กระบวนการถลุงซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำ (SiC) ส่วนใหญ่ใช้กระบวนการ Acheson ซึ่งเป็นวิธีการถลุงด้วยเตาเผาความต้านทานอุณหภูมิสูง ขั้นตอนกระบวนการหลักมีดังนี้:
1. การเตรียมวัตถุดิบ วัตถุดิบ
หลัก: ทรายควอตซ์ (ปริมาณ SiO₂ ≥ 98%) และปิโตรเลียมโค้ก (ปริมาณคาร์บอน ≥ 98%) โดยมีขี้เลื่อยและโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ในปริมาณเล็กน้อยเป็นวัตถุดิบเสริม
การกำหนดสัดส่วน: จากสูตรปฏิกิริยาของซิลิคอนคาร์ไบด์ SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑ ในการผลิตจริง จำเป็นต้องใช้คาร์บอนเกินเล็กน้อย (ประมาณ 3-5%) เพื่อชดเชยการสูญเสียจากการออกซิเดชัน
การเตรียมวัตถุดิบ: วัตถุดิบต้องถูกบดและร่อนให้ได้ขนาดอนุภาคที่เหมาะสม (โดยทั่วไป 0.5-5 มม. สำหรับทรายควอตซ์ และ 0.2-2 มม. สำหรับปิโตรเลียมโค้ก) และผสมให้เข้ากันอย่างสม่ำเสมอ
2. การบรรจุเตาและการเตรียมแกน
เตา โครงสร้างเตา: เตาต้านทานความร้อนแบบสี่เหลี่ยมผืนผ้าหรือวงกลม โดยมีอิฐทนไฟบุอยู่ที่ด้านล่างและผนังด้านข้างที่ถอดออกได้
แกนเตา: แกนเตาที่เป็นตัวนำความร้อนซึ่งทำจากผงกราไฟต์หรือวัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์รีไซเคิล (ทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบความร้อน) จะถูกวางไว้ตรงกลางตัวเตา
การบรรจุ: ส่วนผสมจะถูกเรียงเป็นชั้นและเติมให้เต็มรอบแกนเตาเผา จากนั้นจึงหุ้มด้านนอกด้วยวัสดุฉนวน (เช่น ผงถ่านโค้กหรือทรายควอตซ์) เพื่อรักษาความร้อน
3.
การหลอมด้วยไฟฟ้า: ใช้แรงดันต่ำและกระแสไฟฟ้าสูง (ประมาณ 5000-10000 แอมป์) ผ่านขั้วไฟฟ้าที่ปลายทั้งสองข้างของแกนเตาหลอม ทำให้ค่อยๆ เพิ่มอุณหภูมิของแกนเตาหลอมขึ้นไปถึง 2000-2500 องศาเซลเซียส
กระบวนการเกิดปฏิกิริยา:
ที่อุณหภูมิประมาณ 1400℃ ซิลิกาออกไซด์ (SiO₂) จะถูกรีดิวซ์ด้วยคาร์บอน ทำให้เกิดก๊าซซิลิกาออกไซด์ (SiO) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO):
SiO₂ + C → SiO↑ + CO↑
ซิลิกาในสถานะแก๊สทำปฏิกิริยากับคาร์บอนเพื่อสร้างซิลิคอนคาร์ไบด์:
SiO + 2C → SiC + CO↑
ในที่สุด ชั้นผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์จะก่อตัวขึ้นรอบแกนเตาเผา
ระยะเวลาการหลอม: เปิดใช้งานอย่างต่อเนื่องประมาณ 24-40 ชั่วโมง โดยระยะเวลาที่แน่นอนขึ้นอยู่กับขนาดและกำลังไฟของเตาหลอม
4. การระบายความร้อนและการรื้อถอนเตาเผา
การระบายความร้อนตามธรรมชาติ: หลังจากไฟฟ้าดับ ตัวเตาต้องเย็นตัวลงอย่างช้าๆ (ประมาณ 7-14 วัน) เพื่อป้องกันการเย็นตัวอย่างรวดเร็วซึ่งอาจทำให้เกิดรอยแตกจากการตกผลึกได้
การรื้อเตาหลอม: ถอดชั้นฉนวนออกและแยกบล็อกผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ออกมา
5. การจัดเกรดและการประมวลผล
ผลิตภัณฑ์บริเวณแกนกลาง: บริเวณรอบแกนกลางของเตาหลอมประกอบด้วยบล็อกผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์สีดำบริสุทธิ์สูง (α-SiC ผลึกหกเหลี่ยม)
การประมวลผลแบบหลายชั้น:
เกรด 1: บริเวณผลึกหนาแน่น มีปริมาณ SiC ≥97% ใช้ในการผลิตวัสดุขัดถูและวัสดุทนไฟคุณภาพสูง
เกรด 2: มีสิ่งเจือปนมากกว่า ใช้เป็นสารเติมแต่งในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา เป็นต้น
โซนอสัณฐาน: สารผสมที่ทำปฏิกิริยาไม่สมบูรณ์ สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้
กระบวนการแปรรูปขั้นต่อไป: การบด การคัดแยก การล้างด้วยกรด (เพื่อกำจัดสิ่งเจือปนที่เป็นโลหะ) การแยกด้วยแม่เหล็ก การคัดแยกด้วยระบบไฮดรอลิก ฯลฯ เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปที่มีขนาดอนุภาคแตกต่างกัน
6. กระบวนการเสริมที่สำคัญ
เศษไม้: ช่วยเพิ่มการซึมผ่านของวัสดุที่ใส่ในเตา ทำให้ระบายก๊าซ CO ได้ง่ายขึ้น
การใช้เกลือ: เกลือจะทำปฏิกิริยากับสิ่งเจือปน เช่น อะลูมิเนียมและเหล็กในวัตถุดิบ ก่อให้เกิดคลอไรด์ซึ่งระเหยได้ จึงช่วยทำให้วัตถุดิบบริสุทธิ์ขึ้น
การบำบัดก๊าซเสีย: กระบวนการถลุงโลหะก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ในปริมาณมาก ซึ่งจำเป็นต้องมีการรวบรวม นำไปใช้ประโยชน์ หรือเผาทำลายเพื่อป้องกันมลพิษ
ลักษณะเฉพาะของกระบวนการและความท้าทาย:
การใช้พลังงานสูง: การผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์ 1 ตัน ใช้พลังงานไฟฟ้าประมาณ 8,000-10,000 กิโลวัตต์ชั่วโมง
การควบคุมอุณหภูมิที่สำคัญ: อุณหภูมิที่ไม่เพียงพอจะทำให้ปฏิกิริยาไม่สมบูรณ์ ในขณะที่อุณหภูมิที่สูงเกินไปจะทำให้ SiC สลายตัว
ข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม: ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และฝุ่นละอองต้องได้รับการบำบัด กระบวนการที่ทันสมัยมักรวมถึงระบบการนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่
แนวทางการปรับปรุงที่ทันสมัย:
ประเภทเตาหลอมขนาดใหญ่: เพิ่มกำลังการผลิตต่อเตาหลอม (สูงสุดหลายพันตัน)
การควบคุมอัตโนมัติ: ปรับเส้นโค้งการเปิดเครื่องให้เหมาะสมเพื่อลดการใช้พลังงาน
การถลุงโลหะสีเขียว: การนำก๊าซเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า และการรีไซเคิลของเสีย