सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) विनिर्माण प्रक्रिया का सारांश

सिलिकन कार्बाइडअपघर्षक पदार्थ आमतौर पर प्राथमिक कच्चे माल के रूप में क्वार्ट्ज और पेट्रोलियम कोक का उपयोग करके उत्पादित किए जाते हैं। प्रारंभिक चरण में, इन सामग्रियों को भट्टी चार्ज में रासायनिक रूप से अनुपातित करने से पहले वांछित कण आकार प्राप्त करने के लिए यांत्रिक प्रसंस्करण से गुजरना पड़ता है।भट्ठी चार्ज की पारगम्यता को विनियमित करने के लिए, मिश्रण के दौरान उचित मात्रा में चूरा मिलाया जाता है। हरे सिलिकॉन कार्बाइड के उत्पादन के लिए भट्ठी चार्ज में एक निश्चित मात्रा में नमक भी शामिल किया जाता है।

फर्नेस चार्ज को एक बैच-प्रकार प्रतिरोध फर्नेस में लोड किया जाता है, जिसमें केंद्र के पास स्थित ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड के साथ दोनों सिरों पर अंतिम दीवारें होती हैं। फर्नेस कोर बॉडी दो इलेक्ट्रोडों को जोड़ती है, जो प्रतिक्रियाशील फर्नेस चार्ज सामग्री से घिरे होते हैं, जबकि इन्सुलेट सामग्री बाहरी परिधि को घेरती है। ऑपरेशन के दौरान, विद्युत शक्ति भट्ठी के कोर को 2600-2700°C के बीच तापमान तक गर्म करती है। कोर सतह से चार्ज सामग्रियों में गर्मी स्थानांतरित होती है, जो 1450 डिग्री सेल्सियस से अधिक होने पर, कार्बन मोनोऑक्साइड जारी करते हुए सिलिकॉन कार्बाइड बनाने के लिए रासायनिक प्रतिक्रियाओं से गुजरती है।

जैसे-जैसे प्रक्रिया जारी रहती है, उच्च तापमान क्षेत्र का विस्तार होता है, जिससे उत्तरोत्तर अधिक सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल बनते हैं। ये क्रिस्टल वाष्पित होते हैं, पलायन करते हैं और भट्ठी के भीतर बढ़ते हैं, अंततः एक बेलनाकार क्रिस्टलीकृत द्रव्यमान में एकत्रित हो जाते हैं। इस द्रव्यमान की आंतरिक दीवारों का तापमान 2600°C से अधिक होता है, जिससे अपघटन होता है जिससे सिलिकॉन निकलता है, जो फिर कार्बन के साथ पुन: संयोजित होकर नया सिलिकॉन कार्बाइड बनाता है।

विद्युत ऊर्जा वितरण तीन परिचालन चरणों में भिन्न होता है:

1. प्रारंभिक चरण: मुख्य रूप से फर्नेस चार्ज को गर्म करने के लिए उपयोग किया जाता है

2.मध्यवर्ती चरण: सिलिकॉन कार्बाइड निर्माण के लिए बढ़ा हुआ अनुपात

3.अंतिम चरण: थर्मल नुकसान का प्रभुत्व

थर्मल दक्षता को अधिकतम करने के लिए इष्टतम पावर-टाइम संबंध विकसित किए जाते हैं, जिसमें वर्कफ़्लो समन्वय की सुविधा के लिए बड़े पैमाने की भट्टियों के लिए सामान्य संचालन अवधि लगभग 24 घंटे होती है।

ऑपरेशन के दौरान, विभिन्न अशुद्धियों और लवणों से युक्त माध्यमिक प्रतिक्रियाएं होती हैं, जिससे सामग्री विस्थापन और मात्रा में कमी आती है। उत्पादित कार्बन मोनोऑक्साइड वायुमंडलीय प्रदूषक के रूप में निकल जाता है। बिजली बंद होने के बाद, थर्मल जड़ता के कारण अवशिष्ट प्रतिक्रियाएं 3-4 घंटों तक बनी रहती हैं, हालांकि तीव्रता काफी कम हो जाती है। जैसे-जैसे सतह के तापमान में गिरावट आती है, कार्बन मोनोऑक्साइड का अधूरा दहन अधिक स्पष्ट हो जाता है, जिससे निरंतर व्यावसायिक सुरक्षा उपायों की आवश्यकता होती है।

बाहरी से भीतरी परतों तक भट्टी के बाद की सामग्री में निम्नलिखित घटक होते हैं:

