碳化矽（SiC）又名金剛砂，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產綠色碳化矽時需要加食鹽）等原料通過(guo)電阻爐高溫冶煉而成。碳化矽在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。 碳化矽又稱碳矽石。在當代C、N、B等非氧化物高技術耐火原料中，碳化矽為應用最廣泛、最經濟(ji)的一種，可以稱為金鋼砂或耐火砂。 目前中國工業生產的碳化矽分為黑色碳化矽和綠色碳化矽兩(liang)種，均(jun)為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm²。

發展曆史

碳化矽是由(you)美(mei)國人艾奇遜在1891年電熔(rong)金剛石實驗時，在實驗室(shi)偶(ou)然發現的一種碳化物，當時誤(wu)認(ren)為是金剛石的混合體，故取(qu)名金剛砂，1893年艾奇遜研究(jiu)出來了工業冶煉碳化矽的方法，也就(jiu)是大家常說(shuo)的艾奇遜爐，一直沿(yan)用至今，以碳質材料為爐芯體的電阻爐，通電加熱石英SiO₂和碳的混合物生成碳化矽。

關於碳化矽的幾個(ge)事(shi)件：

1905年 第一次在隕石中發現碳化矽。

1907年 第一隻(zhi)碳化矽晶體發光二極(ji)管誕(dan)生。

1955年 理論和技術上重大突破，LELY提出生長高品質碳化概念(nian)，從此將SiC作為重要的電子材料。

1958年 在波士頓(dun)召(zhao)開第一次世界碳化矽會議(yi)進行學術交流。

1978年 六、七十年代碳化矽主要由(you)前蘇聯進行研究(jiu)。到1978年首次采用“LELY改進技術”的晶粒提純生長方法。

1987年～至今以CREE的研究(jiu)成果建立碳化矽生產線(xian)，供(gong)應商開始提供(gong)商品化的碳化矽基。

物質品種

碳化矽有黑碳化矽和綠碳化矽兩(liang)個(ge)常用的基本品種，都屬α-SiC。①黑碳化矽含SiC約95%，其韌(ren)性高於綠碳化矽，大多用於加工抗張強度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等。②綠碳化矽含SiC約97%以上，自銳性好，大多用於加工硬質合金、鈦合金和光學玻璃，也用於珩磨汽缸(gang)套(tao)和精磨高速鋼刀具。此外還(huai)有立方碳化矽，它是以特殊工藝製取(qu)的黃綠色晶體，用以製作的磨具適於軸(zhou)承的超精加工，可使表(biao)麵粗糙(cao)度從Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。

理化性質

物質特性

碳化矽由(you)於化學性能穩定、導熱係數高、熱膨脹(zhang)係數小、耐磨性能好，除作磨料用外，還(huai)有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化矽粉末塗布於水輪機葉輪或汽缸(gang)體的內壁，可提高其耐磨性而延(yan)長使用壽命1～2倍；用以製成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強度高，節能效果好。低品級碳化矽（含SiC約85%）是極(ji)好的脫氧劑(ji)，用它可加快煉鋼速度，並便於控製化學成分，提高鋼的質量。此外，碳化矽還(huai)大量用於製作電熱元件矽碳棒(bang)。

碳化矽的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次於世界上最硬的金剛石（10級），具有優(you)良(liang)的導熱性能，是一種半導體，高溫時能抗氧化。

碳化矽至少有70種結晶型態。α-碳化矽為最常見的一種同質異(yi)晶物，在高於2000 °C高溫下形成，具有六角晶係結晶構造（似纖維鋅礦）。β-碳化矽，立方晶係結構，與鑽石相似，則在低於2000 °C生成，結構如頁麵附圖所示。雖(sui)然在異(yi)相觸媒擔體的應用上，因其具有比α型態更高之(zhi)單(dan)位表(biao)麵積而引人注目，而另一種碳化矽，μ-碳化矽最為穩定，且碰撞時有較(jiao)為悅耳的聲音，但直至今日，這兩(liang)種型態尚未有商業上之(zhi)應用。

因其3.2g/cm³的比重及較(jiao)高的升華溫度（約2700 °C），碳化矽很適合做為軸(zhou)承或高溫爐之(zhi)原料物件。在任何已能達到的壓(ya)力下，它都不會熔(rong)化，且具有相當低的化學活性。由(you)於其高熱導性、高崩潰電場強度及高******電流密度，在半導體高功率(lv)元件的應用上，不少人試(shi)著用它來取(qu)代矽。此外，它與微波輻(fu)射有很強的耦合作用，並其所有之(zhi)高升華點，使其可實際(ji)應用於加熱金屬。

