RU2541058C1 - Method of obtaining ultradisperse silicon nitride powder - Google Patents
Method of obtaining ultradisperse silicon nitride powder Download PDFInfo
- Publication number
- RU2541058C1 RU2541058C1 RU2013145336/04A RU2013145336A RU2541058C1 RU 2541058 C1 RU2541058 C1 RU 2541058C1 RU 2013145336/04 A RU2013145336/04 A RU 2013145336/04A RU 2013145336 A RU2013145336 A RU 2013145336A RU 2541058 C1 RU2541058 C1 RU 2541058C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- powder
- gas stream
- silicon nitride
- bulk layer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения высокочистого ультрадисперсного порошка нитрида кремния и изготовления из него керамических изделий, удовлетворяющих современным техническим требования по твердости, термопрочности и стойкости в агрессивных химических средах.The present invention relates to powder metallurgy and can be used to obtain highly pure ultrafine powder of silicon nitride and the manufacture of ceramic products from it, satisfying modern technical requirements for hardness, heat resistance and resistance in aggressive chemical environments.
Основными промышленными методами синтеза нитрида кремния являются: "печной" (ПС), плазмохимический (ПХС), газофазный и метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-процесса).The main industrial methods for the synthesis of silicon nitride are: "furnace" (PS), plasma-chemical (PCS), gas-phase and the method of self-propagating high-temperature synthesis (SHS process).
В настоящее время для получения нитрида кремния широко используется СВС-процесс, который наиболее оптимален по энергозатратам, сохранению химической чистоты и простоте аппаратурного оформления /1/. Однако в связи с тем, в СВС-процесса температура во фронте горения высокая, то при неравномерности горения из-за неоднородного гранулометрического состава шихты возникают локальные расплавления реагента и коагуляция частиц, а после прохода фронта горения и образования Si3N4 в сильно разогретом материале начинается процесс спекания частиц Si3N4, что приводит к образованию высокопрочных агрегатов большого размера. Поэтому для размола и сохранения чистоты продукта требуются значительные энергозатраты и дорогостоящее оборудование, имеющее специальную футеровку поверхностей.Currently, to obtain silicon nitride, the SHS process is widely used, which is most optimal in terms of energy consumption, preservation of chemical purity and simplicity of hardware design / 1 /. However, due to the fact that the temperature in the combustion front is high in the SHS process, local combustion of the reagent and coagulation of particles occur when the combustion is uneven due to the inhomogeneous particle size distribution of the charge, and after passing through the combustion front and the formation of Si 3 N 4 in a very hot material sintering of Si 3 N 4 particles begins, which leads to the formation of high-strength large aggregates. Therefore, for grinding and preserving the purity of the product, significant energy costs and expensive equipment with special lining of surfaces are required.
Данные недостатки исключаются, если использовать способ получения шихты для синтеза нитрида кремния /2/, в котором смешивают порошки предварительно активированного нитридообразующего элемента (кремния) со средним размером частиц меньше 5 мкм и разбавителя (нитрида кремния) со средним размером частиц меньше 1 мкм и шириной функции распределения не более 2, в количестве 10-25% от общей массы. В результате после СВС-процесса получается легко измельчаемый спек, что обеспечивает условия для дальнейшего получения при его дезагрегации ультрадисперсного порошка нитрида кремния без загрязнения продуктами намола.These disadvantages are eliminated if you use a method of producing a mixture for the synthesis of silicon nitride / 2 /, in which powders of a pre-activated nitride-forming element (silicon) with an average particle size of less than 5 microns and a diluent (silicon nitride) with an average particle size of less than 1 micron and a width are mixed distribution function no more than 2, in the amount of 10-25% of the total mass. As a result, after the SHS process, an easily crushed cake is obtained, which provides the conditions for further production of ultrafine silicon nitride powder when it is disaggregated without contamination with milling products.
Однако данный способ имеет следующие недостатки.However, this method has the following disadvantages.
Так для удешевления конечного продукта в качестве исходного нитридообразующего элемента можно использовать ферросилиций, стоимость которого, например, ФС-75 по данным ООО «РЗМ-металлургия» (г. Челябинск), опубликованным на сайте www.uralforum.ru (ГОСТ 1415-93), составляет 69 тысяч рублей за 1 тонну, в то время как стоимость кремния кристаллического марки Kp1 (ГОСТ 2169-69) - 103 тыс руб./т, но продукт будет загрязнен примесью железа, что потребует дополнительных дорогостоящих операций по очистке: в промышленности для очистки сыпучих материалов от включений железа принято использовать магнитную сепарацию с последующим травлением раствором 15-30%-ной соляной кислоты (затем нерастворившийся осадок промывают в воде и сушат).So, to reduce the cost of the final product, ferrosilicon can be used as the initial nitride-forming element, the cost of which, for example, FS-75 according to the data of RZM-Metallurgy LLC (Chelyabinsk), published on the website www.uralforum.ru (GOST 1415-93) , amounts to 69 thousand rubles per 1 ton, while the cost of silicon crystalline grade Kp1 (GOST 2169-69) is 103 thousand rubles / ton, but the product will be contaminated with an admixture of iron, which will require additional expensive cleaning operations: in industry for purification of bulk materials from jelly inclusions it is customary to use magnetic separation, followed by etching with a solution of 15-30% hydrochloric acid (then the insoluble precipitate is washed in water and dried).
