DE69107645T2

DE69107645T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Karbidprodukten.

Info

Publication number: DE69107645T2
Application number: DE69107645T
Authority: DE
Inventors: Michael Curtis Carter; Bruce William Gerhold
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1990-04-04
Filing date: 1991-04-03
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2011-04-04
Also published as: DK0450593T3; JPH0741314A; KR910018304A; GR3015482T3; AU623300B2; KR970010336B1; NO911305D0; EP0450593A2; CA2034809C; NO911305L; CA2034809A1; TW221983B; EP0450593B1; DE69107645D1; US5348718A; ES2068416T3; EP0450593A3; AU7287991A; NO306056B1; ATE119134T1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Carbidprodukten, wie Siliciumcarbid.
Verschiedene Carbidpulver, wie Siliciumcarbid, eignen sich für moderne keramische Materialien für die Fertigung von stark beanspruchten, verschleißbeständigen keramischen Teilen, wie Teilen, die in Wärmekraftmaschinen, Turboladerrotoren und Wärmetauschern eingesetzt werden. Synthesetechniken, wie Techniken, die das Erwärmen gasförmiger Reaktanten unter Anwendung eines Plasmas und eines Lasers beinhalten, werden zwar erfolgreich zur Herstellung von Submikron-Carbidpulvern angewandt, es wäre jedoch wünschenswert, sinterbare Carbidprodukte auf eine Weise herzustellen, die sich besser für eine wirtschaftliche Synthese im großen Maßstab eignet. In diesem Zusammenhang ist es besonders von Vorteil, die Bildung von Ablagerungen auf den Wänden eines Carbidreaktors zu minimieren, um dabei die Stillstandszeit zur Entfernung derartiger Ablagerungen zu minimieren.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Carbidprodukten, wie sie in Anspruch 1 bzw. Anspruch 14 definiert sind, bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die wirtschaftlich hinsichtlich der Herstellung von Carbidprodukten in einem Reaktor sind und bei denen Ablagerungen auf der Reaktorwand minimiert werden, so daß sie sich gut für die Synthese im großen Maßstab eignen.
Die vorstehende Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das folgendes umfaßt: Bereitstellung eines Reaktors mit einer darin ausgebildeten Kammer, die eine Längsachse und in Längsrichtung getrennte stromaufwärts und stromabwärts befindliche Enden aufweist, wobei die Kammer eine Verbrennungszone und eine Reaktionszone umfaßt, so daß sich die Verbrennungszone in Längsrichtung vom stromaufwärts befindlichen Ende zu einer Grenzfläche zwischen den Zonen erstreckt und so daß sich die Reaktionszone in Längsrichtung von der Grenzfläche zum stromabwärts befindlichen Ende erstreckt; Einrichten eines Stroms eines brennbaren Gemisches in die Verbrennungszone, so daß er im allgemeinen in Richtung hin zur Reaktionszone strömt, wobei das brennbare Gemisch ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel umfaßt; Verbrennen des brennbaren Gemisches in der Verbrennungszone, um heiße Verbrennungsprodukte zu erzeugen, die hin zur Reaktionszone und in die Reaktionszone strömen; Einspritzen mindestens eines Reaktanten in die Reaktorkammer aus mindestens einem Auslaß mindestens einer Reaktantendüse, so daß der/die Reaktant(en) aus dem Reaktantendüsenauslaß/den Reaktantendüsenauslassen an der Grenzfläche in Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse austritt/austretenl wobei die Temperatur in mindestens einem Abschnitt der Reaktionszone mindestens etwa 1400ºC beträgt und wobei das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff für die Kombination des brennbaren Gemisches und des/der Reaktanten mindestens etwa 0,8:1 beträgt, wobei ferner der/die Reaktant(en) zur Reaktion in der Reaktionszone unter Bildung einer Carbidverbindung imstande ist/sind; wobei ein Produktpulver, das die Carbidverbindung umfaßt, in der Reaktionszone gebildet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die folgendes umfaßt einen Reaktor, wie er vorstehend beschrieben wurde; eine Einrichtung zum Einspritzen eines brennbaren Gemisches in die Verbrennungszone, die mindestens eine Verbrennungsdüse mit mindestens einem Auslaß umfaßt, der mit der Verbrennungszone in Verbindung steht und geeignet ist, ein brennbares Gemisch in die Verbrennungszone in Richtung im allgemeinen hin zur Reaktionszone freizusetzen; und eine Einrichtung zum Einspritzen mindestens eines Reaktanten in die Verbrennungszone, die mindestens eine Reaktantendüse mit mindestens einem Auslaß umf aßt, der in Verbindung mit der Kammer an der Grenzfläche steht und geeignet ist, den/die Reaktanten in die Reaktorkammer in Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse der Kammer freizusetzen, wobei der/die Reaktant(en) zur Reaktion in der Kammer unter Bildung eines Carbidprodukts imstande ist/sind.
Gemäß in der vorliegenden Anmeldung beschriebener bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung bildet eine Mehrzahl von Verbrennungsdüsen auslassen mindestens eine lineare Grenze, deren Projektion in Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse der Kammer und auf die vorstehend genannte Grenzfläche im allgemeinen einen Reaktionsdüsenauslaß umgibt. Es ist auch bevorzugt, daß die Reaktionsdüse einen Auslaß aufweist, der im wesentlichen auf der Längsachse der Kammer angeordnet ist.
Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung sind wirtschaftlich, indem sie die Verwendung von billigen Brennstoffen als Heizquelle und eine minimale Investition für die Konstruktion des Reaktors erfordern. Darüber hinaus ist festgestellt worden, daß das Einspritzen der Reaktanten in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse der Kammer besonders wirksam zur Minimierung von Ablagerungen auf den Wänden der Reaktorkammer ist. Die bevorzugte relative Anordnung der Verbrennungsdüsen und der Reaktantendüsen, wie sie vorstehend erörtert wurde, verstärkt in besonderer Weise die gewünschte Wirkung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Reaktors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform von Fig. 1 entlang der Linie 2-2.
Figuren 3 und 4 sind vergrößerte Querschnitte von Düsen, die in Fig. 1 gezeigt sind.
Fig. 5 ist ein Querschnitt eines Reaktors gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 6 ist ein Querschnitt der Ausführungsform von Fig. 5 entlang der Linie 6-6.
Fig. 7 ist ein vergrößerter Querschnitt einer Reaktantendüse, die in Fig. 5 gezeigt ist.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 wird ein Querschnitt eines Reaktors 10 gezeigt, in dem eine Kammer 12 ausgebildet ist, die eine Längsachse 14 und in Längsrichtung getrennte stromaufwärts und stromabwärts befindliche Enden 16 bzw. 18 aufweist. Die Kammer 12 umfaßt eine Verbrennungszone 12a und eine Reaktionszone 12b, die so angeordnet sind, daß sich die Verbrennungszone 12a vom stromaufwärts befindlichen Ende 16 zu einer imaginären, in diesem Fall ebenen Grenzfläche 20 zwischen den Zonen erstreckt und so daß sich die Reaktionszone 12b von der Grenze 20 zum stromabwärts befindlichen Ende 18 erstreckt.
Die Kammer 12 wird durch feuerbeständige Rohre 22 und 24 und außerdem durch Einsätze 26a, b und c gebildet. Derartige Rohre und Einsätze bestehen vorzugsweise aus einem feuerbeständigen Material, das gegenüber Temperaturen von mindestens 2000ºC beständig ist, wie Zirkoniumdioxid, das im Handel von Zircoa Produkts, Solon, OH, erhältlich ist.
Wie gezeigt, werden mehrere zusätzliche koaxial angeordnete Schichten aus feuerbeständigem Material bereitgestellt, die im allgemeinen ringförmig sind und die Rohre 22 und 24 umgeben, und zwar unter Einschluß einer Schicht 28, die vorzugsweise eine Zirkoniumdioxidpulver-Isolierung umfaßt, die von Zircar Products, Florida, NY, erhältlich ist, die ein Zusammenziehen und Dehnen dieser Schicht erlaubt; einer Schicht 30, die vorzugsweise eine Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Mantelisolierung umfaßt, die im Handel unter dem Warenzeichen Fiberfrax von Carborundum, Niagara Falls, NV, erhältlich ist; und einer Schicht 32, die die gleiche Zusammensetzung wie die Schicht 30 aufweisen kann. Ein feuerfester Zylinder 34, vorzugsweise thermisch isolierendes Aluminiumoxid geringer Dichte, das von Zircar Products, Florida, NY, erhältlich ist, ist als Trennung der Schichten 28 und 30 gezeigt, und ein Metallzylinder 36, der in besonders bevorzugter Weise aus rostfreiem Stahl besteht, trennt die Schichten 30 und 32. Die Zylinder 34 und 36 unterstützen die Bereitstellung eines strukturellen Trägers für den Reaktor.
Die äußerste feuerbeständige Schicht 32 wird durch ein Gewebematerial 42, wie Glasfaserstoff, gehalten, der um die äußere Oberfläche der Schicht 32 gewickelt ist. Die Bodenenden der verschiedenen Schichten werden durch eine Metallplatte 44 abgestützt. Der Reaktor ist aufgrund der Zweckmäßigkeit beim Betrieb vorzugsweise senkrecht ausgerichtet, wie es gezeigt ist. Wenn eines der feuerbeständigen Materialien bricht oder Risse bekommt, dann neigt es dazu, in seiner Position zu verbleiben, wenn die verschiedenen Schichten und Rohre senkrecht angeordnet sind. Daher kann der Betrieb manchmal ungeachtet derartiger struktureller Fehler fortgesetzt werden. Andere Ausrichtungen des Reaktors gehören jedoch zum Schutzumfang der Erfindung.
Jede der Verbrennungsdüsen 46a und 46b ist mit einer Quelle von Brennmaterial und Oxidationsmittel verbunden und weist ein entsprechendes Auslaßende 48a bzw. 48b auf, das in Verbindung mit der Verbrennungszone 12a der Kammer 12 in einer Position, die dem stromaufwärts befindlichen Ende 16 der Kammer 12 eng benachbart ist, steht. Wie gezeigt ist, werden die Düsen 46a und 46b von feuerbeständigen Einsätzen 52 umgeben, die nahe dem stromaufwärts befindlichen Ende 16 angeordnet sind. obwohl dies nicht in Fig. 1 gezeigt ist, wird auch eine dritte Verbrennungsdüse 46c mit einem damit verbundenen Auslaßende 48c bereitgestellt; vgl. Fig. 2, die alle drei Verbrennungsdüsen zeigt.
