2017-09-25
碳化硅(又名:碳硅石、金鋼砂或耐火砂),化學簡式:SiC,是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成的一種耐火材料。碳化硅在大自然也存在于罕見的礦物,莫桑石中。在當代C、N、B等非氧化物高技術耐火原料中,碳化硅為應用廣泛、經濟的一種。 我國工業(yè)生產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。結構簡介英文名稱:silicon carbide,俗稱金剛砂。純碳化硅是無色透明的晶體。工業(yè)碳化硅因所含雜質的種類和含量不同,而呈淺黃、綠、藍黑色,透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結構分為六方或菱面體的 α-SiC和立方體的β-SiC(稱立方碳化硅)。α-SiC由于其晶體結構中碳和硅原子的堆垛序列不同而構成許多不同變體,已發(fā)現70余種。β-SiC于2100℃以上時轉變?yōu)棣?SiC。碳化硅的工業(yè)制法是用優(yōu)質石英砂和石油焦在電阻爐內煉制。煉得的碳化硅塊,經破碎、酸堿洗、磁選和篩分或水選而制成各種粒度的產品。物品種類碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個常用的基該品種,都屬α-SiC。①黑碳化硅含SiC約95%,其韌性高于綠碳化硅,大多用于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綠碳化硅含SiC約97%以上,自銳性好,大多用于加工硬質合金、鈦合金和光學玻璃,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。化學特性碳化硅由于化學性能穩(wěn)定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能好,除作磨料用外,還有很多其他用途,例如:以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機葉輪或汽缸體的內壁,可提高其耐磨性而延長使用壽命1~2倍;用以制成的耐火材料,耐熱震、體積小、重量輕而強度高,節(jié)能效果好。低品級碳化硅(含SiC約85%)是極好的脫氧劑,用它可加快煉鋼速度,并便于控制化學成分,提高鋼的質量。此外,碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級,僅次于世界上硬的金剛石(10級),具有優(yōu)良的導熱性能,是一種半導體,高溫時能抗氧化。碳化硅分類及性質:中文名稱:碳化硅中文別名:碳化硅晶須英文名稱:Silicon Carbide (Black)英文別名:Silicon Carbide Black; silanyliumylidynemethanide; methylsilane; carbon(+4) cation; silicon(-4) anionCAS:409-21-2EINECS:206-991-8分子式:SiC分子量:40.0962碳化硅有70種結晶型態(tài)。α-碳化硅為常見的一種同質異晶物,在高于2000 °C高溫下形成,具有六角晶系結晶構造(似纖維鋅礦)。β-碳化硅,立方晶系結構,與鉆石相似,則在低于2000 °C生成,結構如頁面附圖所示。雖然在異相觸媒擔體的應用上,因其具有比α型態(tài)更高之單位表面積而引人注目,但直到今日,此型態(tài)尚未有商業(yè)上之應用。因其3.2的比重及高的升華溫度(約2700 °C),碳化硅很適合做為軸承或高溫爐之原料物件。