DE1188056B - Process for the production of a starting material suitable for the production of silicon carbide - Google Patents

Process for the production of a starting material suitable for the production of silicon carbide

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DE1188056B
DE1188056B DEC27653A DEC0027653A DE1188056B DE 1188056 B DE1188056 B DE 1188056B DE C27653 A DEC27653 A DE C27653A DE C0027653 A DEC0027653 A DE C0027653A DE 1188056 B DE1188056 B DE 1188056B
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silicon carbide
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carbon
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Dr Karl Adlassnig
Dr Juergen Smidt
Dipl-Phys Wolfgang Dietz
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Consortium fuer Elektrochemische Industrie GmbH
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Consortium fuer Elektrochemische Industrie GmbH
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/90Carbides
    • C01B32/914Carbides of single elements
    • C01B32/956Silicon carbide
    • C01B32/963Preparation from compounds containing silicon
    • C01B32/97Preparation from SiO or SiO2

Description

Verfahren zur Herstellung eines für die Erzeugung von Siliciumcarbid geeigneten Ausgangsmaterials Zur Herstellung von technischem Siliciumcarbid wird als Ausgangsmaterial allgemein ein Gemenge von Quarzsand und Koks verwendet. Um ein qualitativ hochwertiges Erzeugnis zu bekommen, benötigt man einen sehr reinen Quarzsand aus ausgewählten Lagerstätten und einen möglichst aschearmen Koks, wie er besonders in Raffinerien und in der teerverarbeitenden Industrie anfällt. Quarzsand und Koks werden in Form von Körnungen mit mehreren Millimetern Korngröße in annähernd stöchiometrischem Verhältnis miteinander mechanisch vermengt und stehen dann - eventuell noch mit Zusätzen, wie Sägemehl, Kochsalz u. dgl., versehen - für die Siliciumcarbidherstellung z. B. im Widerstandsofen nach A c h e s o n zur Verfügung.Method of making one for the production of silicon carbide Suitable starting material for the production of technical silicon carbide is a mixture of quartz sand and coke is generally used as the starting material. Around To get a high quality product you need a very pure one Quartz sand from selected deposits and a low-ash coke, such as it occurs particularly in refineries and in the tar processing industry. Quartz sand and coke are in the form of grains with a grain size of several millimeters in approximate stoichiometric ratio mechanically mixed with each other and then stand - possibly still with additives such as sawdust, table salt and the like - for the production of silicon carbide z. B. in the resistance furnace according to A c h e s o n available.

Bei dieser Verfahrensweise ergeben sich verschiedene Nachteile. Der benötigte hochreine Koks ist verhältnismäßig teuer. Weiterhin entmischt sich ein Sand-Koks-Gemenge infolge des Unterschiedes im spezifischen Gewicht sehr leicht beim Hantieren und beim Einfüllen in den Ofen. Außerdem tritt beim Erhitzen ein Zusammenschmelzen der Quarzkörner und damit die Tendenz zur Bildung größerer Quarzschmelzklumpen auf, wodurch die Umsetzung mit Koks zu Siliciumcarbid gehemmt und eine kontinuierliche Arbeitsweise außerordentlich erschwert wird.There are several disadvantages associated with this approach. Of the The high-purity coke required is relatively expensive. It continues to segregate Sand-coke mixture very light due to the difference in specific weight when handling and when pouring into the oven. In addition, occurs when heated The quartz grains melt together and thus the tendency to form larger lumps of quartz melt on, whereby the reaction with coke to silicon carbide is inhibited and continuous Working is extremely difficult.

Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung eines für die Erzeugung von Siliciumcarbid bestimmten bestehenden Ausgangsmaterials gefunden, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man auf oberhalb 600° C, besonders auf 800 bis 1000° C, gehaltenem Sand solche Mengen flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe einwirken läßt, daß sich auf den Sandteilchen Kohlenstoff in solcher Menge absetzt, daß der Kohlenstoffgehalt der Kohlenstoff-Sandteilchen 20 bis 50 Gewichtsprozent, besonders 25 bis 40 Gewichtsprozent, beträgt, wobei die Einwirkung entweder in mit Rührern versehenen Schachtöfen oder in mit Einbauten zur Mitnahme und Durchwirbelung des Sandes versehenen, indirekt beheizten Drehrohröfen vollzogen wird.There has now been a method of making one for the production of silicon carbide certain existing starting material found, which thereby is characterized in that one to above 600 ° C, especially to 800 to 1000 ° C, Such amounts of liquid or gaseous hydrocarbons act on held sand allows carbon to be deposited on the sand particles in such an amount that the Carbon content of the carbon sand particles 20 to 50 percent by weight, especially 25 to 40 percent by weight, with the action either in with stirrers provided shaft furnaces or with internals for entrainment and whirling of the Sand provided, indirectly heated rotary kilns is completed.

