O processo de fundição do carboneto de silício negro (SiC) utiliza principalmente o processo Acheson, um método de fundição em forno de resistência a altas temperaturas. O fluxograma principal do processo é o seguinte:
1. Preparação da matéria-prima
Principais matérias-primas: Areia de quartzo (teor de SiO₂ ≥ 98%) e coque de petróleo (teor de carbono ≥ 98%), com pequenas quantidades de serradura e cloreto de sódio (NaCl) como materiais auxiliares.
Proporção: Com base na fórmula de reação do carboneto de silício SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑, na produção real, é necessário um ligeiro excesso de carbono (aproximadamente 3-5%) para compensar as perdas por oxidação.
Pré-tratamento: As matérias-primas necessitam de ser trituradas e peneiradas para obter tamanhos de partículas adequados (normalmente 0,5-5 mm para areia de quartzo e 0,2-2 mm para coque de petróleo) e misturadas uniformemente.
2. Carregamento do Forno e Preparação do Núcleo
Estrutura do forno: Forno de resistência fixa retangular ou circular, com tijolos refratários a revestir o fundo e paredes laterais amovíveis.
Núcleo do forno: Um núcleo condutor para o forno, feito de pó de grafite ou material de carboneto de silício reciclado (que serve como elemento de aquecimento), é colocado no centro do corpo do forno.
Carregamento: A mistura é disposta em camadas e preenche o núcleo do forno, e a parte exterior é coberta com material isolante (como pó de coque ou areia de quartzo) para conservação do calor.
3.º Aquecimento elétrico na fundição eletrolítica
: Uma baixa tensão e uma corrente elevada (aproximadamente 5000-10000A) são aplicadas através dos elétrodos em ambas as extremidades do núcleo do forno, elevando gradualmente a temperatura do núcleo do forno para 2000-2500℃.
Processo de reação:
A partir de aproximadamente 1400 °C, o SiO₂ é reduzido pelo carbono para produzir SiO gasoso e CO:
SiO₂ + C → SiO↑ + CO↑
O SiO na fase gasosa reage com o carbono para formar SiC:
SiO + 2C → SiC + CO↑
Por fim, forma-se uma camada cristalina de carboneto de silício em torno do núcleo do forno.
Tempo de fundição: Energização contínua durante aproximadamente 24 a 40 horas, sendo o tempo específico dependente do tamanho e da potência do forno.
4. Arrefecimento e Desmontagem do Forno
Arrefecimento natural: Após uma falha de energia, o corpo do forno necessita de arrefecer lentamente (aproximadamente 7 a 14 dias) para evitar o arrefecimento rápido que pode causar fissuras de cristalização.
Desmontagem do forno: Retire a camada isolante e extraia os blocos cristalinos de carboneto de silício.
5. Classificação e Processamento
Produto da Área Central: A área que rodeia o núcleo do forno é constituída por blocos cristalinos de carboneto de silício negro de elevada pureza (α-SiC, cristais hexagonais).
Processamento por camadas:
Grau 1: Zona cristalina densa, teor de SiC ≥97%, utilizada no fabrico de abrasivos de elevada qualidade e materiais refractários.
Grau 2: Contém mais impurezas, utilizado como aditivo metalúrgico, etc.
Zona amorfa: Mistura que reagiu de forma incompleta, reciclável.
Processamento subsequente: Trituração, peneiramento, lavagem ácida (para remoção de impurezas metálicas), separação magnética, classificação hidráulica, etc., para obtenção de produtos acabados com diferentes tamanhos de partículas.
6. Principais Processos Auxiliares
Lascas de madeira: Aumentam a permeabilidade da carga do forno, facilitando a descarga do gás CO.
Utilização do sal: Reage com as impurezas como o alumínio e o ferro nas matérias-primas, formando cloretos que volatilizaram, purificando assim o material.
Tratamento de gases residuais: A fundição gera uma grande quantidade de gás CO, que necessita de ser recolhido, utilizado ou queimado para evitar a poluição.
Características e desafios do processo:
Elevado consumo de energia: A produção de 1 tonelada de carboneto de silício consome aproximadamente 8.000 a 10.000 kWh de eletricidade.
Controlo crítico da temperatura: A temperatura insuficiente leva a uma reação incompleta, enquanto a temperatura excessiva provoca a decomposição do SiC.
Requisitos ambientais: O gás CO e o pó devem ser tratados; os processos modernos incluem, geralmente, sistemas de recuperação de calor residual.
Orientações de melhoria modernas:
Forno de maior dimensão: Aumentar a produção de um único forno (até milhares de toneladas).
Controlo de Automação: Otimize a curva de arranque para reduzir o consumo de energia.
Fundição Verde: Recuperação de gases residuais para geração de energia e reciclagem de resíduos.