Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid in elektrischen Lichthogenöfen. Es ist bis jetzt nichtgelungen, in elektri schen Lichtbogenöfen Aluminiumnitrid aus Kohle, einem mindestens teilweise aus Ton erde bestehenden Stoff und einem mindestens teilweise aus Stickstoff bestehenden (-)las, z.
B. reinem Stickstoff oder (ieneratorgas, in ökonomisch vorteilhafter Weise herzu stellen, da sich dabei immer eine so starke Karbidbildung zeigte, dass ein technischer Erfolg auf diesem Wege ausgeschlossen war. Dem vorliegenden Verfahren liegt nun die Erkenntnis der Ursachen zugrunde, die bis her die Herstellung von Aluminiumuitrid iin Lichtbogenofen als untunlich erscheinen liessen.
Es herrscht nämlich allgemein die An sicht, dass sich Aluminiumnitrid technisch bei 2000 übersteigenden Temperaturen mit weniger gutem Resultat herstellen lasse, als bei Temperaturen von 20000 und darunter. Es wurde nun gefunden, dass die Ursache des Misserfolges beim Arbeiten bei höheren Temperaturen als 2000' nicht darin lag, dass Nitrid sich bei diesen Temperaturen zersetzt oder dass die Geschwindigkeit der zur Bil- dung von Nitrid aus Kohle, Tonerde und: Stickstoff führenden Reaktion an sich eine Hemmung erleidet.
Es hat sich vielmehr ge zeigt, dass aus dem Bildungsgemisch auch bei höherer Temperatur, also auch mit dem Licht bogen, ebensogut hochprozentiges Nitrid er zeugt werden kann, wie bei Temperaturen unten '-)WO, solange reichlich Stickstoff zu der hocherhitzten testen Substanz derart hin zugeführt wird, dass der Gasstrom die feste Substanz vom Lichtbogen trennt.
Gemäss einer Ausführungsform der vor liegenden Erfindung kann der den Stickstoffzu führende (sassti-om zuerst in den Lichtbogen und dann zii der Beschickung geführt wer den, oder es kann der Gasstrom zwischen dem Lichtbogen und der Beschickung einge leitet werden. Es gelingt so, bei Verwendung- von reiner Tonerde reines Nitrid mit mehr als 30"'o Stickstoff zu erzeugen; bei Ver wendung von unreiner Tonerde. wie z. B.
Bauxit. treten natürlich die vorhandenen Ver unreinigungen im Endprodukt in entspre chender Zusammensetzung wieder auf. Zur Erklärung für das unerwartet giirr- stige Ergebnis des neuen Verfahrens sei darauf hirngewiesen, dass bei den bisherigen negativ ausgefallenen und ebenfalls bei Tem peraturen von über 2000' durchgeführten Versuchen die Masse viel Aluminiumkarbid, zumeist aus geschmolzenem Zustande erstarrt, @anthält. Mit steigender Temperatur<I>wird</I> _rnäiulich die Kohlenoxi-dentwicklur)
g aus dem Bildungsgemisch von Tonerde und Kuhle, entsprechend der wachsenden Reaktiorrsge- sch#.vindigkeit, immer heftiger. Dadurch wird dem Stickstoff der- Zutritt zur festen Sub stanz erschwert, und es kann Karbid ernt- stelren, das sofort schmilzt.
Ist aber einmal eine geschmolzene Oberfläche ini Bildungs- gernisch vorhanden, so hat der Stickstoff auch zu den weiter innen liegendem Teilen des Gemisches keinen Zutritt mehr, und es ':)ildet sich c-ine geschmolzene Masse von Karbid mit mehr oder weniger Tonerde, je =nach dem ursprünglichen Kohlentoffzusatz. :
Solche geschmolzenen Massen setzen sich dann auch bei hoher Temperatur nur sehr larrgarn mit Stickstoff zu Nitrid tun.
<B>;</B> orgt man dagegen, gemäss der- vorlie- olenden Erfindung dafür. dass die hocherhitzte Substanz allseitig einem kräftigen reichlich Stickstoff zuführenden Gasstrom begegnet, so tritt Nitridbildung ein.
bevor gesclrmol- xene Karbidkrusten entstehen können. Denn flas Nitrid schmilzt auch bei hohen Tempe- raturen nicht, wohl aber sr)blimiert es. Diese Eig-rrsehaft ist natürlich für die Durcharbei- tung des Gemisches nur günstig.
Wesent lich für das neue Verfahren ist, dass der Stic_;stoff führende Gasstrom stets die feste Subtanz von dem Lichtbogen trennt. Be- das Bildungsgemisch irgendwie den Aus=-angspunkt der Flamme, auf der Elek- tro < 1_-. so ist eine reichliche Zufuhr von Stick- store .praktisch nicht mehr möglich.