Eine einzelne Reaktantendüse 54 ist mit einer Quelle des Reaktanten, die nachstehend ausführlich erörtert wird, verbunden, und erstreckt sich durch die feuerbeständigen Einsätze 52 und vom stromaufwärts befindlichen Ende 16 der Kammer 12 zu einem Auslaßende 56, das in Verbindung mit der Kammer 12 an der Grenzfläche 20 steht. Wie gezeigt ist, weist die Düse 54 eine Längsachse 57 auf, die in der dargestellten Ausführungsform parallel zur Längsachse 14 der Kammer 12 ist. Zur optimalen Minimierung von Ablagerungen auf den die Kammer bildenden Wänden (nachstehend einfach als Kammerwände bezeichnet), z.B. den feuerbeständigen Rohren 24 und 26 und dgl., entspricht die Längsachse 57 in besonders bevorzugter Weise der Längsachse 14 der Kammer 12, so daß der Auslaß 56 im wesentlichen auf der Längsachse 14 angeordnet ist. Eine Mehrzahl von im allgemeinen ringförmigen feuerbeständigen Elementen 58, die vorzugsweise aus einem geeigneten temperaturbeständigen Material, wie auf Zirkoniumdioxid basierendem ZYFB3, das von Zircar Products erhältlich ist, bestehen, sind vorzugsweise übereinander gestapelt, so daß sie die Düse 54 entlang ihrer Länge innerhalb der Kammer 12 umgeben. Andere thermisch isolierende Schichten und Beschichtungen gehören zum Schutzumfang der Erfindung. Derartige feuerbeständige Elemente 58 minimeren den Wärmeaustausch zwischen der Düse 54 und der Kammer 12, so daß auf diese Weise der Wärmeverlust aus der Kammer minimiert wird.
Eine geeignete Anordnung der Düsen in bezug zueinander ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Optimierung des Wirkungsgrades des Betriebs und der Qualität des Produkts. Es ist z.B. günstig, den Reaktionsdüsenauslaß 56 und die entsprechende Grenzfläche 20 weit genug stromabwärts von den Verbrennungsdüsenauslassen anzuordnen, so daß im wesentlichen der gesamte freie Sauerstoff mit dem Brennstoff unter Bildung von Verbrennungsprodukten reagiert hat, bevor die Grenzfläche 20 erreicht wird. Eine derartige Anordnung der Düsen bedeutet, daß es im wesentlichen keinen freien Sauerstoff (O&sub2; im freien gasförmigen Zustand, nicht kombiniert mit irgendwelchen anderen Komponenten) an der Grenzfläche 20 gibt, wodurch eine unerwünschte Oxidation eines der Reaktanten vermieden wird, wie weiter im Zusammenhang mit dem Betrieb der Vorrichtung erörtert wird. Es ist ferner günstig, den Auslaß 56 ausreichend weit stromabwärts anzuordnen, um den Strahlpumpeneffekt auf Gase, die aus dem Auslaß 56 strömen, zu verhindern. Bei diesem Effekt besteht die Gefahr, daß die Reaktanten stromaufwärts anstelle des beabsichtigten stromabwärts gerichteten Stroms gesogen werden. Zusätzlich zu den vorstehenden Überlegungen sollte der Auslaß 56 jedoch ausreichend weit stromaufwärts angeordnet werden, um sicherzustellen, daß die Temperaturen, denen die Reaktanten ausgesetzt werden, die Bildung des Carbidprodukts fördern. Im Hinblick auf die vorstehend erörterte optimale Anordnung des Reaktionsdüsenauslasses 56 ermöglicht die dargestellte Ausführungsform eine besonders zweckmäßige Einstellung der Position des Auslasses 56 durch einfaches Zurückziehen oder weiteres Vorschieben der Düse 54 aus der Kammer 12 oder in die Kammer 12 in Längsrichtung.
Ebenfalls gezeigt in Fig. 1 ist eine Leitung 60, die an einem Ende mit dem Reaktor 10 verbunden ist, so daß sie in Verbindung mit dem stromabwärts befindlichen Ende 18 der Kammer 12 steht. Die Leitung 60 empfängt Carbidproduktpulver, das dann in eine geeignete Auffangvorrichtung geleitet wird, wie nachstehend erörtert wird. Die Rohrleitung 60 in der dargestellten Ausführungsform dient nicht nur dem Transport des Produkts zur Auffangvorrichtung, sondern auch als Wärmetauscher. Das Äußere der Rohrleitung 60 wird einem Kühlmittel, wie Umgebungsluft, ausgesetzt, was eine Wärmeübertragung sowohl durch natürliche Konvektion als auch durch Strahlung ermöglicht. Eine derartige Wärmeübertragung bewirkt eine Abkühlung des Produktpulvers, wenn es durch Leitung 60 strömt, was sehr wünschenswert ist, um unerwünschte Reaktionen, die z.B. die Oxidation des Carbidprodukts unter Bildung unerwünschter Oxide beinhaltet, zu verhindern. Darüber hinaus ist ein derartiges Kühlen des Produktpulvers erwünscht, um eine Beschädigung der Auffangvorrichtung durch zu heißes Produkt zu verhindern. Wenn z.B. ein Stoffilterbeutel als Auffangvorrichtung verwendet wird, dann sollte die Leitung 60 ausreichend lang sein, um das Produktpulver auf eine gewünschte Temperatur, typischerweise unter etwa 100ºC, zu kühlen, bevor es in die Auffangvorrichtung eintritt. Andere Arten von Auffangvorrichtungen erfordern eine geringere Kühlung. Falls es gewünscht ist, kann die Kühlwirkung weiter verstärkt werden, indem die Leitung 60 durch Kühlschlangen oder einen Kühlmantel umgeben wird, durch die ein Kühlmittelfluid strömt.
Im Hinblick auf die Materialien für Leitung 60 wird es bevorzugt, ein nicht-metallisches Material zu verwenden, das nicht zu unerwünschten Metallkontaminierungen des Produkts führt. Wenn es sich bei dem gewünschten Produkt um Siliciumcarbid handelt, dann wird z.B. Quarz (Siliciumdioxid) bevorzugt da die molekularen Strukturen, die durch Silicium-Sauerstoff-Bindungen charakterisiert sind, im Reaktorprodukt bereits vorhanden sind, so daß im wesentlichen keine zusätzlichen Verunreinigungen in den Produktstrom eintreten. Quarz ist außerdem ein besonders bevorzugtes Material aufgrund seines hohen Emissionsvermögens und seiner hervorragenden Wärmeschockbeständigkeit. Andere Wärmetauschermaterialien unter Einschluß von Metallen gehören jedoch zum Schutzumfang bestimmter Aspekte der Erfindung.
Bei der Auffangvorrichtung kann es sich um eine beliebige geeignete Einrichtung zum Auffangen des Produktpulvers handeln. Eine geeignete Auffangvorrichtung, wie sie vorstehend erörtert wurde, umfaßt einen Stoffilterbeutel, der mit dem stromabwärts befindlichen Ende von Leitung 60 verbunden ist. Weitere geeignete Auffangvorrichtungen umfassen Metallfilter, Elektrofilter und Zyklone. Selbstverständlich sollte vorzugsweise unabhängig von der Art der eingesetzten Auffangvorrichtung eine Druckdifferenz über die Auffangvorrichtung eingerichtet werden, und zwar durch eine geeignete Pumpe, um das Produktpulverdurch Leitung 60 und in die Auffangvorrichtung zu saugen.
Mit Bezug auf Fig. 2 zeigt diese Ansicht alle drei Verbrennungsdüsenauslasse 48a, 48b und 48c und ihre relative Anordnung im Hinblick auf den Reaktionsdüsenauslaß 56. wie aus Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, definieren die Verbrennungsdüsenauslasse eine imaginäre lineare Grenze 61, deren Projektion in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse 14 der Kammer 12 und auf die Grenzfläche 20 im allgemeinen den Auslaß 56 umgibt. Im Betrieb sorgt dieses Merkmal in vorteilhafter Weise für eine Umhüllung aus Verbrennungsprodukten um die Reaktanten, die aus dem Auslaß 56 eingespritzt werden, so daß es dazu beiträgt, die Kammerwände vor Ablagerungen bildenden Reaktionen unter Beteiligung der Reaktanten zu schützen. Hier und in den beigefügten Ansprüchen ist der Ausdruck "lineare Grenze" in einem breiten Sinn aufzufassen, so daß er eine beliebige Grenze, die durch einen sich bewegenden Punkt definiert wird, umfaßt, und der Ausdruck ist nicht auf ein oder mehrere gerade Liniensegmente beschränkt. In der speziellen erläuterten Ausführungsform ist die Grenze 61 im allgemeinen von dreieckiger Form, und sie ist bezogen auf den Auslaß 56 so angeordnet, daß sich der Auslaß 56 im allgemeinen zentral innerhalb der vorstehend genannten Projektion der Grenze 61 befindet. In besonders bevorzugter Weise und wie es gezeigt ist, sind die Verbrennungsdüsenauslasse äquidistant voneinander angeordnet.
Mit Bezug auf Fig. 3 wird ein Querschnitt eines Abschnitts einer mit 46 bezeichneten Düse gezeigt, der eine beliebige der Verbrennungsdüsen 46a, 46b und 46c darstellt, die hinsichtlich Struktur und Betrieb identisch sind. Die Düse 46 umfaßt ein rohrförmiges Element 62, das vorzugsweise aus einem Metall, wie rostfreiem Stahll gefertigt ist und eine innere Seitenwand 62a und eine äußere Seitenwand 62b aufweist. Derartige Seitenwände bilden einen im allgemeinen ringförmigen Raum 64, der mit einer Quelle für ein Kühlmittelfluid, wie Wasser oder Ethylenglykol oder eine Kombination davon, verbunden ist, wobei das Kühlmittelfluid gegebenenfalls auch geringfügige Mengen an Additiven, wie Korrosionsinhibitoren, enthalten kann. Ein rohrförmiges Element 66 ist innerhalb des ringförmigen Raums 64 angeordnet, so daß es im allgemeinen den Raum in Durchgänge für den Eintritt und den Austritt des Kühlmittelfluids teilt. Wie gezeigt ist, strömt das Kühlmittelfluid zur Spitze der Düse 46, wie es bei 68 angezeigt ist, und strömt weg von der Spitze in der entgegengesetzten Richtung, wie es bei 70 angezeigt ist. Die Richtung des Stroms des Kühlmittelfluids kann gegebenenfalls umgekehrt werden. Der Strom des Kühlmittelfluids durch den Raum 64 trägt dazu bei, ein Schmelzen der metallischen rohrförmigen Elemente zu verhindern, und er trägt auch dazu bei, ein Zurückschlagen der Flamme (Flammenrückschlag) in die Düse 46 zu verhindern, indem das Innere der Düse 46 unter der Selbstentzündungstemperatur des Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches gehalten wird. Das Innere der Düse 46 ist mit einer Quelle für den Brennstoff und das Oxidationsmittel verbunden, so daß ein Strom des Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisches durch die Düse 46 eingerichtet wird, wie es bei 72 angezeigt ist.
Mit Bezug auf Fig. 4 wird ein Querschnitt der Düse 54 mit dem Auslaßende 56 gezeigt. Die Düse 54 ist vorzugsweise aus dem gleichen oder einem ähnlichen metallischen Material, wie dem, das für die Düse 46 verwendet wird, gefertigt, und umfaßt rohrförmige Elemente 74 und 76. Wie gezeigt ist, ist das rohrförmige Element 74 im allgemeinen koaxial innerhalb des rohrförmigen Elements 76 angeordnet, so daß ein im allgemeinen ringförmiger Raum 78 zwischen der inneren Oberfläche des Elements 76 und der äußeren Oberfläche des Elements 74 gebildet wird. Das Innere des rohrförmigen Elements 74 ist mit einer Quelle der Reaktanten verbunden, um einen Strom von Reaktanten durch das Element bereitzustellen, wie es bei 79 angezeigt ist. Das rohrförmige Element 76 weist im allgemeinen die gleiche Ausführung wie das Element 62 in Fig. 2 auf und umfaßt eine innere und eine äußere Seitenwand 76a bzw. 76b, zwischen denen ein im allgemeinen ringförmiger Raum 80 gebildet wird. Ein rohrförmiges Element 82 ist innerhalb des ringförmigen Raums 80 angeordnet, so daß er in Durchgänge für Eintritt und Austritt geteilt wird. Der Raum 80 ist mit einer Quelle für ein Kühlmittelfluid verbunden, so daß die entsprechenden Eintritts- und Austrittsströmungswege 84 bzw. 86 eingerichtet werden. Die umgekehrte Richtung des Kühlmittelfluidstroms kann gegebenenfalls angewandt werden. Der Strom des Kühlmittelfluids trägt nicht nur dazu bei, ein Schmelzen der metallischen rohrförmigen Elemente zu verhindern, sondern er trägt auch dazu bei, die Bildung von Carbidablagerungen innerhalb der Düse 54 zu verhindern, indem die Temperatur der Düse unterhalb der Temperaturgrenzen, die die Carbidbildung fördern, gehalten wird. Dies verhindert die Notwendigkeit der periodischen Reinigung der Düsenoberflächen von Carbidablagerungen.
