碳化硅換熱器工作原理

碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料通過(guò)電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見(jiàn)的礦物，莫桑石。

碳化硅又稱(chēng)碳硅石。在當(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅為應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的一種。可以稱(chēng)為金鋼砂或耐火砂。

碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽)等原料在電阻爐內(nèi)經(jīng)高溫冶煉而成。我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。

包括黑碳化硅和綠碳化硅，其中：綠碳化硅是以石油焦和優(yōu)質(zhì)硅石為主要原料,添加食鹽作為添加劑，通過(guò)電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間,機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉。 常用的碳化硅磨料有兩種不同的晶體，一種是綠碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于磨硬質(zhì)含金工具。另一種是黑碳化硅，有金屬光澤，含SiC 95%以上，強(qiáng)度比綠碳化硅大，但硬度較低，主要用于磨鑄鐵和非金屬材料。

分子式為SiC，其硬度介于剛玉和金剛石之間，機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉，可作為磨料和其他某些工業(yè)材料使用。工業(yè)用碳化硅于1891年研制成功，是最早的人造磨料。在隕石和地殼中雖有少量碳化硅存在，但迄今尚未找到可供開(kāi)采的礦源。

純碳化硅是無(wú)色透明的晶體。工業(yè)碳化硅因所含雜質(zhì)的種類(lèi)和含量不同，而呈淺黃、綠、藍(lán)乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結(jié)構(gòu)分為六方或菱面體的 α-SiC和立方體的β-SiC(稱(chēng)立方碳化硅)。α-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)中碳和硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成許多不同變體，已發(fā)現(xiàn)70余種。β-SiC于2100℃以上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiC。

碳化硅的工業(yè)制法是用優(yōu)質(zhì)石英砂和石油焦在電阻爐內(nèi)煉制。煉得的碳化硅塊，經(jīng)破碎、酸堿洗、磁選和篩分或水選而制成各種粒度的產(chǎn)品。

碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個(gè)常用的基本品種，都屬α-SiC。①黑碳化硅含SiC約98.5%，其韌性高于綠碳化硅，大多用于加工抗張強(qiáng)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綠碳化硅含SiC99%以上，自銳性好，大多用于加工硬質(zhì)合金、鈦合金和光學(xué)玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速鋼刀具。此外還有立方碳化硅，它是以特殊工藝制取的黃綠色晶體，用以制作的磨具適于軸承的超精加工，可使表面粗糙度從Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。

(1)黏土結(jié)合碳化硅磚

黏土結(jié)合碳化硅磚是以碳化硅為主要原料，以黏土為結(jié)合劑燒成的耐火制品。其特征是熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性和耐磨性好，是碳化硅系磚中最早開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種。

黏土結(jié)合碳化硅磚用黑色碳化硅為原料，其化學(xué)成分：SiC 98.0%，游離C 0.5%，F(xiàn)e 0.2%，游離SiO₂ 0.6%，用結(jié)合性能良好的軟質(zhì)黏土、紙漿廢液作結(jié)合劑。以往用的結(jié)合黏土比例較大，一般為10%～15%，現(xiàn)多用3%的黏土和5%的紙漿廢液。黏土加入量少的碳化硅磚熱導(dǎo)率比多黏土結(jié)合的碳化硅磚要高3～4倍，荷重軟化溫度和抗渣性也較高。結(jié)合黏土為3%的黏土結(jié)合碳化硅磚的制造工藝是，將粗、中、細(xì)SiC按可以獲得最大堆積密度的顆粒級(jí)配進(jìn)行配制。先干混均勻后再加入黏土，干混3min后加入紙漿廢液(密度1.26～1.289/cm³)4%，進(jìn)行混練。泥料水分約1.5%，困料12h后，泥料過(guò)4mm篩網(wǎng)，用壓磚機(jī)成型。磚坯體積密度2.5～2.79/cm³。在自然干燥條件下干燥2～4天，在隧道窯內(nèi)燒成，燒成溫度1400℃。

該制品用做陶瓷窯窯具(棚板、支架、匣缽等)，馬弗爐用馬弗罩，鋁精煉爐用爐襯磚，鋅蒸餾爐用蒸餾罐、水泥回轉(zhuǎn)窯冷卻器等。

(2)氮化硅結(jié)合碳化硅磚

氮化硅結(jié)合碳化硅磚是用SiC和Si粉為原料，經(jīng)氮化燒成的耐火制品。其特點(diǎn)是以Si₃N₄為結(jié)合相。Si₃N₄以針狀或纖維狀結(jié)晶存在于SiC晶粒之間，是一種重要的新型耐火材料。

利用反應(yīng)燒結(jié)原理，以氮化反應(yīng)使含硅粉的SiC坯體燒結(jié)，燒成過(guò)程在通入氮?dú)?、容易控制的密閉爐內(nèi)完成。爐內(nèi)溫度、壓力、氣氛均要嚴(yán)格控制。主要工藝參數(shù)：氮化氣體壓力0.02～0.04MPa，爐內(nèi)氣氛含O₂量小于0.01%，最終氮化溫度1350～1450℃，氮化總時(shí)間隨制品形狀、尺寸不同而異。

氮化硅結(jié)合碳化硅磚具有良好的耐堿侵蝕性、抗熔融冰晶石潤(rùn)濕性、抗氧化性、耐磨性、高導(dǎo)熱性、抗熱震性和極低的電導(dǎo)率。

氮化硅結(jié)合碳化硅磚主要用做高爐下部爐身內(nèi)襯，比使用傳統(tǒng)耐火材料壽命提高1倍以上，此外，可用做鋁還原電解槽內(nèi)襯、陶瓷窯具，有節(jié)能、提高壽命、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，還可用做高爐風(fēng)口水冷管套磚。

(3)重結(jié)晶碳化硅制品

重結(jié)晶(再結(jié)晶)碳化硅制品是以碳化硅為原料制成的碳化硅與碳化硅直接結(jié)合的耐火制品。其特點(diǎn)是無(wú)第二相存在，由100%α-SiC構(gòu)成。制造重結(jié)晶碳化硅所用原料的化學(xué)組成如下：SiC 99.5%，游離C 0.2%，F(xiàn)e 0.08%，游離SiO₂ 0.08%。

重結(jié)晶碳化硅制品主要用做窯具，有節(jié)能、增加窯的有效容積、縮短燒成周期、提高窯的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，還可用做燒嘴噴嘴頭、陶瓷輻射加熱管、元件保護(hù)管(特別是用于氣氛爐)等。