磨料磨具网

前言
　　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S iO2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。
　　（二）黑碳化硅生产大发展时期
　　（80年代至21世纪初）
　　一，初期（80年代）
　　我国正式投产黑碳化硅，始于50年代初的葫芦岛锌厂，是自用于制锌的反应釜，磨料用黑碳化硅的生产始于1963年的一砂，当时作为磨料用量很小，而以较大规模生产黑碳化硅则始于我国改革开放后的80 年代。
　　1、小功率炉遍地开花
　　当时正处我国改革开放初期，由于我国急须外汇和外贸的开放，一直至1989年'6.4'事件发生，西方国家对我国经济制裁为止，我国黑碳化硅出口量逐年递增。碳化硅出口价每吨一级品（SiC含量大于97%）4000~4300元，二级品（SiC含量85~88%）出口价每吨3000~3200 元。平均出口一吨碳化硅企业可获利润2000元以上。而且各外贸公司拿着现钱争着给碳化硅生产厂家下订单。所以在这一时期，我国各地凡有生产能力的碳化硅企业而因电价贵、成本高和环境不宜等停产的，又都纷纷投产，凡在环保允许的地区也都大大小小的新增了不少碳化硅的生产厂家。如第七砂轮厂、第五砂轮厂、吉林的敦化、辽宁的宽甸、辽阳的参窝以及河南、河北、山东、山西等地都不断增加着碳化硅的产能，但除七砂与敦化投入的5000KVA电炉外，电炉容量都比较小，且当时石油焦还是属于国家计划调拨的物资，一般小企业很难购得到，因此各地特别是河南和山西就用土焦、高灰份无烟煤和钢焦等各种含碳原料来生产，一级品的质量虽然低劣，但产出的产品只要SiC含量够就可供出口。还有将原已淘汰或停产的设备迁往电量相对充裕电价很低的西北地区，如一砂在银川合资建了银川碳化硅厂、天砂在石嘴山建了石津碳化硅厂和连（云港）砂在宁夏建了惠农碳化硅厂等。而且还带动了当地如宁夏的简泉、碱沟山、大平、平罗，青海的多巴、大通、民和、平安驿，甘肃的永登、刘家峡、树坪等地纷纷开始建立碳化硅生产企业。此时，我国的碳化硅年产量也由改革开放前的三万吨，突升至六万吨，如包括在建的项目，则碳化硅产能已超过十万吨。
　　2、碳化硅冶炼专着的出版
　　随着碳化硅生产发展的形势，工艺人员的明显不足，以及在职职工的技术等级的考核等。郑州中国磨料磨具公司于1985年前后，组织编写出版了：由一砂石世鸣先生编写的《碳化硅冶炼工艺学》初级本，由一砂余森与石世鸣先生合编的《碳化硅冶炼工艺学》中级本，由余森先生编撰的《碳化硅制造》、《技工考试习题集》以及《磨料磨具手册》等书藉。这对指导当时各地建设碳化硅生产企业及其生产起了很大的有益作用。美中不足的是延用了与1975年手册稿相似的内容-- 总结前三十多年用石油焦冶炼绿碳化硅的经验。对用无烟煤冶炼黑碳化硅几乎没有提及，因此，对西北地区用无烟煤冶炼黑碳化硅，在电炉和工艺的设计方面，某种程度上造成了误导。如对第一家用大功率炉，以无烟煤冶炼黑碳化硅的银川碳化硅厂的设计，电炉设计过宽和过短（造成大喷炉等弊病），工艺上还承袭用石油焦冶炼绿碳化硅的焙烧料、二级品回炉工艺。以后的实践证明用无烟煤冶炼黑碳化硅应用新料法（即新料直接投入反应区）工艺，因这不是冶炼方面的专着，具体的工艺分析对比就不在此赘述了。
　　二、中期（90年代至世纪末）
　　煤基碳化硅的诞生和发展
　　1、太西煤
　　宁夏贺兰山汝淇沟的优质无烟煤，通称太西煤，其灰份含量量低，原煤就有低于4%的；挥发份低，一般不大于8%;固定碳含量高，一般不低于 86%;化学活性好，为石油焦的1.3~1.4倍。是一种很适宜于炼黑碳化硅的含碳原料。宜于炼制碳化硅的优质无烟煤除太西煤外，在国内尚有宁夏中宁碱沟山与云南昭通的无烟煤（其固定碳含量可达92%,灰分只1~3%,但化学活较差）。这种优质无烟煤在国际上也是很少见的，只有原苏联远东地区查波罗什附近的优质无烟煤和越南的优质无烟煤可用于碳化硅冶炼。
