FI67569B - Foerfarande foer framstaellning av en mellanprodukt foer produktion av kisel och/eller kiselkarbid - Google Patents

Description

1 67569

Menetelmä välituotteen valmistamiseksi piin ja/tai piikarbidin tuottamista varten - Förfarande för framställning av en mellanprodukt för produktion av kisel och/eller kiselkarbid 5 Keksinnön kohteena on menetelmä piidioksidia ja hiiltä sisältävän välituotteen valmistamiseksi piin ja/tai piikarbidin tuottamista varten. On selvää, että lähtöaineena on tällöin toisaalta kvartsihiekka tai kvartsi jauhe. Seuraavassa käytetään terminologisista syistä 10 aina nimitystä kvartsihiekka. Käytetyn kvartsihiekan rakeisuusvälin tulee olla mahdollisimman kapea vaikkakin voidaan työskennellä eri rakeisuuksia käyttäen.

- Pii tarkoittaa alkuainepiitä, joka on erittäin puhdasta. Sitä tarvitaan mitä erilaisimpiin tarkoituksiin, 15 esimerkiksi ferropiin tai kalsiumsilisidin valmistamiseksi. Puhdasta piitä käytetään kuitenkin etenkin myös puolijohdetekniikassa. Piikarbidi koostuu piistä ja hiilestä ja sen kemiallinen kaava on SiC. Se on useimpia kemiallisia vaikutuksia vastaan kestävä ja sillä 20 on boorikarbidien ja timanttien lisäksi suurin lujuus.

Piikarbidia käsitellään hioma-aineteollisuudessa hioma-jauheiksi ja hiomapastoiksi, hiomakiekoiksi ja vastaaviksi. Piikarbidihioma-aineita voidaan käyttää samoin koviin aineisiin, kuten sintrauskovametalleihin, valu-25 teräkseen että myös plastisiin materiaaleihin, kuten alumiiniin, messinkiin ja kupariin. Mutta myös kumia, nahkaa ja puuta voidaan käsitellä. Erinomaisen lämmön-johtokyvyn ja kemiallisen kestävyyden ansiosta korkeissa lämpötiloissa piikarbidi on sopiva materiaali tulenkes-30 tävien materiaalien valmistamiseksi teollisuusuuneja varten, joille on asetettu erityiset vaatimukset, kuten reaktiolämmön nopea poistaminen, hyvä lämmitettävyys 2 67569 r ulkoapäin, johon mahdollisesti liittyy korkea kulutuskestävyys ja korroosionkestävyys. Sinkkiteollisuus käyttää esimerkiksi piikarbidimuhveleita ja muurattuja lauhduttimia malmien käsittelyyn. Hyvän sähköisen joh-5 tavuuden ja kestävyyden ansiosta happea vastaan korkeammissa lämpötiloissa valmistetaan piikarbidista ja sopivista sideaineista lämmityselementtejä sähkövastus-uuneja varten, jotka kestävät kestorasitusta jopa 1500°C:n lämpötilaan asti. Myös infrapunauuneja voidaan 10 varustaa tällaisilla elementeillä. Jännitteen rajoittamiseksi vahva- ja heikkovirtatekniikassa valmistetaan piikarbidista rakenne-elementtejä, joissa on jännitteestä riippuvainen sähköresistanssi. Tätä varten kuten myös suurlämpötilatransistoreja ja suurlämpötila-15 diodeja varten käytetään erityisesti valmistettua, erittäin puhdasta ja seostettua piikarbidia. Kiteisen piikarbidin ominaisuuksia hyväksi käyttävän käytön lisäksi voidaan piikarbidia valmistaa myös kuitumuodossa tai vaahtona. Kuidut käsitellään yhdistettynä muihin 20 materiaaleihin tulenkestäviksi kudoksiksi, vaahto- korroosio- ja lämpötilankestäviksi eristysaineiksi. Huolimatta piikarbidin tästä huomattavasta teknisestä merkityksestä ei sen valmistusteknologialla ole ollut osoittaa viime vuosikymmeninä mitään huomattavia edis-25 tysaskeleita. Se tapahtuu Acheson'in ajoista (1891) lähtien kuumentamalla pääasiassa piidioksidia kvartsi-hiekan ja koksijauheen muodossa. Valmistus on kallista, mikä tekee siten piikarbidin ja piikarbidista valmistetut tuotteet kalliiksi.