在任何已能達到的壓力下,它都不會熔化,且具有相當低的化學活性。由于其高熱導性、高崩潰電場強度及高大電流密度,在半導體高功率元件的應用上,不少人試著用它來取代硅。此外,它與微波輻射有很強的偶合作用,并其所有之高升華點,使其可實際應用于加熱金屬。純碳化硅為無色,而工業(yè)生產之棕到黑色系由于含鐵之不純物。晶體上彩虹般的光澤則是因為其表面產生之二氧化硅保護層所致。歷史沿革碳化硅是由美國人艾奇遜在1891年電熔金剛石實驗時,在實驗室偶然發(fā)現的一種碳化物,當時誤認為是金剛石的混合體,故取名金剛砂,1893年艾奇遜研究出來了工業(yè)冶煉碳化硅的方法,也就是大家常說的艾奇遜爐,一直沿用到今,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硅。關于碳化硅的幾個事件1905年 在隕石中發(fā)現碳化硅1907年 碳化硅晶體發(fā)光二極管誕生1955年 理論和技術上重大突破,LELY提出生長高品質碳化概念,從此將SiC作為重要的電子材料1958年 在波士頓召開世界碳化硅會議進行學術交流1978年 六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯(lián)進行研究。到1978年采用“LELY改進技術”的晶粒提純生長方法1987年~到今以CREE的研究成果建立碳化硅生產線,供應商開始提供商品化的碳化硅基產能情況我國有碳化硅冶煉企業(yè)200多家,年生產能力220多萬噸(其中:綠碳化硅塊120多萬噸,黑碳化硅塊約100萬噸)。冶煉變壓器功率大多為6300~12500kVA,大冶煉變壓器為32000kVA。加工制砂、微粉生產企業(yè)300多家,年生產能力200多萬噸。2012年,我國碳化硅產能利用率不足45%。約三分之一的冶煉企業(yè)有加工制砂微粉生產線。碳化硅加工制砂微粉生產企業(yè)主要分布在河南、山東、江蘇、吉林、黑龍江等省。我國碳化硅冶煉生產工藝、技術裝備和單噸能耗達到世界水平。黑、綠碳化硅原塊的質量水平也屬世界。我國碳化硅與世界先進水平的差距主要集中在四個方面:一是在生產過程中很少使用大型機械設備,很多工序依靠人力完成,人均碳化硅產量較低;二是在碳化硅深加工產品上,對粒度砂和微粉產品的質量管理不夠精細,產品質量的穩(wěn)定性不夠;三是某些產品的性能指標與發(fā)達國家同類產品相比有一定差距;四是冶煉過程中一氧化碳直接排放。國外主要企業(yè)基本實現了封閉冶煉,而我國碳化硅冶煉幾乎全部是開放式冶煉,一氧化碳全部直排。2012年,我國企業(yè)開發(fā)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(yè)普及還有很長的路要走。根據中國機床工業(yè)協(xié)會磨料磨具專委會碳化硅專家委員會的數據,截到2012年底,全球碳化硅產能達260萬噸以上,產能達到1萬噸以上的國家有13個,占全球總產能的98%。其中中國碳化硅產能達到220萬噸,占全球總產能的84%。市場需求我國碳化硅冶煉企業(yè)主要分布在甘肅、寧夏、青海、新疆、四川等地,約占總產能85%。2012年在中國經濟發(fā)展速度放緩的情況下,生產情況普遍不理想,加之光伏企業(yè)舉步維艱,碳化硅作為耐材、磨料和光伏行業(yè)的基礎原材料,出口和內銷均大幅下滑。綠碳化硅微粉加工企業(yè)更是身陷光伏企業(yè)的債務鏈條,多數冶煉企業(yè)沒有開工,或者短暫開工后即停產。一、生產量2012年全年中國黑碳化硅產能沒有正常釋放,一方面是成交緩慢,庫存消耗慢,占壓資金量大,另一方面是下游 行業(yè)消費商回款時間長,欠款現象嚴重,導致某些企業(yè)資金鏈緊張。