Термодинамическое моделирование формирования карбида кремния в процессе Ачесона в нестехиометрических смесях
https://doi.org/10.29235/1561-8358-2024-69-2-106-113
Аннотация
Представлен краткий обзор и критическая оценка литературных данных, касающихся механизма карботермического восстановления оксида кремния. Для разрешения разночтений в данных о количестве химических реакций и ключевых промежуточных веществах в процессе Ачесона в работах различных авторов было проведено термодинамическое моделирование состава продуктов карботермического восстановления оксида кремния (IV) при общем давлении 1 бар. Определено, что среди промежуточных веществ отсутствуют CO2 и Si при температурах, близких к температуре образования карбида кремния (от 1520 до ~ 2500 °С). Из нескольких десятков возможных реакций были выделены две доминирующие реакции, приводящие к образованию карбида кремния. Обнаружено влияние температуры реагентов в диапазоне от 1000 до 3000 °С, их локального окружения и отклонения от стехиометрии исходной смеси на состав продуктов реакции. Установлена существенная асимметрия при небольших отклонениях состава шихты от стехиометрии: локальный избыток оксида кремния (IV) на уровне нескольких массовых процентов приводит к увеличению потерь SiC в 10–16 раз большему, чем аналогичный по величине локальный избыток углерода. Полученные новые данные объясняют некоторые эмпирические наблюдения и упрощают физико-химическое моделирование процесса Ачесона.
Об авторах
В. Б. Щербакова
Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси
Беларусь
Беларусь
Щербакова Валентина Борисовна – младший научный сотрудник
ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск
П. С. Гринчук
Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси
Беларусь
Беларусь
Гринчук Павел Семенович – член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси, доктор физико-математических наук, заведующий отделением теплофизики
ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск
Список литературы
1. Гаршин, А. П. Новые конструкционные материалы на основе карбида кремния / А. П. Гаршин. – М.: Юрайт, 2021. – 182 c.
2. Применение техногенных отходов металлургических предприятий для производства карбида кремния / О. А. Полях [и др.] // Изв. высших учеб. заведений. Черная металлургия. – 2014. – Т. 57, № 8. – С. 5–12. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2014-8-5-12
3. Gupta, G. S. An Analysis of Heat Distribution in the Production of SiC Process / G. S. Gupta, P. Raj, K. Tiwari // Procedia Manuf. – 2019. – Vol. 30 – P. 64–70. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.02.010
4. Derevyanko, I. V. Researching of thermophysical processes in Acheson furnace for the production of silicon carbide / I. V. Derevyanko, A. V. Zhadanos // Proc. of XIV International Ferroalloys Congress INFACON “Energy efficiency and environmental friendliness are the future of the global Ferroalloy industry”, Ukraine, Kiev, May 31 – June 4, 2015. – Kiev, 2015. – Vol. 2. – P. 555–560.
5. Bahl, O. P. Anomalous behaviour of a small laboratory Acheson graphitization furnace / O. P. Bahl, B. S. Chauhan // Carbon. – 1974. – Vol. 12, № 2. – P. 214–216. https://doi.org/10.1016/0008-6223(74)90030-X
6. Koukkari, P. A Gibbs energy minimization method for constrained and partial equilibria / P. Koukkari, R. Pajarre // Pure Appl. Chem. – 2011. – Vol. 83, № 6. – P. 1243–1254. https://doi.org/10.1351/PAC-CON-10-09-36
7. Matizamhuka, W. R. Gas transport mechanisms and the behaviour of impurities in the Acheson furnace for the production of silicon carbide / W. R. Matizamhuka // Heliyon. – 2019. – Vol. 5, № 4. – P. e01535. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e01535
8. Chen, C. Y. Kinetics of synthesis of silicon carbide by carbothermal reduction of silicon dioxide / C. Y. Chen, C. I. Lin, S. H. Chen // Br. Ceram. Trans. – 2000. – Vol. 99, № 2. – P. 57–62. https://doi.org/10.1179/bct.2000.99.2.57
9. Carbide, Nitride and Boride Materials Synthesis and Processing / ed. A. W. Weimer. – London: Chapman & Hall, 1997. – 671 p. https://doi.org/10.1007/978-94-009-0071-4
10. Agarwal, A. Influence of pellet composition and structure on carbothermic reduction of silica / A. Agarwal, U. Pad // Metall. Mater. Trans. B. – 1999. – Vol. 30, № 2. – P. 295–306. https://doi.org/10.1007/s11663-999-0059-9
11. Seo, W.-S. Morphology and stacking faults of β-silicon carbide whisker synthesized by carbothermal reduction / W.-S. Seo, K. Koumoto, S. Aria // J. Am. Ceram. Soc. – 2000. – Vol. 83, iss. 10. – P. 2584–2592. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01593.x
12. Kinetics of carbothermal reduction synthesis of beta silicon carbide / A. W. Weimer [et al.] // AIChE J. – 1993. – Vol. 39, № 3. – P. 493–503. https://doi.org/10.1002/aic.690390311
13. Abolpour, B. Mechanism of reaction of silica and carbon for producing silicon carbide / B. Abolpour, R. Shamsoddini // Prog. React. Kinet. Mech. – 2020. – Vol. 45 – Art. ID 146867831989141. https://doi.org/10.1177/1468678319891416
14. Synthesis and characterization of nanostructured silicon carbide crystal whiskers by sol–gel process and carbothermal reduction / B. Li [et al.] // Ceram. Int. – 2014. – Vol. 40, № 8. – P. 12613–12616. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.04.099
15. Raj, P. Silicon carbide formation by carbothermal reduction in the Acheson process: A hot model study / P. Raj, G. S. Gupta, V. Rudolph // Thermochim. Acta. – 2020. – Vol. 687. – Art. ID 178577. https://doi.org/10.1016/j.tca.2020.178577
16. Grinchuk, P. S. Effect of random internal structure on combustion of binary powder mixtures / P. S. Grinchuk, O. S. Rabinovich // Phys. Rev. E. – 2005. – Vol. 71, № 2. – Art. ID 026116. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.71.026116
Рецензия
Просмотров: 517
Послать статью по эл. почте 