　　2、第一组用于煤基碳化硅冶炼大功率电组炉
　　一砂于60年代就选址在石嘴山红果子建大三线企业，定名为第五砂轮厂，目的就是要用太西煤作原料炼制黑碳化硅，厂房和铁路专用线都已建好，三台 5000KVA的变压器也已订好，后因毛泽东说了一句话'此处反帝不反修'而就此作罢。1987年，一砂与银川市协议，在银川北郊芦花台，原银川机制砖瓦厂址上建一碳化硅厂，电炉容量为12500（设计输出功率为8000KW,有效炉长为27.5米，电炉炉长负荷为290KW/M）KVA,由一砂余森先生设计，设计年产量8000吨。于1987年四季破土动工，1989年9月峻工投产，工程决算投资1215万元。投产后（冶炼40多小时）所生产的碳化硅结晶比之用石油焦生产的结晶既颗粒大、致密度高（加工后的堆密也高出0.1~0.2个百分点），炉产量也高。单位耗电也由8000降至6000KWH/吨左右。质量上曾与美商（美国工商五金）提供的巴西用油焦生产的黑碳化硅（同为加工后的12#磨料颗粒）相比，由磨料磨具研究所作的分析测定，不论在SiC含量、硬度、韧性、游离碳和游离S+SiO2含量等方面都不次于巴西样品，有的还好于巴西样品，只有在Fe2O3和磁性物含量上略高于巴西样品，但也没超过国标要求。首先在国内作为磨料应用于金属磨削和石材加工，得到认可，并逐步获得国际客商对煤基碳化硅质量的承认和肯定。这台70年代由沈阳变压器厂制造的，阀侧由四组侧出式线圈组成的12500KVA三相交流变压器，经三相桥式全波整流后，其四组直流母排可串可并或串并联并用，大大扩大了阀侧的调压范围（45~720V）。这是我国第一台用于碳化硅冶炼的大功率直流供电设备，只是当时单个整流元件容量太小，只200A,四个整流柜用了一千多个元件，还由于元件参数不稳定，常常造成三相不平衡而击穿元件，使整流柜的结构、冷却、保护等方面复杂化，不太利于运行。
　　3、我国西北地区煤基黑碳化硅生产的兴起
　　于90年代初起，在我国西北地区的青、甘、宁三地，掀起了用宁夏无烟煤生产黑碳化硅的又一波高潮。尤以青海有电价的优势（80年代末电价为 0.08元 /KWH）其东部地区的民和、乐都、平安、互助、湟中、湟源、化隆、循化、同仁、海宴、门源等县，几乎每个县都建了碳化硅厂，有的县如湟中和平安县都建了三、四家碳化硅生产厂，单台电炉容量大都为3000~6300KVA.甘肃的刘家峡地区是以农电之便，建了十数个碳化硅生产厂，单台容量小到500大至 2000KVA.只树坪的何桥碳化硅厂，电炉单台容量有6300（后用12500）KVA的，且数量和产能逐年增加，到21世纪初，已成为我国产能达十万吨以上，生产规模最大的碳化硅冶炼企业。宁夏以拥有太西煤的优势，在原有一些厂家的基础上，也上了一些冶炼炉，单台容量在5000~6300KVA的碳化硅企业，如电力部门的石嘴山电厂、中宁的金豪、固原的电力、宁北的北方、晨光以及石空的碱沟山、银川冶炼厂等等。这三省区都是用太西煤或碱沟山煤炼制的煤基黑碳化硅（只何桥的部分电炉是用石油焦炼制黑碳化硅，青海门源用部分当地无烟煤）。这期间，由于我国生产的黑碳化硅绝大部分是出口，国内碳化硅产能和产量完全受到国际市场起落的控制，再加上投资者除部分是电力部门外，主要是民营企业，资金不足，市场好的时候，即使贷款也一窝蜂地上产能，市场一下去不是停产就是停建。所以重复建设严重，产能增长得很快，年产量就不一定增长。如1995~1996年国际市场由旺销跌入又一波低谷时，以青海省为例，全省具有二十万吨产能的二、三十家生产厂家，只有三、四家能维持生产，其余的厂家停产的停产，转产的转产（绿碳化硅），甚至一蹶不振而倒闭。年产量只达两、三万吨位。所以至世纪末，我国碳化硅产能已近百万吨，最高年份的年产量可达30~50万吨，约占国际碳化硅年需量的20~30%左右。而国际市场跌入低谷时的出口量只十来万吨，造成国内生产量的萎缩和不少生产企业的停产。至此，我国的西北三省区已成了我国黑碳化硅主要生产基地，黑碳化硅的产能和产量已占全国的 70~80%,产品绝大部分（80%）都是煤基黑碳化硅。