30 Piikarbidin valmistuksen teknistä prosessia varten tarvitaan seuraavia raaka-aineita: - piidioksidia kvartsihiekan ja hienoksi murskatun kvartsin muodossa, joka on mahdollisimman puhdasta, 3 67569 - hiiltä sulatto-, piki-, petrolikoksin tai antrasiitin muodossa, - natriumkloridia, - sahajauhoa.

5 Kvartsia ja hiiltä käytetään lähes stökiometrisissa suhteissa, jolloin hiilen pieni ylimäärä on toivottavaa. Sahajauhoa lisätään reaktioseoksen kuohkeuttamiseksi. Natriumkloridia käytetään raaka-aineisiin etupäässä sisältyvien alumiini- ja rautahappiyhdisteiden poista-10 miseksi klorideina haihduttamalla , koska nämä yhdisteet estävät kiteiden muodostusta ja myös aiheuttavat muodostuneen piikarbidin katalyyttisen hajoamisen. - Piikar-bidin tekninen valmistus tapahtuu korkean reaktiolämpö-tilan (2000°C) johdosta yleensä sähkövastusuuneissa.

15 Reaktionkulku ja saanto riippuvat olennaisesti raaka- aineiden homogeenisesta sekoittumisesta, jolloin toisaalta kvartsihiekkarakeiden, toisaalta koksijauheen rakeisuuden säädön on oltava tarkka.

Keksinnön tehtävänä on nyt saada aikaan välituote, josta '20 voidaan valmistaa piitä ja/tai piikarbidia, ilman että tarvitaan kvartsihiekan ja koksijauheen seosta.

Tämä tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaisesti siten, että kvartsihiekkarakeista muodostetaan ja ylläpidetään vesihöyryn ja kaasujen avulla leijukerros, jonka lämpö-25 tila on 500 - 700°C, leijukerrokseen suihkutetaan yli 250°C:n lämpötilassa olevia kuumia nestemäisiä hiilivetyjä ja leijukerrokseen puhalletaan jatkuvasti tuoreita tai myösjo hiilipäällysteisiä 600 - 800°C:n lämpötilassa olevia kvartsihiekkarakeita, joilla hiilivedyt 30 krakkautuvat siten, että muodostuu öljykoksikerros tai jo olemassa oleva tehdään paksummaksi ja nimenomaan 67569 Γ kunnes öljykoksikerrosten hiilimäärä vastaa ainakin stökiometrisesti päällystettyjen kvartsirakeiden piiksi ja/tai piikarbidiksi tapahtuvaa reaktiota varten tarvittavaa hiilimäärää, ja että siten raskaammaksi 5 tulleet, laskeutuneet hiukkaset poistetaan alhaalla leijukerroksesta. Toisin sanoen keksinnön mukaisesti krakataan kvartsihiekkarakeiden leijukerroksessa sopivassa lämpötilassa hiili kvartsihiekkarakeiden päälle tavallaan päällysteeksi. Krakkausprosessin suurin 10 energiantarve voidaan saada aikaan kvartsihiekkarakeiden ja jo hiilellä päällystettyjen kvartsihiekkarakeiden ominaislämmöllä, jotka kuumennetaan tarvittavaan lämpötilaan polttamalla hiili osittain erityisessä esikuumentimessa tai kuumien poistokaasujen luovuttaman 15 lämmön avulla. Leijukerroksen lämpötila voidaan kuitenkin ylläpitää myös tai lisäksi hiilivetyjen osittaisen palamisen avulla. - Pyörrekerrosprosessit hiilivetyjen koksaamiseksi ovat periaatteessa tunnettuja, jolloin on myös käytetty hiekanmuodossa olevia kiinteitä lämmön-20 kantoaineita. Tässä ei kuitenkaan tuoteta koksikerrok-sia lämmönkantoaineiden päälle eikä vastaavia tuotteita poisteta.

