中国粉体网讯 5G通信、新能源汽车等新兴产业对碳化硅材料将产生巨大需求，大力发展碳化硅产业，可引领带动原材料与设备两个千亿级产业。尤其是今年发布的“‘十四五’规划和2035年远景目标纲要”提出我国将加速推动以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体新材料新技术产业化进程，这无疑会进一步促进碳化硅产业的发展。
图片来源：金蒙新材料
众所周知，碳化硅有四大应用，即半导体、陶瓷、耐火材料、磨具！其中半导体对碳化硅的品质要求是最高的，工艺也是最难的。陶瓷、耐火材料、磨具对碳化硅的纯度、粒度、形貌等也有一定的品质要求。整体来说，高品质碳化硅应用领域也相对高端，但这并不意味着低品质的碳化硅就一无是处，比如用于炼钢脱氧剂，在冶炼领域就占据了非常重要的地位。
碳化硅脱氧剂是啥？
首先我们要了解炼钢为什么要脱氧。
碳化硅陶瓷
转炉炼钢可以将生铁中碳等相关杂质氧化，完成化学和物理性质比铁高的钢的冶炼。而在炼钢液中，氧会以溶解氧和非金属杂物的形式存在，在吹氧炼钢及原料等环节产生。想要对钢中碳、锰等杂质元素进行去除，就要进行氧化反应，通过氧化合物的产生使杂质析出。受这些因素影响，钢液中含氧量将逐步提升，需要脱氧处理才能避免氧和钢液在冷凝过程中发生化学反应，导致晶界上有氧化亚铁析出，影响连铸坯凝固组织结构。如未能做好脱氧处理，将导致钢塑形降低，并且出现热脆情况，导致钢铁发生氧化。氧含量如果过多，也会造成硫危害加重，导致钢铁中混入氧化物杂质，影响钢产品力学性能。
传统脱氧剂为硅铁粉和合金粉，但其价格较贵。碳化硅可作为炼钢用脱氧剂，是一种新颖的高性能复合脱氧剂，可代替价格较贵的传统脱氧剂如硅铁粉和合金粉，从而起到降低成本的效果，碳化硅脱氧剂具有脱氧迅速、成渣早、还原气氛浓、泡沫丰富等优点，还能有效地提高元素的回收率，也有增碳作用，代替部分增碳剂。碳化硅作为脱氧剂的钢水质量相对稳定，且能起到细化晶粒、清除有害杂质的作用，大大地降低了炼钢成本。
（脱氧用碳化硅球，来源：金蒙新材料）
其实，国外发达国家早在上世纪60年代就把碳化硅作为炼钢脱氧剂。日本在碳化硅的三大用途中，磨料用量占24%，耐火材料占50%，脱氧剂占25%，与磨料用量大致相同。美国用于脱氧方面的碳化硅量占三大用途的45%。
碳化硅的性能要求
SiC的成分指标
炼钢用SiC脱氧剂的主要成分为SiC、游离Ｃ、游离Si以及少量的杂质元素。通常w（SiC）在40％～50％时，杂质元素w（S）≤700×10-6、ｗ（N）≤300×10-6、ｗ（H）≤100×10-6；w（SiC）达到80％时，杂质元素w（S）≤500×10-6、w（N）≤200×10-6、w（H）≤60×10-6。目前，大部分冶金厂家使用的SiC脱氧剂w（SiC）在40％～50％之间。
SiC的耐高温性
SiC在空气中氧化，其颗粒表面生成１层SiO2，氧在SiO2中扩散系数很低，因此表层的氧化层会对内部起到保护作用。SiC的抗氧化性能够抵抗炉内高温氧化性气体的侵蚀，在熔池表层的气相中烧损少，但是当温度超过1627℃时，它在高温氧化气氛下呈现出显著的不稳定性，被迅速氧化。SiC与碱性金属氧化物开始反应的温度如下：FeO为1300℃，MnO为1360℃，CaO为1000℃，MgO为1000℃。
SiC的脱氧性质
SiC有关脱氧反应的自由能变化值均小于零。SiC与液渣相或液态金属中的氧相互反应，释放出大量热，SiC脱氧反应式为：
由反应式中可知，渣中的氧化铁由5％～15％降到0.5％或更低，提高了S在渣中的分配系数，起到脱硫的作用。此外，SiC的密度为32g／cm3，处于钢水和钢渣的密度之间，钢渣界面反应生成CO又能在熔池中起到搅拌作用，给脱氧反应创造更好的动力学条件，促进钢中[O]的扩散，反应生成CO的排出也可以降低钢液中的其他气体含量。SiC进行脱氧反应后会对钢水起到增Si、增C、去气和去夹杂的效果，脱氧反应为放热反应，会给炼钢过程起到升温的作用。
SiC在炼钢中的应用
SiC应用于脱氧合金化
SiC作为脱氧剂加入钢水后生成低熔点的SiO2和CO气体，CO上浮过程中起搅拌钢液的作用，利于脱氧产物扩散和夹渣物上浮，使其反应更为彻底，脱氧效果好于硅铁。根据出钢前终点碳含量和硅含量，可确定SiC和硅铁的添加量。SiC具有较好的增碳效果，冶炼碳含量较高的钢种时，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元素含量较低，有利于提高钢液质量，是其他增碳剂如石油焦、无烟煤无法相比的。
SiC作炉外精炼脱氧剂
SiC可以作为炉外精炼脱氧剂。精炼炉脱氧和电炉还原期脱氧都属于扩散脱氧，根据分配定律：在一定的温度下，氧在熔渣中与钢水中的溶解度是平衡的，FeO在渣与钢液中的质量分数比是个常数。当SiC加入到渣层表面时，渣中的FeO含量降低，平衡被破坏，为了保持在此温度下的分配常数，钢中氧必向渣中扩散，从而降低了钢中的氧含量，达到钢液脱氧的目的。
SiC用作炼钢提温剂
在炼钢过程中，在碳温不协调时，可通过加入SiC提高钢水温度，在化渣好的条件下，比硅铁具有更大的优势性。
SiC转炉前期脱硫
当铁水硫高（w（S）≥0.05％），硅低（w（Si）≤0.5％）时，每吨钢水加入冶金SiC1.5kg，可提高铁水中S的活度，开吹后由于SiC氧化反应，金属液迅速升温，从而促进石灰熔化，缩短初期成渣的时间。吹炼初期铁水中的O含量低，熔入的SiC促进钢中Ｓ向渣相转移，起到前期脱Ｓ作用。
参考来源：
[1]池震宇，池炎.碳化硅的冶金性能及其在钢铁工业中的应用
[2]张延新，赵晗.炼钢脱氧剂碳化硅的脱氧能力分析
[3]杜家恩，吴春璟.转炉炼钢脱氧工艺的优化研究
（中国粉体网编辑整理/山川）
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