中國粉體網訊 5G通信、新能源汽車等新興產業對碳化硅材料將產生巨大需求，大力發展碳化硅產業，可引領帶動原材料與設備兩個千億級產業。尤其是今年發布的“‘十四五’規劃和2035年遠景目標綱要”提出我國將加速推動以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體新材料新技術產業化進程，這無疑會進一步促進碳化硅產業的發展。
圖片來源：金蒙新材料
眾所周知，碳化硅有四大應用，即半導體、陶瓷、耐火材料、磨具！其中半導體對碳化硅的品質要求是最高的，工藝也是最難的。陶瓷、耐火材料、磨具對碳化硅的純度、粒度、形貌等也有一定的品質要求。整體來說，高品質碳化硅應用領域也相對高端，但這并不意味著低品質的碳化硅就一無是處，比如用于煉鋼脫氧劑，在冶煉領域就占據了非常重要的地位。
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
轉爐煉鋼可以將生鐵中碳等相關雜質氧化，完成化學和物理性質比鐵高的鋼的冶煉。而在煉鋼液中，氧會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節產生。想要對鋼中碳、錳等雜質元素進行去除，就要進行氧化反應，通過氧化合物的產生使雜質析出。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程中發生化學反應，導致晶界上有氧化亞鐵析出，影響連鑄坯凝固組織結構。如未能做好脫氧處理，將導致鋼塑形降低，并且出現熱脆情況，導致鋼鐵發生氧化。氧含量如果過多，也會造成硫危害加重，導致鋼鐵中混入氧化物雜質，影響鋼產品力學性能。
傳統脫氧劑為硅鐵粉和合金粉，但其價格較貴。碳化硅可作為煉鋼用脫氧劑，是一種新穎的高性能復合脫氧劑，可代替價格較貴的傳統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、泡沫豐富等優點，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量相對穩定，且能起到細化晶粒、清除有害雜質的作用，大大地降低了煉鋼成本。
（脫氧用碳化硅球，來源：金蒙新材料）
其實，國外發達國家早在上世紀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
煉鋼用SiC脫氧劑的主要成分為SiC、游離Ｃ、游離Si以及少量的雜質元素。通常w（SiC）在40％～50％時，雜質元素w（S）≤700×10-6、ｗ（N）≤300×10-6、ｗ（H）≤100×10-6；w（SiC）達到80％時，雜質元素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中擴散系數很低，因此表層的氧化層會對內部起到保護作用。SiC的抗氧化性能夠抵抗爐內高溫氧化性氣體的侵蝕，在熔池表層的氣相中燒損少，但是當溫度超過1627℃時，它在高溫氧化氣氛下呈現出顯著的不穩定性，被迅速氧化。SiC與堿性金屬氧化物開始反應的溫度如下：FeO為1300℃，MnO為1360℃，CaO為1000℃，MgO為1000℃。
SiC的脫氧性質
SiC有關脫氧反應的自由能變化值均小于零。SiC與液渣相或液態金屬中的氧相互反應，釋放出大量熱，SiC脫氧反應式為：
由反應式中可知，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，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，鋼渣界面反應生成CO又能在熔池中起到攪拌作用，給脫氧反應創造更好的動力學條件，促進鋼中[O]的擴散，反應生成CO的排出也可以降低鋼液中的其他氣體含量。SiC進行脫氧反應后會對鋼水起到增Si、增C、去氣和去夾雜的效果，脫氧反應為放熱反應，會給煉鋼過程起到升溫的作用。
SiC在煉鋼中的應用
SiC應用于脫氧合金化
SiC作為脫氧劑加入鋼水后生成低熔點的SiO2和CO氣體，CO上浮過程中起攪拌鋼液的作用，利于脫氧產物擴散和夾渣物上浮，使其反應更為徹底，脫氧效果好于硅鐵。根據出鋼前終點碳含量和硅含量，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，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，有利于提高鋼液質量，是其他增碳劑如石油焦、無煙煤無法相比的。
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散脫氧，根據分配定律：在一定的溫度下，氧在熔渣中與鋼水中的溶解度是平衡的，FeO在渣與鋼液中的質量分數比是個常數。當SiC加入到渣層表面時，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，鋼中氧必向渣中擴散，從而降低了鋼中的氧含量，達到鋼液脫氧的目的。
SiC用作煉鋼提溫劑
在煉鋼過程中，在碳溫不協調時，可通過加入SiC提高鋼水溫度，在化渣好的條件下，比硅鐵具有更大的優勢性。
SiC轉爐前期脫硫
當鐵水硫高（w（S）≥0.05％），硅低（w（Si）≤0.5％）時，每噸鋼水加入冶金SiC1.5kg，可提高鐵水中S的活度，開吹后由于SiC氧化反應，金屬液迅速升溫，從而促進石灰熔化，縮短初期成渣的時間。吹煉初期鐵水中的O含量低，熔入的SiC促進鋼中Ｓ向渣相轉移，起到前期脫Ｓ作用。
參考來源：
[1]池震宇，池炎.碳化硅的冶金性能及其在鋼鐵工業中的應用
[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.轉爐煉鋼脫氧工藝的優化研究
（中國粉體網編輯整理/山川）
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