DE1933025A1

DE1933025A1 - Kern fuer Siliziumkarbid-Ofen

Info

Publication number: DE1933025A1
Application number: DE19691933025
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Dessureault
Original assignee: Carborundum Co
Current assignee: Unifrax 1 LLC
Priority date: 1968-07-01
Filing date: 1969-06-28
Publication date: 1970-01-08
Also published as: JPS4817600B1; BR6910319D0; US3647384A; FR2012040A1; NO129292B

Description

The Carborundum Company

1625, Buffalo Avenue
Niagara Falls, New York, USA

27. Juni 1969

Kern für Siliziumkarbid-Ofen

Die Erfindung betrifft einen Kern für elektrische Widerstandsöfen mit Kohlenstoffkern, die für die Herstellung von Siliziumkarbid verwendet werden.

Siliziumkarbid ist ein weit verbreitetes Handelsprodukt, das sich für eine Vielzahl von Anwendungsfällen eignet, beispielsweise als Schleifmittel, als ein Bestandteil verschleißfester Gegenstände, als feuerfestes Material und als Bestandteil elektrischer Heizelemente.

Gewerblich wird Siliziumkarbid normalerweise durch die Reaktion von
Siliziumoxid, normalerweise in der Form von Sand,und Kohlenstoff hergestellt, häufig in der Form von Koks oder Anthrazit, wobei die Reaktion in einem elektrischen Widerstandsofen mit Kohlenstoffkern durchgeführt wird. Neben Siliziumoxid und Kohlenstoff enthält die Ofen-

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charge häufig ein Material, beispielsweise Sägemehl, als Mittel zur Erhöhung der Porösität des Gemisches, um damit das Wandern von Gasen zu erleichtern, die während der Beaktion erzeugt werden.

Die für die Durchführung der Beaktion eingesetzten Widerstandsöfen sind normalerweise durch zwei Endwände an beiden Enden des Ofens gebildet, welche durch Seitenwände zu beiden Seiten des Ofens verbunden sind, um damit eine Wanne zu bilden, die 20 m oder mehr in ihrer Länge und 3 m oder mehr in ihrer Breite messen kann. Die Wände werden üblicherweise aus Schamottestein gebaut. Durch die beiden Endwände erstrecken sich Elektroden, um Mittel zum Einleiten elektrischer Energie in den Ofen zu bilden. Dabei sind die Elektroden außen mit einer Stromquelle verbunden.

In der Vorbereitung des Ofens zu dem Betrieb wird der untere Teil der Wanne zunächst mit dem Gemisch aus Siliziumoxid und Kohlenstoff gefüllt, und zwar bis zur Höhe der Elektroden. Dann wird in das Gemisch eine Binne geformt, die sich von der Elektrode in der einen Endwand des Ofens zu der Elektrode in der anderen Endwand erstreckt, und zwar als Vorstufe in der Herstellung des Kohlenst of f kerne. Der Kern wird dann dadurch hergestellt, daß die Binne mit Kohlenstoff gefüllt wird, das heißt Graphit, gebranntem Ölkoks oder jedem beliebigen anderen geeigneten kohlenstoffhaltigen Material. Der Kohlenstoff kann zur Verdichtung leicht festgestampft werden. Der auf diese Weise gebildete Kohlenstoffkern nimmt die Form der Binne an, deren Breite und Tiefe so gewählt sind, daß ein Kern mit Abmessungen entsteht, die für den Ofen geeignet sind. Nach dem Formen des Kerns werden dessen beide Enden in einen engen elektrischen Kontakt mit der entsprechenden Elektrode gebracht, indem das Ende des Kerns

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mit Graphit umgeben und zusätzliches Graphit zwischen den Kern und die Elektrode gebracht wird, so daß die Stirnseite der Elektrode mit Graphit bedeckt ist. Der Kern wird dann mit weiterem Gemisch aus Siliziumoxid und Kohlenstoff bedeckt und der Ofen bis zur vollen Aufnahmefähigkeit gefüllt.

Danach läßt man elektrischen Strom zwischen den Elektroden durch den Kern fließen, um Wärem zu erzeugen, die die Reaktion bewirkt. Nach einer geeigneten Zeitdauer wird der Strom abgeschaltet, uni man läßt den Ofen abkühlen. Sie Seitenwände werden entfernt, und nah Entfernen der umgebenden Schichten aus nichtreagiertem und teilweise reagiertem Material bleibt in der Mitte ein Zylinder aus Siliziumkarbid, der sich von einer Stirnseite zur anderen erstreckt. Dieser Zylinder ist das gewünschte Produkt.

