DE2113852A1

DE2113852A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von feinen Pulvern

Info

Publication number: DE2113852A1
Application number: DE19712113852
Authority: DE
Inventors: Sterling Henley Frank
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1970-03-24
Filing date: 1971-03-23
Publication date: 1971-12-02
Also published as: GB1279208A; AU2457271A; US3764272A; DE2217951A1

Description

Deutsche ITT Industries GmbH. H.F.Sterling -

78 Freiburg,Hans-Bunte-Str.l9 Pat.Mo/Wi

19. März 1971

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG,

FREIBURG I.BR.

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von feinen Pulvern

Die Priorität der Anmeldung Nr. 14 107/70 vom 24. 3. 1970 in Großbritannien wird beansprucht. ·

Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung von feinem* "Pulver, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, mit der Herstellung von feinem Siliciumdioxydpulver.

Es ist bekannt, daß Siliciumdioxydstaub mit einer Korngröße im Submikrometerbereich durch Kondensation von verdampftem Siliciumdioxyd hergestellt werden kann, oder durch AufOxydation von Siliciummonoxyddampf, der durch die Reaktion von Sand und Koks, d.h. von Siliciumdioxyd und Kohlenstoff erzeugt wird. Die Reaktionsgleichungen sind dabei folgende:

SiO +C= SiO + CO und SiO + CO + O₃ = SiO₃ + CO₂-

Um diese Reaktionen wirkungsvoll und ökonomisch zu gestalten, ist es üblich, irgendeine Form von elektrothermischer Heizung eher zu verwenden als eine chemische Flamme. Die elektrothermische Heizung kann die Form eines Plasma-

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brenners oder einer elektrisch unterhaltenen Flamme haben. Bogenelektroden können ebenfalls verwendet werden.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Herstellen von feinen Pulvern einer Substanz durch Abscheiden aus der Dampfphase, nachdem die Substanz selbst oder ein die Substanz enthaltendes Material oder die die Substanz bildenden Elemente in die Dampfphase durch Erhitzen in einem Plasma-Ofen überführt sind.

Eines der Probleme, das bei der Verwendung solcher Verfahren auftritt, ist, Pulver, also im Falle der Herstellung von Silicxumdioxydpulver eine Mischung aus Kohlenstoff und Siliciumdioxyd, in die Flamme kontinuierlich so einzubringen, daß das Verfahren kontinuierlich abläuft, im Falle des Beispiels also eine kontinuierliche Produktion von Siliciummonoxyd und Kohlenmonoxyd erfolgt. Die Verweilzeit des Pulvers in der Flamme ist kurz, und der Wärmetransport zwischen den Gasen und Pulvern ist schlecht. Es ist besonders schwierig, Siliciumdioxyd in dieser Weise wegen dessen Reflexionsfähigkeit und niederer thermischer Leitfähigkeit aufzuheizen.

Diese Nachteile werden nach der Erfindung dadurch vermieden·, daß die Ausgangsstoffe mit einer Trägerflüssigkeit gemischt werden und unter Druck dem Plasma-Ofen zugeführt werden.

Im Beispiel von Siliciumdioxyd wird der benötigte Kohlenstoff in die erhitzte Reaktionszone zusammen mit dem Siliciumdioxyd in der Form eines Öles eingeführt. Das öl ist vorzugsweise ein Mineralöl und kann Rohöl sein. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Ausgangsstoffe,

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im Beispiel also Siliciumdioxydpulver mit einer ausreichenden Menge an öl gemischt, tun einen Teig zu bilden, so daß ein "zahnpasta"-artiges Material entsteht, welches dann unter Druck in die erhitzte Reaktionszone gepreßt wird. Die Zersetzung des Öls liefert im Falle des Beispiels dann den nötigen Kohlenstoff, um das Siliciumdioxyd zur Herstellung des Siliciummonoxyds zu reduzieren. Die weiteren Schritte der Oxydation zu Siliciumdioxyd, der nachfolgenden Abkühlung und des Sammelns des Siliciumdioxyd werden anschließend ausgeführt .

Für einen gegebenen Kohlenstoffgehalt kann das gewählte öl zu einem Teig oder einer Paste führen, die nicht die zum in die Reaktionszone Einführen geeignete Konsistenz aufweist. Diese Konsistenz kann verändert werden, beispielsweise verdickt werden, durch Zufügen eines Dickmachers zur Mischung, wie z.B. Sägemehl, der einigen Kohlenstoff, aber keine möglichen Verunreinigungen zu dem produzierten Siliciumdioxyd beisteuert. Die Mischung kann auch durch geeignete Zusätze verdünnt werden oder kann ihre Fließeigenschaften geändert haben, um für den Einspritzprozeß geeignet zu sein.

Die Technik des Zuführens einer teig- oder pastenförmigen Mischung zur erhitzten Reaktionszone kann auch zur Herstellung von anderen feinen Pulvern, wie z.B. Aluminiumoxyd oder Titandioxyd verwendet werden durch Mischung von Roh-Aluminiumoxyd oder Roh-Titandioxyd mit einer geeigneten Trägerflüssigkeit, um einen Teig oder eine Paste geeigneter Konsistenz zu erhalten, die dann in eine erhitzte Reaktionszone geführt wird. Da für diese beiden Metalloxyde kein Kohlenstoff benötigt wird, darf die Trägerflüssigkeit keine organische Verbindung, beispielsweise öl, sein'.