Als koksbildende Stoffe kommen insbesondere Teere und teerenthaltende Materialien sowie Erdölprodukte, insbesondere Rückstandöle in Betracht. Doch können auch höhersiedende Produkte und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffe, z. B. Erdgas, verwendet werden.Tars and tar-containing substances in particular are used as coke-forming substances Materials and petroleum products, in particular residual oils, are considered. But can also higher-boiling products and / or gaseous hydrocarbons, e.g. B. natural gas, be used.

Unter diesen Bedingungen werden die einzelnen Quarzkörner von.einer fest haftenden, schwarz glänzenden dichten Kohlenstoffschicht umhüllt. Der Kohlenstoffgehalt des überzogenen Qarzsandes sollte mindestens 20 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Ausgangsstoffe, betragen. Das erhaltene Material kann unmittelbar für die Siliciumcarbiderzeugung verwendet werden, gegebenenfalls kann durch entsprechende Zusätze vorher noch das Mengenverhältnis Si02 : C auf annähernd stöchiometrische Verhältnisse korrigiert werden.Under these conditions the individual quartz grains are firmly adhering, shiny black, dense carbon layer. The carbon content of the coated resin sand should be at least 20 percent by weight, based on the Total weight of the starting materials. The material obtained can be used immediately can be used for silicon carbide production, if necessary by appropriate Additions beforehand the Si02: C ratio to approximately stoichiometric Ratios are corrected.

Beim Erhitzen dieses Materials tritt kein Zusammenschmelzen der Quarzkörner zu größeren Schmelzklumpen ein. Weiterhin ist das so hergestellte Ausgangsmaterial nicht entmischbar, und es ist reaktionsfähiger als das herkömmliche mechanische Gemenge, weil die gesamte Oberfläche des Quarzes mit Kohlenstoff in Kontakt steht. Als zusätzlicher nicht vorhersehbarer Vorteil wurde außerdem gefunden, daß beim Erhitzen des erfindungsgemäß hergestellten Ausgangsmaterials auf die für die Siliciumcarbidherstellung notwendigen Temperaturen oberhalb von etwa 1600° C die Verdampfungsverluste an Si02 wesentlich geringer sind als bei Verwendung eines mechanisch hergestellten Gemenges der Ausgangsstoffe.When this material is heated, the quartz grains do not melt together into larger lumps of melt. Furthermore, the raw material thus produced is not segregated, and it is more reactive than the traditional mechanical one Mixture because the entire surface of the quartz is in contact with carbon. As an additional, unforeseeable advantage, it was also found that the Heating the starting material produced according to the invention to that for silicon carbide production necessary temperatures above about 1600 ° C, the evaporation losses of Si02 are significantly lower than when using a mechanically produced mixture the starting materials.

Bei der Verkokung entstehen neben dem auf den Quarzsand abgeschiedenen Koks noch erhebliche Mengen gasförmiger Produkte. Ein kleiner Teil davon kann als Brennstoff für den Verkokungsofen verwendet werden, der größere Teil steht für andere Zwecke als Heizgas zur Verfügung. Der hohe Heizwert dieser Gase trägt zur Wirtschaftlichkeit des neuen Verfahrens bei. Die Weiterverarbeitung des erfindungsgemäß hergestellten Ausgangsmaterials zu Siliciumcarbid kann in Herdöfen, Drehrohröfen oder auch in jedem sonst zur Herstellung von Siliciumcarbid gebräuchlichen Ofen durchgeführt werden.In addition to that which is deposited on the quartz sand, this occurs during coking Coke still produces significant amounts of gaseous products. A small part of it can be used as a Fuel can be used for the coking furnace, the greater part is available for others Purposes available as heating gas. The high calorific value of these gases contributes to economic efficiency of the new procedure. The further processing of the produced according to the invention The starting material for silicon carbide can be used in hearth furnaces, rotary kilns or even carried out in every furnace otherwise used for the production of silicon carbide will.

Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Anordnung erforderlich, bei der eine genaue Dosierung der Ausgangsstoffe sowie Konstanthaltung des Verkokungsgrades und der Sandverweilzeit im Ofen gewährleistet ist. Es zeigte sich, daß besonders für kleinere Mengen ein indirekt beheizter Schachtofen sehr gut geeignet ist. In diesen wird der Sand von oben eingefüllt und die Kohlenwasserstoffe unten eingedüst. Im Kontakt mit dem heißen Sand verdampfen die Kohlenwasserstoffe und verkoken beim Durchdringen der Sandschicht. Die gasförmigen Produkte verlassen den Schachtofen am oberen Ende, während der mit Kohlenstoff überzogene Sand unten laufend abgezogen werden kann. Zweckmäßigerweise werden der Quarzsand in einem Trommelofen und die Kohlenwasserstoffe in einem Röhrenofen vorher möglichst hoch vorerhitzt.In order to carry out the procedure, an order is required at precise dosing of the raw materials and keeping the degree of coking constant and the sand dwell time in the furnace is guaranteed. It turned out to be special an indirectly heated shaft furnace is very suitable for smaller quantities. In The sand is poured in from above and the hydrocarbons are injected from below. In contact with the hot sand, the hydrocarbons evaporate and coke in the process Penetration of the sand layer. The gaseous products leave the shaft furnace at the upper end, while the carbon-coated sand is continuously withdrawn at the bottom can be. Appropriately, the quartz sand in a drum furnace and the Hydrocarbons are preheated as high as possible beforehand in a tube furnace.

Für größere Mengen ist ein indirekt beheizter Drehrohrofen mit Einbauten zur Erhöhung des Füllungsgrades, so daß die anfänglich gebildeten Kohlenwasserstoffdämpfe dauernd mit dem heißen Sand in Berührung bleiben, besonders geeignet. Auch hier ist die direkte Vorerhitzung des Quarzsandes bzw. die Vorwärmung der Kohlenwasserstoffe in einem Röhrenofen zweckmäßig.An indirectly heated rotary kiln with built-in components is available for larger quantities to increase the degree of filling, so that the initially formed hydrocarbon vapors Stay in constant contact with the hot sand, especially suitable. Here too is the direct preheating of the quartz sand or the preheating of the hydrocarbons useful in a tube furnace.

Beispiel 1 1000g Quarzsand (Korngröße 0,4 bis 0,6 mm) wurden in einem Schachtofen mit Rührvorrichtung auf 800° C erhitzt und während 1/f Stunde 700 g Steinkohlenteer von unten eingeleitet. Dabei schied sich Koks auf dem Sand ab, während die gebildeten gasförmigen Produkte am oberen Ende des Ofens abgezogen wurden. Der Kohlenstoffgehalt, bezogen auf das Gesamtgemisch, betrug 361%. Beispiel 2 500 g Quarzsand (Korngröße 0,4 bis 0,6 mm) wurden in einem Schachtofen mit Rührvorrichtung auf 1050° C erhitzt und während 1 Stunde 3001 Propangas bei einer Verweilzeit von etwa 5 Sekunden von unten eingeleitet. Das vorwiegend aus Wasserstoff bestehende Abgas wurde am oberen Ende des Ofens abgezogen. Auf dem Quarzsand hatten sich 28,5% Kohlenstoff abgeschieden.Example 1 1000g of quartz sand (grain size 0.4 to 0.6 mm) were in a Shaft furnace with stirrer heated to 800 ° C. and 700 g for 1 / f hour Coal tar introduced from below. Coke deposited on the sand while the gaseous products formed were withdrawn at the top of the furnace. Of the The carbon content, based on the total mixture, was 361%. Example 2 500 g Quartz sand (grain size 0.4 to 0.6 mm) were placed in a shaft furnace with a stirrer heated to 1050 ° C and for 1 hour 3001 propane gas with a residence time of initiated from below for about 5 seconds. The one consisting primarily of hydrogen Exhaust gas was withdrawn from the top of the furnace. On the quartz sand, 28.5% Carbon deposited.