Однако, как показали наши опыты, выделение магнитной сепарацией частиц железа из различных ультрадисперсных порошков напрямую, пропуская через существующие в промышленности магнитные сепараторы, крайне не эффективно из-за значительной связности таких порошков (влияние когезии), препятствующей выходу из слоя частиц железа к магниту.However, as our experiments have shown, the separation of iron particles by magnetic separation from various ultrafine powders directly, passing through magnetic separators existing in industry, is extremely inefficient due to the significant cohesion of such powders (the effect of cohesion), which prevents the exit of iron particles from the layer to the magnet.
Кроме того, как видно из фотографии (фиг.2), в продукте также содержатся агрегаты из кристаллов нитрида кремния с внутренними включениями из расплавов железа, что также ухудшает качество конечного продукта и требует дополнительного травления соляной кислотой. В результате серьезной проблемой после травления является образование большого количества вредных отходов, что требует значительных дополнительных затрат на их утилизацию.In addition, as can be seen from the photograph (figure 2), the product also contains aggregates of crystals of silicon nitride with internal inclusions from molten iron, which also impairs the quality of the final product and requires additional etching with hydrochloric acid. As a result, a serious problem after etching is the formation of a large amount of harmful waste, which requires significant additional costs for their disposal.
Технический результат заявленного изобретения состоит в получении порошков нитрида кремния (Si3N4) с ультрадисперсным составом из промышленных марок ферросилиция с существенно меньшими затратами на химическую очистку от примесей железа.The technical result of the claimed invention is to obtain powders of silicon nitride (Si 3 N 4 ) with an ultrafine composition from industrial grades of ferrosilicon with significantly lower costs for chemical cleaning of iron impurities.
Указанный технический результат достигается следующим образом.The specified technical result is achieved as follows.
Для решения поставленной задачи шихту получают путем смешивания порошков предварительно активированного нитридообразующего компонента со средним размером частиц меньше 5 мкм и разбавителя - нитрида кремния со средним размером частиц меньше 1 мкм и шириной распределения не более 2 в количестве менее 25% от общей массы, в качестве нитридообразующего компонента используют ферросилиций, проводят азотирование шихты в СВС-процессе, после дробления спека в порошок до размера основной массы частиц (агрегатов) менее 0,1 мм, проводят дальнейшее измельчение (дезагрегацию) в струе сжатого газа, подаваемой в насыпной слой порошка при избыточном давлении 4÷6 кг/см2, а после уменьшения среднего размера частиц в насыпном слое до 15÷20 мкм рабочее давление увеличивают до 7÷8 кг/см2, при этом пылегазовый поток рециркулируют как внутри рабочего объема, возвращая крупные частицы в насыпной слой за счет инерционной и воздушно-центробежной сепарации, так и вне его, эжектируя выделенные из потока циклонным сепаратором мелкие частицы и возвращая их в рабочий объем, при этом одновременно над насыпным слоем и в зоне отделения частиц циклонного сепаратора создают область действия магнитного поля, в которую подают пылегазовый поток и осуществляют контактирование частиц с поверхностью магнита, причем в течение всего процесса измеряют напряжение, индуцируемое частицами железа в пылегазовом потоке, выходящем из насыпного слоя, и, при достижении им минимального (заданного) значения, процесс продолжают еще в течение не менее трех рециркуляций материала, оставшегося в рабочем объеме, затем эжектирование прекращают, а продукт классифицируют на фракции.To solve this problem, the mixture is obtained by mixing powders of a pre-activated nitride-forming component with an average particle size of less than 5 microns and a diluent - silicon nitride with an average particle size of less than 1 micron and a distribution width of not more than 2 in an amount of less than 25% of the total mass, as nitride-forming component use ferrosilicon, carry out the nitriding of the mixture in the SHS process, after crushing the cake into powder to a particle size (aggregate) of less than 0.1 mm, carry out further measurements lchenie (disaggregation) in the compressed gas stream fed to the bulk powder bed at an excess pressure of 4 ÷ 6 kg / cm 2, and after reduction an average particle size in the bulk layer up to 15 ÷ 20 microns operating pressure is increased to 7 ÷ 8 kg / cm 2 while the dust and gas stream is recycled both inside the working volume, returning large particles to the bulk layer due to inertial and air-centrifugal separation, and outside it, ejecting small particles extracted from the stream by a cyclone separator and returning them to the working volume, while simultaneously above bulk the layer and in the separation zone of the particles of the cyclone separator create a magnetic field, into which the dust and gas stream is supplied and the particles are contacted with the surface of the magnet, and during the whole process the voltage induced by iron particles in the dust and gas stream leaving the bulk layer is measured and, when when he reaches the minimum (predetermined) value, the process is continued for at least three more recirculations of the material remaining in the working volume, then the ejection is stopped and the product is classified fractionated.