純碳化矽為無色，而工業生產之(zhi)棕(zong)至黑色係由(you)於含鐵之(zhi)不純物。晶體上彩虹(hong)般(ban)的光澤(ze)則是因為其表(biao)麵產生之(zhi)二氧化矽保(bao)護層所致。

物質結構

純碳化矽是無色透明(ming)的晶體。工業碳化矽因所含雜(za)質的種類和含量不同，而呈淺黃、綠、藍乃至黑色，透明(ming)度隨(sui)其純度不同而異(yi)。碳化矽晶體結構分為六方或菱麵體的 α-SiC和立方體的β-SiC（稱立方碳化矽)。α-SiC由(you)於其晶體結構中碳和矽原子的堆(dui)垛序列不同而構成許多不同變(bian)體，已發現70餘種。β-SiC於2100℃以上時轉變(bian)為α-SiC。碳化矽的工業製法是用優(you)質石英砂和石油焦在電阻爐內煉製。煉得的碳化矽塊，經破碎、酸堿洗、磁選和篩分或水選而製成各種粒度的產品。

製作工藝

由(you)於天然含量甚少，碳化矽主要多為人造。常見的方法是將石英砂與焦炭混合，利(li)用其中的二氧化矽和石油焦，加入食鹽和木屑，置入電爐中，加熱到2000°C左右高溫，經過(guo)各種化學工藝流程後得到碳化矽微粉。

碳化矽（SiC）因其很大的硬度而成為一種重要的磨料，但其應用範(fan)圍(wei)卻超過(guo)一般(ban)的磨料。例如，它所具有的耐高溫性、導熱性而成為隧道窯或梭式窯的******窯具材料之(zhi)一，它所具有的導電性使其成為一種重要的電加熱元件等。製備SiC製品首先要製備SiC冶煉塊（或稱：SiC顆粒料），因含有C且超硬，因此SiC顆粒料曾被稱為：金剛砂。但要注意：它與天然金剛砂（也稱：石榴子石）的成分不同。在工業生產中，SiC冶煉塊通常以石英、石油焦等為原料，輔助回收料、乏料，經過(guo)粉磨等工序調(diao)配成為配比合理與粒度合適的爐料(為了調(diao)節爐料的透氣性需要加入適量的木屑，製備綠碳化矽時還(huai)要添(tian)加適量食鹽)經高溫製備而成。高溫製備SiC冶煉塊的熱工設備是專用的碳化矽電爐，其結構由(you)爐底、內麵鑲(xiang)有電極(ji)的端牆、可卸式側牆、爐心體（全稱為：電爐中心的通電發熱體，一般(ban)用石墨粉或石油焦炭按一定的形狀與尺(chi)寸安裝在爐料中心，一般(ban)為圓形或矩形。其兩(liang)端與電極(ji)相連）等組成。該電爐所用的燒成方法俗稱：埋粉燒成。它一通電即為加熱開始，爐心體溫度約2500℃，甚至更高(2600～2700℃)，爐料達到1450℃時開始合成SiC（但SiC主要是在≥1800℃時形成），且放出CO。然而，≥2600℃時SiC會分解，但分解出的si又會與爐料中的C生成SiC。每(mei)組電爐配備一組變(bian)壓(ya)器，但生產時隻(zhi)對單(dan)一電爐供(gong)電，以便根(gen)據電負荷特性調(diao)節電壓(ya)來基本上保(bao)持恒(heng)功率(lv)，大功率(lv)電爐要加熱約24 h，停電後生成SiC的反應基本結束，再經過(guo)一段時間的冷卻就(jiu)可以拆除側牆，然後逐步取(qu)出爐料。

