碳化硅的合成及其耐火材料制备的性能及用途
碳化硅是人工合成的材料，其化学计量成分以克分子计：Si 50%、C 50%，以质量计：Si 70.04%、C 29.96%，相对分子质量为40.09。
Si-C二元系统相图，碳化硅无一致熔融点。在封闭系统中、在总压为101kPa的条件下，碳化硅在2735℃分解成石墨和富硅熔体。此温度也是形成碳化硅结晶的最高温度。在开放系统中，碳化硅约在2300℃左右开始分解、形成气态硅和残余石墨，如图9-1所示。
碳化硅有两种晶形：β-碳化硅类似闪锌矿结构的等轴晶系；α-碳化硅则为晶体排列致密的六方晶系。β-碳化硅约在2100℃转变为碳化硅。
（一）用二氧化硅和碳（煤）合成碳化硅
工业上合成碳化硅多以石英砂、石油焦（无烟煤）为主要原料，在电炉内温度在2000~2500℃下，通过下列反应式合成：
Si02+3C→SiC+2CO-46.8kJ(11.20kcal)
1.原料性能及要求
各种原料的性能见表9-2。
回炉料的要求：包括无定形料、二级料，应满足下列要求：SiC>80%,Si02+Si<10%,固定碳<5%,杂质<4.3%。
焙烧料的要求：未反应的物料层必须配入一定的焦炭、木屑、食盐后做焙烧料。加人量(以100t计）焦炭0~50kg，木屑30~50L,食盐3%~4%。
保温料的要求：新开炉需要配保温料。焦炭与石英之比为0.6。如用乏料代替应符合如下要求：SiC<25%，Si02+Si>35%，C20%，其他<3.5%。
2.合成电炉
炉子长度为7~17m,宽度为1.8~4m，高度1.7~3m。长方形电极块固定在两个端墙上,并要伸入到炉子内部。为了防止电极的氧化，在电极块上涂上涂料。
炉芯是由焦炭块构成，粒度为50~100mm，是用以通电的。炉子功率一般为750~2500kW，每1kgSiC电耗为7~9kW.h，生产周期升温时间为26~36h,冷却24h。
3.合成工艺
(1)配料计算：
式中，C为碳含量，Si02为二氧化硅含量，M=37.5。碳的加入量允许过量5%。炉内配料的重量比见表9-3。
一般合成碳化硅的配料见表9-4。
加入食盐的目的是为了排除原料的铁、铝等杂质，加人木屑是便于排除生成的一氧化碳。
(2)生产操作：
采用混料机混料，控制水分为2%~3%,混合后料容重为1.4~1.6g/cm3。装料顺序是在炉底先铺上一层未反应料，然后添加新配料到一定高度（约炉芯到炉底的二分之一），在其上面铺一层非晶形料，然后继续加配料至炉芯水平。
炉芯放在配料制成的底盘上，中间略凸起以适应在炉役过程中出现的塌陷。炉芯上部铺放混好的配料，同时也放非晶质料或生产未反应料，炉子装好后形成中间高、两边低（与炉墙平）。
炉子装好后即可通电合成，以电流电压强度来控制反应过程。当炉温升到1500℃时，开始生成β-SiC,从2100℃开始转化成α-SiC，2400℃全部转化成α-SiC。合成时间为26~36h,冷却24h后可以浇水冷却，出炉后分层、分级拣选。破碎后用硫酸酸洗，除掉合成料中的铁、铝、钙、镁等杂质。
工业用碳化硅的合成工艺流程，如图9-2所示。
（二）用金属硅合成碳化硅
反应式：Si+C=SiC
采用高纯度金属硅粉和高纯度碳粉（石墨粉）、在真空或保护气氛下加热合成。在1150~1250℃元素硅（Si)与碳（C)反应生成β-SiC，具有非晶态结构，到1350℃开始有β-SiC结晶。在2000℃生成β-SiC结晶。高于2000℃可生成α-SiC。
用这种方法生产的碳化硅，虽然成本高，但可生产出高纯度的碳化硅材料。
（三）用气体法合成碳化硅
