Siyah silisyum karbürün (SiC) eritme işlemi esas olarak yüksek sıcaklıkta dirençli fırın eritme yöntemi olan Acheson prosesini kullanır. Ana işlem akışı aşağıdaki gibidir:
1. Hammadde Hazırlığı
Başlıca hammaddeler: Kuvars kumu (%SiO₂ içeriği ≥ %98) ve petrol koku (%98 karbon içeriği ≥ %98), yardımcı malzeme olarak az miktarda talaş ve sodyum klorür (NaCl).
Oranlama: Silisyum karbür reaksiyon formülü SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑ esas alınarak, gerçek üretimde oksidasyon kayıplarını telafi etmek için az miktarda karbon fazlalığı (yaklaşık %3-5) gereklidir.
Ön işlem: Hammaddeler uygun partikül boyutlarına (tipik olarak kuvars kumu için 0,5-5 mm ve petrol koku için 0,2-2 mm) kadar ezilip elenmeli ve homojen bir şekilde karıştırılmalıdır.
2. Fırın Yükleme ve Çekirdek Hazırlama
Fırın yapısı: Tabanı refrakter tuğlalarla kaplı ve çıkarılabilir yan duvarlara sahip, dikdörtgen veya dairesel sabit dirençli fırın.
Fırın Çekirdeği: Fırın gövdesinin ortasına, grafit tozu veya geri dönüştürülmüş silisyum karbür malzemeden yapılmış iletken bir fırın çekirdeği (ısıtma elemanı görevi görür) yerleştirilir.
Doldurma: Karışım katmanlar halinde fırın çekirdeğinin etrafına doldurulur ve dış yüzeyi ısıyı korumak için yalıtım malzemesiyle (kok tozu veya kuvars kumu gibi) kaplanır.
3. Elektrolitik Ergitme
Elektrikli Isıtma: Fırın çekirdeğinin her iki ucundaki elektrotlar aracılığıyla düşük voltaj ve yüksek akım (yaklaşık 5000-10000A) uygulanarak fırın çekirdeğinin sıcaklığı kademeli olarak 2000-2500℃’ye yükseltilir.
Reaksiyon Süreci:
Yaklaşık 1400℃’den başlayarak, SiO₂ karbon tarafından indirgenerek gaz halindeki SiO ve CO üretir:
SiO₂ + C → SiO↑ + CO↑
Gaz halindeki SiO, karbonla reaksiyona girerek SiC oluşturur:
SiO + 2C → SiC + CO↑
Sonuç olarak, fırın çekirdeğinin etrafında silisyum karbür kristal bir tabaka oluşur.
Eritme Süresi: Fırının boyutuna ve gücüne bağlı olarak yaklaşık 24-40 saat boyunca sürekli enerji verilmesi gerekir.
4. Soğutma ve Fırın Sökülmesi
Doğal Soğutma: Elektrik kesintisinden sonra, fırın gövdesinin hızlı soğumayı önlemek ve kristalleşme çatlaklarına yol açmasını engellemek için yavaşça (yaklaşık 7-14 gün) soğuması gerekir.
Fırının Sökülmesi: Yalıtım katmanını çıkarın ve silisyum karbür kristal bloklarını çıkarın.
5. Sınıflandırma ve İşleme
Fırın çekirdeğini çevreleyen alan, yüksek saflıkta siyah silisyum karbür kristal bloklarından (α-SiC, altıgen kristaller) oluşmaktadır.
Katmanlı İşleme:
1. Sınıf: Yoğun kristal bölge, SiC içeriği ≥%97, yüksek kaliteli aşındırıcılar ve refrakter malzemelerin üretiminde kullanılır.
2. Sınıf: Daha fazla safsızlık içerir, metalurjik katkı maddesi vb. olarak kullanılır.
Amorf Bölge: Tamamen reaksiyona girmemiş karışım, geri dönüştürülebilir.
Sonraki İşlemler: Kırma, eleme, asit yıkama (metalik safsızlıkları gidermek için), manyetik ayırma, hidrolik sınıflandırma vb. işlemlerle farklı partikül boyutlarında nihai ürünler elde edilir.
6. Temel Yardımcı Süreçler
Odun talaşı: Fırın yükünün geçirgenliğini artırarak CO gazının tahliyesini kolaylaştırır.
Tuz Kullanımı: Hammaddelerdeki alüminyum ve demir gibi safsızlıklarla reaksiyona girerek buharlaşan klorürler oluşturur ve böylece malzemenin saflaştırılmasını sağlar.
Atık Gaz Arıtımı: Ergitme işlemi büyük miktarda CO gazı üretir ve bu gazın kirliliği önlemek için toplanması, kullanılması veya yakılması gerekir.
Proses Özellikleri ve Zorlukları:
Yüksek Enerji Tüketimi: 1 ton silisyum karbür üretimi yaklaşık 8000-10000 kWh elektrik tüketmektedir.
Kritik Sıcaklık Kontrolü: Yetersiz sıcaklık, reaksiyonun tamamlanmamasına yol açarken, aşırı sıcaklık SiC’nin ayrışmasına neden olur.
Çevresel Gereksinimler: CO gazı ve tozun arıtılması gerekmektedir; modern süreçler genellikle atık ısı geri kazanım sistemlerini içermektedir.
Modern Geliştirme Yönergeleri:
Daha Büyük Fırın Tipi: Tek fırından elde edilen üretim miktarını artırın (binlerce tona kadar).
Otomasyon Kontrolü: Enerji tüketimini azaltmak için güç açma eğrisini optimize edin.
Yeşil Eritme: Enerji üretimi için atık gaz geri kazanımı, atık geri dönüşümü.