Ringkasan Proses Pembuatan Silikon Karbida (SiC).

Silikon karbidabahan abrasif biasanya diproduksi menggunakan kuarsa dan kokas minyak bumi sebagai bahan baku utama. Pada tahap persiapan, bahan-bahan ini menjalani pemrosesan mekanis untuk mencapai ukuran partikel yang diinginkan sebelum secara kimiawi proporsional ke dalam muatan tungku.Untuk mengatur permeabilitas muatan tungku, serbuk gergaji dalam jumlah yang sesuai ditambahkan selama pencampuran. Untuk produksi silikon karbida hijau, sejumlah garam juga dimasukkan ke dalam muatan tungku.

Muatan tungku dimasukkan ke dalam tungku resistansi tipe batch, yang memiliki dinding ujung di kedua ujungnya dengan elektroda grafit yang diposisikan dekat bagian tengah. Badan inti tungku menghubungkan dua elektroda, dikelilingi oleh bahan muatan tungku reaktif, sementara bahan isolasi membungkus perimeter luar. Selama pengoperasian, tenaga listrik memanaskan inti tungku hingga suhu antara 2600-2700°C. Perpindahan panas dari permukaan inti ke bahan bermuatan, yang bila suhunya melebihi 1450°C, akan mengalami reaksi kimia membentuk silikon karbida dan melepaskan karbon monoksida.

Ketika proses berlanjut, zona suhu tinggi meluas, secara bertahap membentuk lebih banyak kristal silikon karbida. Kristal-kristal ini menguap, bermigrasi, dan tumbuh di dalam tungku, akhirnya menyatu menjadi massa kristal berbentuk silinder. Dinding bagian dalam massa ini mengalami suhu melebihi 2600°C, menyebabkan dekomposisi yang melepaskan silikon, yang kemudian bergabung kembali dengan karbon untuk membentuk silikon karbida baru.

Distribusi tenaga listrik bervariasi dalam tiga fase operasional:

1. Fase awal: Terutama digunakan untuk memanaskan muatan tungku

2. Fase menengah: Peningkatan proporsi pembentukan silikon karbida

3. Fase akhir: Didominasi oleh kehilangan panas

Hubungan daya-waktu yang optimal dikembangkan untuk memaksimalkan efisiensi termal, dengan durasi pengoperasian tipikal sekitar 24 jam untuk tungku skala besar guna memfasilitasi koordinasi alur kerja.

Selama pengoperasian, terjadi reaksi sekunder yang melibatkan berbagai pengotor dan garam, menyebabkan perpindahan material dan pengurangan volume. Karbon monoksida yang dihasilkan keluar sebagai polutan atmosfer. Pasca pemadaman listrik, reaksi sisa bertahan selama 3-4 jam karena inersia termal, meskipun intensitasnya berkurang secara signifikan. Ketika suhu permukaan menurun, pembakaran karbon monoksida yang tidak sempurna menjadi lebih parah, sehingga memerlukan tindakan keselamatan kerja yang berkelanjutan.

Bahan pasca tungku dari lapisan luar hingga lapisan dalam terdiri dari komponen sebagai berikut:

(1) ‌Bahan muatan yang tidak bereaksi‌

Bagian muatan yang gagal mencapai suhu reaksi selama peleburan tetap bersifat inert, hanya berfungsi sebagai isolasi. Zona ini disebut pita isolasi. Komposisi dan metode pemanfaatannya berbeda secara signifikan dengan zona reaksi. Proses tertentu melibatkan pemuatan muatan segar ke dalam area pita insulasi tertentu selama pemuatan tungku, yang diambil setelah peleburan dan dicampur ke dalam muatan reaksi sebagai bahan yang dikalsinasi. Sebagai alternatif, bahan pita insulasi yang tidak bereaksi dapat menjalani perlakuan regenerasi dengan menambahkan kokas dan serbuk gergaji untuk digunakan kembali sebagai muatan yang habis.

(2) ‌Lapisan silikon karbida teroksidasi‌

Lapisan semi-reaksi ini terutama mengandung karbon dan silika yang tidak bereaksi (20-50% sudah diubah menjadi SiC). Perubahan morfologi komponen-komponen ini membedakannya dari muatan yang habis. Campuran silika-karbon membentuk agregat amorf berwarna abu-abu kuning dengan kohesi longgar, mudah hancur di bawah tekanan—tidak seperti muatan yang habis di mana silika mempertahankan granularitas aslinya.

(3) ‌Lapisan pengikat‌

Zona transisi kompak antara lapisan teroksidasi dan zona amorf, mengandung 5-10% oksida logam (Fe, Al, Ca, Mg). Komposisi fasa meliputi silika/karbon yang tidak bereaksi (40-60% SiC) dan senyawa silikat. Diferensiasi dari lapisan yang berdekatan menjadi tantangan kecuali jika terdapat banyak pengotor, terutama pada tungku SiC hitam.

(4) ‌Zona amorf‌

β-SiC kubik yang dominan (70-90% SiC) dengan sisa karbon/silika (2-5% oksida logam). Bahan gembur mudah hancur menjadi bubuk. Tungku SiC hitam menghasilkan zona amorf hitam, sedangkan tungku SiC hijau menghasilkan varian hijau kekuningan—terkadang dengan gradien warna. Partikel silika kasar atau kokas rendah karbon dapat membentuk struktur berpori.

(5) ‌SiC kelas menengah‌

Terdiri dari kristal α-SiC (kemurnian 90-95%) terlalu rapuh untuk penggunaan abrasif. Berbeda dari β-SiC amorf (bubuk, kusam), kelas menengah menampilkan kisi kristal heksagonal dengan kilau seperti cermin. Pemisahan antara kelas sekolah menengah dan sekolah dasar murni bersifat fungsional, meskipun kelas sekolah dasar mungkin masih memiliki struktur yang keropos.

(6) ‌Kristal SiC tingkat dasar‌

Produk utama tungku: kristal α-SiC masif (kemurnian>96%, tebal 50-450mm). Balok-balok yang padat ini tampak berwarna hitam atau hijau, dengan ketebalan yang bervariasi menurut daya tungku dan lokasi.

(7) ‌Inti tungku grafit‌

Berdekatan dengan silinder kristal, SiC yang terurai membentuk replika grafit dari struktur kristal asli. Inti bagian dalam terdiri dari grafit yang dimuat sebelumnya dengan grafitisasi yang ditingkatkan setelah siklus termal. Kedua jenis grafit tersebut didaur ulang sebagai bahan inti untuk batch tungku berikutnya.