(1) ‍अप्रतिक्रियाशील आवेश सामग्री

आवेश के वे भाग जो प्रगलन के दौरान प्रतिक्रिया तापमान तक पहुँचने में विफल रहते हैं, निष्क्रिय रहते हैं, केवल इन्सुलेशन के रूप में कार्य करते हैं। इस क्षेत्र को इन्सुलेशन बैंड कहा जाता है। संरचना और उपयोग के तरीके प्रतिक्रिया क्षेत्र से काफी भिन्न होते हैं। कुछ प्रक्रियाओं में फर्नेस लोडिंग के दौरान विशिष्ट इन्सुलेशन बैंड क्षेत्रों में ताजा चार्ज लोड करना शामिल होता है, जिसे गलाने के बाद पुनः प्राप्त किया जाता है और कैलक्लाइंड सामग्री के रूप में प्रतिक्रिया चार्ज में मिश्रित किया जाता है। वैकल्पिक रूप से, अप्रयुक्त इन्सुलेशन बैंड सामग्री को समाप्त चार्ज के रूप में पुन: उपयोग के लिए कोक और चूरा जोड़कर पुनर्जनन उपचार से गुजरना पड़ सकता है।

(2) ऑक्सीकृत सिलिकॉन कार्बाइड परत

इस अर्ध-प्रतिक्रियाशील परत में मुख्य रूप से अप्रतिक्रियाशील कार्बन और सिलिका (20-50% पहले से ही SiC में परिवर्तित) होता है। इन घटकों की परिवर्तित आकृति विज्ञान उन्हें समाप्त चार्ज से अलग करता है। सिलिका-कार्बन मिश्रण ढीले सामंजस्य के साथ अनाकार ग्रे-पीले समुच्चय का निर्माण करता है, जो दबाव में आसानी से चूर्णित हो जाता है - समाप्त चार्ज के विपरीत जहां सिलिका मूल ग्रैन्युलैरिटी बरकरार रखती है।

(3)बंधन परत

ऑक्सीकृत परत और अनाकार क्षेत्र के बीच एक कॉम्पैक्ट संक्रमणकालीन क्षेत्र, जिसमें 5-10% धातु ऑक्साइड (Fe, Al, Ca, Mg) होते हैं। चरण संरचना में अप्रतिक्रियाशील सिलिका/कार्बन (40-60% SiC) और सिलिकेट यौगिक शामिल हैं। जब तक अशुद्धियाँ प्रचुर मात्रा में न हों, विशेषकर काली SiC भट्टियों में, आसन्न परतों से अंतर करना चुनौतीपूर्ण हो जाता है।

(4)अनाकार क्षेत्र

अवशिष्ट कार्बन/सिलिका (2-5% धातु ऑक्साइड) के साथ प्रमुख रूप से घन β-SiC (70-90% SiC)। भुरभुरा पदार्थ आसानी से टूटकर पाउडर बन जाता है। काली SiC भट्टियाँ काले अनाकार क्षेत्र उत्पन्न करती हैं, जबकि हरी SiC भट्टियाँ पीले-हरे रंग के वेरिएंट उत्पन्न करती हैं - कभी-कभी रंग ढाल के साथ। मोटे सिलिका कण या निम्न-कार्बन कोक छिद्रपूर्ण संरचनाएँ बना सकते हैं।

(5) ‌माध्यमिक-ग्रेड SiC‌

इसमें शामिल α-SiC क्रिस्टल (90-95% शुद्धता) अपघर्षक उपयोग के लिए बहुत नाजुक होते हैं। अनाकार β-SiC (पाउडरयुक्त, नीरस) से भिन्न, द्वितीयक-ग्रेड दर्पण जैसी चमक के साथ हेक्सागोनल क्रिस्टल जाली प्रदर्शित करता है। माध्यमिक और प्राथमिक ग्रेड के बीच विभाजन पूरी तरह कार्यात्मक है, हालांकि पूर्व में छिद्रपूर्ण संरचनाएं बरकरार रह सकती हैं।

(6) प्राथमिक-ग्रेड SiC क्रिस्टल

भट्ठी का मुख्य उत्पाद: बड़े पैमाने पर α-SiC क्रिस्टल (>96% शुद्धता, 50-450 मिमी मोटाई)। ये कसकर भरे हुए ब्लॉक काले या हरे रंग के दिखाई देते हैं, जिनकी मोटाई भट्ठी की शक्ति और स्थान के अनुसार भिन्न होती है।

(7) ग्रेफाइट फर्नेस कोर

क्रिस्टलीय सिलेंडर के निकट, विघटित SiC मूल क्रिस्टल संरचनाओं की ग्रेफाइट प्रतिकृतियां बनाता है। आंतरिक कोर में थर्मल साइक्लिंग के बाद उन्नत ग्रेफाइटाइजेशन के साथ प्री-लोडेड ग्रेफाइट होता है। दोनों ग्रेफाइट प्रकारों को बाद के भट्ठी बैचों के लिए मुख्य सामग्री के रूप में पुनर्नवीनीकरण किया जाता है।