　　4、这一时期的工艺技术及其装备
　　1）、工艺技术方面
　　由于用无烟煤冶炼碳化硅在我国可以说是一种新的工艺，以前没有经验，更没这方面的文字资料。再加上我国碳化硅冶炼方面专业工艺人员的缺乏和水平的参差不齐，在电炉和工艺设计上不能根据无烟煤同石油焦碳因其理化性能的差异而有所不同。好多企业的建设根本就没有设计，只是依样画葫芦地照搬，因而产生了种种的不合理或弊病，给生产带来了诸多问题和操作不便，如：先期的用二级品回炉和焙烧料工艺，浪费了二级品还影响了产品质量；将所有的保温料都当焙烧料投入反应区，造成硅碳比不稳定和难以控制；采用短粗炉型，造成严重喷炉以至伤人；电炉加长到二十多米，直流送电电压还采用200~400V,以致炉心截面大到 500X1000毫米等等。后期虽有改进，但也付出了不小的代价，好在这期间碳化硅冶炼的利润空间较大。
　　2）、工艺装备方面
　　这一时期碳化硅冶炼的产能虽然发展迅猛，但就其工艺装备而言，除一砂设计的银川碳化硅和由二砂设计的互助两组6300KVA电炉，机械化程度较高及银碳以后又用微机控制混配料、大通一家（当时称万吨碳化硅厂）有两组6300KVA容量的电炉，其配料系通采用电子秤有一些机械化装备、和碱沟山碳化硅厂采用微机控制衡功率送电外，其它企业基本上除了用搅拌机混料和门吊或轿吊装炉外，配料和出炉等工序都以人工（西北地区劳动力便宜）为主，工艺装备上没有什么新的发展。
　　三、近期--进入新世纪以来的突破性发展
　　1、新世纪初的概况
　　进入二十世纪后，煤基碳化硅冶炼的工艺技术日渐成熟，同时，碳化硅用途在国内外的进一步开发，对碳化硅的质量要求有所提高，生产企业也追求更高的产品质量和经济效益（降低单位耗电耗料），故电炉的容量逐步趋大化，冶炼时间则趋长化，容量方面，建则12500KVA,连8000KVA的都少，冶炼时间由三、四十小时起长到三、四天。这期间黑碳化硅冶炼的单台电炉的容量最大为12500KVA,电阻炉最长为40~50米，单位耗电由前期的 6200~6500KWH/吨降至6000KWH/吨左右。单位耗料由3.2~3.5吨降至3吨左右。冶炼出的一级品结晶块其SiC含量提高 0.5~1.5%,其致密度有明显提高，制成粒度砂的堆积密度最好的有0.05%的提高。至2004年，我国碳化硅的产能已超过百万吨，产能最大的企业还数甘肃的何桥。
　　2、碳化硅冶炼超大容量和特大型电阻炉的诞生
　　宁夏平罗滨河碳化硅制品公司于2005年六月在宁夏平罗县太沙工业园区，以容量25000KVA、炉长100米、采用扁平炉心、避峰送电、冶炼 12~13天、炉产黑碳化硅近千吨和2009年六月以容量36000KVA、冶炼13~15天、炉长120米、炉产黑碳化硅千吨以上的两条煤基黑碳化硅冶炼生产线的建成投产，意味着我国在黑碳化硅冶炼领域不论在产品质量上，还是规模上已可挤身国际先进行列。摘得了亚洲甚或世界碳化硅冶炼单台设备容量第一大、电阻炉长度和冶炼时间第一长、单台电炉产量第一高的桂冠。还首先采用碳化硅冶炼双变压器并联供电和目前最大的单个容量30000A的整流元件。这一连串的第一和领先不仅仅是表象，而且在产品的内在质量上获得了极大的提高，如产出的一级品：其SiC含量可达99%以上、高致密结晶加工出的3~6毫米段砂的堆积密度可达1.5g/cm3以上。