Das bekannte Verfahren zur Herstellung des Kohlenstoffkerns, wie es oben beschrieben worden ist, ist recht unbequem, mühselig und zeitraubend. Ein noch schwärwiegenderer Nachteil von Kernen, die mit Hilfe des bekannten Verfahrens hergestellt werden, liegt darin, daß solche Kerne in ihrer Dichte sehr unterschiedlich sind und im Querschnitt über die Länge des Kerns hinweg ungleichförmig sind. Solche Unterschiede in der Dichte und im Querschnitt haben einen sehr nachteiligen Einfluß auf den Betrieb des Ofens und die Stromführungseigenschaften des Kerns. Es kann ein ungleichmäßiger Widerstand des Kerns über dessen Länge auftreten, was zu unmäßig heißen Bereichen im Kern führen kann, und das wiederum kann zu einer Eruption des Gemisches aus Siliziumoxid und Kohlenstoff im Ofen an Stellen führen, die diesen Bereichen entsprechen. Durch das bekannte Verfahren hergestellte Kerne haben tatsächlich mitunter eine so mangelhafte Gleichförmig-

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keit, daß sie zu einem funktionsunfähigen Ofen führen. Es ist klar, daß Kerne konsistenter Dichte und gleichförmigen Querschnitts außerordentlich vorteilhaft im Interesse guter und reproduzierbarer Ergebnisse, Heizcharakteristiken und elektrischer Charakteristiken sind.

Die Erfindung bezweckt deshalb die Schaffung eines Kohlenstoffkerns für elektrische Widerstandsöfen zur Herstellung von Siliziumkarbid, wobei der Kern über seine gesamte Länge eine relativ konsistente Dichte und eiaan gleichförmigen Querschnitt haben soll.

Dazu ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß man als Kern eine nicht leitende verbrennbare Röhre einsetzt, die mit Kohlenstoff vollgepackt ist. Nicht leitend ist dabei die Eöhre in dem Sinne, daß sie keine elektrische Energie leiten kann.

Die Erfindung ist im nachfolgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung sind:

Fig. 1 ein vertikaler Längsschnitt durch die Mitte eines elektrischen Siliziumkarbid-Widerstandsofens, wobei schematisch gezeigt ist, wie der Ofen mit einer Charge gefüllt und mit einem Kern gemäß der Erfindung bestückt ist, und ,

Fig. 2 ein vertikaler Schnitt in Querrichtung durch die Mitte des Ofens im wesentlichen an der Linie 22 der Fig. 1.

In der Zeichnung ist ein elektrischer Widerstandsofen gezeigt, der durch «inen Boden 10, Endwänden 12 (Fig.1) und Seitenwände 14 (Fig.2) gebildet ist, die jeweils aus einem geeigneten hitzebeständigen

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Werkstoff gemauert sind, beispielsweise Schamottestein. Elektroden 16 (Fig.1), die aus einem geeigneten elektrisch leitenden Werkstoff gebildet sind, beispielsweise aus Graphit, erstrecken sich durch die Endwände 12 und sind außen mit einer elektrischen Stromquelle verbunden (nicht dargestellt). Der Ofen ist mit einer Charge 18 gefüllt, die im wesentlichen aus Siliziumoxid und Kohlenstoff besteht. In der Charge ist gemäß der Erfindung ein Kern eingebettet, der sich in Längsrichtung durch den Ofen in der Höhe der Elektroden 16 erstreckt. Der Kern ist durch eine nicht leitende verbrennbare Röhre 20 gebildet, die aus Papier, Kunststoff oder einem anderen geeigneten Werkstoff besteht und die mit Kohlenstoff 22 vollgepackt ist. Die Enden der Röhre 20 befinden sich in der Nähe der inneren Enden der Elektroden 16 und stehen mit ihnen in elektrischer Verbindung über im wesentlichen kegelstumpfförmig geformte Graphitfüllungen 24·