目前我國黑碳化硅的主產地為寧夏和甘肅,青海和新疆的原有產能逐漸被淘汰,加上湖北丹江口弘源的冶煉產能,共計76.9萬噸, 2012年總產量約為34萬噸,黑碳化硅冶煉企業(yè)的產能利用率約為44.5%。二、消費及庫存中國綠碳化硅冶煉的主產地是甘肅、青海、新疆和四川。四川主要靠水力發(fā)電站供電,受到枯水期電力短缺的影響,一年的生產時間只在4-10月份,長能堅持6個月的生產,但四川的冶煉爐幾乎沒有正常開工,主要因為市場需求疲軟,庫存難以消耗。2012年前三季度,中國鋼鐵廠開工率較低,只有到10月份以后鋼廠增加了開工率,對原料和耐火材料的消耗才略有增加,消耗了部分庫存。出口總量據海關統(tǒng)計顯示:2012年全年,我國碳化硅出口16.47萬噸,同比下降23.83%,出口2.75億美元,同比下降44.28%,出口平均價格1671.53美元/噸,同比下降26.84%。出口量價大幅度下降。全年領證量合計17.1萬噸,占全年出口量的104%2010-2012年全年碳化硅出口情況:噸;萬美元;美元/噸年度月份2010年2011年2012年出口量223,151,32216,232,18164,695,08出口額43,798,5249,404,6727,529,26單價1,962,732,284,801,671,53各省市出口量從出口的20個省市分析,比2011年增加了一個新疆。出口數量在萬噸以上的省市分別依次為寧夏、河南、江蘇、北京、遼寧和山東,合計出口量11.8萬噸,占出口總量的71.64%,市場份額分別為18.21%、12.99%、12.71%、11.4%、9.72%和6.61%,六個省市出口數量均呈下滑態(tài)勢,其中寧夏同比下滑幅度高,為32.62%;從出口單價看,同比下滑幅度大的是遼寧,達35.3%,寧夏和江蘇的單價同比下滑也高于全國平均數。2012年我國碳化硅主要出口省市統(tǒng)計:噸;萬美元;美元/噸省市累計數量同比%累計金額同比%單價同比%寧夏29993.28-32,623828.38-56,271276.41-35,1河南21389.31-26,044534.83-41,052120.14-20,3江蘇20932.67-7,223149.65-39,41504.66-34,69北京18769.78-23,143740.81-41,431992.99-23,79遼寧16008.88-31,472001.86-55,661250.47-35,3山東10889.34-1,922638.24-19,072422.77-17,49出口市場我國碳化硅出口市場以亞洲和北美洲為主,出口份額分別占到全球出口份額的70.25%和23.76%,共出口到59個國別和地區(qū),比2011年增加了6個。出口數量在千噸以上的國別和地區(qū)依次為日本、美國、韓國、臺灣、泰國、新加坡、印度、土耳其、墨西哥和德國,這10個國家和地區(qū)的合計出口數量為15.26萬噸,占出口總量的92.64%。其中位列前四名的國別和地區(qū)出口數量占比分別為30.55%、23.25%、15.5%和13.63%,四個國別和地區(qū)的出口量之和占出口總量的82.93%。除韓國出口數量同比增長85.5%外,土耳其和德國的數量同比增長引人注目,但主銷國別和地區(qū)數量同比還是有較大程度下滑,其中對日本和美國的出口數量下滑幅度均達約40%。