Der ringförmige Raum 78 ist mit einer Spülgasquelle verbunden, um einen Strom eines derartigen Spülgases durch den ringförmigen Raum 78 in Richtung auf das Auslaßende 56 einzurichten, wie es bei 88 angezeigt ist. Auf diese Weise tritt dieser Strom von Spülgas am Auslaßende 56 in einem im allgemeinen ringförmigen Strom aus, so daß er die Reaktanten umgibt, wenn diese aus der Düse austreten. Dieser ringförmige Gasstrom bildet eine Hülle um die Reaktanten, so daß ein Kontakt der heißen Verbrennungsgase in der Kammer 12 (vgl. Fig. 1) mit den Reaktanten unmittelbar nach ihrem Austritt aus der Düse 54 verhindert wird, wodurch die Bildung von Carbidablagerungen auf der Spitze der Düse 54 verhindert wird. Derartige Ablagerungen können, wenn sie nicht verhindert werden, schließlich zu einer Blockierung des Reaktantenstroms aus der Düse 54 und infolgedessen zu einer Reaktorabschaltung führen. Selbstverständlich verteilt sich die isolierende Hülle aus dem Spülgas nach nur wenigen Millisekunden; diese Zeit ist jedoch ausreichend, um es den Reaktanten zu ermöglichen, weit genug weg von der Düsenspitze zu strömen, um die Bildung von unerwünschten Ablagerungen zu verhindern. Die Wahl des Spülgases ist nicht kritisch, und es kann sich z.B. um ein Inertgas (d.h. Helium oder Argon), ein gekühltes Abgas, das aus dem Reaktor abgegeben wird, oder ein reaktives, Kohlenstoff enthaltendes Gas (d.h. einen Kohlenwasserstoff) handeln, das Kohlenstoff zum reaktiven Strom für die Bildung von Carbiden beitragen kann. Wenn ein Kohlenstoff enthaltender Kohlenwasserstoff als Spülgas verwendet wird, dann zersetzt er sich typischerweise nicht rasch genug, um zu unerwünschten Kohlenstoffablagerungen auf der Spitze der Düse 54 zu führen.
Die verschiedenen Gasströme werden vorzugsweise durch herkömmliche Ausrüstungen, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind, eingerichtet und gesteuert. Gas kann z.B. aus unter Druck stehenden Gasflaschen zugeführt werden. Das Gas kann aus einem derartigen unter Druck stehenden Behälter durch eine Meßblende treten, deren Öffnung so bemessen ist, daß das Gas Schallgeschwindigkeit erreicht. Eine derartige Schallgeschwindigkeit verhindert, daß Druckstörungen sich stromaufwärts bewegen, so daß der gewünschte Durchsatz an Gas nicht beeinträchtigt wird, was immer stromabwärts nahe dem Reaktor passiert. Ein Druckregler kann eingesetzt werden, um den Durchsatz an Gas zu steuern.
Wendet man sich nun einem anderen Aspekt der Erfindung zu, so wird ein Verfahren zur Herstellung einer Carbidverbindung unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung bereitgestellt. Bei der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens wird auf die Zeichnung bezug genommen.
Eine Carbidverbindung ist hier und in den beigefügten Ansprüchen als eine Verbindung einer ersten Elementkomponente und einer zweiten Kohlenstoffkomponente definiert. Allgemein gesagt, wird eine Carbidverbindung gemäß der erläuterten Ausführungsform durch Umsetzung von zwei Reaktanten hergestellt. Der erste Reaktant enthält die erste Komponente, während der zweite Reaktant die zweite Kohlenstoffkomponente enthält.
Gemäß bestimmten breiten Aspekten der Erfindung kann es sich bei der ersten Komponente, wie im ersten Reaktanten enthalten ist, um ein beliebiges Element handeln, das zur Kombination mit Kohlenstoff unter Bildung einer Carbidverbindung imstande ist. Zum Beispiel kann es sich bei der ersten Komponente um ein Metall, wie Wolfram, Chrom, Titan, Zirkonium, Molybdän oder Eisen, handeln. Halogenide derartiger Metalle sind als erster Reaktant besonders geeignet. Oder bei der ersten Komponente kann es sich um ein Metalloid, wie Bor oder Silicium, handeln. Wie vorstehend bereits festgestellt wurde, ist Siliciumcarbid eine sehr nützliche Carbidverbindung. Keramische Teile, die eine hervorragende mechanische Festigkeit und eine hervorragende Wärmebeständigkeit aufweisen, können aus Siliciumcarbidpulver gefertigt werden. Daher sind Reaktanten mit Silicium als erster Komponente von besonderem Interesse im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung.
Bevorzugte siliciumhaltige Reaktanten, bei denen es sich um Verbindungen von Silicium handelt, umfassen Silan (SiH&sub4;) und substituierte Silane. Hier und in den beigefügten Ansprüchen kann ein substituiertes Silan allgemein durch die Formel SiABCD ausgedrückt werden, worin es sich bei A, B, C und D jeweils um ein beliebiges Element oder eine beliebige Kombination von Elementen handeln kann, solange es sich bei mindestens einem der Bestandteile A, B, C und D nicht um Wasserstoff handelt, wobei A, B, C und D gleich oder verschieden sein können. Zum Beispiel kann jeder der Bestandteile A, B, C und D unter Wasserstoff, einem Halogen, einer sauerstoffhaltigen Gruppe (d.h. OSi(CH&sub3;)&sub3;), einer stickstoffhaltigen Gruppe (d.h. NHSi(CH&sub3;)&sub3;), einer Alkylgruppe, einer Arylgruppe, einer Silylgruppe, oder einer Gruppe, die mehrere Siliciumatome enthält, ausgewählt sein. Beispiele für derartige substituierte Silane umfassen Alkylsilane, wie Methylsilan ((CH&sub3;)SiH&sub3;), Dimethylsilan ((CH&sub3;)&sub2;SiH&sub2;), Trimethylsilan ((CH&sub3;)&sub3;SiH) und Tetramethylsilan (Si(CH&sub3;)&sub4;); halogenierte Silane, wie Dichlorsilan (H&sub2;SiCl&sub2;); halogenierte Methylsilane, wie Trimethylsiliciumbromid ((CH&sub3;)&sub3;SiBr) und Dichlordimethylsilan ((CH&sub3;)&sub2;SiCl&sub2;); Siloxane, wie Hexamethyldisiloxan ((CH&sub3;)&sub3;SiOSi(CH&sub3;)&sub3;); Silazane, wie Hexamethyldisilazan ((CH&sub3;)&sub3;SiNHSi(CH&sub3;)&sub3;); und Siliciumhalogenide, wie Siliciumtetrachlorid (SiCl&sub4;). Cyclische und polymere Siliciumverbindungen gehören ebenfalls zum Schutzumfang der Erfindung. Gegebenenfalls können Gemische aus beliebigen der vorstehenden siliciumhaltigen Verbindungen eingesetzt werden. Silan ist der gegenwärtig bevorzugte Reaktant, und zwar im Hinblick auf die Qualität des Produkts.
Bei dem zweiten kohlenstoffhaltigen Reaktanten handelt es sich vorzugsweise um eine C&sub1;-C&sub9;-Kohlenstoffverbindung, wie einen Alkohol oder einen Kohlenwasserstoff. Geeignete Alkohole umfassen Ethanol und Propanol. Ein Kohlenwasserstoff wird gegenwärtig am stärksten bevorzugt und kann z.B. aus folgender Gruppe ausgewählt werden: Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Octan, Nonan, Ethylen, Propylen, Acetylen, Benzol, Toluol, Cyclopropan, Cyclobutan, Cyclopentan, Cyclohexan und Gemische davon. Derartige C&sub1;-C&sub9;-Kohlenstoffverbindungen werden zwar bevorzugt, es gehören jedoch beliebige kohlenstoffhaltige Reaktanten, die zur Reaktion mit dem ersten Reaktanten unter Bildung von Carbidprodukten imstande sind, zum Schutzumfang bestimmter Aspekte der Erfindung.
Bei dem Brennstoff, der durch die einzelnen Düsen 46a, 46b und 46c eingespritzt wird, handelt es sich vorzugsweise um einen ungesättigten Kohlenwasserstoff (mit mindestens einer Doppelbindung oder Dreifachbindung zwischen Kohlenstoffatomen), wie Ethylen, Propylen, Buten, Propadien, Butadien, Acetylen, Propin, Butin und Gemische davon, und der Brennstoff kann dem zweiten Kohlenwasserstoffreaktanten entsprechen oder davon verschieden sein. Ein besonders bevorzugter ungesättigter Kohlenwasserstoffbrennstoff ist ein Gemisch aus Ethylen und Acetylen. Es ist festgestellt worden, daß der Einsatz von Acetylen im Brennstoff die Temperatur in der Reaktionszone, wie nachstehend erörtert wird, im Vergleich z.B. mit Ethylen allein erhöht, was günstig ist, um den Sauerstoffgehalt im Produktpulver zu minimieren, und was ferner günstig ist, wenn ein Reaktant, wie Dichlordimethylsilan, verwendet wird, der eine höhere Temperatur als andere Reaktanten erfordert, um eine wünschenswerte Reaktionsgeschwindigkeit zu erzielen. Eine weitere bevorzugte Gruppe von Kohlenwasserstoffbrennstoffen sind cyclische Kohlenwasserstoffe, wie Cyclopropan, Cyclobutan und Gemische davon. Andere Arten von Brennstoffen, wie feste Brennstoffe, die im wesentlichen reinen Kohlenstoff umfassen, und Brennstoffgemische gehören zum Schutzumfang bestimmter Aspekte der Erfindung, solange die gewünschten Temperaturbedingungen und das Verhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff, das nachstehend erörtert wird, im Reaktor erzielt werden.
Das eingesetzte Oxidationsmittel sollte imstande sein, Elektronen vom Brennstoff aufzunehmen, und vorzugsweise handelt es sich um ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere um reinen Sauerstoff. Gasförmige Gemische, die Sauerstoff als einzelne Komponente umfassen, wie Luft, gehören zum Schutzumfang der Erfindung.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren zum Betrieb der erläuterten Vorrichtung wird ein Strom von Kühlmittelfluid für die Düsen 46a-c und 54 eingeschaltet, gefolgt von einem allmählichen Erwärmen des Reaktors auf normale Betriebstemperaturen. Dies wird durchgeführt, um einen Wärmeschock und einen möglichen Bruch der verschiedenen feuerbeständigen Materialien zu verhindern. Ein Verfahren für diese Vorwärmstufe umfaßt die anfängliche elektrische Heizung der feuerbeständigen Schichten mit elektrischen Heizpatronen (nicht gezeigt) und das Heizen der Kammer 12 mit einer elektrischen Heizspirale (nicht gezeigt), die in die Kammer 12 eingesetzt ist, gefolgt vom Einrichten einer Verbrennungsflamme in der Verbrennungszone 12a.
In jedem Fall wird die Verbrennungsflamme in der Verbrennungszone 12a durch Einschalten eines Stroms von gasförmigem Brennstoff durch die Düsen 46a-c eingerichtet. Wenn der Reaktor elektrisch vorgeheizt worden ist, dann sollte der Brennstoff spontan eine Flamme durch Reaktion mit Umgebungsluft am stromabwärts befindlichen Ende 18 der Kammer 12 einrichten. Wenn sich die Verbrennungsflamme nicht bildet, dann kann der Brennstoff mit einer geeigneten Entzündungsvorrichtung entzündet werden. Nachdem die Flamme eingerichtet ist, wird ein Strom von Luft durch die Düsen 46a-c eingeschaltet, so daß sich ein Brennstoff/Luft-Gemisch bildet. Dies führt dazu, daß sich die Flamme stromaufwärts fortsetzt, so daß die Flamme sich selbst in der Verbrennungszone 12a einrichtet. Die Ausbreitung der Flamme auf diese Weise kann für die Bedienungsperson, die das Verfahren durchführt, gefährlich sein, so daß geeignete Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden. Der Reaktor wird typischerweise mit diesem Brennstoff/Luft-Gemisch für eine vorbestimmte Zeitspanne, üblicherweise 1/2 Stunde bis 1 Stunde, betrieben. Der Betrieb des Reaktors mit Luft als Oxidationsmittel ist Teil des vorbereitenden Anf ahrens des Reaktors, um den Reaktor allmählich zu erwärmen.