Чтобы продукт СВС-процесса (спек) легко дробился и измельчался в ультрадисперсный порошок (без загрязнения продуктами намола), необходимо для азотирования использовать высокооднородную смесь из активированного нитридообразующего компонента с основным размером частиц менее 5 мкм и порошка-разбавителя (нитрида кремния) со средним размером частиц меньше 1 мкм шириной распределения не более 2 и в количестве менее 25% от общей массы, который исключает локальные расплавы в зоне реакции при СВС-процессе.In order for the product of the SHS process (sinter) to be easily crushed and ground into an ultrafine powder (without contamination with milling products), it is necessary to nitrate using a highly homogeneous mixture of an activated nitride-forming component with a main particle size of less than 5 microns and a diluent powder (silicon nitride) with an average size particles less than 1 μm distribution width of not more than 2 and in an amount of less than 25% of the total mass, which excludes local melts in the reaction zone during the SHS process.
Для обеспечения низкой себестоимости производства при проведении СВС-процесса в качестве исходного материала в предлагаемом способе необходимо использовать промышленно-выпускаемый ферросилиций с содержанием кремния 50÷95%. Сплавы, содержащие менее 50%, трудно измельчаются из-за высокого содержания железа. Сплав, содержащий более 95%, нецелесообразно использовать из-за высокой стоимости.To ensure low production costs during the SHS process, as the starting material in the proposed method, it is necessary to use industrially produced ferrosilicon with a silicon content of 50 ÷ 95%. Alloys containing less than 50% are difficult to grind due to the high iron content. An alloy containing more than 95% is impractical to use because of its high cost.
Подача струи в насыпной слой создает зону с интенсивным вихревым движением рабочего газа, который захватывает частицы, разгоняет до больших скоростей (в зависимости от размера частиц от нескольких метров в секунду до сотен) и обеспечивает тонкое диспергирование частиц до микронного и субмикронного уровня. При этом струйное самоизмельчение частиц исключает намол и появление дополнительных примесей.The flow of the jet into the bulk layer creates a zone with intense vortex movement of the working gas, which captures particles, accelerates to high speeds (depending on the particle size from several meters per second to hundreds) and provides fine dispersion of particles to micron and submicron levels. In this jet self-grinding particles eliminates grinding and the appearance of additional impurities.
Исходный крупный порошок после предварительного дробления состоит в основном из достаточно хрупких крупных агрегатов, частицы которого имеют большое количество слабых внутренних связей, и поэтому экономически целесообразно в начале дезагрегацию проводить при более низком рабочем давлении - порядка 4÷6 кг/см2, а потом - после снижения размера агрегатов до уровня 15÷20 мкм - их прочность существенно возрастает и необходимо усилить механизм самоистирания частиц, то есть увеличить давление до 6÷8 кг/см2, при этом расход рабочего газа может быть задан тем же самым или несколько увеличен (не более чем на 10÷45%), чтобы не изменить существенно режимы сепарации частиц. Таким образом, в начале крупные агрегаты разрушаются в основном при ударе об отбойную поверхность, а затем более трудные для разрушения - мелкие - при ударном взаимодействии в микровихрях, так как на встречных курсах относительная скорость частиц достигает сотен метров в секунду (порядка 500 м/с), что позволяет получать частицы ультрадисперсного уровня (<< 1 мкм).The initial coarse powder after preliminary crushing consists mainly of rather fragile large aggregates, the particles of which have a large number of weak internal bonds, and therefore it is economically feasible at the beginning to disaggregate at a lower working pressure - about 4 ÷ 6 kg / cm 2 , and then - after reducing the size of the aggregates to the level of 15 ÷ 20 microns - their strength increases significantly and it is necessary to strengthen the mechanism of self-abrasion of particles, that is, increase the pressure to 6 ÷ 8 kg / cm 2 , while the flow of working gas can be l is set by the same or slightly increased (by no more than 10–45%) so as not to significantly change the particle separation regimes. Thus, at the beginning, large aggregates are destroyed mainly when they hit a bump surface, and then smaller ones, which are more difficult to fracture, are small when impacted in microvortices, because in opposite directions the relative particle velocity reaches hundreds of meters per second (about 500 m / s ), which allows one to obtain particles of an ultrafine level (<< 1 μm).