2012年我國碳化硅主要出口市場分布圖:噸;萬美元;美元/噸國別累計數量同比%累計金額同比%單價同比%日本50318.34-39,528935.91-58,811775.88-31,89美國38296.38-39,743557.32-52,47928.89-21,13韓國25533.9185.54453.9640.961744.33-24,01臺灣省22443.79-3,316296.68-31,392805.54-29,04泰國3567.76-16,75482.24-31,661351.65-17,91新加坡3480.79-45,761123.02-54,343226.33-15,83印度3111.3110.74365.41-40,841174.47-46,58土耳其2037.8574.47229.3810.291125.59-36,78墨西哥1963.12-42,28205.77-52,871048.17-18,35德國1831.6125.93193.5140.251056.436.34出口關別從出口 13個關別分析,天津港走貨量高達9.16萬噸,占出口總量的55.64%,青島、大連、南京和上海港分別占15.98%、13.14%、11.49%和3.08%,位列第二到五位,其中大連關出貨量同比下滑幅度高;以上5個關別出口量總和占出口總量的99.33%。2012年我國碳化硅主要出口關別統(tǒng)計:噸;萬美元;美元/噸關別累計數量同比%累計金額同比%單價同比%天津海關91629.67-25,2510200.92-50,891113.28-34,3青島海關26323.52-11,386623.43-28,012516.16-18,77大連海關21644.45-33,256266.52-45,092895.21-17,74南京海關18917.04-16,492747.42-46,561452.35-36,01上海海關5073.23-10,41553.82-31,013062.79-23從各月出口情況分析,出口量上半年逐月提高,下半年跳躍較大,但當月平均單價一降再降,第二季度全面跌破2000美元,三季度末止跌回穩(wěn),但只在9月站上了2000美元,便又在第四季度一路下滑,全年低價格出現在11月,為1345.58美元/噸,比全年2月的高價格下跌了42.1%。從出口的123家出口企業(yè)分析,出口數量在2000噸以上的企業(yè)有29家,這29家出口量之和為11.77萬噸,占出口總量的71.4%;這29家主營企業(yè)除2家出口價格有所上升外,其他均有大幅下滑,單價降幅高的達73.6%;出口數量在1000-2000噸位之間的企業(yè)有12家,出口量之和為1.6萬噸,占比為9.79%;另有32家企業(yè)出口數量在100噸以下,32家出口量之和只占出口總量的0.27%。制造方法由于天然含量甚少,碳化硅主要多為人造。常見的方法是將石英砂與焦炭混合,并加入食鹽和木屑,置入電爐中,加熱到2000°C左右高溫制得。識別CAS號409-21-2性質化學式SIC摩爾質量40,097,g·mol外觀墨綠色無味粉末密度3,22,g/cm^3,固體熔點2730,°,C溶解度(水)不可溶危險性歐盟分類未列明若非注明,所有數據來自25,℃,100,kPa品質規(guī)格①磨料級碳化硅技術條件按GB/T2480—96。各牌號的化學成分由表6-6-47和表6-6-48給出。②磨料粒度及其組成、磨料粒度組成測定方法:按GB/T2481.2-2009。GB/T 9258.1-2000|涂附磨具用磨料粒度分析第1部分:粒度組成GB/T 9258.2-2008|涂附磨具用磨料 粒度分析 第2部分:粗磨粒P12~P220粒度組成的測定GB/T 9258.3-2000|涂附磨具用磨料 粒度分析 第3部分:微粉P240~P2500粒度組成的測定理化指標項目SiCFe2O3F.C比重Ⅰ≥97%≤1,2%≤0,3%3,2g/cm3Ⅱ≥90%≤1,5%≤0,5% 相關產地長白山脈、河南、河北石家莊靈壽縣、青海、甘肅、寧夏、四川、貴州、湖北丹江口等地。輸往國別美國、日本、韓國、及某些歐洲國家。