El proceso Acheson es un método de síntesis de carburo de silicio (SiC) y grafito inventado por Edward Goodrich Acheson y patentado por él en 1896.
El proceso consiste en calentar en un recipiente de hierro una mezcla de dióxido de silicio (SiO 2 ), en forma de sílice o arena de cuarzo , [1] y carbono , en su forma elemental como coque en polvo . [2]
En el horno se funde el dióxido de silicio, que a veces también contiene otros aditivos junto con óxido férrico y serrín, alrededor de una barra de grafito que sirve como núcleo. Estas varillas se insertan de tal manera que se mantienen en contacto entre sí a través de las partículas de coque, lo que comúnmente se denomina lecho de coque. A través de las barras de grafito se hace pasar una corriente eléctrica que calienta la mezcla a 1700-2500 °C. [1] El resultado de la reacción carbotérmica es una capa de carburo de silicio (especialmente en sus fases alfa y beta) [1] que se forma alrededor de la varilla y se emite monóxido de carbono (CO). Hay cuatro reacciones químicas en la producción de carburo de silicio: [3]
Este proceso general es altamente endotérmico , con una reacción neta [1]
En 1890 Acheson intentó sintetizar diamante pero acabó creando cristales azules de carburo de silicio a los que llamó carborundo . [4] Descubrió que el silicio se vaporizaba cuando se sobrecalentaba, dejando grafito. También descubrió que al comenzar con carbono en lugar de carburo de silicio, el grafito se producía sólo cuando había una impureza, como sílice, que daría como resultado la producción primero de un carburo. Patentó el proceso de fabricación de grafito en 1896. [5] Después de descubrir este proceso, Acheson desarrolló un horno eléctrico eficiente basado en calentamiento resistivo , cuyo diseño es la base de la mayor parte de la fabricación actual de carburo de silicio. [6]
La primera planta comercial que utilizó el proceso Acheson fue construida por Acheson en Niagara Falls, Nueva York , donde las plantas hidroeléctricas cercanas podían producir a bajo costo la energía necesaria para el proceso que consume mucha energía. [6] En 1896, The Carborundum Company producía 1 millón de libras de carborundo. [7] Muchas plantas actuales de carburo de silicio utilizan el mismo diseño básico que la primera planta de Acheson. En la primera planta se añadió aserrín y sal a la arena para controlar la pureza. La adición de sal se eliminó en la década de 1960, debido a que corroía las estructuras de acero. En algunas plantas se suspendió la adición de aserrín para reducir las emisiones. [3]
Para fabricar artículos de grafito sintético, se mezclan polvo de carbón y sílice con un aglutinante, como alquitrán, y se hornean después de presionarlos para darles forma, como la de electrodos o crisoles. [8] [9] Luego se rodean con carbón granulado que actúa como un elemento resistivo que los calienta. En el horno de grafitización longitudinal Castner, más eficiente , los elementos que se van a grafitizar, por ejemplo, varillas, se calientan directamente colocándolos longitudinalmente de extremo a extremo en contacto con los electrodos de carbón de manera que la corriente fluya a través de ellos, y el carbón granulado circundante actúa como un aislante térmico, pero por lo demás el horno es similar al diseño de Acheson. [10] [11]
Para finalizar las prendas, el proceso se ejecuta durante aproximadamente 20 horas a200 V con una corriente de arranque de300 A (60 kW ) para un horno de aproximadamente 9 metros de largo por 35 cm de ancho y 45 cm de profundidad, y la resistencia cae a medida que el carbón se calienta debido a un coeficiente de temperatura negativo , lo que hace que la corriente aumente. [2] El enfriamiento lleva semanas. La pureza del grafito que se puede conseguir mediante este proceso es del 99,5%. [12]
El carburo de silicio era un material útil en la fabricación de joyas debido a sus propiedades abrasivas y esta fue la primera aplicación comercial del proceso Acheson. [3]
Los primeros diodos emisores de luz se produjeron utilizando carburo de silicio procedente del proceso Acheson. El uso potencial del carburo de silicio como semiconductor condujo al desarrollo del proceso Lely , que se basaba en el proceso de Acheson, pero permitía controlar la pureza de los cristales de carburo de silicio. [13]
El grafito se volvió valioso como lubricante y para producir electrodos de alta pureza.
Existe evidencia suficiente en humanos de la carcinogenicidad de las exposiciones ocupacionales asociadas con el proceso de Acheson. Las exposiciones ocupacionales asociadas con el proceso de Acheson causan cáncer de pulmón. [14]