Пылегазовый поток рециркулируют, запирая крупные (недоизмельченные) агрегаты частиц в рабочем объеме с помощью инерционной и воздушно-центробежной сепарации (используя, например, конический отражатель и классификатор с высокоскоростным лопаточным ротором), а мелкие (микронные и субмикронные) выделяют из потока на циклонном сепараторе и с помощью эжектирования возвращают в рабочий объем. Причем одновременно весь пылегазовый поток из диспергированных (дезагрегированных) частиц пропускают через область действия магнитного поля, где обеспечивают касательный контакт частиц с поверхностью магнита. В результате этого происходит выделение частиц железа на поверхность магнита. При этом во внутреннем объеме камеры измельчения происходит постоянная «бомбардировка» пылегазовым потоком налипшего на магнит слоя, в результате которой агрегаты частиц кристаллов нитрида кремния с частицами железа, как более слабо подверженные притяжению магнитного поля, сбиваются с поверхности магнита и возвращаются в зону измельчения. Подобные мелкие агрегаты, которые смогли пройти через воздушно-центробежную классификацию, улавливаются во внешнем контуре циклонным сепаратором и путем эжектирования снова возвращаются в рабочий объем на доизмельчение.The dust and gas stream is recirculated, locking large (underfinished) aggregates of particles in the working volume using inertial and air-centrifugal separation (using, for example, a conical reflector and a classifier with a high-speed blade rotor), and small ones (micron and submicron) are isolated from the stream on a cyclone separator and using ejection is returned to the working volume. Moreover, at the same time, the entire dust and gas stream from dispersed (disaggregated) particles is passed through the magnetic field, where they provide tangential contact of the particles with the surface of the magnet. As a result of this, iron particles are released on the surface of the magnet. In this case, a constant “bombardment” of the layer adhering to the magnet by a dust and gas stream occurs in the internal volume of the grinding chamber, as a result of which aggregates of particles of silicon nitride crystals with iron particles, which are more weakly susceptible to magnetic field attraction, are knocked off the magnet surface and returned to the grinding zone. Such small aggregates, which could pass through the air-centrifugal classification, are captured in the outer loop by a cyclone separator and are returned to the grinding volume again by ejection.
Контроль процесса магнитной сепарации осуществляется с помощью измерения напряжения, индуцируемого частицами железа, содержащимися в пылегазовом потоке, выходящем из насыпного слоя. Индуцированное напряжение пропорционально количеству (концентрации) частиц железа, поэтому из-за сильно выраженных магнитных свойств железа контроль процесса имеет высокую эффективность. После выхода измеряемых значений на заданный (минимальный) уровень процесс продолжают в течение не менее трех рециркуляции материала в рабочем объеме для того, чтобы максимально измельчить (дезагрегировать) очищенный от железа продукт. Затем эжектирование прекращают, а продукт классифицируют на фракции. Количество рециркуляции определяется требованиями к конечному гранулометрическому составу по размеру частиц, ширине распределения.The magnetic separation process is monitored by measuring the voltage induced by iron particles contained in the dust and gas stream leaving the bulk layer. The induced voltage is proportional to the number (concentration) of iron particles, therefore, due to the strongly expressed magnetic properties of iron, the process control is highly efficient. After the measured values reach the specified (minimum) level, the process is continued for at least three material recycling in the working volume in order to grind (disaggregate) the product purified from iron as much as possible. Then the ejection is stopped, and the product is classified into fractions. The amount of recirculation is determined by the requirements for the final particle size distribution according to particle size, distribution width.
Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
Фиг.1 - принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.Figure 1 - schematic diagram of a device that implements the proposed method.
Фиг.2 - фотография продукта СВС-процесса «Fe-Si-N».Figure 2 is a photograph of the product of the SHS process "Fe-Si-N".
Фиг.3 - анализы результатов рентгенографического исследования материала «Fe-Si-N»: исходного и после магнитной сепарации и воздушно-центробежной классификации.Figure 3 - analysis of the results of x-ray examination of the material "Fe-Si-N": the initial and after magnetic separation and air-centrifugal classification.
Фиг.4 - фотография фракции частиц, содержащих железо, выделенных на магните в процессе дезагрегации и магнитной сепарации продукта СВС-процесса в рабочем объеме установки.Figure 4 is a photograph of the fraction of particles containing iron, isolated on magnet in the process of disaggregation and magnetic separation of the product of the SHS process in the working volume of the installation.
Фиг.5 - фотография крупной фракции частиц, оставшихся в рабочем объеме установки после дезагрегации и магнитной сепарации продукта СВС-процесса.Figure 5 is a photograph of a large fraction of particles remaining in the working volume of the installation after disaggregation and magnetic separation of the product of the SHS process.
