中國(guó)粉體網(wǎng)訊  5G通信、新能源汽車等新興產(chǎn)業(yè)對(duì)碳化硅材料將產(chǎn)生巨大需求，大力發(fā)展碳化硅產(chǎn)業(yè)，可引領(lǐng)帶動(dòng)原材料與設(shè)備兩個(gè)千億級(jí)產(chǎn)業(yè)。尤其是今年發(fā)布的“‘十四五’規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要”提出我國(guó)將加速推動(dòng)以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體新材料新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，這無(wú)疑會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖片來(lái)源：金蒙新材料

眾所周知，碳化硅有四大應(yīng)用，即半導(dǎo)體、陶瓷、耐火材料、磨具！其中半導(dǎo)體對(duì)碳化硅的品質(zhì)要求是最高的，工藝也是最難的。陶瓷、耐火材料、磨具對(duì)碳化硅的純度、粒度、形貌等也有一定的品質(zhì)要求。整體來(lái)說(shuō)，高品質(zhì)碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域也相對(duì)高端，但這并不意味著低品質(zhì)的碳化硅就一無(wú)是處，比如用于煉鋼脫氧劑，在冶煉領(lǐng)域就占據(jù)了非常重要的地位。

碳化硅脫氧劑是啥？

首先我們要了解煉鋼為什么要脫氧。

碳化硅陶瓷

轉(zhuǎn)爐煉鋼可以將生鐵中碳等相關(guān)雜質(zhì)氧化，完成化學(xué)和物理性質(zhì)比鐵高的鋼的冶煉。而在煉鋼液中，氧會(huì)以溶解氧和非金屬雜物的形式存在，在吹氧煉鋼及原料等環(huán)節(jié)產(chǎn)生。想要對(duì)鋼中碳、錳等雜質(zhì)元素進(jìn)行去除，就要進(jìn)行氧化反應(yīng)，通過(guò)氧化合物的產(chǎn)生使雜質(zhì)析出。受這些因素影響，鋼液中含氧量將逐步提升，需要脫氧處理才能避免氧和鋼液在冷凝過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致晶界上有氧化亞鐵析出，影響連鑄坯凝固組織結(jié)構(gòu)。如未能做好脫氧處理，將導(dǎo)致鋼塑形降低，并且出現(xiàn)熱脆情況，導(dǎo)致鋼鐵發(fā)生氧化。氧含量如果過(guò)多，也會(huì)造成硫危害加重，導(dǎo)致鋼鐵中混入氧化物雜質(zhì)，影響鋼產(chǎn)品力學(xué)性能。

傳統(tǒng)脫氧劑為硅鐵粉和合金粉，但其價(jià)格較貴。碳化硅可作為煉鋼用脫氧劑，是一種新穎的高性能復(fù)合脫氧劑，可代替價(jià)格較貴的傳統(tǒng)脫氧劑如硅鐵粉和合金粉，從而起到降低成本的效果，碳化硅脫氧劑具有脫氧迅速、成渣早、還原氣氛濃、泡沫豐富等優(yōu)點(diǎn)，還能有效地提高元素的回收率，也有增碳作用，代替部分增碳劑。碳化硅作為脫氧劑的鋼水質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，且能起到細(xì)化晶粒、清除有害雜質(zhì)的作用，大大地降低了煉鋼成本。

（脫氧用碳化硅球，來(lái)源：金蒙新材料）

其實(shí)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家早在上世紀(jì)60年代就把碳化硅作為煉鋼脫氧劑。日本在碳化硅的三大用途中，磨料用量占24%，耐火材料占50%，脫氧劑占25%，與磨料用量大致相同。美國(guó)用于脫氧方面的碳化硅量占三大用途的45%。

碳化硅的性能要求

SiC的成分指標(biāo)

煉鋼用SiC脫氧劑的主要成分為SiC、游離Ｃ、游離Si以及少量的雜質(zhì)元素。通常w（SiC）在40％～50％時(shí)，雜質(zhì)元素w（S）≤700×10^-6、ｗ（N）≤300×10^-6、ｗ（H）≤100×10^-6；w（SiC）達(dá)到80％時(shí)，雜質(zhì)元素w（S）≤500×10^-6、w（N）≤200×10^-6、w（H）≤60×10^-6。目前，大部分冶金廠家使用的SiC脫氧劑w（SiC）在40％～50％之間。

