[實(shí)用新型]采用單爐多層流化熔融爐的碳化硅生產(chǎn)系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202120294780.0
• 申請日: 2021-02-02
• 公開（公告）號(hào): CN215626825U
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉駿;高定;王寧;李玥鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 北京綠清科技有限公司
• 主分類號(hào): C01B32/963
• 分類號(hào): C01B32/963
• 代理公司: 北京思元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11598
• 代理人: 余光軍;霍雪梅

本實(shí)用新型公開了一種采用單爐多層流化熔融爐的碳化硅生產(chǎn)系統(tǒng)，包括依次連接的干燥破碎裝置、單爐多層流化熔融爐和產(chǎn)品處理裝置，該單爐多層流化熔融爐的氬氣出口通過輸入管道與該干燥破碎裝置的干燥氬氣入口連接，在該輸入管道上裝有空氣燃燒器；該干燥破碎裝置的干燥氬氣出口通過輸出管道與單爐多層流化熔融爐的氬氣入口連接。本實(shí)用新型采用單爐多層流化熔融方式生產(chǎn)碳化硅產(chǎn)品可保證物料的充分混合和傳質(zhì)傳熱，與傳統(tǒng)的熔融法和升華法相比，完全生產(chǎn)出合格碳化硅產(chǎn)品的反應(yīng)時(shí)間可由過去大約15～25個(gè)小時(shí)縮短為現(xiàn)在的1～2小時(shí)，極大地提高了生產(chǎn)效率；惰性氣體的回用降低了能耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種碳化硅生產(chǎn)系統(tǒng)，尤其涉及一種采用單爐多層流化熔融爐的碳化硅生產(chǎn)系統(tǒng)，屬于碳化硅生產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

碳化硅材料用途廣泛，主要應(yīng)用于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、壓電晶體產(chǎn)業(yè)中。目前，常規(guī)碳化硅的制備主要來源于人工合成，其制備方法主要包括升華法和熔解法。其中，升華法是在真空為10-30毫米汞柱的碳管爐內(nèi)靠裝填碳管爐內(nèi)碳化硅爐料升華在內(nèi)壁生長合成生產(chǎn)碳化硅；熔解法是在嚴(yán)格控制溫度在2600度的電爐內(nèi)埋入密閉石墨干坩堝，將粘合成型碳化硅配料提前置于密閉石墨干坩堝內(nèi)熔融生產(chǎn)碳化硅。然而，上述方法在生產(chǎn)過程中存在如下劣勢：(1)熔解法和升華法均屬于間歇生產(chǎn)，產(chǎn)品出爐人工分級(jí)分選；(2)熔解法物料反應(yīng)不完全，在制備完成后爐內(nèi)物料僅在中心部位形成碳化硅產(chǎn)品，其他物料反應(yīng)不完全，如作為保溫層、氧碳化硅層、粘合物層和無定形物層存在等；升華法存在碳化硅晶體生長速率低，并且反應(yīng)空間中的溫度管理困難；(3)熔解法和升華法制備碳化硅的過程中原料由于粘合在一起存在，傳質(zhì)和傳熱效率較低。然而，應(yīng)用流態(tài)化方法可有效提高制備碳化硅原料的混合均勻程度，提高傳質(zhì)和傳熱效率，避免了升華法碳化硅晶體生成速率慢和操作溫度難以控制缺陷，同時(shí)也克服了常規(guī)熔融法電阻爐由內(nèi)到外形成不同的爐料層而造成未反應(yīng)完全原料二次熔爐回用。

常規(guī)碳化硅制備方法主要分為熔融法和升華法。

熔融法的特點(diǎn)：熔融法制備碳化硅主要設(shè)備是電阻爐。其中，電阻爐兩端是端墻，近中心處設(shè)有石墨電極，爐芯體則連于兩電極之間；而爐芯周圍則裝填的是參加反應(yīng)的爐料(主要是石英和碳質(zhì)原料)，外部則是保溫料。在對爐料進(jìn)行熔融生產(chǎn)碳化硅時(shí)，通常通過供電保證爐芯體溫度上升達(dá)到2600～2700℃。此時(shí)被電加熱的爐芯會(huì)把熱量傳給爐料，使之逐漸加熱達(dá)到1450℃以上時(shí)即可生成碳化硅并逸出一氧化碳。伴隨著加熱時(shí)間延長，爐料高溫范圍會(huì)不斷擴(kuò)大，同時(shí)生成的碳化硅也越來越多，最終促使碳化硅在爐內(nèi)蒸發(fā)移動(dòng)結(jié)晶形成圓筒形的結(jié)晶筒。當(dāng)結(jié)晶筒內(nèi)溫度超過 2600℃時(shí)，部分碳化硅產(chǎn)品又會(huì)開始分解，所分解出的硅又與爐料中的碳結(jié)合而成為新的碳化硅。

常用熔融法碳化硅生產(chǎn)設(shè)備主要包括原料混合裝置、熔融生產(chǎn)裝置(電阻爐)和產(chǎn)品處理裝置，如圖1所示。破碎成一定粒度的硅原料、碳質(zhì)原料和輔料在混合裝置中混合均勻成型后后送入熔融生產(chǎn)裝置；混合料和上一操作所產(chǎn)生的回用乏料一起在熔融生產(chǎn)單元中經(jīng)過2600℃左右的高溫生產(chǎn)出高純度碳化硅產(chǎn)品。但是在熔融生產(chǎn)單元中，并非所有的原料和回用乏料都在電阻爐內(nèi)轉(zhuǎn)化為碳化硅產(chǎn)品。因此，在后續(xù)的產(chǎn)品處理單元中，未生成合格產(chǎn)品的回用乏料經(jīng)處理后再次進(jìn)入熔融生產(chǎn)單元中繼續(xù)成產(chǎn)碳化硅。同時(shí)，在此工藝過程中熔融生產(chǎn)過程產(chǎn)生的高溫碳化硅熱量也未得到回收利用。

升華法的特點(diǎn)：升華法是目前商業(yè)生產(chǎn)碳化硅晶體最常用的方法，它是把預(yù)處理制備碳化硅粉料放在石墨坩堝和多孔石墨管之間，在惰性氣氛環(huán)境(通常氬氣)，溫度為2500℃的條件下所生成碳化硅進(jìn)行升華生長制備，但是此法在生產(chǎn)過程中碳化硅生成速率較慢，不易控制所生長碳化硅晶體晶型尺寸；同時(shí)，生產(chǎn)中操作溫度也不易控制。

現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)：

(1)熔解法和升華法均屬于間歇生產(chǎn)，產(chǎn)品出爐人工分級(jí)分選；

(2)熔解法物料反應(yīng)不完全，在制備完成后爐內(nèi)物料僅在中心部位形成碳化硅產(chǎn)品，其他物料反應(yīng)不完全，如作為保溫層、氧碳化硅層、粘合物層和無定形物層存在等；升華法存在碳化硅晶體生長速率低，并且反應(yīng)空間中的溫度管理困難；