深受国内外着名制造和使用高级耐火制品企业及其供货商，如中钢集团洛耐院、洛耐厂、维苏威、日本黑崎播磨、韩国浦项制铁和美国工商五金等的青睐。在单位耗电耗料方面也有较大的降低，单位耗电稳定在5700KWH/吨以下，单位耗料保持在2.5~2.6吨/吨，环保方面做到了固体废弃料的零排放。一石激起千层浪，平罗滨河公司的这一大胆率先创举，必将把我国碳化硅冶炼行业，引入大容量电炉、长时间冶炼碳化硅时代。目前在宁夏和甘肃已有20000和30000KVA大容量电炉投产，可以肯定，后继者将纷至沓来。
　　但不得不提的是，时至目前，不论12500KVA以下的大小功率电炉，以至12500KVA以上直至30000KVA或更大的超大功率电炉，还普遍存在炉宽和反应区设计过宽、侧墙设计不尽完善、保温料（包括其中的黄大块）回烧利用不尽合理等重大缺陷，应引起同行在这方面的思考。
　　3、百多年来的突破
　　自1891年美国人艾奇逊始用直线型槽式电阻炉冶炼碳化硅，至今百多年来，冶炼碳化硅的电阻炉，虽曾有过一些变化。如欧洲用过至今在巴西尚在使用的"U"型炉（一砂曾在80年代试用过），虽能省了好些大电流导线（或称母排），但还是没有脱出艾奇逊炉的基本理念，只是将直线型炉，简单地打了一个弯而已 ;再如前一时期，西安某高校在西北地区极力推行的多炉心炉（其实在50年代一砂就曾试用过），因并联的石墨炉心在电气的基础理论上就存有某些缺陷，故数年来的实践中，不论在产品质量或单耗上比之单炉心炉冶炼，没有什么进展，更谈不上突破了，只是徒使装炉工艺复杂化而已。平罗滨河公司将在明年投产的第三期碳化硅冶炼生产线上，将采用一种"串联型双炉心"碳化硅冶炼电阻炉，并采用负压冶炼。这种既节能又降耗还环保的碳化硅冶炼工艺和电炉，对统治碳化硅冶炼百多年的艾奇逊炉而言，应说是一个突破性的自主创新，这项在黑碳化硅冶炼领域的新电炉、新技术和新工艺的投产，光从电炉的热效率来讲将提高8 %左右，再加负压冶炼工艺回收可资利用的炉气能量换算后，其产品的单耗电有望降至4000KWH/吨以下。这将使我国的黑碳化硅冶炼工业在节能降耗低排放方面转了型和升了级，在低碳新世纪里又迈进了一步，并将超越目前世界各国在黑碳化硅冶炼领域的工艺技术水平，也必将成为这一领域今后发展的新起跑线。
　　4、从宁夏的十二五规划看碳化硅冶炼的前景
　　宁夏碳化硅行业的十二五规划中就有：
　　1）以节能降耗低排放型的碳化硅冶炼，争取达到碳化硅及其制品年产能40万吨的目标。
　　2）采用负压冶炼。
　　3）供电方面推广30000A大电流整流元件。
　　4）用本区精选灰分在1.5%以下的无烟煤炼制绿碳化硅。
　　5）年产30000吨氮化硅结合碳化硅制品顶目的投产，让西北三省区的电解铝的电解槽用上此项目的产品。
　　从这规划可见我国的碳化硅冶炼，正以新型的姿态蓬勃发展。
　　（三）、绿色碳化硅的近期发展
　　1、90年代至新世纪初
　　绿碳化硅作为磨料，在我国碳化硅生产领域的前二、三十年里曾是主角，后来由于供出口和碳化硅非磨削用途的开发，生产量相对于黑碳化硅，渐渐地退居次要地位。但其生产总量始终是在稳步上升，尤其是上世纪90年代的后期，国际上以绿碳化硅微粉线切割硅片工艺的应用，我国绿碳化硅的产量和出口量也随之增加，但生产地区和厂家还限于传统的东北地区牡丹江、浑江等，中原地区的郑州、平顶山、山东的滕州、临沭和湖北的丹江口等，西北地区只有青海的贵德和海宴以及黑炉改绿炉的化隆等。另在世纪交替前后，利用四川没上电网的小水电电价低（由0.08~0.15元/KWH），由山东、连云港和福建在勉宁、甘洛和德昌和雅安地区等，兴建了一批电炉容量6300KVA~2000KVA的绿色碳化硅冶炼厂家。至此，我国绿碳化硅年产量以由改革开放时的不足三万吨增至七、八万吨。但最大的单台电炉容量还徘徊于5000~6300KVA,冶炼工艺还沿用六十年代形成的以石油焦碳和东海石英砂为原料的焙烧料工艺。