高溫煆(duan)燒後的爐料從外到內分別(bie)是：未反應料（在爐中起(qi)保(bao)溫作用）、氧碳化矽羼（半反應料，主要成分是C與SiO）、粘結物層（是粘結很緊的物料層，主要成分是C、SiO₂、40%～60%SiC以及Fe、Al、Ca、Mg的碳酸鹽）、無定形物層（主要成分是70%～90%SiC，而且是立方SiC即β-sic，其餘是C、SiO₂及Fe、Al、Ca、Mg的碳酸鹽）、二級品SiC層（主要成分是90%～95%SiC，該層已生成六方SiC即口一SiC，但結晶體較(jiao)小、很脆弱，不能作為磨料）、一級品SiC層（SiC含量<96%，而且是六方SiC即口一SiC的粗大結晶體）、爐芯體石墨。在上述各層料中，通常將未反應料和一部分氧碳化矽層料作為乏料收集，將氧碳化矽層的另一部分料與無定形物、二級品、部分粘結物一起(qi)收集為回爐料，而一些粘結很緊、塊度大、雜(za)質多的粘結物則拋(pao)棄之(zhi)。而一級品則經過(guo)分級、粗碎、細碎、化學處理、幹燥與篩分、磁選後就(jiu)成為各種粒度的黑色或綠色的SiC顆粒。要製成碳化矽微粉還(huai)要經過(guo)水選過(guo)程；要做成碳化矽製品還(huai)要經過(guo)成型與結燒的過(guo)程。

產能

中國有碳化矽冶煉企業200多家，年生產能力220多萬噸（其中：綠碳化矽塊120多萬噸，黑碳化矽塊約100萬噸）。冶煉變(bian)壓(ya)器功率(lv)大多為6300~12500kVA，******冶煉變(bian)壓(ya)器為32000kVA。加工製砂、微粉生產企業300多家，年生產能力200多萬噸。2012年，中國碳化矽產能利(li)用率(lv)不足45%。約三分之(zhi)一的冶煉企業有加工製砂微粉生產線(xian)。碳化矽加工製砂微粉生產企業主要分布在河(he)南、山東、江蘇、吉林、黑龍江等省。

中國碳化矽冶煉生產工藝、技術裝備和單(dan)噸能耗達到************水平。黑、綠碳化矽原塊的質量水平也屬世界級。中國碳化矽與世界先進水平的差距主要集中在四個(ge)方麵：一是在生產過(guo)程中很少使用大型機械設備，很多工序依靠人力完(wan)成，人均(jun)碳化矽產量較(jiao)低；二是在碳化矽深加工產品上，對粒度砂和微粉產品的質量管理不夠精細，產品質量的穩定性不夠；三是某些尖端產品的性能指標與發達國家同類產品相比有一定差距；四是冶煉過(guo)程中一氧化碳直接(jie)排放。國外主要企業基本實現了封閉冶煉，而中國碳化矽冶煉幾乎全部是開放式冶煉，一氧化碳全部直排。2012年，中國企業開發出了封閉冶煉技術，實現了一氧化碳全部回收，但是距離全行業普及還(huai)有很長的路要走(zou)。

應用領域

碳化矽的用途十分廣泛，如：冶金、機械、化工、建材、輕工、電子、發熱體。磨料可作為冶金工業的淨化劑(ji)、脫氧劑(ji)和改良(liang)劑(ji)。在機械加工方麵可作為合成硬質合金刀具；加工後的矽碳板可作為耐火材料用於陶瓷燒製的棚板。通過(guo)精加工後生產的微粉，可用於高科技電子元器件和遠紅外線(xian)輻(fu)射材料的塗料。高純度精微粉可供(gong)國防工業航空航天器皿的塗層。對國際(ji)國內各經濟(ji)領域的用途十分廣闊。 

用途分類

1、磨料：主要因為碳化矽具有很高硬度，化學穩定性和一定韌(ren)性，所以碳化矽能用於製造固結磨具、塗附磨具和自由(you)研磨，從而來加工玻璃、陶瓷、石材、鑄鐵及某些非鐵金屬、硬質合金、鈦合金、高速鋼刀具和砂輪等。

2、耐火材料和耐腐(fu)蝕材料：主要因為碳化矽具有高熔(rong)點（分解溫度）、化學惰性和抗熱振性，所以碳化矽能用於磨具、陶瓷製品燒成窯爐中用棚板和匣(xia)缽、煉鋅工業豎缸(gang)蒸(zheng)餾(liu)爐用碳化矽磚、鋁電解槽襯、坩鍋、小件爐材等多種碳化矽陶瓷製品。

3、化工用途：因為碳化矽可在溶(rong)融鋼水中分解並和鋼水中遊離氧、金屬氧化物反應生成一氧化碳和含矽爐渣。所以它可作為冶煉鋼鐵淨化劑(ji)，即用作煉鋼脫氧劑(ji)和鑄鐵組織改良(liang)劑(ji)。這一般(ban)使用低純度碳化矽，以降低成本。同時還(huai)可以作為製造四氯(lv)化矽原料。

