CN1424249A

CN1424249A - 低压燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法及设备

Info

Publication number: CN1424249A
Application number: CN 02158760
Authority: CN
Inventors: 孙加林; 洪彦若; 祝少军
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2003-06-18

Abstract

低压燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法及设备。本发明涉及无机非金属材料的制备方法。本发明以硅粉或硅铁粉为原料，加入稀释剂氮化硅或氮化硅铁细粉制成配合料，在立式燃烧合成反应炉中，控制加入配合料的料量，控制氮气压力为0.01～3MPa，并在900℃～1850℃之间进行连续或间断燃烧合成，燃烧合成后的氮化硅或氮化硅铁经自然冷却或强制冷却后，呈块状的成品，再经球磨机、振动磨机或其它磨碎设备制成粉末。解决了现有燃烧合成氮化硅或氮化硅铁方法不能连续、规模生产的问题，实现了既可以间断又可以连续大规模生产氮化硅或氮化硅铁。

Description

低压燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法及设备

技术领域：

本发明涉及无机非金属材料的制备方法，特别涉及氮化硅或氮化硅铁的制备。

背景技术：

氮化硅(Si₃N₄)常见的制备方法有直接氮化法、碳热还原法、气相法和燃烧合成法。燃烧合成法是最近发展起来的一种设备相对简单、操作简便、生产率高的制备Si₃N₄的方法。与其它制备方法相比，燃烧合成法生产成本低，更适于工业化生产。但是有关燃烧合成法合成Si₃N₄报道较少，且报道均为高压氮气下的燃烧合成。已见报道的燃烧合成氮化硅法中，由于受高压氮气燃烧合成条件的局限，难以实现大规模连续化生产氮化硅。如美国专利US5032370“一种制备高α相Si₃N₄粉体的方法”，其需要的氮气压力过高，为4MPa～30MPa，因而对设备要求苛刻，只能实现间断生产。在中国专利申请号00116803.7中所提出的发明“自蔓延高温合成氮化硅粉末的制备方法”，要求氮气压力3MPa～15MPa，同样存在上述问题。文献“低氮气压下燃烧合成氮化硅粉”陶瓷工程，20(4)，1999一文中，徐协文等人认为硅粉可以在低至0.6MPa～0.7MPa的低氮气压下实现燃烧合成氮化硅粉末，这是迄今为止燃烧合成氮化硅的使用最低氮气压力，但只停留在实验室阶段，还不能应用在工业规模生产中。

发明内容：

本发明针对现有燃烧合成氮化硅或氮化硅铁方法不能连续、规模生产的问题，提出在立式燃烧合成反应炉中低压燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，实现既可以间断又可以连续大规模生产氮化硅或氮化硅铁。

本发明以硅粉或硅铁粉为原料，加入稀释剂氮化硅或氮化硅铁细粉制成配合料，在立式燃烧合成反应炉中，控制加入配合料的料量，控制氮气压力为0.01～3MPa，并在900℃～1850℃之间进行连续或间断燃烧合成。燃烧合成后的氮化硅或氮化硅铁经自然冷却或强制冷却后，呈蜂窝状疏松结构块状的成品，再经球磨机、振动磨机或其它磨碎设备制成粉末。

本方法的具体步骤是：

1、准备原料：以硅粉或硅铁粉为原料，原料的粒度要求为≤0.5mm粒度，最佳粒度为0.075mm～0.010mm之间，制备这样粒度的细粉可以用球磨机、筒磨机、振动磨机或其它磨碎设备。

2、配制配合料：上述物料需要加入稀释剂，稀释剂是氮化硅或氮化硅铁细粉，重量配合比为稀释剂∶原料＝100∶5～80，最佳配合比是100∶20～60，然后用混合机混合，根据混合机的类型，混合时间在4～40分钟之间。

也可以在原料磨碎前，将稀释剂加入到原料中，在球磨机、筒磨机、振动磨机或其他磨机混合磨碎而成配合料。

3、预热：为了点燃配合料进行燃烧合成，首先预热立式燃烧合成反应炉或回转窑反应容器内的温度，可以用通常的方法预热，比如用燃油，烧焦炭或木材方法，使预热温度达到800℃～1000℃。同时氮气一般也需要预热，预热温度在常温至1200℃之间，最佳预热温度为400℃～700℃。

4、通氮气点燃：向反应容器内连续的均匀放入经过计量的配合料，为使配合料颗粒和氮气充分接触，配合料是均匀撒入进容器内的。同时通入经过计量预热的氮气，参与燃烧反应的氮气压力为0.07～3MPa，最佳为0.07～0.6Mpa，反应产物不断的落入容器下方或下侧，逐渐粘结成呈蜂窝状疏松结构，然后自然冷却或人工强制冷却。

5、温度控制：为使燃烧合成产物为α相或β相的氮化硅或氮化硅铁，控制反应容器内的温度及其重要。要求控制反应容器内温度在900℃～1850℃之间，使燃烧合成产物为α相或β相的氮化硅或氮化硅铁，低于1300℃时以α相氮化硅或氮化硅铁为主，高于1300℃时以β相氮化硅或氮化硅铁为主。