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On die erhitzte Reaktionszone vorzusehen und aufrechtzuerhalten ist es bekannt, einen Hochtemperatur-Ofen rotieren zu lassen und so aufgrund der Zentrifugalkraft eine stabile Wand aus flüssigem und hitzebeständigen Material zu erhalten, beispielsweise innerhalb eines keramischen Rohres.

Entsprechend der Erfindung ist die Form eines rotierenden Ofens, der die Grundkonstruktion ähnlich der des bekannten Silbertiegels verwendet und der für die Herstellung von feinem Siliciumdioxydpulver und mit gewissen Modifikationen auch zur Herstellung von Aluminiumoxyd, Titandioxyd, Siliciumnitrid und Siliciumkarbid geeignet ist, in den Fig. 1 und 2 der beigefügten Zeichnung gezeigt, wobei die Fig. 1 einen Aufriß und die Fig. 2 eine Endansicht der Fig. 1 zeigt.

Der Silbertiegel besteht grundsätzlich aus einer Behälter- oder Käfiganordnung von mit wenig Zwischenraum benachbart angeordneten Rohren eines Metalls hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise von Rohren aus silberplattiertem Kupfer, die Mittel zum Zirkulierenlassen einer Kühlflüssigkeit, wie z.B. Wasser, durch die Röhre enthalten. Wenn eine die Rohre umgebende Primärinduktionsspule eit HF-Energie gespeist wird, wird durch den Zwischenraum zwischen den Rohren hindurch Energie induziert und ebenso infolge der Induktion, die aufgrund des in jedem Rohr fließenden UmlaufStroms entsteht.

Typische Beispiele für solche Silbertiegel sind in den brit. Patentschriften 871 157 und 1 145 769 enthalten.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, sind U- oder haarnadelförmige Kupferrohre 1 so angeordnet, daß ein einhüllender Käfig von

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Rohren gebildet wird, die ein Siliciumdioxydrohr 2 umgeben. Die freien gebogenen Enden der Rohre liegen an der Auslaßöffnung des Ofens, während die Rohre an der Einlaßöffnung in einem ringförmigen Rohrkuhlungsverteilungskopf 3 enden und von diesem,zusammen mit einem umgebenden Lagerverteilungskopf 4,gehaltert werden,über den Kühlwasser durch die Rohre 1 geleitet werden kann. Der Käfig der Rohre 1 und der Rohrverteilungskopf 3 zusammen mit dem Siliciumdioxydrohr 2 sind bezüglich der Längsachse von Käfig und Rohr drehbar. Geeignete Dichtmittel 5 sind zwischen dem stationären Lagerverteilungskopf 4 und dem drehbaren Rohrverteilungskopf 3 vorgesehen, damit das Kühlwasser durch die Rohre während des Rotierns fließen kann. Die Auslaßöffnung des Ofens|führt zu einer nicht gezeigten Pulversammelanordnung. Um die Rohre herum ist eine wassergekühlte Primärinduktionsspule 8 angeordnet.

Die Rohre 1 dienen als Träger des Siliciumdioxydrohrs 2 und kühlen es so, daß es bei hohen Temperaturen nicht zerbricht, die von von der Primärspule 8 über die Rohre 1 zum Gasplasma 9 innerhalb des Siliciumrohrs 2 übertragener Energie stammen.

Dies überwindet eine der Hauptschwierigkeiten der Aufrechterhaltung eines Gasplasmas in einem hitzebeständigen Rohr bei hohen Temperaturen. Während der Rotation wird das heiße und plastische oder halbflüssige Siliciumdioxydrohr 2 gegen den Käfig der Rohre 1 gehaltert, und aufgrund der Zentrifugalkraft kann eine flüssige Füllung in der Plasmazone enthalten sein und darin gehalten werden. Diese Zone wird dann wieder mit neuem Material in dem Maße nachgefüllt, wie die Verdampfung fortschreitet« Durch Zuführen von Siliciumdioxyd und Kohlenstoff in die von dem SiMciumdioxydrohr 2 umgebene

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Plasmazone wird Siliciummonoxyd in der ersten Stufe der Herstellung feinen Siliciumdioxydpulvers erzeugt.

Durch Ersetzen des Siliciumdioxydrohres 2 durch ein Rohr aus Aluminiumoxyd oder Titandioxyd und Zuführen von Rohaluminiumoxyd oder -titandioxyd kann reines Aluminiumoxyd oder Titandioxyd durch Verdampfung und Kondensation hergestellt werden.

