Processo Acheson - Acheson process

Seção transversal de um forno Acheson para a produção de carboneto de silício ou grafite a granel

O processo de Acheson foi inventado por Edward Goodrich Acheson para sintetizar carboneto de silício (SiC) e grafite .

Processar

O processo consiste no aquecimento de uma mistura de dióxido de silício (SiO 2 ), na forma de sílica ou areia de quartzo , e de carbono , em sua forma elementar como coque em pó , em uma tigela de ferro.

No forno, o dióxido de silício, que às vezes também contém outros aditivos, é derretido em torno de uma haste de grafite, que funciona como um núcleo. Uma corrente elétrica é passada pela grafite, que aquece a mistura a 1700–2500 ° C. O resultado da reação carbotérmica é uma camada de carboneto de silício (especialmente em suas fases alfa e beta) formando-se ao redor da haste e a emissão de monóxido de carbono (CO). Existem quatro reações químicas na produção de carboneto de silício:

  1. C + SiO 2 → SiO + CO
  2. SiO 2 + CO → SiO + CO 2
  3. C + CO 2 → 2CO
  4. SiO + 2 C → SiC + CO

Este processo geral é altamente endotérmico , com uma reação líquida

SiO 2 + 3 C + 625,1 kJ → α-SiC + 2 CO

Descoberta

Em 1890, Acheson tentou sintetizar o diamante, mas acabou criando cristais azuis de carboneto de silício que chamou de carborundum . Ele descobriu que o silício evaporou quando superaquecido, deixando o grafite. Ele também descobriu que, ao começar com carbono em vez de carboneto de silício, a grafite era produzida apenas quando havia uma impureza, como a sílica, que resultaria na produção inicial de um carboneto. Ele patenteou o processo de fabricação de grafite em 1896. Depois de descobrir esse processo, Acheson desenvolveu um forno elétrico eficiente baseado em aquecimento resistivo , cujo design é a base da maior parte da fabricação de carboneto de silício atualmente.

Produção Comercial

Diagrama de um forno de Acheson resistivo para produção de eletrodos formados a partir de coque em pó misturado com argila de sílica:
a - mistura de coque e areia,
b - tijolos,
c - eletrodos de carbono,
d - material refratário,
e - hastes para grafitar,
f - granulado Coca

A primeira usina comercial usando o processo Acheson foi construída pela Acheson em Niagara Falls, Nova York , onde usinas hidrelétricas próximas podiam produzir a baixo custo a energia necessária para o processo intensivo de energia. Em 1896, a The Carborundum Company estava produzindo 1 milhão de libras de carborundum. Muitas fábricas atuais de carboneto de silício usam o mesmo projeto básico da primeira fábrica de Acheson. Na primeira planta, serragem e sal foram adicionados à areia para controlar a pureza. A adição de sal foi eliminada na década de 1960, devido à corrosão das estruturas de aço. A adição de serragem foi interrompida em algumas fábricas para reduzir as emissões.

Diagrama do forno de grafização longitudinal Castner relacionado, a legenda é a mesma do forno Acheson

Para fabricar itens de grafite sintética, o pó de carbono e a sílica são misturados com um aglutinante, como o alcatrão, e cozidos após serem prensados ​​em formas como eletrodos ou cadinhos. Eles são então circundados por carbono granulado atuando como um elemento resistivo que os aquece. No forno de grafitização longitudinal Castner mais eficiente, os itens a serem grafitados, por exemplo, hastes, são aquecidos diretamente, colocando-os longitudinalmente de ponta a ponta em contato com os eletrodos de carbono, de modo que a corrente flua através deles e o carbono granulado circundante atue como um isolante térmico, mas fora isso o forno é semelhante ao projeto de Acheson.

Para finalizar os itens, o processo é executado por aproximadamente 20 horas no 200  V com uma corrente inicial de 300  A ( 60  kW ) para um forno de aproximadamente 9 metros de comprimento por 35 cm de largura e 45 cm de profundidade, e a resistência diminui à medida que o carbono aquece devido a um coeficiente de temperatura negativo , fazendo com que a corrente aumente. O resfriamento leva semanas. A pureza do grafite alcançável usando o processo é de 99,5%.

Usos

O carboneto de silício era um material útil na fabricação de joias devido às suas propriedades abrasivas, e esta foi a primeira aplicação comercial do processo de Acheson.

Os primeiros diodos emissores de luz foram produzidos com carboneto de silício do processo Acheson. O uso potencial do carboneto de silício como semicondutor levou ao desenvolvimento do processo Lely , que foi baseado no processo de Acheson, mas permitiu o controle sobre a pureza dos cristais de carboneto de silício.

O grafite tornou-se valioso como lubrificante e para a produção de eletrodos de alta pureza.

Referências

Leitura adicional