Фиг.6 - фотография средней фракции частиц, выделенных в циклонном сепараторе после дезагрегации и магнитной сепарации продукта СВС-процесса.6 is a photograph of the average fraction of particles isolated in a cyclone separator after disaggregation and magnetic separation of the product of the SHS process.
Фиг.7 - фотография частиц мелкой фракции, выделенных на фильтре тонкой очистки отработанного газа (воздуха).Fig. 7 is a photograph of the fine particles separated on the fine filter of exhaust gas (air).
Фиг.8-12 - гистограммы гранулометрического состава образцов «Fe-Si-N»: исходного порошка и крупной, средней и мелкой фракций.Figs. 8-12 are histograms of the particle size distribution of Fe-Si-N samples: initial powder and coarse, medium and fine fractions.
Устройство, реализующее заявленный способ, представлено на фиг.1.A device that implements the claimed method is presented in figure 1.
Устройство состоит из установленного вертикально цилиндроконического бункера 1, циркуляционной трубы 2, расположенной вдоль центральной оси бункера 1, сопла 3, расположенного в нижней конической части бункера 1 соосно с трубой 2, отражателя 4, лопаточного ротора для воздушно-центробежной классификации 5, установленного на электроприводе соосно бункеру 1, циклонного сепаратора 6, форбункер которого 8 снабжен эжектором 7, соединенным с рабочим объемом бункера 1, накопителей готового материала 9, рукавного фильтра 10 для тонкой очистки отработанного газа, пульта управления 11, магнитно-индуктивного датчика 12. Причем в цилиндрических частях бункера 1 и форбункера 8 установлены кольцевые зоны из магнитных элементов 13.The device consists of a vertically mounted cylindrical-
Способ осуществляют следующим образом. После проведения азотирования СВС-процессом шихты, полученной на основе ферросилиция, например «ФС-75», вышеуказанным способом и дробления спека «Fe-Si-N» порошок с размером частиц менее 1 мм загружают в бункер 1. Затем через сопло 3 в нижнюю часть насыпного слоя данного порошкового материала подают рабочий газ при давлении 4÷6 кг/см2, в результате чего частицы, захваченные струей после выхода из циркуляционной трубы 2, сталкиваются с отражателем 4 и частично разрушаются. Крупные частицы возвращаются в насыпной слой, а более мелкие поступают в зону воздушно-центробежной классификации лопаточного ротора 5. Отделенные на отражателе 4 и на лопаточном роторе 5 крупные частицы возвращаются на доизмельчение, а прошедшие через ротор классификатора 5 поступают на циклонный сепаратор 6. Выделенные на нем частицы поступают в форбункер 8, а затем сконцентрированный поток более крупных частиц с помощью эжектора 7 возвращают в бункер 1, а пылегазовый поток, содержащий ультрадисперсные частицы (субмикронные и наноразмерные), подается на рукавный фильтр 10. На пульте управления 11 устанавливается необходимая скорость вращения ротора классификатора 5, давление газа, подаваемого на измельчение в сопло 3, давление газа, подаваемого на подшипниковый узел ротора классификатора 5, давление газа, подаваемого в зону между вращающимся ротором классификатора 5 и поверхностью бункера 1, и давление газа, подаваемого на эжектор 7, а также контролируется изменение напряжения на датчике 12, индуцированного частицами железа в процессе магнитной сепарации.The method is as follows. After nitriding by the SHS process, a mixture obtained on the basis of ferrosilicon, for example, FS-75, by the above method and crushing the Fe-Si-N cake, a powder with a particle size of less than 1 mm is loaded into
Расход сжатого газа обусловлен рабочими характеристиками лопаточного ротора, необходимыми для обеспечения его оптимальной работы, и зависит от его размеров, скорости вращения и рабочей концентрации частиц в зоне классификации. При заданном давлении величина расхода рабочего газа определяется диаметром сопла 3. Степень разрушения частиц (скорость процесса) зависит от скорости их столкновения с поверхностью отражателя 4, которая определяется скоростью газа на выходе из циркуляционной трубы 2, то есть при выбранном расходе рабочего газа задается диаметром трубы 2. Для измельчения агрегатов частиц легкоразрушаемого спека (получаемого в СВ-синтезе из шихты, подготовленной по заявленному способу) с размером до 100 мкм достаточна скорость натекания газового потока на отражатель 4 порядка 20÷50 м/с.The consumption of compressed gas is determined by the operational characteristics of the blade rotor necessary to ensure its optimal operation, and depends on its size, rotation speed and working concentration of particles in the classification zone. At a given pressure, the flow rate of the working gas is determined by the diameter of the
