흑색 탄화규소(SiC)의 제련 공정은 주로 고온 저항로 제련법인 애치슨 공정을 이용합니다. 주요 공정 흐름은 다음과 같습니다.
1. 원료 준비
주요 원료: 석영 모래(SiO₂ 함량 ≥ 98%) 및 석유 코크스(탄소 함량 ≥ 98%), 소량의 톱밥 및 염화나트륨(NaCl)을 보조 재료로 사용.
배합비: 탄화규소 반응식 SiO₂ + 3C → SiC + 2CO↑에 따르면, 실제 생산 과정에서는 산화 손실을 보상하기 위해 탄소를 약간(약 3~5%) 과량으로 첨가해야 합니다.
전처리: 원료는 적절한 입자 크기(일반적으로 석영 모래는 0.5~5mm, 석유 코크스는 0.2~2mm)로 분쇄 및 체질하고 고르게 혼합해야 합니다.
2. 용광로 적재 및 노심 준비
용광로 구조: 직사각형 또는 원형의 고정 저항로, 바닥에는 내화벽돌이 깔려 있고 측면 벽은 분리 가능합니다.
용광로 중심부: 흑연 분말 또는 재활용 탄화규소 소재로 만들어진 전도성 용광로 중심부(발열 요소 역할)가 용광로 본체 중앙에 배치됩니다.
장입: 혼합물을 층층이 쌓아 용광로 중심부를 채우고, 외부에는 단열재(코크스 가루 또는 석영 모래 등)를 덮어 보온합니다.
3. 전해 제련
전기 가열: 저전압 고전류(약 5000~10000A)를 용광로 중심부 양 끝의 전극에 인가하여 용광로 중심부 온도를 2000~2500℃까지 점진적으로 상승시킵니다.
반응 과정:
약 1400℃부터 SiO₂는 탄소에 의해 환원되어 기체 상태의 SiO₂와 CO를 생성합니다.
SiO₂ + C → SiO↑ + CO↑
기체 상태의 SiO는 탄소와 반응하여 SiC를 형성합니다.
SiO + 2C → SiC + CO↑
결과적으로 용광로 중심부 주변에 탄화규소 결정층이 형성됩니다.
제련 시간: 용광로의 크기와 출력에 따라 약 24~40시간 동안 연속적으로 가동합니다.
4. 냉각 및 용광로 해체
자연 냉각: 정전 후, 용광로 본체는 급속 냉각으로 인한 결정 균열을 방지하기 위해 천천히 냉각되어야 합니다(약 7~14일).
용광로 분해: 단열층을 제거하고 탄화규소 결정 블록을 꺼냅니다.
5. 등급 분류 및 가공
핵심 영역 제품: 용광로 중심부를 둘러싼 영역은 고순도 흑색 탄화규소 결정 블록(α-SiC, 육각형 결정)으로 구성됩니다.
계층적 처리:
1등급: 치밀한 결정질 영역, SiC 함량 ≥97%, 고급 연마재 및 내화물 제조에 사용됩니다.
2등급: 불순물이 더 많이 함유되어 있으며, 야금 첨가제 등으로 사용됩니다.
비정질 영역: 불완전하게 반응한 혼합물, 재활용 가능.
후속 공정: 분쇄, 선별, 산세척(금속 불순물 제거), 자력 분리, 유압 분류 등을 통해 다양한 입자 크기의 완제품을 얻습니다.
6. 주요 보조 프로세스
목재 칩: 용광로 장입물의 투과성을 높여 CO 가스 배출을 용이하게 합니다.
소금의 용도: 소금은 원료에 포함된 알루미늄, 철 등의 불순물과 반응하여 휘발성 염화물을 생성함으로써 원료를 정제합니다.
폐가스 처리: 제련 과정에서 다량의 CO 가스가 발생하는데, 오염 방지를 위해 이를 포집, 활용 또는 소각해야 합니다.
공정 특성 및 과제:
높은 에너지 소비량: 탄화규소 1톤을 생산하는 데 약 8000~10000kWh의 전력이 소비됩니다.
온도 제어가 매우 중요합니다. 온도가 너무 낮으면 반응이 불완전하게 일어나고, 온도가 너무 높으면 SiC가 분해됩니다.
환경 요구사항: CO 가스와 분진은 처리되어야 하며, 최신 공정에는 종종 폐열 회수 시스템이 포함됩니다.
현대적 개선 방향:
대형 용광로 유형: 단일 용광로 생산량 증대(최대 수천 톤).
자동화 제어: 에너지 소비를 줄이기 위해 전원 켜짐 곡선을 최적화합니다.
친환경 제련: 폐가스 회수를 통한 발전 및 폐기물 재활용.