Beispiel 3 250 g Quarzsand (Korngröße 0,4 bis 0,6 mm) wurden in einem Drehrohrofen mit Einbauten zur Durchmischung des Sandes auf 1250° C erhitzt und während 1 Stunde im Gegenstrom 3501 Methangas darübergeleitet. Am anderen Ende des Ofens entwich das Abgas. Auf dem Sand wurden 27% Kohlenstoff abgeschieden. Die Verweilzeit betrug etwa 1,5 Sekunden. Beispiel 4 30g Sand (Korngröße 0,4 bis 0,6 mm) und 18g Koks (Korngröße 0,1 bis 0,4 mm) wurden mechanisch vermengt und anschließend bei 1700°C im Elektroofen 2 Stunden lang erhitzt. Nach dem Abkühlen wurden 19,2g Reaktionsprodukt mit einem Siliciumcarbidgehalt von 84,4% erhalten. Der Verlust an 5i0= betrug 8,5% des eingesetzten Quarzsandes. 48 g eines nach Beispiel 1 bis 3 erhaltenen, mit Kohlenstoff überzogenen Quarzsandes wurden unter den gleichen Bedingungen, wie oben angeführt, erhitzt. Dabei wurden 20,5 g Reaktionsprodukt mit einem Siliciumcarbidgehalt von 86,41% erhalten. Der Verlust an SiO, betrug 5,1%, bezogen auf den eingesetzten Quarzsand.Example 3 250 g of quartz sand (grain size 0.4 to 0.6 mm) were heated to 1250 ° C. in a rotary kiln with internals for mixing the sand and 3501 of methane gas were passed over it in countercurrent for 1 hour. The exhaust gas escaped at the other end of the furnace. 27% carbon was deposited on the sand. The residence time was about 1.5 seconds. Example 4 30 g of sand (grain size 0.4 to 0.6 mm) and 18 g of coke (grain size 0.1 to 0.4 mm) were mechanically mixed and then heated in an electric furnace at 1700 ° C. for 2 hours. After cooling, 19.2 g of reaction product with a silicon carbide content of 84.4% were obtained. The loss of 5i0 = was 8.5% of the quartz sand used. 48 g of a carbon-coated quartz sand obtained according to Examples 1 to 3 were heated under the same conditions as mentioned above. This gave 20.5 g of reaction product with a silicon carbide content of 86.41%. The loss of SiO was 5.1%, based on the quartz sand used.

Claims (1)

Patentanspruch: Verfahren zur Herstellung eines für die Erzeugung von Siliciumcarbid bestimmten, aus Sand und Kohlenstoff bestehenden Ausgangsmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß man auf oberhalb 600° C, besonders auf 800 bis 1000° C, gehaltenem Sand solche Mengen flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe einwirken läßt, daß sich auf den Sandteilchen Kohlenstoff in Mengen von 20 bis 50, besonders 25 bis 40 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Teilchen, absetzt, wobei die Einwirkung entweder in mit Rührern versehenen Schachtöfen oder in mit Einbauten zur Mitnahme und Durchwirbelung des Sandes versehenen, indirekt beheizten Drehrohröfen vollzogen wird.Claim: Process for the production of one for the production raw material consisting of sand and carbon made up of silicon carbide, characterized in that one to above 600 ° C, especially to 800 to 1000 ° C, held sand act in such amounts of liquid or gaseous hydrocarbons allows carbon to be found on the sand particles in amounts from 20 to 50, especially 25 to 40 percent by weight, based on the total weight of the particles, settles, the action either in shaft furnaces equipped with stirrers or in with Internals for entrainment and swirling of the sand provided, indirectly heated Rotary kilns is completed.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2484988A1 (en) * 1980-06-21 1981-12-24 Int Minerals & Chem Corp METHOD FOR PRODUCING AN INTERMEDIATE PRODUCT COMPRISING SILICA AND CARBON, FOR PRODUCING SILICON AND / OR SILICON CARBIDE
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