Поскольку с уменьшением размера частиц-агрегатов до уровня 15÷20 мкм измельчение на отражателе 4 практически прекращается (хотя скорость ударного взаимодействия частиц в струе растет, но она не достаточна для эффективного разрушения агрегатов), то дальнейшую дезагрегацию осуществляют путем самоистирания частиц в сильно-турбулизированной - за счет повышения давления до 7÷8 кг/см2 - струе рабочего газа. Как сказано ранее, скорость ударного взаимодействия частиц при таком их размере составляет сотни метров в секунду.Since with a decrease in the particle size of aggregates to a level of 15–20 μm, grinding on
В верхней части бункера 1 над насыпным слоем пылегазовый поток за счет закрутки лопаточным ротором направляется на периферию и проходит касательно вдоль стенки бункера - в области действия магнитного поля, в результате чего частицы железа притягиваются к поверхности магнитных элементов 13, то есть удаляются из продукта. Аналогичная картина наблюдается в форбункере 8: частицы железа задерживаются на поверхности магнитных элементов 13, а оставшаяся часть материала, в том числе и не разрушенные мелкие агрегаты, с помощью эжектора 7 подается на доизмельчение в бункер 1.In the upper part of the
После достижения напряжения, измеряемого датчиком 12 заданного (минимального) уровня, процесс продолжают в течение не менее трех рециркуляций материала, находящегося в бункере 1, а затем отключают эжектор 7 и продукт окончательно классифицируют на фракции по размеру частиц. Количество рециркуляции определяется требованиями к продукту: средним размером частиц, шириной распределения.After reaching the voltage measured by the sensor 12 of a predetermined (minimum) level, the process is continued for at least three recirculations of the material in the
Время одной рециркуляции определяют следующим образом:The time of one recirculation is determined as follows:
t=Мзагр/Gмат=Мзагр/(µ×Gгаза) [час], гдеt = M zagr / G mat = M zagr / (µ × G gas ) [hour], where
Мзагр - масса насыпного слоя [кг];M zag - the mass of the bulk layer [kg];
Смат - расход материала через циркуляционную трубу [кг/ч];With mat - material consumption through the circulation pipe [kg / h];
Gгаза - расход сжатого газа через сопло [кг/ч];G gas - flow rate of compressed gas through the nozzle [kg / h];
µ=(d2 тр/d2 c)-1 - коэффициент эжекции;µ = (d 2 mp / d 2 c ) -1 is the ejection coefficient;
dтр, dc, - диаметры циркуляционной трубы 2 и сопла 3.d Tr , d c , - the diameters of the
Для дополнительного улучшения состава продукта по содержанию частиц железа, перед окончательной очисткой отработанного газа и сбором ультрадисперсной фракции можно использовать как дополнительный циклонный сепаратор 6, так и специальный узел 14, в котором: а) за счет конструкционных элементов типа хоникомба∗ течение потока проходит более ламинарно, б) за счет расширенного проходного сечения узла 14 уменьшается скорость потока и - в) за счет выполнения узла 14 в виде патрубка плоской формы максимально сближены полюса магнита. Все это увеличивает вероятность выделения из потока даже сверхмелких частиц железа, высокая «парусность» которых позволила пройти через предыдущие зоны магнитной сепарации.To further improve the composition of the product by the content of iron particles, before the final purification of the exhaust gas and the collection of the ultrafine fraction, you can use either an
Как видно из фотографии порошка (фиг.2) исходного продукта СВС-процесса «Fe-Si-N», практически все частицы являются агрегатами кристаллов нитрида кремния с включениями из расплавов железа.As can be seen from the photograph of the powder (figure 2) of the initial product of the SHS process "Fe-Si-N", almost all particles are aggregates of silicon nitride crystals with inclusions from iron melts.
Как видно из фотографии (фиг.4), доминирующая доля частиц, выделенных на магните в бункере 1 в процессе дезагрегации - это частицы железа, кроме незначительной части, которая содержит как железо, так и кристаллы нитрида кремния.As can be seen from the photograph (figure 4), the dominant fraction of particles separated on the magnet in the
Из фотографии частиц, оставшихся в бункере 1 (фиг.5) после дезагрегации и магнитной сепарации видно, что в основном все частицы - это чистые кристаллы Si3N4, хотя есть незначительное количество как крупных кристаллитов Si3N4 с включениями из частиц железа, так и частиц непрореагировавшего кремния.From the photograph of the particles remaining in hopper 1 (Fig. 5) after disaggregation and magnetic separation, it is seen that basically all the particles are pure Si 3 N 4 crystals, although there is an insignificant amount of large Si 3 N 4 crystallites with inclusions from iron particles , and particles of unreacted silicon.
На фотографиях частиц (фиг.6, 7), выделенных после дезагрегации и магнитной сепарации в циклонном сепараторе (средняя фракция), и на фильтре тонкой очистки отработанного газа (мелкая фракция) количество частиц железа еще существенно меньше.In the photographs of particles (FIGS. 6, 7) extracted after disaggregation and magnetic separation in a cyclone separator (middle fraction), and on a fine filter for exhaust gas (fine fraction), the number of iron particles is even less.