Ein Strom von reinem Sauerstoff durch die Düsen 46a-c wird nun eingeschaltet, um die Luft zu ersetzen. Der Strom von Sauerstoff wird allmählich verstärkt, und der Strom an Luft wird allmählich verringert, bis ein brennbares Brennstoff/Sauerstoff-Gemisch erhalten wird. Die Verbrennungsflamme sollte visuell durch das stromabwärts befindliche Ende 18 überwacht werden, um sicherzustellen, daß die Flamme nicht stromaufwärts zurückschlägt, in die Düsen 46a-c eintritt und einen möglicherweise gefährlichen Zustand hervorruft. Ein Zurückschlagen kann verhindert werden, indem eine ausreichend hohe Geschwindigkeit von Brennstoff und Sauerstoff, die aus jeder der Düsen 46a-c austreten, bereitgestellt wird.
Ein Strom des Brennstoff/Sauerstoff-Gemisches wird auf diese Weise in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Achse 14 eingerichtet, wie es bei 89 angezeigt ist, und die Durchsätze an Brennstoff und Sauerstoff werden so eingestellt, daß das Gemisch für die Vorbereitung der Carbidherstellung relativ brennstoffreich ist. Das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff für das Brennstoff/Sauerstoff-Gemisch liegt vorzugsweise bei mindestens etwa 0,7:1, insbesondere im Bereich von etwa 0,8:1 bis etwa 1,2:1 und ganz besonders im Bereich von etwa 0,9:1 bis etwa 1,1:1. Das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff bedeutet hier das molare Verhältnis von Kohlenstoffatomen zu Sauerstoffatomen. Die Verweilzeit des brennbaren Gemisches und der heißen Verbrennungsprodukte, die daraus gebildet werden, in der Verbrennungszone 12a beträgt typischerweise etwa 5 bis etwa 20 Millisekunden, wobei diese Zeit ausreicht, um in wesentlichen den gesamten Sauerstoff vor dem Erreichen der Grenze 20 zu verbrauchen. Wie vorstehend erörtert wurde, ist dies wünschenswert, um die Bildung unerwünschter Oxide anstelle der Carbide zu verhindern. Die Temperaturen in der Verbrennungszone 12a betragen typischerweise etwa 1700ºC bis etwa 2000ºC. Heiße Verbrennungsprodukte, die in der Verbrennungszone 12a gebildet werden, strömen zur Reaktionszone 12b und in die Reaktionszone 12b, wie es bei 90 angezeigt ist.
Die im wesentlichen gasförmigen Reaktanten werden nun in die Kammer 12 aus dem Reaktionsdüsenauslaß 56 eingespritzt, wie es bei 91 angezeigt ist, so daß die Reaktanten aus dem Auslaß 56 an der Grenze 20 in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Kammerachse 14, vorzugsweise im allgemeinen entlang der Kammerachse 14 und hin zum stromabwärts befindlichen Ende 18 treten. Ein derartiges Einspritzen der Reaktanten im allgemeinen parallel zur Kammerachse 14 ist besonders wünschenswert zur Minimierung von Ablagerungen auf den Kammerwänden. In der erläuterten Ausführungsform werden der erste und der zweite Reaktant vorgemischt, so daß sich ein gewünschtes molares Verhältnis der ersten Komponente zum Kohlenstoff in den Reaktanten, typischerweise etwa 1:2 bis etwa 1:4, wenn Silicium die erste Komponente ist, ergibt. Ein derartiges Gemisch wird durch die Düse 54 geleitet, so daß es am Auslaßende 56 in die Kammer 12 austritt. Wenn es sich bei dem eingesetzten ersten Reaktanten normalerweise um eine Flüssigkeit handelt, dann wird der erste Reaktant in besonders zweckmäßiger Weise in die Dampfform überführt, indem er in einen temperaturgesteuerten Gasspüler gegeben und ein Spülgas durchgeleitet wird. Die Temperatur des Kühlmittelfluids, das durch die Düse 54 strömt, kann im notwendigen Ausmaß erhöht werden, um dazu beizutragen, eine Kondensation des ersten Reaktanten zu verhindern, wenn er durch die Düse 54 geleitet wird.
Die Durchsätze werden so eingestellt, daß das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff für die Kombination aus Reaktanten und Brennstoff/Sauerstoff-Gemisch bei mindestens etwa 0,1:1, vorzugsweise jedoch im Bereich von etwa 0,9:1 bis etwa 1,5:1 und insbesondere im Bereich von etwa 1:1 bis etwa 1,3:1 liegt. Die Reaktionen, die in der Verbrennungszone 12b auftreten, sind zwar zahlreich und nicht vollständig verstanden, man nimmt jedoch an, daß die vorstehend angegebenen Verhältnisse von Kohlenstoff zu Sauerstoff die Bildung von unerwünschten oxidierenden Spezies, wie Kohlendioxid und Wasser, minimieren, und zu Partialdrucken von reduzierenden Gasen, wie Kohlenmonoxid und Wasserstoff, führen, die günstig für die Bildung von Carbiden sind. Die bevorzugten Verhältnisse von Kohlenstoff zu Sauerstoff für das Brennstoff/Sauerstoff-Gemisch, die vorstehend erörtert wurden (vorzugsweise mindestens etwa 0,7:1, insbesondere etwa 0,8:1 bis etwa 1,2:1 und ganz besonders etwa 0,9:1 bis etwa 1,1:1), verstärken diese Bedingungen, die für die Bildung von Carbiden günstig sind, in besonderer Weise. Außerdem hängt die Reaktortemperatur etwas vom Verhältnis Kohlenstoff zu Sauerstoff ab, und die Temperaturen, die die Carbidbildung fördern, sind mit den vorstehend erörterten Verhältnissen von Kohlenstoff zu Sauerstoff erzielbar.
Es wird im allgemeinen bevorzugt, ein Massenverhältnis von nicht mehr als etwa 0,3 einzusetzen. Hier und in den beigefügten Ansprüchen ist der Ausdruck "Massenverhältnis" als das Verhältnis der Synthesegeschwindigkeit (d.h. g/min) zum gesamten Massendurchsatz (d.h. g/min) an Brennstoff plus Oxidationsmittel durch die Verbrennungszone 12a definiert. Der Ausdruck "Synthesegeschwindigkeit" (d.h. g/min) ist definiert als (m x f)/n, worin n das Molekulargewicht (g/Mol) der Carbidverbindung, f den gesamten molaren Durchsatz (Mol/min) der Atome der ersten Komponente durch die Reaktionszone 12b und n die Anzahl an Atomen der ersten Komponente (d.h. Silicium) in der Carbidverbindung darstellt. Die Synthesegeschwindigkeit ist ein theoretischer Wert, der proportional zum Durchsatz des ersten Reaktanten ist und eine 100 %-ige Reaktion der Atome der ersten Komponente unter Bildung der Carbidverbindung annimmt. In der tatsächlichen Praxis tritt eine derartige 100 %-ige Umwandlung selbstverständlich nicht auf, und ein gewisser Verlust tritt durch die Bildung von Ablagerungen auf den Wänden der Kammer 12, den Wänden der Leitung 60 und dgl. auf.
Es gehört zum Schutzumfang der Erfindung, gegebenenfalls in die Kammer 12 im Gemisch mit den Reaktanten eine borhaltige Verbindung einzu-Spritzen, die Bor im Produkt, das aus der Reaktionszone 12b aufgefangen wird, bereitstellt. Geeignete borhaltige Verbindungen umfassen Borane, wie Diboran (B&sub2;H&sub6;), weitere Borhydride und Boralkyle. Bor ist im Produkt besonders nützlich, da es als Sinterhilfe wirkt, wenn ein derartiges Produkt zu einem keramischen Teil gesintert wird.
Die Temperaturen für mindestens einen Abschnitt der Reaktionszone 12b liegen bei mindestens etwa 1400ºC, vorzugsweise im Bereich von etwa 1400ºC bis etwa 1700ºC und insbesondere im Bereich von etwa 1500ºC bis etwa 1600ºC. Die Temperaturen im Reaktor können in besonders zweckmäßiger Weise mit Hilfe eines Thermoelements (nicht gezeigt), das in einer der feuerbeständigen Schichten angeordnet ist, überwacht werden. Die durch das Thennoelement festgestellte Temperatur kann mit der tatsächlichen Temperatur im Reaktor korreliert werden. Natürlich kann ein Thermoelement direkt in der Kammer 12 angeordnet werden, dies erfordert jedoch die Verwendung von teuren Materialien, wie Platin und/oder Rhodium, die dennoch einer Beeinträchtigung aufgrund der hohen Temperaturen in der Kammer 12 unterliegen.
Der Druck in der Reaktionszone 12b liegt vorzugsweise bei oder nahe atmosphärischem Druck. Andere Betriebsdrucke gehören zum Schutzumfang der Erfindung.
In der Reaktionszone 12b wird ein Produktpulver aus den Reaktanten gebildet, das die gewünschte Carbidverbindung und andere Komponenten umfaßt, wie nachstehend weiter erörtert wird. Das Produktpulver verläßt den Reaktor durch das stromabwärts befindliche Ende 18 und tritt durch Leitung 60 in die Auffangvorrichtung. Nachdem die gewünschte Menge an Produktpulver aufgefangen worden ist, wird der Reaktor abgeschaltet, indem zuerst auf Luft als Oxidationsmittel umgeschaltet wird und dann allmahlich die Brennstoff/Oxidationsmittel-Durchsätze verringert werden, um für eine allmähliche Abkühlung des Reaktors zu sorgen. Nach dem Abschalten läßt man den Reaktor typischerweise mehrere Stunden abkühlen, bevor die Zufuhr an Kühlmittelfluid zu den Düsen beendet wird.
Mit Bezug auf Fig. 5 wird ein Reaktor 110 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Struktur der verschiedenen feuerbeständigen Schichten des Reaktors 110 ist im wesentlichen ähnlich der in Fig. 1 gezeigten. Die Verbrennungsdüsen, von denen 146a und 146b in Fig. 5 gezeigt sind, sind ähnlich wie die in den Figuren 1 und 2 gezeigten angeordnet, und sie weisen die gleiche Struktur wie die in Fig. 3 gezeigte auf. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform in Fig. 1 im Hinblick auf die Reaktantendüse 154, die in einem feuerfesten Rohr 155 enthalten ist, so daß sie sich radial durch die verschiedenen feuerbeständigen Schichten und die Kammer 112 erstreckt. Wie gezeigt ist, ist die Längsachse 157 der Düse 154 im allgemeinen senkrecht zur Längsachse 114 der Kammer 112. Die Düse 154 weist einen Auslaß auf, der bei 156 gezeigt und im wesentlichen auf der Kammerachse 114 angeordnet ist, so daß er gegenüber dem stromabwärts befindlichen Ende 118 der Kammer 112 liegt; dies in Fig. 5 jedoch nicht sichtbar.
Mit Bezug auf Fig. 6 bilden die Verbrennungsdüsenauslasse 148a, 148b und 148c eine lineare Grenze 161, und sie sind relativ zum Reaktionsdüsenauslaß 156 der Düse 154 auf ähnliche Weise, wie es in Fig. 2 in bezug auf die Verbrennungsdüsenauslasse 48a-c und den Reaktionsdüsenauslaß 56 gezeigt ist, angeordnet.