Jos työskennellään keksinnön menetelmän mukaisesti, niin öljykoksimäärä, joka seostuu yksittäisten kvartsihiek-25 karakeiden päälle, riippuu toisaalta lämpödynaamisista olosuhteista ja tämän lisäksi kvartsihiekkarakeiden staattisesta oloajasta leijukerroksessa. Keksinnön mukaisesti on havaittu, että esitetyssä menetelmässä voidaan seostaa kvartsihiekkarakeiden päälle stökiometrinen 30 tai ylistökittmetrinen öljykoksimäärä, kuten se tarvitaan välituotteiden edelleenkäsittelyä varten. Keksinnön mukainen menetelmä suoritetaan yleensä yhtäjaksoisesti, ja nimenomaan niin, että jo hiilellä päällystetty tuote, 5 67569 joka on läsnä termisen tasapainon saavuttamisen jälkeen ylimääränä, poistetaan sen jälkeen, kun se on poistettu leijukerroksesta, ennen sen saapumista esikuumenti-meen. Tarkoituksenmukaisesti johdetaan tuoreita kvart-5 sihiekkarakeita esikuumentimeen ja sekoitetaan siellä kuumaan materiaaliin ja kuumennetaan yhdessä tämän kanssa korkeintaa 800°C:n lämpötilaan. Keksinnön puitteisiin kuuluu syöttää öljykoksilla jo päällystettyä kvartsihiekkaa kiertokulkuun, jotta siten vaikutettai-10 siin öljykoksikerrostuman määrään yksittäisten kvartsi- hiekkarakeiden päällä. On selvää, että leijukerrok-sesta poistetaan yläpäästä kaasumaisia ja kondensoita-via hiilivetyjä.

• Keksinnön puitteissa voidaan käyttää mitä erilaisimpia 15 hiilivetyjä öljykoksin muodostamiseksi kvartsihiekka- rakeiden päälle. Erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti syöttöaineina käytetään raskaita maaöljylajikkei-ta ja kivihiilitervaa ja kivihiilitervan pikeä.

Saavutetut edut voidaan nähdä siinä, että keksinnön 20 menetelmän mukaisesti valmistetaan välituote, jota voidaan ilman muuta käyttää piin ja/tai piikarbidin valmistamiseksi, ja nimenomaan silloin, missä on tähän mennessä tarvittu toisaalta kvartsihiekan ja toisaalta koksijauheen kallista ja huolellista sekoitusta.

25 Tuloksena voidaan yksinkertaistaa itse piin tai vast.

piikarbidin valmistusta käyttämällä keksinnön mukaista välituotetta. Etenkin voidaan keksinnön mukaisesta välituotteesta valmistaa erittäin puhtaat lopputuotteet pii tai vast, piikarbidi edellyttäen, että lähtöaineet 30 ovat puhtaat.

Piin valmistamiseksi sijoitetaan tavallaan mikropellet- 6 τ~ 67569 tejä oleva välituote tavanomaiseen sähköuuniin, jossa on esimerkiksi tavanomaiset kolme elektrodia. Tässä sähköuunissa reagoivat sitten pii ja hiili kaavan SiC>2 + 2C —> Si + 2C0 mukaisesti piiksi. Elektrodi-5 uunissa ei voida suorittaa reaktiota piikarbidin valmistamiseksi, koska piikarbidi on kiinteää, se kasvaa tavallaan kiinni elektrodeihin ja siten sitä ei voida ilman muuta poistaa uunista. Piikarbidin valmistus tapahtuu kaavan Si02 + 3C —> SiC + 2C0 mukaisesti.

10 Tämä reaktio suoritetaan yleensä vaakasuoralla arinalla, johon sijoitetaan reagoivien aineiden, tässä tapauksessa siis mikropellettien kasa. Muodostetun kerroksen läpi syötetään sähköenergiaa, jolloin reaktio tapahtuu edellä esitetyllä tavalla. On kuitenkin suoritettava 15 hiilipäällystys ilman hapen pitämiseksi pois reaktiosta. Vastaavasti voitaisiin työskennellä myös tyhjiössä.

Tässä menetelmässä syntyy tavallaan pitkälti kiteisen piikarbidin tanko tai lanka.

Seuraavassa keksintö selitetään lähemmin piirustusten 20 avulla, jossa on esitetty laitteisto keksinnön mukaisen menetelmän suorittamiseksi.