Для количественной оценки содержания железа на фиг.3 представлены анализы результатов рентгенографического исследования материала «Fe-Si-N», полученного СВС-процессом из ферросилиция марки «ФС-75» - (таблица 1), и его образцов после дезагрегации, магнитной сепарации и воздушно-центробежной классификации: крупная фракция (материал, оставшийся в рабочем корпусе) - таблица 2, средняя фракция (материал, выделенный в циклонном сепараторе) - таблица 3, тонкая фракция (материал, выделенный в фильтре) - таблица 4. Как показано в таблице 1, содержание железа в исходном (синтезированном) «Fe-Si-N» составляло 7,09%, а после дезагрегирования с магнитной сепарацией и последующей воздушно-центробежной классификацией (см. таблицы 2-4) составило соответственно: 3,7% в крупной фракции (массовая доля которой составила ~ 33%), 1,73% в циклонном сепараторе (массовая доля которой составляет ~ 62%) и 0,74% железа содержит материал, выделенный в фильтре (его массовая доля ~ 5%).To quantify the iron content in figure 3 presents the analysis of the results of x-ray examination of the material "Fe-Si-N" obtained by the SHS process from ferrosilicon grade "FS-75" - (table 1), and its samples after disaggregation, magnetic separation and air-centrifugal classification: coarse fraction (material remaining in the working case) - table 2, middle fraction (material recovered in the cyclone separator) - table 3, fine fraction (material recovered in the filter) - table 4. As shown in the table 1, iron content in the initial (synthesized) “Fe-Si-N” it was 7.09%, and after disaggregation with magnetic separation and subsequent air-centrifugal classification (see tables 2-4) it was respectively: 3.7% in large fraction (mass the fraction of which was ~ 33%), 1.73% in the cyclone separator (whose mass fraction is ~ 62%) and 0.74% of iron contains material separated in the filter (its mass fraction is ~ 5%).
Из представленных гистограмм (фиг.8-10) следует, что исходный порошок «Fe-Si-N» (фиг.8) и полученные из него после магнитной сепарации фракции нитрида кремния (фиг.9-11) существенно отличаются по размеру частиц (см., например, по параметру D(0,50), который характеризует средний размер частиц во фракции), что подтверждает эффективность данного способа также и для измельчения и выделения фракций получаемого нитрида кремния.From the presented histograms (Figs. 8-10) it follows that the initial Fe-Si-N powder (Fig. 8) and the fractions of silicon nitride obtained from it after magnetic separation (Figs. 9-11) differ significantly in particle size ( see, for example, by the parameter D (0.50), which characterizes the average particle size in a fraction), which confirms the effectiveness of this method also for grinding and separation of fractions of the obtained silicon nitride.
На фиг.10 показан гранулометрический состав порошка нитрида кремния, выделенного после окончания магнитной сепарации частиц железа в циклонном сепараторе при прекращении эжектирования и возврата материала после первой рециркуляции, а на фиг.11 - после третьей рециркуляции. Видно существенное улучшение как по среднему размеру частиц - D(0,50), так и по содержанию крупных - D(0,90), D(0,100).Figure 10 shows the particle size distribution of the silicon nitride powder separated after the magnetic separation of iron particles in the cyclone separator upon termination of ejection and return of the material after the first recirculation, and Fig. 11 after the third recirculation. A significant improvement is seen both in the average particle size - D (0.50), and in the content of large particles - D (0.90), D (0.100).
Наиболее удовлетворительное качество продукта, как по содержанию железа, так и дисперсному составу, имеет фракция выделяемая на фильтре тонкой очистки (см. фиг.12).The most satisfactory quality of the product, both in terms of iron content and dispersed composition, has a fraction allocated to the fine filter (see Fig. 12).
Таким образом, преимуществом данного способа является возможность получения порошка нитрида кремния с ультрадисперсным составом при сверхнизком содержании железа, при этом используя в качестве сырья не дорогостоящий чистый кремний, а производимый промышленностью ферросилиций. Совокупность нововведенных признаков позволила разрешить все имеющиеся проблемы, возникающие при производстве порошков нитридов кремния известными методами, создать безотходный, экономически эффективный, энергосберегающий и экологически чистый процесс получения ультрадисперсного нитрида кремния.Thus, the advantage of this method is the possibility of obtaining a silicon nitride powder with an ultrafine composition at an extremely low iron content, while using not expensive pure silicon as the raw material, but ferrosilicon produced by the industry. The combination of newly introduced features allowed us to solve all the problems encountered in the production of silicon nitride powders by known methods, to create a waste-free, cost-effective, energy-saving and environmentally friendly process for producing ultrafine silicon nitride.