Mit Bezug auf Fig. 7 wird ein Querschnitt der Reaktionsdüse 154 gezeigt. Die Düse 154 umfaßt rohrförmige Elemente 176a und 176b, die entsprechend wie die innere und äußere Seitenwand 76a und 76b der Düse 54 orientiert sind. Kühlmittelfluid strömt im Durchgang, der zwischen den rohrförmigen Elementen 176a und 176b gebildet wird, über den Eintrittsweg 184 und den Austrittsweg 186, und die Reaktanten werden durch das Innere des rohrförmigen Elements 176a eingeführt, wie es bei 179 angezeigt ist. Die Düse 154 umfaßt ferner eine Spitze 192, die mit den Enden der rohrförmigen Elemente 176a und 176b durch geeignete Einrichtungen, wie Schweißverbindungen, verbunden ist. Ein L-förmiger Durchgang 194 wird durch die Spitze 192 gebildet, so daß er sich von einem ersten Ende, das in Verbindung mit dem Inneren des rohrförmigen Elements 176a steht, zu einem zweiten Ende, das einen Auslaß 156 bildet, erstreckt. Vorzugsweise besteht die Spitze 192 aus einem Metall, wie Nickel oder Kupfer, das eine höhe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wodurch eine rasche Übertragung von Wärme von der Spitze 192 auf das Kühlmittelfluid ermöglicht wird, so daß eine Überhitzung und ein mögliches Schmelzen der Spitze verhindert werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß in der Düse 154 keine Einrichtung bereitgestellt wird, um für einen Strom von Spülgas um die Reaktanten zu sorgen. Dieses Merkmal wird in dieser Ausführungsform nur aufgrund der Einfachheit des Aufbaus weggelassen, und es könnte gegebenenfalls in der Düse 154 bereitgestellt werden.
Der Betrieb der in den Figuren 5 bis 7 gezeigten Ausführungsform wird auf eine Weise, die der für die Ausführungsform der Figuren 1 bis 4 beschriebenen Vorgehensweise entspricht, durchgeführt. Ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel, vorzugsweise reiner Sauerstoff, wird aus den Verbrennungsdüsen in die Verbrennungszone 112a in einer Richtung im allgemeinen hin zur Reaktionszone 112b eingespritzt, wie es bei 189 angezeigt ist. Die heißen Verbrennungsprodukte, die in der Verbrennungszone 112a gebildet werden, strömen im allgemeinen zur Reaktionszone 112b und in die Reaktionszone 112b, wie es bei 190 angezeigt ist. Die Pfeile bei 190 sind zwar als gerade Pfeile gezeigte um die allgemeine Richtung des Stroms der Verbrennungsprodukte anzuzeigen, es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß sich gewisse Turbulenzen aus der Strömung um die Düse 154 ergeben. Schließlich treten die Reaktanten durch Auslaß 156 der Reaktionsdüse 154 an der Grenze 120 in einer Richtung im allgemeinen entlang der Kammerachse 114 und hin zum stromabwärts befindlichen Ende 118 aus, wie es bei 191 angezeigt ist.
Es ist darauf hinzuweisen, daß in der nachstehenden Beschreibung von Produkten, die erfindungsgemäß hergestellt wurden, der Ausdruck Gewichtsprozentl, wenn er auf die Komponente einer Zusammensetzung angewandt wird, sich auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung bezieht.
Das Produktpulver ist so, wie es direkt aus dem Reaktor aufgefangen wird, das nachstehend als "rohes" Pulver bezeichnet wird, im allgemeinen schwarz oder braun vom Erscheinungsbild her, und im Fall von Silicium als erster Elementkomponente enthält es Siliciumcarbid, Silicium und Kohlenstoff zusätzlich zu denen im Siliciumcarbid sowie Sauerstoff. Ein derartiges rohes Produktpulver ist durch die folgenden Gewichtsprozentsätze charakterisiert: Silicium in einer Menge von etwa 30 bis etwa 75 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von etwa 50 bis etwa 70 Gew.-% und insbesondere in einer Menge von etwa 55 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-%; Kohlenstoff in einer Menge von etwa 15 bis etwa 50 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von etwa 20 bis etwa 45 Gew.-% und insbesondere in einer Menge von etwa 30 bis etwa 40 Gew.-%; und Sauerstoff in einer Menge von 1 bis etwa 30 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von etwa 1 bis etwa 20 Gew.-% und insbesondere in einer Menge von etwa 1 bis etwa 10 Gew.-%. Wasserstoff kann ebenfalls im rohen Produkt in geringen, jedoch nachweisbaren Mengen zwischen etwa 0 und etwa 1 Gew.-% vorhanden sein. Die NMR-Analyse wird auch herangezogen, um zu zeigen, daß mindestens einige der Siliciumatome im rohen Produktpulver sowohl an Kohlenstoff- als auch an Sauerstoffatome gebunden sind. Mit anderen Worten ist mindestens ein Teil des Siliciums im Produkt gleichzeitig sowohl an Kohlenstoff als auch an Sauerstoff gebunden.
Das erfindungsgemäße rohe Produktpulver kann ferner charakterisiert werden, insofern eine Probe eines derartigen Pulvers mit einem vergleichsweise hohen Sauerstoffgehalt im Bereich von etwa 3 bis etwa 10 Gew.-% zu einem gesinterten keramischen Teil mit einer Dichte von mindestens etwa 2,8 g/cm³ oder etwa 85 % der Dichte von reinem kristallinem Siliciumcarbid sinterbar ist, und zwar nach einem Verfahren, das folgende Stufen umfaßt Verpressen des rohen Produkts bei einer Temperatur von weniger als etwa 100ºC zu einem Preßling mit einer Dichte von nicht mehr als etwa 1 g/cm³; Erwärmen des Preßlings auf eine Temperatur von etwa 1700ºC bis etwa 2400ºC ohne Anwendung einer Verdichtungskraft, um ein gesintertes Teil mit einer Dichte von mindestens etwa 2,8 g/cm³ herzustellen; wobei keinerlei Stufen vor der Erwärmungsstufe zur Entfernung nennenswerter Mengen an Sauerstoff aus dem rohen Produkt oder dem daraus hergestellten Preßling angewandt werden. Der Ausdruck "Verpressen" bezieht sich hier auf eine beliebige Technik zur Herstellung eines selbsttragenden Formteils aus keramischen Teilchen. Die Anwendung einer "Verdichtungskraft" auf ein keramisches Teil bedeutet hier die Anwendung einer Kraft auf das Teil mittels eines festen Elements in Kontakt mit dem Teil, die mechanisch das Teil verdichtet und dabei seine Dichte erhöht.
Im Hinblick auf die Teilchengröße umfaßt das rohe Produktpulver Teilchen mit Durchmessern im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,3 um.
Das rohe Produktpulver kann weiter durch zusätzliche Verarbeitung gereinigt werden, um ein gereinigtes Produkt zu erhalten. Dieses Reinigungsverfahren umfaßt typischerweise 2 Stufen, die in einem herkömmlichen Ofen durchgeführt werden. Zuerst wird das rohe Pulver in einer Inertgasatmosphäre (z.B. Argon) auf eine Temperatur von etwa 1300ºC bis etwa 2400ºC und insbesondere etwa 1400ºC bis etwa 1800ºC für mindestens etwa 15 Minuten und vorzugsweise im Bereich von etwa 1 Stunde bis etwa 2 Stunden erwärmt. Dies dient zur Umsetzung molekularer Strukturen mit Silicium-Sauerstoff-Bindungen mit Kohlenstoff, um dabei Sauerstoff als Kohlenmonoxid zu entfernen und das Silicium für die Umsetzung mit freiem Kohlenstoff unter Bildung von zusätzlichem Siliciumcarbid verfügbar zu machen. In bestimmten Fällen weist das rohe Pulver zu wenig Kohlenstoff auf, um einen wesentlichen Teil des Sauerstoffs zu entfernen, so daß die Zugabe von Kohlenstoff zu dem rohen Pulver vor dem Erwärmen in der inerten Atmosphäre erforderlich ist. Zweitens wird das in der ersten Reinigungsstufe erhaltene Pulver in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre auf eine Temperatur von etwa 600ºC bis etwa 900ºC und insbesondere etwa 600ºC bis etwa 700ºC über eine Zeitspanne von mindestens etwa 15 Minuten und insbesondere für etwa 30 Minuten bis etwa 2 Stunden erwärmt. Diese Stufe brennt den restlichen Kohlenstoff in Form von Kohlenstoffoxiden ab, wobei man das gereinigte Produkt erhält.
Die Röntgenfluoreszenzanalyse des gereinigten Produkts zeigt, daß das Produkt weniger als etwa 1000 mg/kg Elementverunreinigungen enthält, wobei derartige Elementverunreinigungen Aluminium und die Elemente mit einer höheren Ordnungszahl mit Ausnahme von Silicium bis einschließlich Uran umfassen. In besonders bevorzugter Weise weist das Produkt weniger als etwa 600 mg/kg an derartigen Verunreinigungen auf. Viele Verunreinigungen verringern in unerwünschter Weise die Festigkeit der gesinterten Carbidteile, die aus dem Produktpulver gefertigt werden.
Einzelne Teilchen des gereinigten Produkts in Form eines Pulvers sind hochgradig gleichförmig und weisen Durchmesser auf, die im Bereich von etwa 0,05 um bis etwa 0,50 um liegen. Gleichförmige Submikronteilchen sind wesentliche Charakteristiken für die Herstellung von feinkörnigen hochfesten Teilen aus einem Carbidpulver. Die Kristallitgröße (Größe einzelner Kristalle) liegt im Bereich von etwa 30 bis etwa 100 Å.
Das rohe oder das gereinigte Produkt können zu wärmebeständigen hochfesten Teilen auf herkömmliche Weise gesintert werden. Zum Beispiel können geeignete Mengen an Additiven, wie Bor und Kohlenstoff oder Yttriumoxid und Aluminiumoxid zu einem derartigen Produkt gegeben werden, gefolgt von Verpressen zu einem gewünschten Formteil und Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 1700ºC bis etwa 2400ºC.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorstehende Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betrifft, daß jedoch viele Variationen und Modifizierungen zum Schutzumfang bestimmter Aspekte der Erfindung gehören.
Obwohl nur eine einzelne Reaktantendüse in den erläuterten Ausführungsformen bereitgestellt wird, gehört es z.B. zum Schutzumfang bestimmter Aspekte der Erfindung, eine Mehrzahl von Reaktionsdüsen mit entsprechenden Auslassen bereitzustellen, die beispielsweise um die Längsachse der Reaktionskammer angeordnet sein können.
Andere Variationen der vorstehend beschriebenen Aus führungs formen können verschiedene Reaktanten und/oder Brennstoffe beinhalten. Zum Beispiel ist es möglich, überschüssigen Kohlenstoff aus dem Brennstoff und/oder dem ersten Reaktanten als Quelle von Kohlenstoff für die Herstellung der Carbidverbindung zu verwenden, wobei in diesem Fall der zweite, kohlenstoffhaltige Reaktant weggelassen werden kann. In einer derartigen Ausführungsform ist es günstig, ein Trägergas, wie Stickstoff, Helium, Argon, Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Gemische davon im Gemisch mit dem ersten Reaktanten zu verwenden, um den ersten Reaktanten in die Reaktorkammer zu tragen. Da ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff als Abgas durch den Reaktor gebildet wird, kann der Reaktor als zweckmäßige Quelle für ein derartiges Trägergas dienen. Eine weitere mögliche Variation könnte den Einsatz eines Brennstoffs beinhalten, der einen bevorzugten ungesättigten Kohlenwasserstoff sowie Mengen anderer Typen von Kohlenwasserstoffen, wie gesättigten Kohlenwasserstoffen, umfaßt. Dies verringert jedoch im allgemeinen die durch die Verbrennungsreaktion gebildete Wärme, so daß möglicherweise eine zusätzliche Heizquelle (z.B. elektrisch, Plasma, Mikrowelle, außerhalb der Reaktorkammer, jedoch in Wärmeaustauschbeziehung mit der Reaktorkammer liegende Verbrennungszonen und dgl.) erforderlich ist, um die gewünschte Temperatur in der Reaktionszone zu erhalten. In jedem Fall wird es bevorzugt, daß die heißen Verbrennungsprodukte, wie sie durch Verbrennung in der Verbrennungszone gebildet werden, mindestens etwa 15 % der Energie bereitstellen, die erforderlich ist, um die gewünschte Temperatur bei mindestens etwa 1400ºC in der Reaktionszone zu halten.