Die Erfindung si-eht auch ein Verfahren zum Einbringen von Gasen in die Reaktionszone vor. Die Gasgeschwxndigkeiten und -zusammensetzung und deren Steuerung sind sehr wichtig für das Erzielen, Steuern und Ändern der Form des gewünschten Produkts. In dem in Zusammenhang mit Fig. 3 der beigefügten Zeichnung beschriebenen Beispiel wird eine Induktionsheizung eines Kohlenstoffaufnehmers 11 über eine Spule 10 innerhalb eines Siliciumdioxydrohres 12 verwendet, um einer Mischung 13 aus Siliciumdioxyd und Kohlenstoff die nötige Wärme für die Reaktion SiO_ +C= SiO + CO zuzuführen.

Es ist klar, daß kein unterstützendes Gas für den Ablauf dieser Reaktion nötig ist und sie könnte falls gewünscht auch in Vakuum stattfinden.

Sobald diese Reaktion abgelaufen ist, muß jedoch Sauerstoff zugesetzt werden, um die Bestandteile Siliciummonoxyd und Kohlenmonoxyd völlig zu oxydieren und um als Kühlgas zu dienen. Das Fließenlassen des Sauerstoff oder des sauerstoffhaltigen Gases durch.die heiße Zone ist von vornherein nachteilig, weil einerseits der Kohlenstoff vorzeitig zu Kohlendioxyd oxydieren würde und andererseits Energie verbraucht würde, um ein Gas zu erhitzen, das tatsächlich für Kühlzwecke benötigt wird, soweit die Reaktion SiO + CO +O₃ betroffen ist,

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Dementsprechend wird Luft durch das Rohr 14 in die unmittelbare Nachreaktxonszone geleitet und so gerichtet, daß sie eine kleine und steuerbare Menge eines inerten Gases, wie z.B. Argon oder Stickstoff über das Rohr 15 durch die Reaktionszone saugt, wobei dieses inerte Gas als Träger für die Siliciummonoxyd- und Kohlenmonoxyd-Partikelchen in der Gasphase wirkt.

DiesesVerfahren der Zuführung von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen in die Nachreaktionszone kann auch bei Plasmaöfen und rotierenden öfen angewendet werden.

Wie in Fig. 4 der beigefügten Zeichnung gezeigt ist, steht der rotierende Plasmaofen der Figuren 1 und 2, der in Fig. 4 vereinfacht als Siliciumdioxydrohr 2 gezeigt ist, an seinem Auslaß.mit einem glockenförmig endenden Führungsrohr 20 in Verbindung, das eine gebogene T-Verbindung aufweist.

Durch Einleiten von Preßluft in die gebogene T-Verbindung verursacht die zugeführte Luft bei geheiztem und gedrehten Ofen und bei Speisung der Einlaßöffnung des Siliciumdioxydrohrs 2 mit Siliciumdioxyd und Kohlenstoff durch das Siliciumdioxydrohr 2 den Strom eines inerten Gases, das als Träger für Siliciumdioxyd und Kohlenstoff durch die Reaktionszone innerhalb des Siliciumdioxydrohrs 2 hindurch dient, und bewirkt auch, daß Luft an dem glockenförmigen Ende des Führungsrohrs 20 angesaugt wird, so daß das SiO und CO zu SiO₂ und C0_ oxydiert wird. Das resultierende SiO_ wandert entlang dem Führungsrohr 20, wo es gesammelt wird.

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Claims

P Ol H.F.Sterling-52 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Herstellen von feinen Pulvern einer Substanz durch Abscheiden aus der Dampfphase/ nachdem die Substanz selbst oder ein die Substanz enthaltendes Material oder die die Substanz bildenden Elemente in die Dampfphase durch Erhitzen in einem Plasma-Ofen überführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs-

P stoffe mit einer Trägerflüssigkeit gemischt werden und unter Druck dem Plasma-Ofen zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung auf teig- oder pastenartige Konsistenz eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zum Herstellen feinen Siliciumdioxydpulvers einer Korngröße im Submikrometerbereich, dadurch gekennzeichnet, daß Roh-Siliciumdioxydpulver mit Mineralöl gemischt wird und im Plasma-Ofen erhitzt, verdampft und dabei reduziert wird, daß die ent-

fc standenen Dämpfe mit Sauerstoff oder einem Sauerstoff enthaltenden Gas in einer Abkühlungszone oxydiert werden und daß das Siliciumpulver anschließend abgeschieden wird.

4. Plasma-Ofen nach Art des bekannten Silbertiegels zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Käfig von mit geringem gegenseitigen Abstand angeordneten kühlmitteldurchflossenen Röhren aus einem Metall hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit besteht, daß der Käfig von einer Primärinduktionsspule umgeben ist und daß der Käfig um seine Längsachse drehbar ausgebildet ist.

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5. Plasma-Ofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig ein Rohr aus dielektrischem Material umgibt.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 3 unter Verwendung des Plasma-Ofens nach Anspruch 4 oder. 5, dadurch gekennzeichnet, daß' hinter dem Plasma-Ofen ein Abkühlungs- und Abscheiderrohr angeordnet ist, an dessen Beginn ein Sauerstoff enthaltendes Gas, z.B. Luft, zusammen mit den aus dem Plasma-Ofen kommenden Dämpfen eintreten kann.

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