中国碳化硅冶炼工业发展简介
尽管碳化硅及其制品，在现代工业的黑色冶金、有色冶金、金属电解以及航天、电子等领域已是不可或缺的重要材料，但因总体规模小，从业人员少，在我国只是一个鲜为人知的小行业。几十年来除郑州三磨所外，尤其是冶炼方面没有自已的研究机构，除以前的郑机专和近来的河工大外，大中院校科系中无此专业，也没有多少系统的文字资料。之所以有了今日的发展规模和技术进步，完全是靠企业自身的努力。今蒙《磨料磨具》杂志社约我撰写碳化硅发展史，一谈到史有点太严肃，恐怕我不能胜任，我只能尽自已所知，以一个行业老人的身份，向行业后来的佼佼者们讲述一些旧事。先写一点碳化硅冶炼方面的旧事，如蒙还觉可以，那另篇再写碳化硅加工方面的旧事。限于本人不太好的记忆和文字表达水平，遗漏和谬误在所难免，望同仁不吝补正。
我国现代磨料磨具的奠基者和碳化硅的发源地--原第一机械工业部沈阳第一砂轮厂
在我国要提到磨料磨具或碳化硅，就不能不提到沈阳第一砂轮厂，这第一砂轮厂（虽已于1996年破产）是1948年沈阳解放后，从日商手里接收的，始建于1940年，原为日本吴制砥所株式会社满洲分所的一个作坊式工场。解放后更名为沈阳市机械第十三厂，1949年10月中华人民共和国成立后，又更名为第一机械工业部苏家屯砂轮厂，这是我国当时唯一的一家砂轮厂，但生产需要的刚玉和碳化硅等主要磨料，尚依赖从日本和朝鲜进口。朝鲜战争爆发后，西方资本主义国家加大了对我国的经济封锁，苏家屯砂轮厂的生产，成了无米之炊。当时又因要支持抗美援朝战争，军工生产对磨料磨具的需求，迫使我国必须自行试制人造磨料。在这种形势下，苏家屯砂轮厂担当了磨料的试制任务。于50年代初先后试制成功了碳化硅、棕刚玉、白刚玉和硅碳棒。这一联串磨料的试制成功，加上自1953年起，中苏关系出现了裂隙，磨料磨具对国家生存和建设的重要性更为凸显。于是将刚玉和硅碳棒部分迁至山东淄博（成为后来的第四砂轮厂），还自1956年起，工厂实行保密，对外称441厂，通讯地址是沈阳市第604信箱，至50年代末才正式定名为中国第一机械工业部沈阳第一砂轮厂。在这段时间里，一砂曾为许多兄弟厂和同行业培训了大量的专业、管理人才：五十年代就接受了一机部工具科学研究院（现郑州磨料磨具磨削研究所和哈尔滨工具研究所的前身）、二砂（从厂长到全体职工）、三砂等来厂实习；六十年代接受了上海、苏州、合肥和牡丹江等地方砂轮厂来实习；还接受过朝鲜、越南和阿尔巴尼亚的实习生。同时也派员参与对淄博第四砂轮厂、贵阳第三砂轮厂、郑州第二砂轮厂和中磨公司的筹建。可以说，现在或曾经活跃在磨料磨具行业的资深专家和行业企业领导，如王津、钱惟圭、黄炳磷、孟庆辉、何以权、王辅生、张念东、范世纶、周甫浚、曾继良、甘素贞和陈和生等，无一不与一砂有着各种各样的渊源，所以说，第一砂轮厂是我国现代磨料磨具行业的奠基者。
我国的碳化硅工业生产始于1949年，由当时苏家屯砂轮厂的电气技术员徐学政（苏州人，来厂前在苏州开过电器商店，但因政治或排挤等原因被定为反革命而送进监狱，60年代平反后回过厂）和电工赵广和（因此而获全国劳模、助理工程师）等借鉴日本出版的、一本已无封面也无书名的32开装小册子（估计不是日本昭和电工就是窝臼岛电工的早期出版物），其中有一页半以日文简述碳化硅工业生产的设备和原料，还附有一张卧式电阻炉的照片和一个填有数字的原料配方表。受此启发，便在硅碳棒炉内放入石英砂和焦碳颗粒，通电后获得了碳化硅晶体。后来在中科院大连（现在的沈阳）金属研究所研究员曹子让先生帮助下，借鉴和参考来自苏联的一册，由苏联科学技术候补博士卡缅采夫编写的，人工刻印的《人造磨琢材料》上所述的碳化硅冶炼内容。以三台500KVA单相交流变压器供十二台五米长，耐火砖砌的槽式电阻炉，分成三组开始了我国最初的碳化硅工业生产，所以说一砂是我国碳化硅工业生产的发源地。