In der Praxis wird der Kern zweckmäßig dadurch hergestellt, daß die Röhre in einer vertikalen Lage abgestützt, das untere Ende bedeckt und die Röhre mit Kohlenstoff gefüllt wird, das am oberen Ende eingeführt wird. Das obere Ende wird dann abgedeckt, um den Kern zum Einsetzen in den Ofen vorzubereiten. Zweckmäßigerweise wird der Ofen zunächst mit einer Teilcharge bis zur Höhe der Elektroden gefüllt. Der Kern wird dann in die vorgesehene Lage eingelegt, und die Abdeckungen werden von den beiden Enden entfernt. Danach werden die Graphitfüllungen an beiden Enden vorgesehen, um einen elektrischen Kontakt mit den Elektroden sicherzustellen. Der Ofen wird dann bis zur vollen Aufnahmefähigkeit mit der Restcharge gefüllt. Der Ofen kann dann in üblicher Weise betrieben werden.

Beim Anlegen des elektrischen Stroms an den Kern wird Wärme erzeugt, die zu einer Verbrennung der Röhre führt. Ein Kohlenstoffrest kann

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verbleiben, das hat aber keine Konsequenz, da solcher Kohlenstoff lediglich zusammen mit dem in der Charge zur Verfügung steht, um mit dem Siliziumoxid zu reagieren. Der Kohlenstoff, mit dem die Röhre vollgepackt war, dient als der leitende Kern, der bekannten Kernen dadurch überlegen ist, daß er eine relativ konsistente Dichte und einen gleichförmigen Querschnitt über seine gesamte Länge hinweg hat.

* BEISPIEL

Der verwendete Ofen hatte im wesentlichen den Aufbau, wie er in der Zeichnung dargestellt ist. Er hatte eine Länge von 14»6 m zwischen den Endwänden und eine Breite von 2,4 m zwischen den Seitenwänden, die 1,3m hoch waren. Me Charge bestand aus einem Gemisch aus 27.800 kg verzögertem Ölköks, das in der Analyse 86 fo freien Kohlenstoff enthielt, 39.500 kg Siliziumoxid-Sand und 8,1 cbm Sägemehl, wobei ausreichend Wasser zugesetzt wurde, so daß sich das Gemisch in der Hand zusammenpacken ließ.

Gemäß der Erfindung wurde ein Kern wie folgt hergestellt. Eine Pa_fc pierröhre mit einer Länge von 12,8 m mit einem runden Querschnitt und einem Innendurchmesser von 18 cm sowie mit einer Wandstärke von 0,5 cm wurde vertikal auf einem Ende aufgesetzt, wobei das untere Ende mit einem Stück Papier bedeckt wurde, das mit druckempfindlichen Klebeband festgehalten wurde. Sie Röhre wurde mit einem Gemisch vollgepackt, das aus 20 % Graphit und 80 ⁰Jo gebranntem Ölkoks bestand, der auf eine Partikelgröße von 2,5 cm und feiner zerkleinert worden war. Dieses Gemisch wurde am oberen Ende der Bohre eingeführt, und das Gemisch wurde gelegentlich festgeklopft, um das Vollpacken zu begünstigen. Nachdem die Röhre vollständig mit dem Gemisch vollgepackt war, wurde das obere Ende der Bohre in der gleichen Weise wie das untere Ende mit Papier abgedeckt.

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Der Ofen wurde dann mit der Charge, bis zur Höhe von etwa 1,3m gefüllt. Dabei handelte, es sich um die etwaige Höhe der Unterseite der Elektroden im Ofen. Der Kern wurde dann oben auf die Charge aufgelegt, wobei dessen Enden sich in der Nähe der Elektroden befanden. Das jeweilige Ende befand sich etwa 0,9 m von der entsprechenden Elektrode entfernt. Von den Enden der Röhre wurden die Papierabdeckungen entfernt, und an beiden Enden der Bohre wurde eine im wesentlichen kegelstumpfförmige Graphitfüllung angeordnet, um für einen Xontakt zwischen den Enden der Röhre und den Stirnflächen der Elektroden zu sorgen. Danach wurde der Ofen bis zur vollen Aufnahmefähigkeit mit der Ladung gefüllt, die sich pyramidenförmig über das obere Ende der Ofenwände hinaus erstreckte.