4、電工用途：用作加熱元件、非線(xian)性電阻元件和高溫半導體材料。加熱元件如矽碳棒(bang)（適用於1100～1500℃工作各種電爐），非線(xian)性電阻元件，各式避雷(lei)閥片。高科技電子元器件和遠紅外線(xian)輻(fu)射材料的塗料等。

行業分類

火電行業應用

•    輸煤係統：鬥輪機筒體、皮帶頭料鬥 、落煤鬥 、原煤鬥、 給煤機（抗衝擊陶瓷）

•    製粉係統：磨煤機出口管道彎頭至直管2米處（抗衝擊陶瓷）、磨煤機出口管道直管2米以上、木塊（木屑）分離器、粗粉分離器進口管及錐體、粗粉分離器粉管及彎頭、細粉分離器粉管及錐體、 排粉機窩殼、一次風管彎頭、燃煤器錐體、煙道尾部、中速磨、磨煤機桶體、分離擋板、內錐鬥、出口管道、一次風管及彎頭、風扇磨、煤粉管道及彎頭

•    除塵係統：除塵管道及彎頭

•    排灰係統：除灰管道 、除渣分場、幹灰風選機內殼

•    脫硫係統：石膏(gao)漿(jiang)液(ye)管道、石灰石漿(jiang)液(ye)管道、閥門、旋流器

•    循環(huan)流化床(chuang)爐：石灰石管路、除灰管路、旋風分離器內襯

鋼鐵行業應用

•    原料輸料係統：皮帶頭部料鬥、皮帶頭部料倉、台車三通鬥、授料鬥 

•    配料係統：混合料倉、一次混合圓筒、二次混合圓筒、混合圓盤、造球盤 

•    燒結料輸送(song)係統：振動篩下選礦料鬥、遠距離選礦料鬥、料倉、 

•    除塵、排灰係統：除塵管道、彎頭、三通、落灰管、機尾除塵管 

•    焦化係統：焦炭料鬥

•    煉鐵噴(pen)煤係統：錐鬥、分離擋板、出口管、 煤粉管道、燃燒器錐體、鋼球磨、出口管、粗粉分離器、 細粉分離器、煤粉管道、彎頭、排粉機內殼 

煤炭行業應用

•    輸煤係統：料鬥、料倉、介質輸送(song)管路、洗選設備給料管路、洗選設備排料管路、無壓(ya)自流管路、洗煤廠各類輸送(song)管道、重介質旋流器

水泥行業應用 

•    輸料係統：皮帶頭部料鬥、料倉、皮帶機裙板、台車三通鬥、授料鬥、

•    配料係統：混合料倉、一次混合圓筒、二次混合圓筒、混合圓盤、造球盤

•    燒結料輸送(song)係統：振動篩下選礦料鬥、原料運輸溜槽、旋風除塵器及其管路、耐磨風機葉輪

•    除塵、排灰係統：除塵管道、彎頭、三通、落灰管、機尾除塵管

•    焦化係統：焦炭料鬥、漏鬥、焦炭轉運溜槽、耐磨抗衝擊焦炭接(jie)收漏鬥、煤轉運溜槽、皮帶運輸機裙板、格皮篩

•    煉鐵噴(pen)煤係統：中速磨、錐料鬥、分離器擋板、出口管、煤粉管道、燃燒器錐體、鋼球磨、出口管、粗粉分離器、細粉分離器、煤粉管道、彎頭、排粉機內殼、葉輪

化工行業應用

•    輸料係統：料鬥、料倉

•    除塵係統：除塵管道

港(gang)口行業應用:輸料係統、泊位固定漏鬥、鬥輪機固定漏鬥、皮帶機轉運站(zhan)固定漏鬥、卸船機料鬥　

礦山行業應用

•    輸料係統：料鬥、料倉、精礦管路、尾礦管路、回填礦物、

•    粉磨係統：輸料槽和料鬥內襯、出口管道

•    選礦係統：振動溜槽、旋流器

機械行業應用：電廠設備、輸煤設備、製粉設備、除塵設備、排灰設備、鋼廠設備、輸料設備、除塵設備、阻力平衡器、礦山設備、 料鬥、料倉、各類磨損大設備

冶煉行業應用

•    輸料係統：頭部溜子、中間倉、尾部倉、振動篩料槽、焦炭鬥、計量鬥

•    配料係統：配料鬥、一次（二次）混合機

•    焙燒係統：單(dan)倉泵焙砂管、配料鬥、灰鬥、中間倉料鬥 

•    除塵係統：除塵管道及彎頭