在我国六十年来的碳化硅工业生产过程中，大致可分为以下几个阶段。
（一）
磨料用碳化硅生产时期（50年代初至70年代末）
一、生产厂家、规模与年产量
这一时期中，自1958年开始，我国开始了工农业大跃进，当时我国的工业建设是以钢铁等重工业和机械制造业为主，故对磨料磨具的需求也随之日益增长。1958年，各地的地方砂轮厂也纷纷建立，其中能生产磨料的砂轮厂或称金刚砂厂的也日益增多。至60年代末，其中能生产碳化硅的企业有：一砂、二砂（60年开始生产生产磨料）、牡丹江砂轮厂、上海砂轮厂、浑江金刚砂厂、湖北丹江口金刚砂厂和苏州砂轮厂等，但单台电炉的容量和总体规模都不大，其中较大的有：一砂拥有容量为5000KVA三台、二砂拥有容量为4000KVA四台、牡砂有一台容量为5000KVA的、浑江有两台总容量为4000KVA的、上砂有一台2200KVA的。容量小于2000KVA的生产厂家有江苏苏州、内蒙赤峰、吉林安图等。但在计划经济的条件下，一些地方砂轮厂根本分配不到磨料，尤其是碳化硅中的绿碳化硅，市场上根本买不到，到了文革时期，凡是要用绿碳化硅的砂轮厂或地区就利用一切可能上碳化硅项目，以至城市的街道、农村的公社，凡是有点条件的地方又陆陆续续上了一些碳化硅厂或车间，如江苏马鞍山、海州、浙江德清、湖南汩罗、江西庐山、吉林榆树、河北唐山、山东滕县、辽宁新宾、大连旅顺、丹东浪头、沈阳铁西启工街道、河北迁安夏官营公社和辽阳邵二台子公社等都开始了绿碳化硅的冶炼。这一时期中，自50年代中期，辽宁的葫芦岛锌厂就开始，在750KVA电炉上，以石油焦炼制黑色碳化硅，用以制作制锌的反应釜。这是当时我国唯一一家生产非磨料用途黑碳化硅的厂家。当然，后期如一砂用碳化硅生产一些陶瓷结合剂的碳化硅耐火板，还有第五砂轮厂和唐山碳化硅厂生产过一些小型的碳化硅陶瓷等非磨削用途的碳化硅制品。至此，全国碳化硅年产量约在三万吨位左右，百分之九十以上是绿碳化硅并用作磨料。这也是碳化硅冶炼行业之所以归属于机械工业机床与工具系统的原由。
二、这一时期的工艺技术和装备
1、炉心体制作的演变和装炉用反应箱（或称隔板箱）的由来。
50年代初，一砂的炉心体是圆形的，先以水泥袋纸和白细布用糨糊糊成一直径固定的与电炉长度等长的圆筒，一头用绳扎住，先装入一部分砸成5厘米左右的碳素块，然后吊起，边用木锤敲打（以增加填充密度）边装入同样的碳素块，装实后再扎上。抬至炉上打开扎口处使与炉头电极接触好，布纸筒就在冶炼中烧掉了。1956年民主德国专家格劳克建议用两块木板与炉料隔开在中间填以碳素块，炉心体由此就变成了方形。由于块状碳素块在冶炼过程容易沉入结晶中，就改用天然的鳞状或土状石墨，间或掺一些油焦粉。当炉用功率增大后，炉心周围分解的石墨增多，炉心体才全部用电炉自产的分解石墨。四块装炉心的隔板和分隔反应料与保温料的隔板随着炉体的增大和加长，木质的隔板被钢板所代替，为了防止装料时碰歪，最后才将四块钢板联结成了现在的两个反应箱。
2、解决绿、黑碳化硅难产