Kuviossa on esitetty reaktori, jossa on esikuumennin, jossa keksinnön mukainen menetelmä voidaan suorittaa. Reaktoriin 1 puhalletaan ensin kvartsihiekkarakeita 2, 25 joiden lämpötila on 600 - 800°C. Vesihöyryn 3 ja kaasujen 4 avulla näistä tuotetaan ja ylläpidetään leiju-kerros 5, jonka lämpötila on 500 - 700°C. Tähän leiju-kerrokseen 5 suihkutetaan yli 250°C:n lämpötilassa olevia kuumia nestemäisiä hiilivetyjä. Hiilivedyt krakkau-30 tuvat tällöin kvartsihiekkarakeiden päälle ja ne muodostavat öljykerroksen, ja nimenomaan lähes stökiometri-senä tai ylistökiometrisenä määränä. Tämän johdosta 67569 raskaammaksi tulevat hiukkaset laskeutuvat alas ja ne poistetaan reaktorin alapäästä 7. Krakkausprosessin suurin energiantarve saadaan tällöin aikaan kvartsihiek-karakeiden 2 ominaislämmön avulla. Ennen näiden johta-5 mistä reaktoriin ne johdetaan esikuumentimen 8 kautta. Tätä varten syötetään osa reaktorista 1 poistetuista tuotteista esikuumentimeen ja tässä tapahtuu hiilen osittainen polttaminen kvartsihiekkarakeiden 2 päälle. Kvartsihiekkarakeiden kuumentaminen voidaan saada aikaan 10 myös kuumien poistokaasujen avulla. Esikuumentimen 3 kautta lisätään edelleen tuoreita kvartsihiekkarakeita 2. Hiilen päällystämät tuotteet poistetaan ainakin osittainniiden leijukerroksesta 5 tapahtuvan poiston jälkeen ennen niiden saapumista esikuumentimeen. Putken 15 9 kautta poistetaan leijukerroksen 5 yläpuolelta kaasu maisia ja kondensoitavia hiilivetyjä. Hiilivetyinä 6 käytetään raskaita maaöljylajikkeita ja kivihiilitervaa tai vast, kivihiilitervan pikeä, leijukerroksen kaasuina käytetään vesihöyryn lisäksi typpeä sekä reaktion suh-20 teen neutraaleja ja/tai reagoituneita kaasuja.

Claims (4)

1. Leijukerros-koksausmenetelmä jonka mukaan kvartsi-hiekkarakeista tuotetaan vesihöyryn ja kaasujen avulla lei-jukerros jonka lämpötila on 500 - 700°C, jonka menetelmän 5 mukaan leijukerrokseen johdetaan yli 250°C:n lämpötilassa olevia nestemäisiä hiilivetyjä, kuten raskaita maaöljyfrakti-oita ja kivihiilitervaa tai asfalttipikeä, sekä 600-800°C:n lämpötilassa olevia tuoreita tai kierrätettyjä ja siten jo öljykoksikerroksella päällystettyjä kvartsihiekkarakeita, 10 joiden päälle hiilivedyt krakkautuvat, jolloin yläpäästä poistetaan kaasumaisia ja kondensoituvia hiilivetyjä ja alhaalta öljykoksikerroksesta raskaammiksi tulleita kvartsihiekkarakeita, tunnettu siitä, että välituote valmistetaan piikarbidin tuottamista varten ja lisäksi että 15 öljykerroksen hiilimäärä on siten säädetty, että se vastaa vähintään stökiömetrisesti kvartsihiekkarakeiden piikarbi-diksi tapahtuvaa reaktiota varten tarvittavaa hiilimäärää.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että krakkausprosessin suurin energiatarve 20 saadaan kvartsihiekkarakeiden ja jo öljykoksilla päällystettyjen kvartsihiekkarakeiden ominaislämmön avulla, jotka kuumennetaan tarpeelliseen lämpötilaan polttamalla hiili osittain erillisessä esikuumentimessa tai kuumien poistokaasujen luovuttaman lämmön avulla. 25

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jo hiilipäällysteinen tuote, jota esiintyy ylimääränä termisen tasapainon saavuttamisen jälkeen, poistetaan leijukerroksesta tapahtuvan poiston jälkeen ennen sen saapumista esikuumentimeen. 30

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuoreita kvartsihiekkarakeita johdetaan esikuumentimeen ja sekoitetaan siellä kuumaan materiaaliin ja kuumennetaan yhdessä tämän kanssa korkeintaan 800°C:n lämpötilaan. Il