相關用途碳化硅主要有四大應用領域,即:功能陶瓷、耐火材料、磨料及冶金原料。碳化硅粗料已能大量供應,不能算高新技術產品,而技術含量極高 的納米級碳化硅粉體的應用短時間不可能形成規(guī)模經濟。⑴作為磨料,可用來做磨具,如砂輪、油石、磨頭、砂瓦類等。⑵作為冶金脫氧劑和耐高溫材料。⑶高純度的單晶,可用于制造半導體、制造碳化硅纖維。主要用途:用于3—12英寸單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等線切割。太陽能光伏產業(yè)、半導體產業(yè)、壓電晶體產業(yè)工程性加工材料。用于半導體、避雷針、電路元件、高溫應用、紫外光偵檢器、結構材料、天文、碟剎、離合器、柴油微粒濾清器、細絲高溫計、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護具、觸媒擔體等領域。磨料磨具主要用于制作砂輪、砂紙、砂帶、油石、磨塊、磨頭、研磨膏及光伏產品中單晶硅、多晶硅和電子行業(yè)的壓電晶體等方面的研磨、拋光等。化工可用做煉鋼的脫氧劑和鑄鐵組織的改良劑,可用做制造四氯化硅的原料,是硅樹脂工業(yè)的主要原料。碳化硅脫氧劑是一種新型的強復合脫氧劑,取代了傳統(tǒng)的硅粉碳粉進行脫氧,和原工藝相比各項理化性能更加穩(wěn)定,脫氧效果好,使脫氧時間縮短,節(jié)約能源,提高煉鋼效率,提高鋼的質量,降低原輔材料消耗,減少環(huán)境污染,改善勞動條件,提高電爐的綜合經濟效益都具有重要價值。“三耐”材料利用碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強度大、導熱性能良好、抗沖擊等特性,碳化硅一方面可用于各種冶煉爐襯、高溫爐窯構件、碳化硅板、襯板、支撐件、匣缽、碳化硅坩堝等。另一方面可用于有色金屬冶煉工業(yè)的高溫間接加熱材料,如豎罐蒸餾爐、精餾爐塔盤、鋁電解槽、銅熔化爐內襯、鋅粉爐用弧型板、熱電偶保護管等;用于制作耐磨、耐蝕、耐高溫等碳化硅陶瓷材料;還可以制做火箭噴管、燃氣輪機葉片等。此外,碳化硅也是高速公路、航空飛機跑道太陽能熱水器等的理想材料之一。有色金屬利用碳化硅具有耐高溫,強度大,導熱性能良好,抗沖擊,作高溫間接加熱材料,如堅罐蒸餾爐,精餾爐塔盤,鋁電解槽,銅熔化爐內襯,鋅粉爐用弧型板,熱電偶保護管等。鋼鐵利用碳化硅的耐腐蝕,抗熱沖擊耐磨損,導熱好的特點,用于大型高爐內襯提高了使用壽命。冶金選礦碳化硅硬度僅次于金剛石,具有較強的耐磨性能,是耐磨管道,葉輪.泵室.旋流器,礦斗內襯的理想材料,其耐磨性能是鑄鐵.橡膠使用壽命的5--20倍&def也是航空飛行跑道的理想材料之一。建材陶瓷砂輪工業(yè)利用其導熱系數.熱輻射,高熱強度大的特性,制造薄板窯具,不僅能減少窯具容量,還提高了窯爐的裝容量和產品質量,縮短了生產周期,是陶瓷釉面烘烤燒結理想的間接材料。節(jié)能利用良好的導熱和熱穩(wěn)定性,作熱交換器,燃耗減少20%,節(jié)約燃料35%,使生產率提高20-30%,特別是礦山選廠用排放輸送管道的內放,其耐磨程度是普通耐磨材料的6--7倍。磨料粒度及其組成按GB/T2477--83。磨料粒度組成測定方法按GB/T2481--83。珠寶合成碳化硅(Synthetic Moissanite)又名合成莫桑石、合成碳硅石(化學成分SiC),色散0.104比鉆石(0.044)大,折射率2.65-2.69(鉆石2.42),具有與鉆石相同的金剛光澤,“火彩”更強,比以往任何仿制品更接近鉆石。這是由美國北卡羅來那州的C3公司制造生產的,已擁有世界各國生產合成碳化硅的專利,正在向全世界推廣應用。