当时主要生产的是磨料用的绿碳化硅和少量的黑碳化硅以及避雷器碳化硅，除了一本《人造磨琢材料》外，没有专门炼制绿碳化硅的资料或文章可供借鉴，只能靠自已摸索，在1962年前，各厂在绿碳化硅的冶炼上很不稳定，下部的结晶绿了上部的不绿，两头的绿了中间的不绿，里面的绿了外层的不绿。当时的一砂是用三台5000KVA变压器（实用功率为2200KW,11米长的砖砌槽式炉），虽然炉炉炼的是绿碳化硅，但出的绿结晶平均不到50%.曾聘请过国外的专家来厂帮助，如1956年请了民主德国的格劳克专家来厂九个月，1957年请了中科院沈阳金属研究所曹子让先生来厂指导（我荣幸地被其指定为联络员，遗憾的是只去所里两三次后，就因反右运动就停止了与他的联系），1959年请了苏联专家卡查斯基来厂六个月的帮助，也没有解决绿碳化硅的难产问题。最后还是一砂自行不断提高原料的纯度和在焙烧料工艺的配合下，终于在1962年至1963年间，解决了我国碳化硅生产史上，历时十多年的绿碳化硅生产不稳定这一难题。并于1965年在磨料磨具磨削研究所主编的期刊《经验交流》（也即现在《磨料磨具磨削》期刊）上，公开发表了由我代表一砂赵广和、石世鸣、陈玉江和李友才等撰写《关于稳定生产绿碳化硅的若干工艺问题》的论文。至此，绿碳化硅难产问题得到了解决。但在文革中又出现了反复，一方面是工艺执行不严，另一方面各地所用的硅砂纯度不一。直到1972年，一砂在对各地硅砂品位的调研过程中，发现了江苏东海县一带（包括临近的新沂市和山东赣榆县）地下开采出的脉石英，其色洁白，破碎后的颗粒几近透明，其出售的上白砂SiO2含量普遍在99.50%以上，而精白砂的SiO2含量可达99.60~99.90%.当地农民在采挖过程还不时挖出水晶，其中最大的一块保存当地地质部门的105矿内，水晶单体重达六吨多，晶体六边周长有一抱多粗。将东海的上白砂投入绿炉，在其它工艺不变的基础上，炉炉结晶全绿。至此，东海石英砂成了我行业炼绿碳化硅的一大"至宝",迅速在全行业被推广，国内用石油焦炼制绿化硅再也不是什么难题了。此前，做磨具用的黑色碳化硅，从绿炉中出的黑碳化硅就够用了，绿炉出的结晶全绿后，生产磨具用的黑碳化硅必须投黑炉来炼制。一砂于1963年三季开始专门用石油焦和硅砂来炼制黑碳化硅，可由于当时的硅砂纯度很高，整整一个季度投了90个黑炉，没有一炉整炉出过像样的黑结晶，在一砂一时出现了黑碳化硅难产的现象，无论用全新料（为了排除含盐的保温料）、反应料中加入一定量的矾土或含铝钙镁较多的粘合物（现在的三级品）、反应料之硅碳比碳过量到每颗结晶都顶有一颗碳粒（硅碳比严重碳过量的特征），可整炉结晶还是浅绿发白或不黑不绿、半黑半绿，最后只好用含SiO298.50%左右的许家屯硅砂，黑碳化硅难产始得解决。由此，当时得出的结论是，用石油焦与纯度很高（SiO2含量大于99.50%）的硅砂来炼制黑碳化硅是不可能的，当然也给后人留下了用很纯净的硅砂和石油焦碳来炼制绿碳化硅即使不加盐，也是可能的.同时为了适应石油工业炼焦工艺的改革（由原来固定碳90~96%的釜式焦变为当时固定碳只有70%左右的延迟焦）而形成的反应料炉底焙烧法，纳入了用石油焦炼制绿碳化硅冶炼的正常工艺-焙烧料工艺，一直沿用至今。
3、焙烧料工艺的问世
