DE2617647A1 - Verfahren zur herstellung von siliciumcarbid - Google Patents

Description

Verfahren zur herstellung von Siliciumcarbid

Es ist bekannt, Siliciumcarbid in technischem Massstab im elektrischen Widerstandsofen nach dem von ACHESON Ende des 19. Jahrhunderts entwickelten Verfahren herzustellen. Der Ofen besteht aus zwei einander gegenüberstehenden, stationären feuerfesten Mauern, durch welche die in den Ofen ragenden Elektroden geführt v/erden, an die Wechselstrom angelegt wird. Die feuerfesten Seitenwände sind abtragbar und werden nach Beendigung des Brennprozesses zum Abräumen der Charge entfernt.

Die Summengleichung der Herstellung von Siliciumcarbid lautet:

SiO₂ + 3 C > SiC + 2 CO (-1120 Kcal) .

Die Rohmischung besteht aus körnigem Quarz und Koks, vorteilhaft mit Sägemehl und Kochsalz vermischt. Der Anteil der Hauptkomponenten in der Rohmischung entspricht dem

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stochiometrischen Verhältnis mit einem geringen Ueberschuss an Koks.

Der Ofen wird zunächst bis zur Höhe der Elektroden mit der Rohmischung gefüllt. Anschliessend werden die Elektrodenblöcke mit einem aus einer Koks-Graphir-Mischung bestehenden Heizleiter (Nerv) verbunden und die übrige Rohmischung wird aufgegeben. Der Umsetzungsprozeüs ist nach 25 bis 36 Stunden beendet. Es wird eine Abkühlungszeit von mehreren Tagen abgewartet. Die Seitenwände des Ofens v/erden demontiert und die gebildete zylindrische Kruste wird von der nicht umgesetzten Rohmischung getrennt.

Bei diesem Verfahren entstehen gut ausgebildete SiC-Kristalle im Temperaturbereich von etwa 2000°C bis etwa 23OO°C. Oberhalb von etwa 2300 C wird das SiC zersetzt. Das bei der Zersetzung entstehende Silicium verdampft und schlägt sich in den kälteren Zonen nieder; der zurückbleibende, verhältnisiuässig reine Graphit verunreinigt das Siliciumcarbid.

Bei der direkten Widerstandsheizung wird die Spannung direkt an den Heizleiter angelegt. Im Regelfall sind hier die Spannungen niedrig und die Ströme sehr hoch. Will man eine gleichförmige Erwärmung erhalten - und das wird immer erstrebt - so muss der Widerstand des Heizgutes über die ganze Strombahn (Querschnitt) gleichmässig sein, es dürfen also weder Ungleichheiten im Gefüge noch im Querschnitt vorliegen; beide Voraussetzungen sind schwer zu erfüllen. Eine weitere beträchtliche Schwierigkeit bietet die Kontaktfrage.

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Man verlangt nicht nur einen sehr guten Kontakt mit einem möglichst geringen Uebergangswxderstand, sondern auch wiederum einen gleichmässigen Stromübergang. Bei den hohen Stromstärken von einigen tausend Ampere führt schon ein Uebergangswxderstand von Bruchteilen eines Ohm ^u beträcht:lic1i3r Wärmeentwicklung, die durch to.sondere Kühlung der Kontaktstelle abgeführt v/erden muss und als Verlust in die Energiebilanz eingeht. Bei der Anwendung von Wechselstrom - und nur dieser kommt praktisch in Frage, da er allein gestaltet, die hohen Ströme in einfacher Weise dem Netz zu entnehmen - ist noch die Wirkung der starken magnetischen Felder zu berücksichtigen (Ulimann 1951, Band I, S. 191).

Die Erzielung einer guten Wärmeausnutzung und damit einer hohen Energieausbeute setzt eine möglichst kleine Blindleistung (Cos r) voraus. Diese Voraussetzung ist jedoch bei den bekannten SiC-Widerstandsöfen nur sehr unvollkommen erfüllt. Um diese Blindleistung möglichst klein zu halten, werden nach bekannter Art Kondensatoren vorgeschaltet. Aber auch bei vorgeschalteten Kondensatoren sind den Oefen in Bezug auf Querschnitt und Länge Grenzen gesetzt, da sich bei Vergrösserung des Querschnittes und der Länge die Blindleistung stark erhöht.

Meist werden drei solche Oefen parallel geschaltet um eine symetrische Belastung des Generators und Netzes zu erzielen.

Es wurde nun gefunden, dass man eine gleichmässige Ofen-

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fahrt und eine erhöhte Energieausbeute (kleine Blindleistung) auch bei grossdimensionierten Oefen erreicht, wenn die Oefen mit Gleichstrom betrieben werden.

Das Verfahren der Erfindung zur Herstellung von Siliciumcarbid aus Quarzspnd, Kohle, Sägemehl und Kochsalz ist im wesentlichen dadurc-.h gekennzeichnet, dass man die Umsetzung in einem elektrischen Widerstandsofen durchführt, dessen Heizkern an Gleichstrom angeschlossen is'c.

Zweckmässig wird so vorgegangen, dass i'.an zwischen Netz und Ofen einen Si-GIeichrichter/Transformer, vorzugsweise einen fahrbaren Si-Gleichrichter/Transforruator, zwischenschaltet. Durch diese Anordnung kann Drehstrom - alle drei Phasen - gleichgerichtet werdeu. Dadurch, dass die Gleichrichter/Transformer-Einheit fahrbar ist, kann diese Einheit direkt an die Oefen gebracht werden. Die Verluste durch lange Zuleitungen fallen weg. Es entfä.llt eine einseitige Belastung des Netzes.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese Anordnung leichter regulierbar ist und so weniger Energieverluste entstehen.

Die Gleichrichter/Transformator-Einheit wird zweckmässig programmierbar ausgestaltet, wobei das vorgegebene Programm der jeweiligen Energieaufnahme des Ofens entspricht.

Die nach der vorliegenden Erfindung betriebenen Oefen werden mit ca. 80 KA betrieben; die Leistung beträgt 350 bis 400 kW# pro Meter Ofenlänge. Die erreichbare Ausbeute be-

pro Sti

trägt etwa 40 kg gutkristallisiertes SiC pro Meter Ofenlänge¹.

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Claims (3)

1. Gu/Schu LONZA AG, Gampel/Wallis

   (Geschäftsleitung: Basel)

   Patentansprüche

   Ί. Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid durch Umsatz von Quarzsand und Koks, zweckmäßig in Gegenwart von Kochsalz und Sägemehl im elektrischen Widerstandsofen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in einem elektrischen Widerstandsofen durchführt, dessen Heizkern an Gleichstrom angeschlossen ist.
2. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet·, daß man den Gleichstrom mittels einer fahrbaren Gleichrichter/Transformer-Einheit an den Heizkern anschließt.
3. 3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine programmierbare Gleichrichter/Transformer-Einheit verwendet,

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