Abgesehen von der Erzielung einer hoben Stichstoffausbeute im Endprodukt bietet das vorliegende, auf der Verwendung des Licht bogens beruhende Verfahren gegenüber den be kannten, in Widerstandsöfen durchzuführen den Verfahren im Bau und Betrieb des Ofens grosse Vorteile. Es sei nur darauf hingewiesen, dass bei der Verwendung von Widerständen einigermassen beträchtliche Energiemengen schon sehr grosse Apparate und Ofenräume erfordern. Auch bringt der Ersatz vor) so grossen Widerständen irr Ofen mit kontinuierlichen) Betrieb viele Störungen mit sich.
Zur Durchführung des Verfahrens kann ein Schachtofen dienen, wie er beispielsweise in den Fig. 1 und 2 in zwei Vertikalschnitten, und zwar in Fig. 1 in einem Schnitt durch die beiden Elektroden, in Fig. n in einen) Schnitt senkrecht dazu und in Fig. 3 im Ho rizontalschnitt durch die beiden Elektroden schematisch veranschaulicht ist. 1-) und sind die beiden Elektroden.
die durch eine isolierende. zweckmässig gekühlte Fa#"surrg .7 in den Schacht eintreten, der Schacht ist runsclrlossen von einer inneren, hochfeuer festen. und eurer äusseren, gewöhnlichen lllarrerung Si. bezw. @5,"" und oben mit einer abnehmbaren Eindeckung D versehen, die an ihrer ITnterseite ebenfalls eine hoch feuerfeste Ausfütterung aufweist.
Seinen un tern Abschluss bildet ein Kasten k_; der er laubt, das Reaktionsgut dein untern Teile des Ofens zu entnehmen. Auf.;er an den Elektroden ist die z@-lindrisi#1)w"an < lun de Selrachtoferrs ungef@ilrr auf der 1=iülre der Elektroden durch sechs Kanäle unterbrochen, welche als nach aussen abchliessbare Einfüll- stutzen () ausgebildet sind. Diese dienen dazu,
neues Bildungsgemisch in r-I(-n Ofen einzufüllen, und erlauben, die Charge für !-Ofen in der später beschriebener) Weise zrr bear beiten. Etwas unterhalb der Ebene, in der die Elektroden liegen, sind Rohre A in den Ofenmantel eingesetzt, durch welr-lre das aus dem Ofen entweichende Gas austritt. Die Zuführung des mindestens teilweise aus Stick stoff bestehenden Gases geschieht durch die hohlen Elektroden Ei, Da.
Die Arbeitsweise des Ofens ist folgcrrcle: Der Ofen wird, nachdem die Elektroden) eingeführt sind, bei abgehobener hirrdeckung D mit dem kleinstöckigen Reaktionsgemenge bis oben gefüllt. Dann wird die Decke auf- gesetzt, der Ofen überall geschlossen, Stick stoff, resp. (Teneratorgas zugeführt und der elektrische Strom eingeschaltet.
Es bildet .ich dann in der Beschickung der aus der 7eichnurrg ersichtliche kugelf < irmige Hohl raum : hat sich dieser gebildet, so wird aus dem unterer Teile des Ofens Material ent- rroninien. Damit sinkt das feinstöckige Ma terial der höher liegenden Schichten nach, die untere Wandung des Hohlraumes wird durch Stangen von den Offnungen 0 aus nach unten gestossen, indem entstandene Krusten zerschlagen werden,
und sodann wird, ebenfalls durch die Öffnungen 0 neues Ma terial nachgefüllt. Dieses wird neuerdings umgesetzt, indem sich die untere Wandung des Holilraunies wieder neu ausbildet, wäh rend die obere Wandung des Hohlraumes und das ganze über den Elektroden liegende Material iirinrer unverändert bleibt, wie es die Zeichnung zeigt.
Mit weitergehender Uni- setzung des neu zugegebenen Gemisches wird unten von neuem Material abgezogen, damit wiederum Platz für das gebildete Nitrid ge schaffen, so dass es von den Öffnungen 0 aus ebenfalls nach unten gestossen werden kann. Auf diese Weise kann der Prozess kontinuierlich fortgeführt werden.
Zur Erzielung einer besseren Wärme- ökonoinie können Vorrichtungen getroffen werden, um das zuströmende Gas vorzu- wärrnen, sei es dadurch, daf, es durch Ka näle in den Wänden des Schachtes geleitet wird. .ei es. dalä in anderer Weise die Wärme dcs aus der lleal:tioiiszone kommenden, ge bildeten Nitrids ihm übertragen wird.
An derseits kann die Hitze des abgehenden Gases zum Vorwärmen des festen Reaktions gemisches dienen.
Process for the production of aluminum nitride in electric arc furnaces. It has not yet succeeded in electrical arc furnace's aluminum nitride from carbon, an at least partially consisting of clay and an at least partially consisting of nitrogen (-) read, z.
B. pure nitrogen or (generator gas, to be produced in an economically advantageous manner, since the formation of carbide was always so strong that technical success was ruled out in this way. The present process is based on the knowledge of the causes, which up to now have been Making aluminum auride in an electric arc furnace seem impractical.
