碳化硅（SiC）又名金剛砂，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。 碳化硅又稱碳硅石。在當代C、N、B等非氧化物高技術耐火原料中，碳化硅為應用最廣泛、最經濟的一種，可以稱為金鋼砂或耐火砂。 目前中國工業(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。

發(fā)展歷史

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(xiàn)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，一直沿用至今，以碳質材料為爐芯體的電阻爐，通電加熱石英SiO?和碳的混合物生成碳化硅。

關于碳化硅的幾個事件：

1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅。

1907年 第一只碳化硅晶體發(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 在波士頓召開第一次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。

物質品種

碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個常用的基本品種，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。

理化性質

物質特性

碳化硅由于化學性能穩(wěn)定、導熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)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；用以制成的高級耐火材料，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，僅次于世界上最硬的金剛石（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。

碳化硅至少有70種結晶型態(tài)。α-碳化硅為最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，而另一種碳化硅，μ-碳化硅最為穩(wěn)定，且碰撞時有較為悅耳的聲音，但直至今日，這兩種型態(tài)尚未有商業(yè)上之應用。

因其3.2g/cm3的比重及較高的升華溫度（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?shù)偷幕瘜W活性。由于其高熱導性、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耦合作用，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)生產之棕至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。

物質結構

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、藍乃至黑色，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(xiàn)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。

制作工藝

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，利用其中的二氧化硅和石油焦，加入食鹽和木屑，置入電爐中，加熱到2000°C左右高溫，經過各種化學工藝流程后得到碳化硅微粉。

碳化硅（SiC）因其很大的硬度而成為一種重要的磨料，但其應用范圍卻超過一般的磨料。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******窯具材料之一，它所具有的導電性使其成為一種重要的電加熱元件等。制備SiC制品首先要制備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(yè)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，經過粉磨等工序調配成為配比合理與粒度合適的爐料(為了調節(jié)爐料的透氣性需要加入適量的木屑，制備綠碳化硅時還要添加適量食鹽)經高溫制備而成。高溫制備SiC冶煉塊的熱工設備是專用的碳化硅電爐，其結構由爐底、內面鑲有電極的端墻、可卸式側墻、爐心體（全稱為：電爐中心的通電發(fā)熱體，一般用石墨粉或石油焦炭按一定的形狀與尺寸安裝在爐料中心，一般為圓形或矩形。其兩端與電極相連）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。每組電爐配備一組變壓器，但生產時只對單一電爐供電，以便根據(jù)電負荷特性調節(jié)電壓來基本上保持恒功率，大功率電爐要加熱約24 h，停電后生成SiC的反應基本結束，再經過一段時間的冷卻就可以拆除側墻，然后逐步取出爐料。

高溫煅燒后的爐料從外到內分別是：未反應料（在爐中起保溫作用）、氧碳化硅羼（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、SiO?、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，其余是C、SiO?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硅層料作為乏料收集，將氧碳化硅層的另一部分料與無定形物、二級品、部分粘結物一起收集為回爐料，而一些粘結很緊、塊度大、雜質多的粘結物則拋棄之。而一級品則經過分級、粗碎、細碎、化學處理、干燥與篩分、磁選后就成為各種粒度的黑色或綠色的SiC顆粒。要制成碳化硅微粉還要經過水選過程；要做成碳化硅制品還要經過成型與結燒的過程。

產能

中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，******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，中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。

中國碳化硅冶煉生產工藝、技術裝備和單噸能耗達到************水平。黑、綠碳化硅原塊的質量水平也屬世界級。中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；三是某些尖端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(xiàn)了封閉冶煉，而中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，中國企業(yè)開發(fā)出了封閉冶煉技術，實現(xiàn)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。

應用領域

碳化硅的用途十分廣泛，如：冶金、機械、化工、建材、輕工、電子、發(fā)熱體。磨料可作為冶金工業(yè)的凈化劑、脫氧劑和改良劑。在機械加工方面可作為合成硬質合金刀具；加工后的硅碳板可作為耐火材料用于陶瓷燒制的棚板。通過精加工后生產的微粉，可用于高科技電子元器件和遠紅外線輻射材料的涂料。高純度精微粉可供國防工業(yè)航空航天器皿的涂層。對國際國內各經濟領域的用途十分廣闊。 

用途分類

1、磨料：主要因為碳化硅具有很高硬度，化學穩(wěn)定性和一定韌性，所以碳化硅能用于制造固結磨具、涂附磨具和自由研磨，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、耐火材料和耐腐蝕材料：主要因為碳化硅具有高熔點（分解溫度）、化學惰性和抗熱振性，所以碳化硅能用于磨具、陶瓷制品燒成窯爐中用棚板和匣缽、煉鋅工業(yè)豎缸蒸餾爐用碳化硅磚、鋁電解槽襯、坩鍋、小件爐材等多種碳化硅陶瓷制品。