采用本方法的立式燃烧合成反应炉主要由物料仓1、闸板阀2、定量给料机3、布料器4、反应容器5、耐火材料内衬6、观察窗门7、支撑结构8和测温仪9组成。主体结构上部，自上而下有物料仓1、闸板阀2、定量给料机3和布料器4，主体结构为反应容器5，由支撑结构8支撑。反应容器5呈圆筒状，四周带有观察窗门7，并在一侧装有测温仪9，圆筒内外层组成夹层结构，外层有进氮气口，夹层为氮气气道，内层有一定数量的孔洞，内层侧壁为耐火材料6，耐火材料可以是粘土砖，高铝砖或其它耐火材料。

夹层是经过计量的氮气通道，氮气通过夹层预热，然后通过带孔内层进入容器内部。

定量给料机3可以是称量振动给料机，格式给料机、计量螺旋给料机或格式给料机和计量螺旋给料机组合及布料器，是为了保证向炉内定量均匀布料，使得金属粉在一定的温度下，燃烧合成的连续进行。

本发明的特点是在立式燃烧合成反应炉中采用了低压氮气燃烧合成，直接利用氮气，通过定量给料机不断地撒入配合料，可以实现连续进料，连续出料，实现大规模连续化生产氮化硅或氮化硅铁。

附图说明：

图1为立式燃烧合成反应炉。

具体实施方式：

将硅粉与氮化硅粉按100∶20比例配料，然后放入球磨机混合磨碎，使得磨碎后的粒度-0.088mm，≥90％，成为配合料，由运输设备送入物料仓。在立式燃烧合成反应炉底部堆放上焦炭和木材，一直堆到反应容器内部，再将木材和焦炭引燃，当反应容器内部达到1000℃时，使氮气通过反应容器夹层预热后进入反应容器内部。与此同时，配合料经过闸板阀、定量给料机、布料器均匀的撒入反应容器内部，在此进行燃烧合成反应，反应温度控制在1550℃，氮气压力控制在0.5MPa，反应物受重力作用落入反应容器下面，最后得到呈蜂窝状疏松块体结构的β型氮化硅产物，反应产物经破碎和磨碎后成为β型氮化硅含量≥90％的氮化硅粉末。

将硅铁粉放入球磨机混合磨碎，使得磨碎后的粒度-0.088mm，≥90％，由运输设备送入物料仓。在立式燃烧合成反应炉底部堆放上焦炭和木材，一直堆到反应容器内部，再将木材和焦炭引燃，当反应容器内部达到1000℃时，使氮气通过反应容器夹层预热后进入反应容器内部。与此同时，配合料经过闸板阀、定量给料机、布料器均匀的撒入反应容器内部，在此进行燃烧合成反应，反应温度控制在1400℃，氮气压力控制在0.2MPa，反应物受重力作用落入反应容器下面，最后得到呈蜂窝状疏松块体结构的含有α和β型氮化硅铁产物，反应产物经破碎和磨碎后成为β型氮化硅含量≥90％，α型氮化硅含量≤10％的氮化硅铁粉末。

Claims

1、一种低压燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，以硅粉或硅铁粉为原料，通入氮气，其特征在于：

a)加入稀释剂氮化硅或氮化硅铁细粉制成配合料，重量配合比为稀释剂∶原料＝100∶5～80，混合时间4～40分钟；

b)在立式燃烧合成反应炉中，预热氮气，预热温度在常温至1200℃之间；

c)控制加入上述配合料的料量，控制氮气压力为0.01～3Mpa，并在900℃～1850℃之间进行连续或间断燃烧合成；

d)将燃烧合成后的氮化硅或氮化硅铁自然冷却或强制冷却，再经球磨机、振动磨机或其它磨碎设备制成粉末。

2、如权利要求1所述的低压燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于，原料的粒度为≤0.5mm，最佳粒度在0.010mm～0.075mm之间。

3、如权利要求1所述的低压燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于，最佳重量配合比是稀释剂∶原料＝100∶20～60。

4、如权利要求1所述的低压燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于，参与燃烧反应的氮气压力最佳为0.07～0.6MPa。

5、如权利要求1所述的低压燃烧合成氮化硅或氮化硅铁的方法，其特征在于最佳预热温度为400℃～700℃。

6、一种实施权利要求1方法的立式燃烧合成反应炉，其特征在于：主体结构上部，自上而下有物料仓(1)、闸板阀(2)、定量给料机(3)和布料器(4)，主体结构下部为反应容器(5)，反应容器(5)呈圆筒状，四周带有观察窗门(7)，并在一侧装有测温仪(9)，圆筒内外层组成夹层结构，内层有一定数量的孔洞。

7、如权利要求6所述的立式燃烧合成反应炉，其特征在于，内层侧壁为耐火材料(6)。

8、如权利要求6、7所述的立式燃烧合成反应炉，其特征在于，定量给料机(3)可以是称量振动给料机、格式给料机、计量螺旋给料机或格式给料机和计量螺旋给料机组合及布料器。