[发明专利]制造碳化硅的方法

说明书

本发明涉及制造碳化硅的新方法。

因其合成所需的特殊条件（非常高的温度，高还原性气氛），碳化硅是一种自然状态下极为罕见的材料。但是，这种材料具有非常多的优点，主要是由于其非常高的硬度及其耐火性质。其尤其用作磨料或用于制造炉，但是近来用作宽频带半导体。根据另一种更新的应用，其还用作制造微粒过滤器用的多孔材料。所有这些应用证明以下事实：当前对这种材料的需求极大并与日俱增。

如已知的那样，可能通过在碳-基前体上的硅的高温作用或通过用碳-基前体还原硅前体来合成碳化硅。

更具体而言，根据第二种方式，基本上由碳-基源和二氧化硅源制造碳化硅。

最常见的制造方法是艾其逊法，其包括电加热在两种原材料的混合物中心处的电阻器以便在高于1500℃，甚至远高于2000℃的温度在反应区域中心处引发该简化反应：

SiO₂ + 3C = SiC + 2CO          （1）。

如已知的那样，大量气体通常排放到露天，无论是在加热炉的阶段的过程中、在碳化硅合成阶段的过程中或是在冷却的过程中。

二氧化硅源通常是纯度大于95%的SiO₂（优选大于99%的SiO₂）的沙子。碳的来源通常且优选为石油焦（石油蒸馏的残余物）。石油焦的矿物灰分低（通常低于1%，根据ISO 1171测得）。其还含有硫（根据ISO 19579，通常为0.2%至5%）和挥发性物类（根据ISO 562，通常大约10%）。

在本说明书中，除非另行描述，所有百分数基于干物质以重量百分比给出。

在此类石油焦中，元素氢重量含量（在本说明书中也称为EHWC）通常为大约4%。本发明的EHWC值根据ISO TS 12902标准测得。

在SiC制造过程中使用此类焦炭因产生有害的气态物类，如H₂、CH₄、H₂S、SO₂、硫醇、氨-基化合物和芳族有机物而会在健康、安全或环境（HSE）方面产生不合意的影响。

取决于碳源，还会大量释放焦油或PAH（多环芳族烃）类型的可冷凝物类，这些物类从HSE的角度来看也是不合意的。应注意的是，纯碳源（>99%的C）昂贵得多，不适合大量生产。

为了解决在艾其逊法过程中释放气体的问题，专利US 3,976,829描述了包含气体收集方法的制造SiC的方法。更具体而言，在该公开中提出了在位于艾其逊炉电阻器周围的反应混合物上方附加额外的覆盖装置，其连接到用于收集合成SiC过程中排放的气态产物的装置。随后将收集的气体处理和/或燃烧，以防止有害的还原气体的排放。然而，这种技术需要熟练的操作和精细的工艺控制。特别地，来自该工艺的气体是有毒和/或爆炸性的，通常该气体混合物包含大约50体积%的CO和30体积%的H₂。此类混合物引发和需要对盖子下存在的气体的非常精细和困难的控制。由于艾其逊法如已知那样会因局部过压而发生气体喷发，此类控制甚至更为困难。在此类现象过程中，位于炉顶部的盖子会迅速丧失其效用，并且更糟糕的是，在极端情况下会由于在炉上方贮存潜在不可控体积的爆炸性气体而发生大爆炸。此外，在艾其逊法过程中大量排放可冷凝物类（PAHs）导致用于收集和排放该气体的管道与其它装置的快速堵塞，这使得此类设备的管理昂贵且复杂。

根据第一方面，本发明的目的是提出一种由载有含氢化合物（也就是说，在开始时具有至少2%、或甚至至少3%的含氢重量百分比的化合物）的焦炭，非常特别为石油焦、煤焦炭或来自生物物质的焦炭制造SiC的替代方法，该方法能够限制炉升温、SiC合成和炉冷却阶段过程中有害物类的释放。

在不离开本发明的范围的情况下，还可以使用其它碳源，如来自生物质或来自煤的焦炭。

更具体而言，通过应用本方法，能够在制造SiC的方法的过程中获得许多优点：

- 气体（除了CO，其对反应(1)是固有的）与可冷凝物类（PAHs）的排放以及它们的不合意作用（毒性风险、臭味、过压）方面的降低，尤其在排放到露天的情况下，

- 特别地，在弱结合的硫馏分的含硫气体排放方面的降低，以及在氨-基化合物排放方面的降低，

- 通过碳-基粒子的聚集除去细小粒子（施以飞离）。

根据另一方面，作为本发明主题的方法在其特定实施条件下与通常条件下进行的艾其逊类方法相比能够附加地降低形成SiC的总反应的能耗，特别是炉的电能消耗。