Danach wurde der Strom eingeschaltet, und der Ofen wurde etwa eine Stunde lang mit einem Strom betrieben, der bis zu 2000 kW anstieg. Danach wurde er etwa 35 Stunden lang bei etwa 3000 kW betrieben. Nachdem man den Strom abgeschaltet und dem Ofen die Möglichkeit zur Abkühlung gegeben hatte, wurde die nicht reagierte und die teilweise reagierte Charge entfernt, und es blieb ein Zylinder aus Siliziumkarbid zurück, der einen Durchmesser von etwa 1,5 πι hatte und der sich über die Länge des Ofens hinweg erstreckte. Ton diesem Zylinder wurden 18.000 kg Siliziumkarbid gewonnen, was einen Wirkungsgrad von 167 Gramm pro kWh darstellt.

Die zur Durchführung der Erfindung verwendete Röhre kann aus jedem beliebigen nicht leitenden« verbrennbaren Material bestehen, beispielsweise aus Papier oder Kunststoff. Die Röhre ist vorzugsweise relativ starr und soll ausreichend stark sein, um den Kohlenstoff aufzunehmen, ohne daß ein Reißen erfolgt. Schwere Papier- oder PapperÖhren sind besonders geeignet. Solange die Röhre ausreichend stark

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ist, hat die genaue Wandstärke kaum eine Bedeutung, da sie keinen merklichen Einfluß auf den Betrieb des Ofens hat. Papierröhren mit Wandstärken von etwa 0,3 cm bis etwa 0,6 cm sind geprüft worden und haben sich als zufriedenstellend erwiesen.

Gegebenenfalls kann die Röhre mit einer äußeren Abstützung versehen sein, beispielsweise indem ein Stück Winkeleisen über die Länge der Röhre mit Metallbändern befestigt wird. Eine solche Abstützung dient P dazu, ein Einknicken der Röhre zu verhindern, während sie gefüllt und in den Ofen eingelegt wird. Danach kann die Abstützung entfernt werden.

Runde Röhren im wesentlichen zirkulären Querschnitts sind am gängigsten zu beziehen und können in jedem geeigneten Durchmesser eingesetzt werden, obgleich Röhren mit beliebigen anderen gewünschten Querschnittsformen auf Wunsch verwendet werden können, beispielsweise mit rechteckigem Querschnitt.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Röhre um eine einzige Röhre ausreichender Länge, um sich im wesentlichen von einem Ende des Ofens zum anderen zu erstrecken. Alternativ können Röhren in Abschnitten ™ verwendet werden, die Ende an Ende in den Ofen eingelegt werden. Die Enden können dabei in jeder geeigneten Weise miteinander verbunden sein, beispielsweise durch druckempfindliches Klebeband. Eine einzige Röhre ist jedoch vorzuziehen, um mögliche Schwierigkeiten zu vermeiden, die sonst in Hinsicht auf die Gleichförmigkeit des Kerns an den Verbindungsstellen auftreten könnten.

Bei dem Kohlenstoff, mit dem die Röhre vollgepackt wird, kann es sich um jede beliebige Form handeln, die zur Herstellung eines Kerns ohne

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die Röhre verwendet werden kann. Zu Materialien, die üblicherweise eingesetzt werden, gehören Graphit, gebrannter Ölkoks und Gemische davon.

Ein Vorteil der Kerne gemäß der Erfindung beruht darin, daß sie im voraus hergestellt und auf Vorrat gehalten werden können, bis sie
benötigt werden. Sie lassen sich schnell und mühelos in den Ofen
einlegen. Sie sind gerade,und der Kohlenstoff hat einen im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt und eine gleichförmige Dichte über die gesamte Länge dee Ofens hinweg, um damit gute und reproduzierbare Ergebnisse und reproduzierbare elektrische und thermische Eigenschaften zu erbringen.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbid durch die Reaktion von Kohlenstoff und Siliziumoxid in einem elektrischen Widerstandsofen mit Kohlenstoffkern, dadurch gekennzeichnet, daß als Kern eine nicht leitende verbrennbare Röhre eingesetzt wird, die mit Kohlenstoff vollgepackt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre aus einem Material gefertigt wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Papier und Kunststoff besteht.

J. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre aus Papier gefertigt wird.

4· Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß die Bohre einen im wesentlichen zirkulären Querschnitt hat.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß als Röhre eine einzige Röhre so ausreichender Länge verwendet wird, daß sie sich im wesentlichen von einem Ende des Ofens zum anderen erstreckt.

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