое применение)
В дуговых сталеплавильных печах (ДСП), ковшах-печах и литейных цехах он используется как многофункциональная добавка:
Раскислитель: более эффективен, чем традиционный ферросилиций. Содержащиеся в нём кремний и углерод активно удаляют кислород из расплавленной стали, улучшая её чистоту и механические свойства.
Реакция:
SiC + O₂ → SiO₂ + CO
Науглероживатель: отличный источник углерода для регулирования конечного содержания углерода в стали до желаемых характеристик.
Экономия энергии (теплоносителя): Окисление SiC является высокоэкзотермичным процессом. Добавление его в печь или ковш способствует повышению температуры расплавленного металла, снижая расход электроэнергии и сокращая время между плавками.
Легирующая добавка: одновременно добавляет в расплав как кремний, так и углерод, регулируя химический состав.
2. Чугунное литье (литейное производство)
В вагранках и индукционных печах для производства чугуна:
Модификатор/предварительная обработка: Добавление SiC в расплавленный чугун (процесс, часто называемый «предварительной обработкой чугуна») способствует образованию графитовых пластинок или шариков (в ковком чугуне). Это:
Предотвращает отбел: уменьшает образование твердого, хрупкого цементита (карбида железа), предотвращая образование «отбеленных» кромок, не поддающихся обработке на станке.
Улучшает микроструктуру: приводит к более однородной и измельченной структуре графита.
Улучшает свойства: увеличивает прочность на разрыв, твердость и теплопроводность конечного чугунного изделия.
3. Производство ферросплавов
Он служит восстановителем в дуговых печах с закрытой дугой, используемых для производства различных ферросплавов:
Металлический кремний и ферросилиций: в этих процессах SiC является промежуточным продуктом, который играет решающую роль в восстановлении кремния до кремния.
Другие сплавы: Его также можно использовать при производстве силикомарганца и других сложных сплавов.
4. Огнеупорные добавки
Хотя измельченный металлургический SiC не является основным компонентом, его часто добавляют в огнеупоры MgO-C (магнезиально-углеродистые) и Al₂O₃-SiC-C (глиноземно-карбидкремниево-углеродистые), используемые для футеровки сталеплавильных печей и ковшей. Его преимущества включают:
Повышенная стойкость к шлакам: повышает способность огнеупора противостоять коррозионным шлакам.
Повышенная стойкость к тепловому удару: помогает кирпичу выдерживать резкие перепады температур без растрескивания.
Улучшенная прочность при высоких температурах.
5. Другие приложения
Абразивы: для изготовления шлифовального инструмента на связке (например, шлифовальных кругов) и абразивных материалов с покрытием, где не требуется высокая чистота. Также используется для дробеструйной очистки и притирки.
Цветная металлургия: используется в качестве восстановителя при плавке некоторых цветных металлов.