Beispiele

Spezielle Beispiele werden nun beschrieben, um die Erfindung weiter zu erläutern. Diese Beispiele dürfen nicht dahingehend mißverstanden werden, daß sie die Erfindung in irgendeiner Weise beschränken.
In jedem der folgenden Beispiele sind die verschiedenen Gasdurchsätze in Mol/Minute (nachstehend abgekürzt als Mol/min) angegeben. Die tatsächlichen Messungen des Durchsatzes wurden volumetrisch bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck in Einheiten von l/min durchgeführt. Diese volumetrischen Messungen wurden in Mol/min unter Annahme von 24,45 l/Mol für ein beliebiges Gas bei 25ºC (Raumtemperatur) und bei atmosphärischem Druck umgerechnet. Alle nachstehenden Durchsätze für Gase sind unverdünnt mit irgendeinem anderen Gas (d.h. Trägergas).
Im Hinblick auf die in verschiedenen Tabellen angegebenen Ergebnisse der Elementaranalyse wurde der Gewichtsprozentsatz an Kohlenstoff mittels CHNS-Verbrennungsanalyse, der Prozentsatz an Silicium durch Röntgenfluoreszenzanalyse, und der Prozentsatz an Sauerstoff durch Neutronenaktivierungsanalyse erhalten. Bei jedem Beispiel, bei dem eine Elementaranalyse durchgeführt wurde, zeigte die CHNS-Analyse nachweisbare Mengen an Wasserstoff. Die nachgewiesenen Mengen an Wasserstoff betrugen jedoch weniger als 1 Gew.-% und werden in den nachstehenden Beispielen nicht angegeben. Ergebnisse in Gewichtsprozent, die vorgelegt werden, sind nicht auf 100 % normiert worden. Abweichungen von 100 % sind normalen Ungenauigkeiten der Analyse zuzuschreiben.
Ablagerungen auf den Wänden der Reaktorkammer werden in mehreren der nachstehend beschriebenen Ansätze erwähnt. Derartige Ablagerungen wurden nicht quantitativ gemessen, sondern es wurden visuelle Beobachtungen nach dem Abschluß verschiedener Ansätze durchgeführt. Diese Beobachtungen werden in den nachstehenden Beispielen durch die Ausdrücke "leicht", "mäßig" und "schwer" wiedergegeben, um die Vergleichbarkeit der Ablagerungen, die bei verschiedenen Ansätzen erhalten wurden, widerzuspiegeln.
Im Hinblick auf die nachstehend verwendete Terminologie und Bezeichnungsweise ist darauf hinzuweisen, daß alle Angaben in Grad, die durch Röntgenbeugung erhalten wurden, für einen Winkel 28 gelten.

Beispiel 1

Der Zweck dieses Beispiels besteht darin, die Bildung von Siliciumcarbid mit einem Reaktor, der im wesentlichen dem in den Figuren 1 bis 4 gezeigten entspricht, zu zeigen.
Bei dem Reaktor dieses Beispiels wurde ein Dacron -Filterbeutel verwendet, um das aus einem Quarzrohr mit einem Ende in Verbindung mit dem stromabwärts befindlichen Ende des Reaktors austretende Produktpulver aufzufangen. Wichtige Reaktorabmessungen sind in der Tabelle IA angegeben. Tabelle IA Gesichtspunkt Abmessung Durchmesser der Kammer Gesamtlänge der Kammer Länge der Verbrennungszone Länge der Reaktionszone Gesamter Außendurchmesser des Reaktors Außendurchmesser des rohrförmigen Elements Innendurchmesser des rohrförmigen Elements
Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wurden 3 Ansätze unter Verwendung eines Gemisches aus Ethylen und Acetylen als Brennstoff und reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel durchgeführt. Die Durchsätze für Ethylen, Acetylen und Sauerstoff in jedem der Ansätze betrugen 1,28 Mol/min, 0,33 Mol/min bzw. 1,57 Mol/min, wobei Mol/min Mol/Minute bedeutet. Dementsprechend druckt das Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff im brennbaren Gemisch nur 1,02 (C: O-Verbrennungsverhältnis). Tabelle IB faßt weitere Daten für die Ansätze 1 bis 3 zusammen, wobei Silan (SiH&sub4;) und Propylen (C&sub3;H&sub6;) als Reaktanten mit verschiedenen Durchsätzen eingesetzt wurden. Tabelle IB zeigt auch den Durchsatz an Helium (He) als Spülgas durch die Reaktantendüse, das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff für die Kombination des Reaktanten und des brennbaren Gemisches (C:O-Gesamtverhältnis), die Synthesegeschwindigkeit, die Dauer des Ansatzes, die aufgefangene Produktmasse, das Massenverhältnis und die Ergebnisse der Elementaranalyse des Produkts.
Die aufgefangene "Produktmasse" ist die Masse an rohem Produkt, die tatsächlich im Filterbeutel bei Abschluß jedes Ansatzes aufgefangen wurde. Die Ausdrücke "Synthesegeschwindigkeit" und "Massenverhältnis" wurden vorstehend definiert. Bei der Bestimmung der Synthesegeschwindigkeit wurde das Molekulargewicht von Siliciumcarbid (SiC) zu etwa 40 g/Mol angenommen, und der molare Durchsatz an Siliciumatomen durch die Reaktionszone ist äquivalent zum Durchsatz an SiH&sub4;, der in Tabelle IB angegeben ist. Bei der Bestimmung des Massenverhältnisses wurden die molaren Durchsätze an Brennstoff und Sauerstoff in Tabelle IB in Massendurchsatzeinheiten von g/min umgerechnet. Tabelle IB Ansatz Gesamtverhältnis C:O Synthesegeschwindigkeit g/min Zeit min Produktmasse g Massenverhältnis Produktanalyse Zusammensetzung in Gew.-%
Es ist aus Tabelle IB ersichtlich, daß die Elementzusammensetzung von einer Erhöhung der Synthesegeschwindigkeit (bei konstantem Durchsatz des brennbaren Gemisches) im wesentlichen unbeeinflußt ist, und das gilt dementsprechend auch für das Massenverhältnis.
Röntgenbeugungspulverdiagramme, die für Produkte erhalten wurden, die bei den Ansätzen 1 und 2 anfielen, zeigen ausgeprägte Peaks bei 35º, 60º und 72º, was das Vorhandensein von β-Siliciumcarbid anzeigt. Das dem Produkt aus Ansatz 3 entsprechende Diagramm zeigt einen ausgeprägten Peak bei 35º und nur einen breiten, schlecht definierten Peak bei etwa 60º, was eine Abnahme der Kristallinität als Folge des Anstiegs der Synthesegeschwindigkeit und des Massenverhältnisses anzeigt.
Das Produkt aus Ansatz 1 wurde weiter im Hinblick auf die Teilchengröße gemäß dem nachstehenden Verfahren analysiert. Ein kleiner Teil in der Größenordnung von mg des Produktpulvers wurde in ein Becherglas gegeben, das 40 cm³ eines Gemisches von 0,07 Gew.-% Triton-Dispergiermittel (Rohm & Haas Co., Philadelphia, PA) und destilliertes Wasser enthielt. Die erhaltene Lösung wurde 10 Minuten mit Ultraschall bei einer Leistung von 40 W unter Verwendung eines Ultraschallgebers Modell W-380 (Heat Systems Ultrasonics Inc., Farmingdale, NY) behandelt. Die Teilchengrößenverteilung wurde unter Verwendung eines Teilchenanalysators CAPA-700 (Horiba, Tokyo, Japan) gemessen. Die erhaltene Teilchengrößenverteilung zeigt Teilchendurchmesser im Bereich von weniger als etwa 0,04 um bis etwa 0,2 um, wobei der größte Prozentsatz (etwa 32 %) der untersuchten Teilchen in einem Bereich von Teilchendurchmessern von 0,10 bis 0,20 um fällt.
Ablagerungen auf der Wand der Reaktorkammer wurden nach dem Abschluß jedes der Ansätze 1 bis 3 beobachtet, und es wurde folgendes festgestellt: Ansatz 1 - keine Ablagerungen; Ansatz 2 - leichte Ablagerungen im Bereich der oberen 76,2 mm (3 Zoll) der Kammerwand; Ansatz 3 - schwere Ablagerungen im Bereich der oberen 127 mm (5 Zoll) der Kammerwand.

Beispiel II

Der Zweck dieses Beispiels besteht darin, die Herstellung von Siliciumcarbid unter Verwendung verschiedener Brennstoffe zusammen mit einem Reaktor gemäß der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Bauart zu zeigen.
Die Abmessungen des Reaktors dieses Beispiels entsprachen im wesentlichen den Abmessungen des in Beispiel I beschriebenen Reaktors, mit Ausnahme der Verbrennungsdüsen. Das rohrförmige Element 62 jeder Verbrennungsdüse wies einen Innendurcbmesser von 0,257 cm in Ansatz 4 und einen Innendurchmesser von 0,334 cm in Ansatz 5 auf.
In Ansatz 4 wurde ein Gemisch aus Acetylen (C&sub2;H&sub2;) und Ethylen (C&sub2;H&sub4;) verwendet, während in Ansatz 5 nur Ethylen als Brennstoff verwendet wurde. Bei jedem dieser Ansätze wurde Silan mit einem Durchsatz von 0,269 Mol/min eingesetzt, was eine Synthesegeschwindigkeit von 10,8 g/min ergab, und Propylen wurde mit einem Durchsatz von 0,459 Mol/min durch die Reaktantendüse eingesetzt. Die weiteren Prozeßdaten sind in Tabelle IIA zusammengefaßt, und die Daten zur Produktanalyse sind in Tabelle IIB angegeben. Tabelle IIA Ansatz Verbrennungsverhältnis C:O Gesamtverhältnis C:O Zeit min Produktmasse g Massenverhältnis Tabelle IIB Ansatz Produktanalyse Zusammensetzung in Gew.-%
Es ist aus den vorstehenden Daten ersichtlich, daß das Produkt aus Ansatz 5, bei dem nur Ethylen als Brennstoff verwendet wurde, einen wesentlich höheren Sauerstoffgehalt als das Produkt von Ansatz 4, bei dem ein Gemisch aus Ethylen und Acetylen verwendet wurde, aufweist. Diese Ergebnisse wurden ungeachtet der Tatsache erhalten, daß in Ansatz 5 höhere Durchsätze an Brennstoff und Sauerstoff als in Ansatz 4 eingesetzt wurden.
Röntgenbeugungspulverdiagramme für die Produkte der Ansätze 4 und 5 zeigen ausgeprägte Peaks bei 35º, 60º und 72º, was klar das Vorhandensein von β-Siliciumcarbid anzeigt.
Beim Abschluß jedes der Ansätze 4 und 5 beobachtete Ablagerungen entsprachen sich im wesentlichen; das heißt, leichte Ablagerungen im Bereich der oberen 76,2 mm (3 Zoll) der Wand der Reaktorkammer.