3、化工用途：因為碳化硅可在溶融鋼水中分解并和鋼水中游離氧、金屬氧化物反應生成一氧化碳和含硅爐渣。所以它可作為冶煉鋼鐵凈化劑，即用作煉鋼脫氧劑和鑄鐵組織改良劑。這一般使用低純度碳化硅，以降低成本。同時還可以作為制造四氯化硅原料。

4、電工用途：用作加熱元件、非線性電阻元件和高溫半導體材料。加熱元件如硅碳棒（適用于1100～1500℃工作各種電爐），非線性電阻元件，各式避雷閥片。高科技電子元器件和遠紅外線輻射材料的涂料等。

行業(yè)分類

火電行業(yè)應用

?    輸煤系統(tǒng)：斗輪機筒體、皮帶頭料斗 、落煤斗 、原煤斗、 給煤機（抗沖擊陶瓷）

?    制粉系統(tǒng)：磨煤機出口管道彎頭至直管2米處（抗沖擊陶瓷）、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、內錐斗、出口管道、一次風管及彎頭、風扇磨、煤粉管道及彎頭

?    除塵系統(tǒng)：除塵管道及彎頭

?    排灰系統(tǒng)：除灰管道 、除渣分場、干灰風選機內殼

?    脫硫系統(tǒng)：石膏漿液管道、石灰石漿液管道、閥門、旋流器

?    循環(huán)流化床爐：石灰石管路、除灰管路、旋風分離器內襯

鋼鐵行業(yè)應用

?    原料輸料系統(tǒng)：皮帶頭部料斗、皮帶頭部料倉、臺車三通斗、授料斗 

?    配料系統(tǒng)：混合料倉、一次混合圓筒、二次混合圓筒、混合圓盤、造球盤 

?    燒結料輸送系統(tǒng)：振動篩下選礦料斗、遠距離選礦料斗、料倉、 

?    除塵、排灰系統(tǒng)：除塵管道、彎頭、三通、落灰管、機尾除塵管 

?    焦化系統(tǒng)：焦炭料斗

?    煉鐵噴煤系統(tǒng)：錐斗、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(yè)應用

?    輸煤系統(tǒng)：料斗、料倉、介質輸送管路、洗選設備給料管路、洗選設備排料管路、無壓自流管路、洗煤廠各類輸送管道、重介質旋流器

水泥行業(yè)應用 

?    輸料系統(tǒng)：皮帶頭部料斗、料倉、皮帶機裙板、臺車三通斗、授料斗、

?    配料系統(tǒng)：混合料倉、一次混合圓筒、二次混合圓筒、混合圓盤、造球盤

?    燒結料輸送系統(tǒng)：振動篩下選礦料斗、原料運輸溜槽、旋風除塵器及其管路、耐磨風機葉輪

?    除塵、排灰系統(tǒng)：除塵管道、彎頭、三通、落灰管、機尾除塵管

?    焦化系統(tǒng)：焦炭料斗、漏斗、焦炭轉運溜槽、耐磨抗沖擊焦炭接收漏斗、煤轉運溜槽、皮帶運輸機裙板、格皮篩

?    煉鐵噴煤系統(tǒng)：中速磨、錐料斗、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(yè)應用

?    輸料系統(tǒng)：料斗、料倉

?    除塵系統(tǒng)：除塵管道

港口行業(yè)應用:輸料系統(tǒng)、泊位固定漏斗、斗輪機固定漏斗、皮帶機轉運站固定漏斗、卸船機料斗　

礦山行業(yè)應用

?    輸料系統(tǒng)：料斗、料倉、精礦管路、尾礦管路、回填礦物、

?    粉磨系統(tǒng)：輸料槽和料斗內襯、出口管道

?    選礦系統(tǒng)：振動溜槽、旋流器

機械行業(yè)應用：電廠設備、輸煤設備、制粉設備、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、 料斗、料倉、各類磨損大設備

冶煉行業(yè)應用

?    輸料系統(tǒng)：頭部溜子、中間倉、尾部倉、振動篩料槽、焦炭斗、計量斗

?    配料系統(tǒng)：配料斗、一次（二次）混合機

?    焙燒系統(tǒng)：單倉泵焙砂管、配料斗、灰斗、中間倉料斗 

?    除塵系統(tǒng)：除塵管道及彎頭