1962年，我国大庆油田的原油生产量日益增涨，以釜式焦（将黏稠的油底子置于一反应釜中加温，至其挥发份几乎都挥发掉为止，因此这种釜式焦挥发份少，固定碳含量都在90%以上）工艺生产石油焦，已不能适应石油生产日益增涨的需要，便以延迟焦工艺，即将黏稠的油底子置于一罐内，加温至4000℃时，立即冲入高压水，使焦炭随水的气化而炸裂，并随同大量的水流流入焦炭池里，这种焦炭含挥发份和水份都在10%以上，用此工艺生产的油焦，其固定碳含量在70%左右，但又不得不用这种油焦，这对一砂当时碳化硅冶炼不论从产品的质量和产量上都造成了极大的影响，结晶的致密度和产量都有很大的下降。可一时又找不到其它适用的含碳原料，只有通过将延迟焦干熘去除其挥发份和水份，考虑冶炼炉炉槽内的下部反应区和保温区，冶炼过程其温度可达800~20000℃，如将配好的反应料装入其间，则炉料中的油焦就像经过一次干熘（焙烧）一样可将其挥发份全部挥发掉，再将这经过焙烧的炉料投入下一炉的反应区，定能达到用釜式焦冶炼时一样的质量指标。经过多个轮次的试验，克服了浇水冷却、出料、运输对焙烧料硅碳比的影响，终于获得了成功，而且还出乎预料的比用釜式焦冶炼时的产量还高。总结其原因主要是：粉状的碳粉经焙烧后烧结成多孔的球状，改善了炉料的透气性；焙烧后的炉料堆密比新料要大一些；原本散落在下部保温料中的下部二级品（绿炉的结晶筒下部因结晶疏松而形成下部开口的马蹄状）得以随焙烧料回到下一炉的反应区而得以利用等。但在设计绿色碳化硅炉的结构与容量时必须考虑，在炉槽焙烧的炉料量必须正好用于下一炉反应区的需量，而且要随时注意调整下一炉反应料的硅碳比。
4、避雷器碳化硅的试制成功
避雷器碳化硅，是专门用于高压或超高压输电线路，导雷入地的一种具有非线性电导性能的特种碳化硅，用它加工后制成的阀片是高压避雷器的核心材料。高压输电线路的架空零线通过此避雷器接地，正常输电情况下，它对地是绝缘的，线路遭遇到超高压、超强电流的雷击时，这阀片却变成了良导体，将这超高压强电流导入大地而保护了输电线路。五、六十年代，我国东北地区重工业建设的蓬勃发展，已建成220KV的输电线路，极需高压避雷器来保护。时至1963年，当时的一机部，就给西安电瓷研究所、一砂和抚顺高压电瓷厂下达了高压避雷器用碳化硅的研制任务，由我与西瓷所的韦技术员（女）和抚瓷的张技术员，组成了试制小组，在一砂的电炉上试制避雷器碳化硅，由抚瓷做阀片，由西瓷所做性能测试。开始在正常的黑碳化硅炼制的原料中添加氧化铝粉或矾土粉，效果不是太好，不能耐太高的电压，后来用含Al2O33~5%的无烟煤与含SiO299.5%的硅砂作原料，不断调整炉料中的Al2O3含量进行反复试验，终于在炉料含Al2O31.5~2.3%的条件下，炼制成功了符合要求的避雷器碳化硅。
5、这一时期的工艺装备
1）从供电设备方面来说，基本上都用交流单相变压器供电，只是调压方式是多种多样的，大多数是采用变压一次线圈抽头调压、有串联自耦变压器调压（一砂）、串联磁扼电流放大器调压（二砂）、串联容量较小的升压变压器调压（苏砂）等。只有河北迁安县夏官营公社碳化硅厂的1000KVA的电炉采用直流供电，而且是采用可控硅整流元件进行整流并调压，由于当时整流元件的各种参数很不一致也不稳定，所以整流效率和调压效果很不理想，但毕竟是开了我国碳化硅冶炼史上，尝试用直流供电、晶体管整理流和调压的先河。而直流供电与交流供电相比其主要优点是：不用考虑供电网三相负荷的平衡，可以选用较大功率的炉用变压器（如直流供电采用一台炉变容量为15000KVA三相整流变，而交流供电就得考虑电网三相负荷的平衡，只能选用三台5000KVA单相交流变）；免除了交流供电时大电流短网的感应损耗，提高了功率因数；同样的送电功率下可以对电炉采用高电压低电流供电，以减少变压器二次线圈和直流母排的截面和损耗；基本上可以免除工人在送电炉周围操作时触电的可能性等。因此说，碳化硅冶炼采用直流供电，无论从供电设备制造、导电母排与电极的选用还是在冶炼产品的产质量和经济指标和安全方面都要优于交流供电。