The general view is that aluminum nitride can be produced technically at temperatures exceeding 2000 with less good results than at temperatures of 20,000 and below. It has now been found that the cause of the failure when working at temperatures higher than 2000 'was not that nitride decomposes at these temperatures or that the speed of the reaction leading to the formation of nitride from carbon, alumina and nitrogen suffers an inhibition.
Rather, it has been shown that high-percentage nitride can just as well be produced from the formation mixture even at higher temperatures, i.e. also with the arc of light, as at temperatures below '-) WO, as long as there is plenty of nitrogen to the highly heated substance being tested is supplied so that the gas flow separates the solid substance from the arc.
According to one embodiment of the present invention, the nitrogen to be fed (sassti-om) can first be fed into the arc and then to the charge, or the gas flow can be introduced between the arc and the charge. This succeeds when used - to produce pure nitride with more than 30 "o nitrogen from pure alumina; when using impure alumina, e.g.
Bauxite. Of course, the existing impurities appear again in the end product in the appropriate composition. To explain the unexpectedly poor result of the new process, it should be pointed out that in the previous negative experiments and also carried out at temperatures of over 2000 'the mass contained a lot of aluminum carbide, mostly solidified from a molten state. With increasing temperature <I> </I> _normally the carbon oxide development)
g from the mixture of formation of clay and hollow, in accordance with the increasing velocity of the reactor, more and more violent. This makes it difficult for nitrogen to gain access to the solid substance, and it can harvest carbide that melts immediately.
But once there is a molten surface in educational terms, the nitrogen also has no access to the more internal parts of the mixture, and a molten mass of carbide with more or less alumina, depending on the case, is formed = after the original addition of carbon. :
Molten masses of this kind then, even at high temperatures, only very slightly combine with nitrogen to form nitride.
<B>; </B>, however, according to the present invention, one organizes for it. when the highly heated substance encounters a vigorous gas stream supplying plenty of nitrogen on all sides, nitride formation occurs.
before molten carbide crusts can arise. Because flas nitride does not melt even at high temperatures, but it does blimed. This property is of course only favorable for working through the mixture.
It is essential for the new process that the nitrogen-carrying gas flow always separates the solid substance from the arc. The educational mixture somehow defines the starting point of the flame, on the electric <1_-. an abundant supply of stickstore is practically no longer possible.
Apart from the achievement of a high nitrogen yield in the end product, the present method based on the use of the arc offers great advantages over the known methods to be carried out in resistance furnaces in the construction and operation of the furnace. It should only be pointed out that the use of resistors requires relatively considerable amounts of energy to be used in very large apparatus and furnace rooms. The replacement of such high resistances in the furnace with continuous operation also entails many disruptions.
A shaft furnace can be used to carry out the process, as shown, for example, in FIGS. 1 and 2 in two vertical sections, namely in FIG. 1 in a section through the two electrodes, in FIG. 1 in a section perpendicular thereto and in FIG 3 is illustrated schematically in a horizontal section through the two electrodes. 1-) and are the two electrodes.
through an insulating. Appropriately cooled fa # "surrg .7 enter the shaft, the shaft is closed off by an inner, high-fire-resistant. and your outer, common noise Si. and @ 5," "and provided at the top with a removable cover D, which at their IT underside also has a highly fireproof lining.
A box k_ forms its bottom end; which he allows to remove the reaction material from your lower parts of the oven. On the electrodes, the z @ -indrisi # 1) w "an <lun de Selrachtoferrs is roughly interrupted on the 1 = iülre of the electrodes by six channels, which are designed as filler necks () that can be closed off from the outside . These serve to
Pour new education mixture into r-I (-n furnace, and allow the batch for! -ofen to be processed in the manner described later). A little below the plane in which the electrodes lie, tubes A are inserted into the furnace jacket, through which the gas escaping from the furnace emerges. The supply of the at least partially consisting of stick gas is done through the hollow electrodes Ei, Da.
The operation of the furnace is as follows: after the electrodes have been inserted, the furnace is filled to the top with the small-scale reaction mixture with the cover D raised. Then the blanket is put on, the stove is closed everywhere, stick material, resp. (Tenerife gas supplied and the electricity switched on.
In the charging process, the spherical hollow space that can be seen in the figure is then formed: once this has formed, material is entered from the lower part of the furnace. This sinks the fine-grained material of the higher layers, the lower wall of the cavity is pushed downwards from the openings 0 by rods, in which crusts that have formed are smashed,
and then 0 new material is refilled, also through the openings. This has recently been implemented in that the lower wall of the hollow space is newly formed, while the upper wall of the cavity and all of the material overlying the electrodes remains unchanged, as the drawing shows.
As the newly added mixture continues to settle, new material is withdrawn from below, so that in turn space is created for the nitride formed, so that it can also be pushed down from the openings 0. In this way the process can be continued continuously.
In order to achieve a better heat economy, devices can be made to preheat the inflowing gas, either by passing it through channels in the walls of the shaft. .ei it. that in a different way the heat of the formed nitride coming out of the aleal: tioiiszone is transferred to it.
On the other hand, the heat of the outgoing gas can be used to preheat the solid reaction mixture.