Beispiel III

Dieses Beispiel zeigt noch einmal die Herstellung von Siliciumcarbid unter Verwendung des Reaktors der Figuren 1 bis 4. Bei diesem Beispiel wird ferner eine Temperaturmessung in der Reaktionszone vorgelegt, die während der Herstellung von Siliciumcarbid durchgeführt wurde.
Die Abmessungen des Reaktors dieses Beispiels entsprachen im wesentlichen denjenigen, die für den Reaktor von Beispiel I angegeben wurden, mit der Ausnahme des Innendurchmessers des rohrförmigen Elements 62, der 0,257 cm betrug.
Bei dem Ansatz dieses Beispiels, der nachstehend als Ansatz 6 bezeichnet wird, wurden die folgenden Prozeßbedingungen angewandt: Reaktanten Silan und Propylen bei Durchsätzen von 0,137 Mol/min bzw. 0,227 Mol/min; Durchsatz an Helium als Spülgas von 0,314 Mol/min; Brennstoffdurchsatz an Ethylen und Acetylen von 1,56 Mol/min bzw. 0,65 Mol/min; Sauerstoffdurchsatz von 2,21 Mol/min; Verbrennungsverhältnis C:O von 1,00; Gesamtverhältnis C:O von 1,15; Synthesegeschwindigkeit von 5,5 g/min; Dauer des Ansatzes von 7 min; aufgefangene Produktmasse von 26 g; Massenverhältnis von 0,042.
Die Temperatur der Reaktionszone wurde zu 1552ºC entlang der Achse der Reaktorkammer 12,7 cm stromaufwärts vom stromabwärts befindlichen Ende der Kammer bestimmt. Ein Thermoelement, das blanke Drähte verschiedener Zusammensetzung umfaßte, wurde zur Durchführung dieser Messung eingesetzt. Ein Draht bestand aus 100 % Iridium, während der andere Draht aus 60 % Iridium und 40 % Rhodium bestand. Die beiden Drähte wurden durch einen elektrischen Isolator mit zwei Löchern, der aus 99,8 % Aluminiumoxid bestand, geführt, und der Isolator und die Drähte wurden von einem Rohr aus 99,8 % Aluminiumoxid mit geschlossenem Ende und einem Außendurchmesser von 0,79 cm umhüllt, um die Drähte vor einem Angriff durch den Siliciumreaktanten zu schützen. Eine Thermoelementlötstelle wurde durch Verlängern der Drähte um etwa 0,5 cm über das Aluminiumoxidrohr hinaus und Punktschweißen der Drähte gebildet. Diese Lötstelle befand sich auf der Längsachse der Reaktorkammer. Da die Reaktorwände isoliert sind und daher im Betrieb nahezu die gleiche Temperatur wie die Gase in der Kammer aufweisen, wurden die Ablesungen des Thermoelements nicht um den Strahlungsfehler korrigiert.
Die Produktanalyse zeigte die nachstehenden Gewichtsprozentsätze im Hinblick auf das rohe Produkt, das in Ansatz 6 aufgefangen wurde: 64,5 Gew.-% Si; 30,5 Gew.-% C; 4,6 Gew.-% O.
Das Röntgenbeugungspulverdiagramm für das rohe Produkt von Ansatz 6 zeigte hervorragende, ausgeprägte Peaks bei 35º, 60º und 72º, die klar das Vorhandensein von β-Siliciumcarbid anzeigen.

Beispiel IV

Der Zweck dieses Beispiels besteht darin, das Sintern eines keramischen Teils aus einem gereinigten Produkt zu zeigen, wobei das gereinigte Produkt von dem Rohprodukt abgeleitet ist, wie es in einem Reaktor gemäß der Bauart der Figuren 1 bis 4 hergestellt wird.
Der Reaktor dieses Beispiels war im wesentlichen identisch zu dem Reaktor von Beispiel III.
Bei dem Reaktoransatz dieses Beispiels, der nachstehend als Ansatz 7 bezeichnet wird, wurden die folgenden Prozeßbedingungen angewandt: Brennstoffdurchsätze von Ethylen und Acetylen von 1,85 Mol/min bzw. 0,45 Mol/min; Sauerstoffdurchsatz von 2,21 Mol/min; Verbrennungsverhältnis C/O von 1,04; Reaktantendurchsätze an Silan und Propylen von 0,137 Mol/min bzw. 0,227 Mol/min; Durchsatz von Helium als Spülgas von 0,314 Mol/min; Gesamtverhältnis C:O von 1,19; Synthesegeschwindigkeit von 5,5 g/min; Dauer des Ansatzes von 270 min; aufgefangene Produktmasse von 1633 g; Massenverhältnis von 0,041.
Die Produktanalyse des aufgefangenen Rohproduktpulvers zeigte die folgenden Gewichtsprozentsätze: 60,4 Gew.-% Si; 29,2 Gew.-% C und 11,4 Gew.-% O. Die Röntgenbeugungspulveranalyse des Rohprodukts zeigte Peaks bei 35º, 60º und 72º, die das Vorhandensein von β-Siliciumcarbid anzeigen.
Ein Teil des Rohprodukts wurde wie folgt gereinigt oder verarbeitet. 875 g des Rohprodukts wurden mit 52 g Ruß (Black Pearls 2000, Cabot Corp.) gemischt. Das erhaltene Gemisch wurde in einen Graphitkasten gegeben, und der Kasten wurde in einen Ofen mit kontrollierter Atmosphäre, der mit Argon gespült wurde, eingesetzt. Der Ofen wurde auf 1550ºC bei 25ºC/min erwärmt und 2,5 Stunden bei 1550ºC gehalten. Das erhaltene Pulver wurde an der Luft bei 600ºC oxidiert, um freien Kohlenstoff zu entfernen. Das gereinigte Pulver wurde einer Elementaranalyse unterzogen, und es wurde festgestellt, daß es 69,4 Gew.-% Si, 28,6 Gew.-% C und 1,4 Gew.-% O enthielt.
Das gereinigte Produkt wurde unter Verwendung von Bor und Kohlenstoff als Sinterhilfsmittel gesintert. 110 g des gereinigten Produkts wurden mit 1,375 g elementarem Borpulver (Callery Chemical), 4,4 g des Dispergiermittels OLOA 1200 (Chevron Chemical), 4,4 g Stearinsäure (Fisher Scientific) und 10,66 g Phenolharz (Durez 14000, Occidental) gemischt, 24 Stunden in einem Heptan/Ethanol-Gemisch unter Verwendung von mit Nylon beschichteten Stahlkugeln gemahlen. Nach dem Mahlen wurde das Lösungsmittel verdampft, und der getrocknete Kuchen wurde zerkleinert und gesiebt (US-Standardsieb Nr. 40). Das erhaltene Pulver wurde uniaxial bei 27,6 MPa (4000 psi) zu Scheiben mit einem Durchmesser von 4,4 cm und einer Dicke von 0,3 cm gepreßt. Die Scheiben wurden isostatisch bei 344,7 MPa (50 000 psi) auf einen Durchmesser von ungefähr 3,9 cm und eine Dicke von 0,27 cm gepreßt. Die Scheiben wurden einzeln in einen Ofen mit kontrollierter Atmosphäre unter Anwendung der nachstehenden Abfolge von Stufen gesintert: (1) Evakuierung des Ofens auf 27 Pa (200 Millitorr); (2) Erwärmen auf 1000ºC mit einer Geschwindigkeit von 65ºC/min; (3) Erwärmen auf 1550ºC mit einer Geschwindigkeit von 40ºC/min; (4) Erhöhung des Drucks im Ofen auf 300 Millitorr mit Argon; (5) Erwärmen auf 2100ºC mit einer Geschwindigkeit von 40ºC/min und Halten bei 2100ºC für 60 min; und (6) Abkühlenlassen des Ofens auf Raumtemperatur. 20 Scheiben wurden unter Anwendung des vorstehenden Verfahrens gesintert.
Die einzelnen Dichten der 20 Scheiben wurden bestimmt und gemittelt, wobei man eine mittlere Dichte von 3,00 g/cm³ oder 93 % der "theoretischen Dichte", d.h. der Dichte von reinem kristallinem Siliciumcarbid, erhielt.

Beispiel V

Der Zweck dieses Beispiels besteht darin, die Herstellung von Siliciumcarbid unter Verwendung eines Reaktors, der ähnlich dem in den Figuren 5 bis 7 gezeigten Reaktor ist, zu zeigen.
Die Abmessungen des Reaktors dieses Beispiels entsprachen im wesentlichen denjenigen, die für den Reaktor von Beispiel I angegeben wurden, mit der Ausnahme des Innendurchmessers des rohrförmigen Elements 176a, der 0,333 cm betrug. Selbstverständlich umfaßt die Ausführungsform der Reaktantendüse von Fig. 7 kein rohrförmiges Element, das analog zum rohrförmigen Element 74 ist.
Es wurden drei Ansätze mit unterschiedlichen Synthesegeschwindigkeiten durchgeführt. Bei Ansatz 8 wurde nur eine Reaktantendüse verwendet, deren Auslaß auf der Achse der Reaktorkammer angeordnet war. Bei den Ansätzen 9 und 10 wurden 2 bzw. 4 Reaktantendüsen verwendet. Diese Düsen waren symmetrisch um die Kammerachse angeordnet, so daß ihre Spitzen in Kontakt miteinander standen. Die zusätzlichen Reaktantendüsen waren erforderlich, um die erhöhten Gesamtdurchsätze der Reaktanten aufzunehmen. Es wurde festgestellt, daß der Reaktantendurchsatz durch eine einzelne Reaktantendüse gemäß der Bauart von Fig. 7 auf einen vergleichsweise geringen Durchsatz begrenzt werden mußte, um ein unterbrochenes Strömungsbild zu verhindern, daß sich durch den Reaktantenstrom durch den L-förmigen Durchgang in der Spitze ergab.
Die Durchsätze für das brennbare Gemisch in jedem der Ansätze waren wie folgt Ethylen von 1,26 Mol/min, Acetylen von 0,32 Mol/min, Sauerstoff von 1,57 Mol/min; Verbrennungsverhältnis C:O von 1,01.
Zusätzliche Daten sind in Tabelle V zusammengefaßt. Der Reaktantendurchsatz, wie er für jeden der Ansätze 9 und 10 angegeben ist, entspricht dem Gesamtdurchsatz aus den Reaktantendüsen. Tabelle V Ansatz Gesamtverhältnis C:O Synthesegeschwindigkeit g/min Zeit min Produktmasse g Massenverhältnis Produktanalyse Zusammensetzung in Gew.-%
Es ist aus Tabelle V ersichtlich, daß die Elementzusammensetzung des Produkts sich mit einem Anstieg der Synthesegeschwindigkeit und des Massenverhältnisses nicht dramatisch ändert.
Das Röntgenbeugungspulverdiagramm für das Produkt aus Ansatz 8 zeigt ausgeprägte Peaks bei 35º, 60º und 72º, was das Vorhandensein von β-Siliciumcarbid anzeigt. Das Röntgenbeugungsdiagramm für das Produkt aus Ansatz 9 zeigt einen ausgeprägten Peak bei 35º, jedoch nur breite, schlecht definierte Peaks bei 60º und 72º. Das Röntgenbeugungsdiagramm für das Produkt von Ansatz 10 zeigt einen Peak bei 35º, jedoch nur eine kaum wahrnehmbare, breite Schulter bei etwa 60º. Diese Daten zeigen in ähnlicher Weise wie die Daten aus Beispiel I eine Abnahme der Kristallinität mit einem Anstieg von Synthesegeschwindigkeit und Massenverhältnis.
Es wurden folgende Ablagerungen nach dem Abschluß jedes der Ansätze 8 bis 10 beobachtet: Ansatz 8 - mäßigen Ablagerungen; Ansatz 9 - mäßige Ablagerungen mit geringer Anreicherung an den Reaktantendüsen; Ansatz 10 - schwere Ablagerungen mit großer Anreicherung auf den Reaktantendüsen. Bei jedem Ansatz erstreckten sich die beobachteten Ablagerungen entlang der gesamten Länge der Reaktionszone.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Produktpulvers, das eine Carbidverbindung umfaßt, wobei das Verfahren folgende Stufen umfaßt:

Bereitstellung eines Reaktors mit einer darin ausgebildeten Kammer (12), die eine Längsachse (14) und in Längsrichtung getrennte stromaufwärts (16) und stromabwärts (18) befindliche Enden aufweist, wobei die Kammer eine Verbrennungszone (12a) und eine Reaktionszone (12b) umfaßt, so daß die Verbrennungszone (12a) sich in Längsrichtung vom stromaufwärts befindlichen Ende (16) zu einer Grenzfläche (20) zwischen den Zonen (12a, 12b) erstreckt und so daß die Reaktionszone (12b) sich in Längsrichtung von der Grenzfläche (20) zum stromabwärts befindlichen Ende (16) erstreckt;

Einrichtung eines Stroms eines brennbaren Gemisches (89) in die Verbrennungszone (12a), so daß es im allgemeinen in einer Richtung im allgemeinen hin zur Reaktionszone (12b) strömt, wobei das brennbare Gemisch ein Gemisch aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel umfaßt;

Verbrennen des brennbaren Gemisches in der Verbrennungszone (12a) unter Bildung heißer Verbrennungsprodukte, die im allgemeinen hin zur Reaktionszone (12b) und in die Reaktionszone (12b) strömen;

Einspritzen mindestens eines Reaktanten (91) in die Kammer aus mindestens einem Auslaß (56) mindestens einer Reaktantendüse (54), so daß der mindestens eine Reaktant (91) an mindestens einem Reaktantendüsenauslaß (56) an der Grenzfläche (20) in einer Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse (14) austritt, wobei die Temperatur in mindestens einem Abschnitt der Reaktionszone (12b) bei mindestens etwa 1400ºC und insbesondere im Bereich von etwa 1400ºC bis etwa 1700ºC liegt und wobei das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff für die Kombination des brennbaren Gemisches (89) und des mindestens einen Reaktanten (91) mindestens etwa 0,8:1 beträgt, wobei der mindestens eine Reaktant (91) zur Reaktion in der Reaktionszone (12b) unter Bildung einer Carbid-Verbindung imstande ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Strom des brennbaren Gemisches (89) in die Verbrennungszone (12a) durch Einspritzen des brennbaren Gemisches (89) in die Verbrennungszone (12a) aus einer Mehrzahl von Verbrennungsdüsen (46a, 46b) mit Düsenauslassen (48a, 48b), die mindestens eine lineare Grenze (61) bilden, deren Projektion in Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse (14) auf die Grenzfläche (20) im allgemeinen den mindestens einen Reaktionsdüsenauslaß (56) in der Grenzfläche (20) umgibt, eingerichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Reaktionsdüsenauslaß (56) einen einzelnen Reaktionsdüsenauslaß (56) umfaßt, der im wesentlichen auf der Längsachse (14) angeordnet ist, so daß der mindestens eine Reaktant (91) aus dem mindestens einen Reaktantendüsenauslaß (56) im allgemeinen entlang der Längsachse (14) und hin zum stromabwärts befindlichen Ende (18) austritt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Reaktionsdüsenauslaß (56) so angeordnet ist, daß er im allgemeinen zentral innerhalb der Projektion bei der mindestens einen linearen Grenze (61) angeordnet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine Verbrennungsdüse (46a, 46b) eine Mehrzahl von Verbrennungsdüsen umfaßt, wobei jede Verbrennungsdüse (46a, 46b) einen entsprechenden Auslaß (48a, 48b) aufweist, wobei die Mehrzahl der Verbrennungsdüsenauslasse (48a, 48b) insbesondere äquidistant voneinander angeordnet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Mehrzahl der Verbrennungsdüsenauslasse (48a, 48b) angeordnet ist, um eine im allgemeinen dreieckige lineare Grenze (61) zu bilden, wobei die Mehrzahl der Verbrennungsdüsenauslasse (48a, 48b) insbesondere nahe zum stromaufwärts befindlichen Ende (16) angeordnet ist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das molare Elementverhältnis im Bereich von etwa 0,9:1 bis etwa 1,5:1, liegt, wobei das molare Elementverhältnis insbesondere im Bereich von etwa 1:1 bis etwa 1,3:1 liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das molare Elementverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff im brennbaren Gemisch mindestens etwa 0,7:1 beträgt, wobei das molare Elementverhältnis für das brennbare Gemisch insbesondere im Bereich von etwa 0,9:1 bis etwa 1,1:1 liegt.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Brennstoff einen Kohlenwasserstoff umfaßt, der unter einem cyclischen Kohlenwasserstoff, Ethylen, Propylen, Buten, Propadien, Acetylen, Propin, Butin und Gemischen davon ausgewählt ist, wobei der Brennstoff insbesondere ein Gemisch aus Ethylen und Acetylen umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Reaktant (91) einen ersten Reaktanten umfaßt, der eine erste Komponente umfaßt, und außerdem einen zweiten Reaktanten, der eine zweite Komponente enthält, wobei es sich bei der zweiten Komponente um eine Kohlenstofficomponente handelt, wobei der erste und der zweite Reaktant unter Bildung der Carbidverbindung reagieren, wobei es sich bei der Carbidverbindung um eine Verbindung der ersten Komponente und der zweiten Komponente handelt, wobei insbesondere ein Massenverhältnis von nicht mehr als etwa 0,3 eingesetzt wird, wobei das Massenverhältnis als das Verhältnis der Synthesegeschwindigkeit (g/min) zum gesamten Massendurchsatz (d.h. g/min) von Brennstoff plus Oxidationsmittel durch die Verbrennungszone (12a) definiert ist, wobei der Ausdruck "Synthesegeschwindigkeit" (d.h. g/min) als (m x f)/n definiert ist, wobei m das Molgewicht (d.h. g/Mol) der Carbidverbindung darstellt, f den gesamten molaren Durchsatz (d.h. Mol/min) der Atome der ersten Komponente durch die Reaktionszone (12b) darstellt und n die Anzahl der Atome der ersten Komponente (d.h. Silicium) in der Carbidverbindung darstellt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die erste Komponente unter Silicium, Bor, Wolfram, Chrom, Titan, Zirkonium, Molybdän und Eisen ausgewählt ist, wobei es sich bei der ersten Komponente insbesondere um Silicium handelt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei es sich bei dem ersten Reaktanten (91) um Silan handelt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der zweite Reaktant eine C&sub1;-C&sub9;-Kohlenstoffverbindung umfaßt, wobei es sich bei der C&sub1;-C&sub9;-Kohlenstoffverbindung insbesondere um einen Kohlenwasserstoff handelt, der unter Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Octan, Nonan, Ethylen, Propylen, Acetylen, Benzol, Toluol, Cyclopropan, Cyclobutan, Cyclopentan, Cyclohexan und Gemischen davon ausgewählt ist.

14. Vorrichtung, umfassend:

einen Reaktor (110) mit einer darin ausgebildeten Kammer (112), die eine Längsachse (114) und in Längsrichtung getrennte, stromaufwärts (116) und stromabwärts (118) befindliche Enden aufweist, wobei die Kammer (112) eine Verbrennungszone (112a) und eine Reaktionszone (112b) umfaßt, so daß die Verbrennungszone (112a) sich in Längsrichtung vom stromaufwärts befindlichen Ende (116) zu einer Grenzfläche (120) zwischen den Zonen (112a, 112b) erstreckt, und so daß die Reaktionszone (112b) sich in Längsrichtung von der Grenzfläche (120) zum stromabwärts befindlichen Ende (118) erstreckt;

eine Einrichtung zum Einspritzen eines brennbaren Gemisches (189) in die Verbrennungszone (112a), die mindestens eine Verbrennungsdüse (146a, 146b) mit mindestens einem Auslaß umfaßt, die in Verbindung mit der Reaktionszone (112a) steht und die angepaßt ist, um das brennbare Gemisch (189) in die Verbrennungszone (112a) in Richtung im allgemeinen hin zur Reaktionszone (112b) freizusetzen; und

eine Einrichtung zum Einspritzen mindestens eines Reaktanten (191) in die Kammer (112), die mindestens eine Reaktantendüse (154) mit mindestens einem Auslaß (156) umfaßt, die in Verbindung mit der Kammer (112) an der Grenzfläche (120) steht, und die angepaßt ist, um den mindestens einen Reaktanten (191) in die Reaktionszone (112b) in Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse (114) freizusetzen, wobei der mindestens eine Reaktant (191) zur Reaktion in der Kammer (112) unter Bildung eines Carbidprodukts imstande ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Mehrzahl der Verbrennungsdüsenauslasse mindestens eine lineare Grenze (161) bildet, deren Projektion in Richtung im allgemeinen parallel zur Längsachse (114) auf die Grenzfläche (120) im allgemeinen den mindestens einen Reaktionsdüsenauslaß (156) umgibt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die mindestens eine Reaktionsdüse (154) sich vom stromaufwärts befindlichen Ende (116) zu dem mindestens einen Reaktionsdüsenauslaß (156) erstreckt, wobei insbesondere die mindestens eine Reaktionsdüse (154) mindestens eine Längsachse (157) aufweist, die im allgemeinen parallel zur Längsachse (114) der Kammer (112) ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die mindestens eine Reaktionsdüse (154) eine einzelne Reaktionsdüse (154) mit einem Auslaß (156) umfaßt, deren Längsachse (157) im allgemeinen der Längsachse (114) der Kammer (112) entspricht, so daß der Reaktionsdüsenauslaß (156) im wesentlichen auf der Längsachse (114) der Kammer (112) angeordnet ist, um den mindestens einen Reaktanten (191) entlang der Längsachse (114) der Kammer (112) hin zum stromabwärts befindlichen Ende (118) freizusetzen, wobei insbesondere der Reaktionsdüsenauslaß (156) so angeordnet ist, daß er sich im allgemeinen zentral innerhalb der Projektion der mindestens einen linearen Grenze (161) befindet.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die mindestens eine Reaktionsdüse (154) sich im allgemeinen radial in die Kammer (112) erstreckt, wobei die mindestens eine Reaktionsdüse (154) mindestens eine Längsachse (157) im allgemeinen senkrecht zur Längsachse (114) der Kammer (112) aufweist, um den mindestens einen Reaktanten (191) entlang der Längsachse (114) der Kammer (112) hin zum stromabwärts befindlichen Ende (118) freizusetzen

19. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die mindestens eine Reaktionsdüse (154) eine einzelne Reaktionsdüse (154) mit einem Auslaß umfaßt, der im wesentlichen auf der Längsachse (114) der Kammer (112) angeordnet ist, so daß der mindestens eine Reaktant (191) entlang der Längsachse (114) der Kammer (112) hin zum stromabwärts befindlichen Ende (118) freigesetzt wird, wobei der Reaktionsdüsenauslaß (156) insbesondere so angeordnet ist, daß er sich im allgemeinen zentral innerhalb der Projektion der mindestens einen linearen Grenze (161) befindet.

20. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die mindestens eine Verbrennungsdüse eine Mehrzahl von Verbrennungsdüsen (146a, 146b) umfaßt, wobei jede Verbrennungsdüse einen entsprechenden Auslaß aufweist, wobei die Mehrzahl der Verbrennungsdüsenauslasse insbesondere äquidistant voneinander angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Mehrzahl der Verbrennungsdüsenauslasse angeordnet ist, um eine im allgemeinen dreieckige lineare Grenze (161) zu bilden, insbesondere wobei die Mehrzahl der Verbrennungsdüsenauslasse nahe benachbart zum stromaufwärts befindlichen Ende angeordnet ist.