　　2、近期
　　随着新世纪的到来，迎来了倡导低碳排放、使用清洁能源时代，以及我国光伏产业的兴起。我国的绿碳化硅生产迅即掀起了一个发展高潮，首先由山东临沭正宇碳化硅厂于2005年，采用了12500KVA容量的电炉冶绿碳化硅，冶炼时间也由传统的一天一炉延长至40小时左右，单位耗电也由原来的 9000KMH/吨左右降至8500KWH/吨以下。自此，以12500KVA电炉炼制绿碳化硅的生产厂家越来越多，就以用无烟煤炼黑碳化硅为主的青海和甘肃以至大西南，如攀枝花等地也开始出现了生产绿碳化硅的热潮，包括在建的号称年产十万吨绿碳化硅的企业已有两、三家。另据磨商网和《磨料磨具》杂志推介，新疆伊犁地区的麦斯特碳化硅制品公司，虽起步较晚，却在12500KVA绿色碳化硅冶炼炉上，实施了炉气回收，还实现了配料、装炉和冶炼全过程的全自动控制，只要在电脑频幕前动动鼠标就行。这确实是一桩可喜可贺的事，也值得我们碳化硅行业全体成员为之骄傲和学习，更值得我这个从事此行业55年的老人，为在有生之年能看到梦寐以求、一生追求的理想，在我国成为现实感到庆幸，也为麦斯特公司为我国绿碳化硅冶炼事业的改型升级，开了个好头而喝彩。至此，预计我国至明年，绿碳化硅的年产能可达四、五十万吨，大有在产能和产量上，与黑碳化硅一争高下的趋势。
　　上世纪90年代，宁夏建材研究所曾在银川召开过一次用无烟煤炼制绿碳化硅的产品鉴定会，所鉴定的产品-绿碳化硅，颜色确实是绿的，在结晶颗粒微小而松散，品位似大功率炉生产的二级品，但毕竟是国内外无先例的创举。目前在宁夏地区，已有好几家碳化硅生产企业，正在不同功率的电炉上试着以无烟煤生产绿色碳化硅，但愿在不久的将来可以看到，以优质无烟煤或原料中不添加食盐冶炼出优质的绿碳化硅。
　　顺便提一句，在上世纪的90年代，我国的煤基黑碳化硅出口欧美国家时，曾遭到能否替代油焦生产的黑碳化硅的质疑，以至在价格上曾有每吨四、五百元的差异，后来的事实证明，这只是传统观念的影响。我国自生产微粉级磨料以来，都是用绿碳化硅而不用黑碳化硅，当时黑绿碳化硅在质量上是有一定的差别，但却也已形成一种传统。而现在的煤基黑碳化硅结晶的质量，不论从SiC含量或韧性（相对来说是自磨锐性能）方面都不亚于绿碳化硅，是不是可以尝试用黑碳化硅微粉来切割硅片呢？因为炼黑碳化硅比之炼绿碳化硅工艺要简单一些，能源消耗要少一些，可以用资源丰富的煤替代有限的石油资源等优越性。
　　（四）、展望未来
　　由于碳化硅具有多种理化方面的优良特性，因此，碳化硅及其制品，已在各个工业领域得到广泛应用，如作磨料磨具、炼钢脱氧剂、高级耐火材料碳氮制品、重结晶制品和碳化硅功能陶瓷等方面已开发应用，但还须加大开发力度。这些都是建立在电炉冶炼碳化硅产品基础上的，须消耗大量的电能。而在碳化硅特殊电气性能的开发应用方面，目前还只应用于制作电热原件硅碳棒、红外线发热元件和高压避雷器等。尤其在碳化硅非线性电导性能这方面的开发应用，虽在六十年代至七十年代末，一砂曾为潜艇应用的高温二级管和数码管，用石墨坩锅在电阻炉里培植过大量的碳化硅晶片。但碳化硅作为一种击穿电场强度高、载流子饱和漂移速度高、热导率高、耐工作温度高的宽禁带半导体材料，制造各种耐高温的高频大功率电子电力器件，应用于硅器件难以胜任的工作场合，以至于逐步替代目前大量应用于电脑的芯片等领域，其应用方面的研发工作在国内虽有所进展，如立方碳化硅晶种与4H晶片的延生技术、晶体生长炉和少量晶片生产已在我国的网上问世，但在深度、广度和应用上，是不是如国外的研发速度快？但愿在有生之年能看到，用国产的碳化硅电力电子器件组成的电脑、电视问世。（文/沈颂茂磨料磨具高级工程师）