2）从电炉结构方面来说，基本上还是没有脱离"艾奇逊"卧式电阻炉的槽式结构，只是大小和槽底形状（有矩形的、倒梯形和弧形的）有些不同而已。
3）从配混料、装出炉和炉料传送的工艺装备来说，基本上和现在的生产企业无明显的不同，配料的秤量一般的还是用手推车和地磅，只有二砂（白鸽集团）最先使用压电元件的电子秤秤量，一砂用轨道秤车秤量。混料则都用各种各样混凝土搅拌机，只是容量与密封性能有所不同。
4）活动炉
这期间在冶炼工艺机械化方面，虽想尽了办法，但由于固定炉冶炼，各工序要在不同地点不同的炉上实施机械化确实有一定的困难，一砂和二砂在70年代初先后使用了活动炉冶炼碳化硅。活动炉就是将电阻炉置于一可承重、下装轮子、可在轨道上顺向移动的炉车上。再由拖车（亦称托车）拖送到各个炉位（有装炉炉位、送电炉位、冷却炉位、提侧墙清保温料炉位、分级炉位和出炉底料炉位）上，各工序的位置一固定，也就便于各工序的机械化了。所以这活动炉比之固定炉的机械化程度要高得多，可以说除分级以外基本上无很费力的体力劳动。这活动炉的投产，可以说是碳化硅冶炼工艺装备机械化方面的一项突破，也确实领先于当时各国的碳化硅冶炼工艺装备，但如炉型太大时，炉车和拖车受重量限止，不能采用活动炉。
5）首次在碳化硅冶炼过程的温度测定
碳化硅冶炼工艺的调处，之所以至目前还处于经验型而较难驾驭，就是因为整个冶炼过程无科学观测手段进行观测，从炉心体到炉表，各料层的温度很难测定、固气转化、晶体的形成与成长以及气体流动的方向等情景更无法直观得知，工艺人员只能从冶炼前后与冶炼过程的种种现象和积累的经验来进行分析推理。这种状况无论对冶炼工艺技术的改进创新还是对工艺人员水平的提高都是一种阻碍。一砂曾想改变这种局面，采取先易后难的步骤，于1973年，首先做了冶炼过程的炉温测定。先是用铁管的铂铑热电偶插入冶炼炉炉料内，虽可获得被测点的升温曲线，但限于铂铑热电偶的测温范围，只能在13000C左右，只能测到保温料某处的升温曲线。在测定反应区的温度上，一砂是用一根直径300毫米，长1500毫米的石墨化电极，在其一端钻两个直径20毫米，底端相通的深孔。在装炉时，将这电极无孔而很薄（小于10毫米）的底端，置于欲测温的料层处，冶炼过程在电极外露侧墙外的一孔通以堕性的氩气（以防8000C以上高温下电极氧化产生烟雾），从另一孔用光丝高温计来测定电极底端薄壁的温度。测一次能得到某一点的升温曲线，限于当时只有能测20000C的光丝高温计，因此只能测得反应区边缘的温度，又因每测一次，就得因氧化或出炉或提侧墙时弄断电极，毕竟工厂不是研究机构，测了几次也就因经费等原因就停止不测了，但这毕竟开了碳化硅冶炼测温的先河。我想就以现在的科技进步，欲测碳化硅冶炼过程反应区的温度，一定不会像当初那么难了。
6、有关碳化硅冶炼系统资料的形成
于1974~1975年文革期间，邓小平在对各行业的整顿中，一机部就下达了《机械工程手册》与《磨料磨具手册》的编撰任务。我行业由磨料磨具磨削研究所组织实施，于1975年冬由我编撰完成了《磨料磨具手册》磨料篇中的第三章《碳化硅冶炼》的征求意见稿，打印120份，发往有关单位征求意见，后因邓小平的下台而没有出版。这是我国在碳化硅冶炼方面首次有了自已比较系统的手册式的书面资料，也是我国用石油焦冶炼绿色碳化硅二十多年的初步总结，限于当时的水平，很不全面，尤其是以无烟煤冶炼碳化硅方面几乎没有涉及，在电炉设计方面甚至起了误导作用，但这毕竟是我国的首次。