∗Хоникомб - спрямляющая решетка (сотовый выпрямитель) для выравнивания поля скоростей течения газа в аэродинамической трубе или гидроканале.∗ Honicomb - a straightening grating (honeycomb rectifier) for leveling the field of gas flow velocities in a wind tunnel or hydrochannel.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИUSED SOURCES
1. Мержанов А.Г. В кн.: Твердопламенное горение, г. Черноголовка: изд-во ИСМАН, 2000, 224 с.1. Merzhanov A.G. In the book: Solid-flame combustion, Chernogolovka city: ISMAN publishing house, 2000, 224 pp.
2. Способ получения шихты для синтеза нитрида кремния, патент RU 2465197 С2 от 27.10.2012, МПК C01B 21/068, (прототип).2. A method of producing a mixture for the synthesis of silicon nitride, patent RU 2465197 C2 dated 10.27.2012, IPC C01B 21/068, (prototype).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013145336/04A RU2541058C1 (en) | 2013-10-09 | 2013-10-09 | Method of obtaining ultradisperse silicon nitride powder |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013145336/04A RU2541058C1 (en) | 2013-10-09 | 2013-10-09 | Method of obtaining ultradisperse silicon nitride powder |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2541058C1 true RU2541058C1 (en) | 2015-02-10 |
Family
ID=53287067
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013145336/04A RU2541058C1 (en) | 2013-10-09 | 2013-10-09 | Method of obtaining ultradisperse silicon nitride powder |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2541058C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2001877C1 (en) * | 1992-01-30 | 1993-10-30 | Малое предпри тие "ДЖИПЛА ЛИМИТЕД" | Method for production of nitrides |
RU2257338C1 (en) * | 2004-03-23 | 2005-07-27 | Томский научный центр СО РАН | Silicon nitride preparation process |
RU2465197C2 (en) * | 2010-10-21 | 2012-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное общество "МИПОР" | Method of obtaining charge material for synthesis of silicon nitride |
-
2013
- 2013-10-09 RU RU2013145336/04A patent/RU2541058C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2001877C1 (en) * | 1992-01-30 | 1993-10-30 | Малое предпри тие "ДЖИПЛА ЛИМИТЕД" | Method for production of nitrides |
RU2257338C1 (en) * | 2004-03-23 | 2005-07-27 | Томский научный центр СО РАН | Silicon nitride preparation process |
RU2465197C2 (en) * | 2010-10-21 | 2012-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное общество "МИПОР" | Method of obtaining charge material for synthesis of silicon nitride |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2618864C (en) | Method of processing nepheline syenite powder to produce an ultra-fine grain size product | |
US10065194B2 (en) | Ultrafine nepheline syenite | |
Palaniandy et al. | Mechanochemical effects on talc during fine grinding process in a jet mill | |
JP2013522455A (en) | Method for refining stainless steel slag and steel slag for metal recovery | |
Palaniandy et al. | Effect of operational parameters on the breakage mechanism of silica in a jet mill | |
JP2016517340A (en) | Method for producing morphologically optimized fine particles using jet mill, jet mill used in the method, and produced particles. | |
CN113382976B (en) | Ceramic particle mixture containing coal fly ash | |
CN109248778A (en) | Rectorite removal of impurities purification ore-dressing technique, ore-sorting system, rectorite concentrate and its application | |
CN106076562A (en) | Fluidized bed air flow crusher | |
RU2541058C1 (en) | Method of obtaining ultradisperse silicon nitride powder | |
US4793917A (en) | Centrifugal classifier for superfine powders | |
KR20010007869A (en) | dry refining method and process for grade-up of porcelain tone using serective grinding and gravity classification devices. | |
JP2008272688A (en) | Crushing method of ceramic raw material | |
RU2508947C1 (en) | Method of producing ultra disperse powders with narrow particle size distribution | |
RU2522674C1 (en) | Gas centrifugal classification and grinding of powders | |
RU2465197C2 (en) | Method of obtaining charge material for synthesis of silicon nitride | |
JPH05212307A (en) | Air jet type grinder | |
Cayirli et al. | The effect of stirred mill orientation on calcite grinding | |
US20100304952A1 (en) | Method of processing nepheline syenite | |
Taner et al. | Effect of operational parameters on the particle size distribution of marble wastes in stirred media mill | |
Bickert et al. | Grinding circuit for fine particles in liquid suspensions with a new counter-flow centrifugal classifier | |
RU2175579C2 (en) | Method of dry classification of powder material particles | |
KOTAKE et al. | Effects of Operational Conditions on Fine Grindability and Wear of Grinding Beads in Limestone Bead Milling | |
RU36267U1 (en) | Installation for grinding and sorting materials of increased hardness, for example, metallic chromium | |
Kayacı et al. | Comparison of Dry Grinding Technologies as a Reference of Ceramic Granule Technological Parameters |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181010 |