噴砂除銹:奧凱噴砂磨料公司, 奧凱無塵金剛砂的產品用途:該品采用棕剛玉微粉經高強壓力擠壓.高溫燒結成型.硬度適中.干凈清潔.不易破碎.可反復多次使用.噴砂效果好, 1、.鋼鐵.鋼管.鋼結構不銹鋼制品的表面亞光處理.噴涂前噴砂除銹處理。2、用于各種模具的清理3、可清除各類機件拉應力,增加疲勞壽命4、半導體器件、塑封對管上錫前的清理去除邊刺5、醫(yī)療器械、紡織機械及各類五金制品的噴丸強化光飾加工6、各種金屬管、有色金屬精密鑄件的清理及去除毛刺殘渣高鋁噴丸(剛玉球)的產品特性:1、軟硬兼?zhèn)洹捎脙?yōu)質材料生產而成,即有一定的機械強度,AL2O3含量大于等于68﹪,硬度可達6-7莫氏,又有足夠的彈性,可反復使用數次,不易破碎,所噴器件效果相同,比普通金剛砂的使用壽命長3倍以上。2、均勻度好—成圓率大于等于80﹪,粒度均勻,噴后使噴砂器件各處亮度系數保持均勻,不易留下水印。奧凱磨料。其他制品碳化硅制品可以分為很多類,根據不同的使用環(huán)境,分為不同的種類。一般使用到機械上比較多。例如使用到機械密封件上,可以稱為碳化硅密封環(huán),可以分為靜環(huán)、動環(huán)、平環(huán)等。也可以根據客戶的特別要求,制作出各種形狀的碳化硅制品,例如碳化硅異形件,碳化硅板,碳化硅環(huán)等。碳化硅的制品之一的碳化硅陶瓷具有的高硬度、高耐腐蝕性以及較高的高溫強度等特點,這使得碳化硅陶瓷得到了廣泛的應用。在應用在密封環(huán)上:碳化硅陶瓷的耐化學腐蝕性好、強度高、硬度高,耐磨性能好、摩擦系數小,且耐高溫,因而是制造密封環(huán)的理想材料。它與石墨材料組合配對時,其摩擦系數比氧化鋁陶瓷和硬質合金小,因而可用于高PV值,特別是輸送強酸、強堿的工況中使用。我公司生產的SIC-1型碳化硅常壓燒結制品,具有密度高、硬度高、生產批量大、可生產復雜形狀制品的特點,適用于高性能的密封件中使用,特別是高 PV 值及耐強酸、強堿的工況。而我公司生產的SIC-3型碳化硅陶瓷制品是含石墨的碳化硅材料。由于在碳化硅基體中含有大量的彌散細小的石墨顆粒,與其它材料配對使用時,其摩擦系數非常小,具有良好的自潤滑性能,特別適用于制作氣密封或有干摩擦工況的密封件中使用,從而使密封件的使用壽命及工作的可靠性提高。產品信息上游原料:二氧化硅、石油焦下游產品:碳化硅微粉各國企業(yè)Superior石墨公司Superior石墨有限公司是生產β-碳化硅的廠家,它們采用連續(xù)電熱爐工藝在美國肯塔基的Hopkinsville廠生產。產品適用于制造碳化硅細粉和超細陶瓷級碳化硅粉料。Electro磨料公司Electro磨料公司是一家碳化硅加工廠。該公司在紐約布法羅的一家生產廠從事水力分選黑色、綠色碳化硅粉料的生產。他們生產的碳化硅含量為98%的粗、細粉用于磨料、耐火材料及其它行業(yè),年生產能力為2.4萬t。BPI有限責任公司BPI公司分別在匹茲堡、賓西法尼亞、貝塞默和阿拉巴馬州有碳化硅廢料加工廠。大多數廢料都來自北美,包括回收的碳化硅耐火材料,這些產品主要用于冶金市場。而且,這些產品的市場需求量很大。Elmet公司Elmet公司在墨西哥北部的蒙特雷有一家年生產能力為2萬t的碳化硅生產廠,該廠生產的冶金級(SiC 88%)和黑色(SiC 97%)碳化硅主要用于鋼鐵、鑄造、磨料和耐火材料工業(yè)。該公司投資了300萬美元用以降低成本和提高成品質量,這些資金主要用于破碎、篩分生產線及成型設備。Elmet公司的產品主要用于國內市場,但也出口到中美和北歐。自2000年以來,該公司就已看到當地鑄造工業(yè)和海外某些耐火材料的發(fā)展前景。同時,由于受到了象金剛石這種超級磨料競爭的沖擊,使得磨料部門的需求量下降,但是,耐火材料工業(yè)的需求仍保持穩(wěn)定。