SiC的耐高溫性

SiC在空氣中氧化，其顆粒表面生成１層SiO₂，氧在SiO₂中擴(kuò)散系數(shù)很低，因此表層的氧化層會(huì)對(duì)內(nèi)部起到保護(hù)作用。SiC的抗氧化性能夠抵抗?fàn)t內(nèi)高溫氧化性氣體的侵蝕，在熔池表層的氣相中燒損少，但是當(dāng)溫度超過(guò)1627℃時(shí)，它在高溫氧化氣氛下呈現(xiàn)出顯著的不穩(wěn)定性，被迅速氧化。SiC與堿性金屬氧化物開(kāi)始反應(yīng)的溫度如下：FeO為1300℃，MnO為1360℃，CaO為1000℃，MgO為1000℃。

SiC的脫氧性質(zhì)

SiC有關(guān)脫氧反應(yīng)的自由能變化值均小于零。SiC與液渣相或液態(tài)金屬中的氧相互反應(yīng)，釋放出大量熱，SiC脫氧反應(yīng)式為：

由反應(yīng)式中可知，渣中的氧化鐵由5％～15％降到0.5％或更低，提高了S在渣中的分配系數(shù)，起到脫硫的作用。此外，SiC的密度為32g／cm³，處于鋼水和鋼渣的密度之間，鋼渣界面反應(yīng)生成CO又能在熔池中起到攪拌作用，給脫氧反應(yīng)創(chuàng)造更好的動(dòng)力學(xué)條件，促進(jìn)鋼中[O]的擴(kuò)散，反應(yīng)生成CO的排出也可以降低鋼液中的其他氣體含量。SiC進(jìn)行脫氧反應(yīng)后會(huì)對(duì)鋼水起到增Si、增C、去氣和去夾雜的效果，脫氧反應(yīng)為放熱反應(yīng)，會(huì)給煉鋼過(guò)程起到升溫的作用。

SiC在煉鋼中的應(yīng)用

SiC應(yīng)用于脫氧合金化

SiC作為脫氧劑加入鋼水后生成低熔點(diǎn)的SiO₂和CO氣體，CO上浮過(guò)程中起攪拌鋼液的作用，利于脫氧產(chǎn)物擴(kuò)散和夾渣物上浮，使其反應(yīng)更為徹底，脫氧效果好于硅鐵。根據(jù)出鋼前終點(diǎn)碳含量和硅含量，可確定SiC和硅鐵的添加量。SiC具有較好的增碳效果，冶煉碳含量較高的鋼種時(shí)，SiC除了可以增碳外，更具有特殊的作用，尤其是SiC中的S、N、H元素含量較低，有利于提高鋼液質(zhì)量，是其他增碳劑如石油焦、無(wú)煙煤無(wú)法相比的。

SiC作爐外精煉脫氧劑

SiC可以作為爐外精煉脫氧劑。精煉爐脫氧和電爐還原期脫氧都屬于擴(kuò)散脫氧，根據(jù)分配定律：在一定的溫度下，氧在熔渣中與鋼水中的溶解度是平衡的，F(xiàn)eO在渣與鋼液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比是個(gè)常數(shù)。當(dāng)SiC加入到渣層表面時(shí)，渣中的FeO含量降低，平衡被破壞，為了保持在此溫度下的分配常數(shù)，鋼中氧必向渣中擴(kuò)散，從而降低了鋼中的氧含量，達(dá)到鋼液脫氧的目的。

SiC用作煉鋼提溫劑

在煉鋼過(guò)程中，在碳溫不協(xié)調(diào)時(shí)，可通過(guò)加入SiC提高鋼水溫度，在化渣好的條件下，比硅鐵具有更大的優(yōu)勢(shì)性。

SiC轉(zhuǎn)爐前期脫硫

當(dāng)鐵水硫高（w（S）≥0.05％），硅低（w（Si）≤0.5％）時(shí)，每噸鋼水加入冶金SiC1.5kg，可提高鐵水中S的活度，開(kāi)吹后由于SiC氧化反應(yīng)，金屬液迅速升溫，從而促進(jìn)石灰熔化，縮短初期成渣的時(shí)間。吹煉初期鐵水中的O含量低，熔入的SiC促進(jìn)鋼中Ｓ向渣相轉(zhuǎn)移，起到前期脫Ｓ作用。

參考來(lái)源：

[1]池震宇，池炎.碳化硅的冶金性能及其在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用

[2]張延新，趙晗.煉鋼脫氧劑碳化硅的脫氧能力分析

[3]杜家恩，吳春璟.轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝的優(yōu)化研究

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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