Industrialmente a produção de SiC acontece em um forno por bateladas, onde é colocada uma mistura de coque e areia ao redor de um elemento elétrico que fornece calor para a mistura. Após a “queima” do forno, este é desmontando e um cilindro de crude é retirado, separado de acordo com grau de pureza e propriedades físicas e então enviado para o beneficiamento, onde é britado, moído e classificado. O restante do material retorna para uma próxima operação.
Lindstad (2002) explica a forma de transferência de calor nestes fornos: quando o forno é ligado, a temperatura da alma de grafite aumenta rapidamente e a geração de calor é transportada radialmente para fora do forno. Esta transferência ocorre de três formas: através de condução, radiação entre as partículas especialmente na região mais quente e por convecção associada com transferência de massa das reações de evaporação e re-condensação de gases como CO e H2S,
etc.
EIPPCB (2006) apresenta no capítulo 7, seção 9 o estado da arte da produção mundial de SiC, estimada em 750mil toneladas por ano.
Esta produção é feita utilizando dois tipos de fornos diferentes: a instalação tradicional - muito parecida o desenvolvimento inicial de Acheson – e uma modificação do projeto, nomeada Freiland ou processo ESK (Elektroschmelzwerk
Kempten GmbH) (GMELIN, 1986).
As instalações tradicionais consistem em dois a seis fornos estacionários e um transformador por grupo. Os fornos são alocados dentro de galpões e são usualmente equipados como paredes refratárias removíveis, comprimento entre 10 e 20m. Eles operam de 1 a 3 dias e tem eficiência térmica entre 50 e 60%. A
característica da instalação tradicional é um maior rendimento do SiC cristalino, devido ao relativo abrupto gradiente de temperatura (EIPPCB 2006).
A Figura 0-6 apresenta um esquema da seção longitudinal da montagem de um forno de carbureto de silício tradicional:
no centro do forno é colocado grafite em pó para fazer a ligação entre os eletrodos, fechando o circuito elétrico com o transformador. Esta região é chamada “alma de grafite” ou “core”.
Ao redor desta alma é colocada uma mistura de coque e areia, formando a zona de reação – onde ocorrerá a transformação em SiC; Em volta da zona de reação é acrescentada outra camada da mistura
de coque e areia, que funciona como isolante térmico.
Figura 0-6: Seção longitudinal da montagem do forno de SiC
Segundo Mehrwald (1992), após décadas de estagnação, em 1973, a engenharia dos fornos de SiC teve uma reviravolta para melhor: a ESK (Elektroschmelzwerk Kempten GmbH) modificou o processo tradicional, criando o processo Freiland. Este processo é descrito em EIPPCB (2006) como sendo fornos de alta capacidade, com mais de 60m de comprimento e cujos eletrodos são posicionados na parte inferior dos fornos, já que não possuem paredes refratárias. Os fornos localizados ao ar livre operam durante oito dias. A eficiência
Fonte de energia elétrica Zona de reação: coque + areia Camada externa: coque + areia
Alma de grafite
termodinâmica deste processo é dita como mais eficiente devido à maior capacidade e melhor isolamento térmico.
A montagem e composição dos fornos pelo processo Freiland assemelham-se à dos fornos tradicionais: no centro uma camada de grafite faz o papel do condutor entre os eletrodos, ao redor do grafite uma mistura de coque e areia é posicionada na zona de reação e em seguida outra camada de mistura faz o papel das paredes refratárias, isolando termicamente o forno (EIPPCB, 2006).
Seja qual for o tipo do processo, ao final da operação é formando um cilindro de SiC ao redor do elemento condutor, cujo teor de SiC é maior no centro, próximo ao grafite, e decresce a medida que se afasta do centro. A Figura 0-7 apresenta esquematicamente a seção transversal deste cilindro.
Figura 0-7: Seção transversal do forno de SiC após operação
A camada externa de mistura, que não participou da reação, é removida para utilização em outra operação. A primeira camada do cilindro é a crosta, composto por coque e areia não reagidos, SiC parcialmente reagido e condensação de gases formandos durante a operação (SiO, Si, C e outros óxidos das impurezas). Este
Grafite Mistura não reagida
SiC cristal SiC
metalúrgico Crosta
Gases intermediários: SiO, Si, CO, CO2, SixC,
material muitas vezes é também reutilizado em outras operações por possuir teor de SiC em torno de 15%. A próxima camada, que recebe o nome devido sua aplicação, é o SiC metalúrgico. Este material é composto de -SiC, -SiC e elementos não reagidos ou condensados, como SiO2, Si e C; o teor de SiC é aproximadamente
90%. Em algumas fábricas, este material também é reutilizado na mistura da próxima operação. A camada seguinte é o SiC cristal, com teor de SiC superior a 98% é utilizado para aplicações com valor agregado mais elevado. No centro, permanece o grafite, que é reutilizado como material condutor em outras operações.
EIPPC (2006) ainda compara os dois processos em termo de consumo específico de energia: o processo tradicional consome entre 7 e 8MWh/t de 100% SiC e o Freiland é entre 6,2 e 7,2MWh/t de 100% SiC. E acrescenta que a planta localizada na Holanda é a única instalação no mundo que possui uma planta de recuperação de energia, atingindo um consumo de energia final de 5,2 a 6,2MWh/t de 100% SiC. Nesta planta, os gases gerados pelos fornos (principalmente o CO) são coletados e tratados para remoção de derivados de enxofre e posteriormente destinados à uma central de energia elétrica. Normalmente estes gases são apenas queimados na superfície do forno para evitar alta concentração de CO no ambiente de trabalho.
Mehrwald (1992) apresenta a Tabela 0-2 com o objetivo de exemplificar que os parâmetros técnicos e resultados obtidos em várias instalações européias continuam divergindo largamente: o comprimento de forno varia de 8,25 a 40m e o consumo específico de 6,3 a 9,02kWh/kg SiC.
Tabela 0-2: Parâmetros técnicos para produção de carbureto de silício preto em várias plantas européias (MERHWALD, 1992)
Fábrica (cidade) Comprimento do forno (m)
Energia por área de alma (W/cm²) Rendimento de SiC por batelada (t/batelada) Consumo específico de energia (kWh/kg) Rendimento específico t/h t/m kg/mh Delfzijl 40 5,3 238 6,30 1,59 5,95 40 Grefrath 19 8,9 71 7,04 0,59 3,74 31 Arendal 20 8,5 25 7,12 0,60 1,25 30 Lillesand 14 8,6 14,4 6,94 0,41 1,03 29 Wolskij 16.8 9,3 14 7,14 0,58 0,33 35 Saporoshje 11 10,4 9,7 7,73 0,31 0,88 28 Kolo 10 7,4 10,2 7,84 0,26 1,02 26
Piesteritz (with SiCII) 8,25 11,3 6,5 8,74 0,28 0,79 34 Piesteritz (no SiC II) 8,25 10,5 6,1 9,02 0,26 0,74 31
Uma publicação mais recente, SiC & More (2008), menciona a produção de carbureto de silício na China (Binhe Silicon Carbide Production) operando um forno com 94m de comprimento, 6,4m de largura e 6,7m de altura, e um transformado com 26000kVA de capacidade. Uma batelada é feita em 12 dias, e são retirados cerca de 900t de SiC. Desta produção, aproximadamente 65% é o material cristalizado (com 97% SiC) e o restante metalúrgico.