用四氯化硅（SiCl4)和碳氢化物（甲苯）反应，在1200~1800℃是生成SiC的最合适的温度。用化学计量比Si:C=1:1的硅有机化合物，甲基三氯硅烷热解可制取SiC。在1400~1900℃生成无色的SiC单晶体。
用这种方法可以生产出高纯的半导体、单晶体SiC,可在难熔金属或其他化合物及石墨制品上制取致密的保护层。还可制取SiC高强度晶须及纤维。
（四）合成碳化硅的理化性能
(1)合成碳化硅的国家标准（GB/T2480—1981)见表9-5。
(2)密度：以46号粒度为代表号绿碳化硅不小于3.18g/cm3;黑碳化硅不小于3.12g/cm3；
(3)粒度组成：应符合GB/T2477-1981《磨料粒度及其组成》的规定；
(4)铁合金粒允许含量为零；
(5)磁性物允许含量：不大于0.2%。
（一）各种碳化硅制品的化学成分
各种碳化硅制品的化学成分见表9-68。
（二）各种碳化硅制品的显气孔率及体积密度
各种碳化硅制品的显气孔率及体积密度见表9-69。
（三）各种碳化硅制品的耐压强度
各种碳化硅制品的耐压强度见表9-70。
（四）各种破化硅制品的平均线膨胀系数
各种碳化硅制品的平均线膨胀系数见表9-71。
（五）各种碳化硅制品的热导率
各种碳化硅制品的平均温度的热导率见表9-72。
（六）各种碳化硅制品的使用性能
各种碳化硅制品的使用性能见表9-73。
（一）在冶金工业上的应用
(1)炼铁。在炼铁高炉的炉缸、炉腹、炉腰及风口区使用碳化硅砖、氮化硅结合碳化硅砖或石墨碳化硅砖。在高炉风口上使用氮化硅结合的碳化硅套砖。在鱼雷罐和混铁炉的炉衬上，以及铁沟料、出铁口用的炮泥中使用含碳化硅的Al2O3-SiC-C复合砖和不定形材料。
(2)炼钢。在炼钢方面，用碳化硅制成钢水测温套管，用含碳化硅的不烧砖做盛钢桶内衬,在连铸用长水口砖和整体塞棒上使用含碳化硅质的Al2O3-SiC-C砖。
(3)轧钢。在轧钢加热炉上用刚玉碳化硅滑轨砖、非金属陶瓷换热器，在铁鱗还原炉上用碳化硅质马弗罩等。
（二）在有色金属工业中的应用
(1)炼铜。在炼铜方面，在电解铜熔化竖炉的烧嘴区等易损部位使用碳化硅砖。
(2)炼铝。在炼铝方面，炼铝反射炉内衬、炉底、液面下侧墙用碳化硅砖或氮化硅、赛隆结合的碳化硅砖。炼铝的电解槽、流铝槽、出铝口、铸铝模都使用碳化硅砖。
(3)炼锌。在炼锌方面，炼锌竖罐蒸馏炉、冷凝器及转子等热工设备使用碳化硅炉衬。电热蒸馏炉、电极孔、锌蒸气循环管及通道，冷凝器及转子等部位也使用碳化硅砖。锌精馏炉的塔盘也使用碳化硅制品。
(4)炼镁炉。炼镁炉的炉衬、有色金属冶炼用的坩埚，使用碳化硅质耐火材料。
（三）在建材工业上的应用
(1)在陶瓷方面，用于生产日用陶瓷、建筑陶瓷、美术陶瓷、电子陶瓷等的隧道窑、梭式窑、罩式窑、倒焰窑等各种窑炉的碳化硅棚板、水平支柱、匣钵等。在隔焰窑上用碳化硅板做隔焰板、炉底等。在电炉上可做电炉衬套和马弗套。
(2)在水泥回转窑上，耐磨碳化硅砖用做卸料口炉衬砖。
(3)在玻璃工业上，用碳化硅砖砌筑罐式窑和槽式窑蓄热室的高温部位，玻璃退火炉和高压锅炉，以及垃圾焚烧炉燃烧室的内衬。
（四）在石油化工方面的应用
以硫酸分解食盐制造HCl和Na2S04时用碳化硅材料制造马弗套、制造硫酸用碳化硅雾化喷嘴、溢流槽。用氮化硅结合碳化硅材料制造即送泵零件、在催裂化装置用碳化硅做高温蒸气喷嘴，在纸浆生产中做分离亚硫酸盐蒸压釜内衬。用碳化硅制品做石油化工和热电厂各种锅炉的旋风除尘器的内衬。
（五）在机械工业上的应用
(1)做磨料、磨具。
(2)在气体渗碳炉上做加热辐射管。
(3)用碳化硅制造各种高温炉管、热电偶管、远红外反射板。
(4)利用碳化硅材料的良好导电性能，可以制成非金属电热元件。