SE429644B - Forfarande for framstellning av kiselnitrid med hog halt alfa-fas - Google Patents

Description

10. _ 15. 20. 25. 30. 35. 8107732-3 ' """'2 ligt eller praktiskt/ekonomiskt acceptabelt. Det är således möjligt att undvika de lokala överhettningarna genom att upp- 'rätthålla en betryggande säkerhetsmarginal i fråga om tempe- raturen i reaktorn, vilket emellertid leder till en minskad produktionskapacitet. Det är också känt att avkänna tempera- turen i reaktorn och vid registrerade överhettningar sänka partialtrycket för kvävet. Detta sänker emellertid också reak- tionshastigheten i reaktorn och är dessutom en komplicerad reglermetod. Båda metoderna lider av svagheten att verka generellt _ sänknde på reaktionshastigheten i reaktorn då i stället en specifik verkan på områden med lokala överhettningar vore önskvärd.

Uppfinningen allmänt Föreliggande uppfinning har till huvudändamål att i en reaktor för framställning av kiselnitrid möjliggöra en sådan temperaturstyrning att såväl en hög produktionskapacitet som en hög produktkvalitet kan uppnås. Särskilt har uppfinningen till ändamål att motverka lokala överhettningar vid en hög reaktionstemperatur på reaktanterna. Ett ytterligare ändamål är att utföra temperaturregleringen så att uppkomna oönska- de temperaturstegringar snabbt motverkas. Ett ytterligare ändamål är att finna en enkel metod för denna temperatur- styrning.

Dessa ändamål uppnås på det sätt som framgår av bifoga- de patentkrav.

Genom att enligt uppfinningen kyla partikelbädden av kisel och kiselnitridpulver motverkas lokala överhettningar bättre än med andra metoder samtidigt som inverkan på medel- temperaturen och därmed produktionshastigheten inte blir så markerad. Då partikelmaterialet hålles i kontakt med kylande ytor eller med den kylda gasfasen kommer de områden som har en högre temperatur än genomsnittet att avge mer värme till de kalla delarna än övriga områden varigenom uppnås den av- sedda effekten med en mer koncentrerad verkan mot specifikt de lokala överhettningarna. överhettningarna utplånas dess- utom snabbt eftersom en aktiv kylning av dessa äger rum och inte endast nyproduktion av exoterm värme motverkas. Vid an- vändning av en kyld gas erhålles dessutom en utjämnande ver- kan på temperaturen genom gasens strömning relativt partik- larna samtidigt som gastemperaturen svarar snabbt på regler- 10. 15. 20. 25. 30- 35. 8107732-3 3 ändringar. Kylytor har en motsvarande utjämnande verkan ge- nom sin värmekapacitet och kan dessutom placeras där över- hettningar förväntas. På detta sätt erhålles med enkla medel en motverkan av lokala överhettningar utan att reaktionstem- . peraturen eller reaktionshastigheten allmänt behöver sänkas.

Detta möjliggör förbättrad och mer reproducerbar kvalitet på produkten vid oförändrad produktionshastighet och/eller höjd produktionskapacitet utan produktförsämring genom att en högre genomsnittstemperatur kan upprätthållas. I en gi- ven reaktorvolym möjliggöres också högre produktion genom att större eller tätare packade bäddar kan användas eller En jämn temperatur innebär också en mindre sintrad och därför mer lättkrossad produkt. Ytterligare effekter och fördelar kommer att fram- gå av den närmare beskrivningen nedan. 5 Detaljbeskrivning av uppfinningen Vid framställning av kiselnitrid föreligger kiselkompo- nenten i form av ett pulver med en partikelstorlek normalt understigande ca 50Jum och oftast liggande mellan 5 och 25jum.

Under reaktionen omvandlas först partiklarnas yta och sist de- ras kärna till kiselnitrid. I utjämnande syfte, och som grodd- bildare för alfa-nitrid, kan det emellertid vara lämpligt att från början inblanda alfa-kiselnitridpulver i kiselpulvret, varvid dessa partiklar lämpligen är något mindre än kiselpar- Mängden tillsats kan med att kvävgasens partialtryck kan höjas. tiklarna eller omkring l till 15 pm. sättet enligt uppfinningen hållas ganska liten, exempelvis mellan 5 och 50 viktprocent. Densiteten på pulverbädden är av betydelse för att maximalt utnyttja reaktorns kapacitet men får ej bli så hög att gasfasen inte kan tränga fram till alla delar av bädden. För en statisk bädd ligger således densite- 3 ten normalt i reaktorer av detta slag omkring 0,8 g/cm men kan med reglermetoden enligt uppfinningen ofta höjas, exempel- vis till mellan 1,0 och 1,5 g/cmš.

Kvävet tillföres i gasform och ren kvävgas kan användas.

Dock kan kvävets partialtryck med fördel reduceras under at- mosfärstryck för att inte en alltför hög reaktionshastighet, särskilt i början av reaktionen, skall erhållas. För att und- vika användning av undertryck bör då en annan gas såsom väte eller argon tillföras. Ett lämpligt partialtryck för kvävga- 10. 15» 20. 25. 30. 35. 8107732-3 i _ q sen vid huvuddelen av reaktionen ligger mellan 0,1 och 0,8 atm (l0 och 80 MPa) och företrädesvis mellan 0,3 och 0,6 atm (Ä0 och 60 MPa). Gasen bör lämpligen bringas att strömma re- lativt partiklarna eftersom en rent diffusionsstyrd process kan ge alltför låg produktionskapacitet vid större dimensioner.

Reaktionstemperaturen bestämmes av den mängd beta-fas- kristaller som kan accepteras. Lämpligen bör temperaturen hållas under ca 130000 då väsentligen ingen beta-fas bildas.

Temperaturen kan hållas högre om större mängder beta-fas kan tolereras men temperaturer över ca lÄ0O°C bör undvikas ef- tersom risk för smältning av kiselfasen då föreligger. Som nämnts kan den sista mängden kisel slutreageras vid tempe- raturer något över temperaturen under huvudreaktíonen efter- som kiselmaterialet i partiklarnas kärnor endast relativt långsamt omsättes och väsentligen då utan risk för överhett- ningar. Alternativt kan reaktionshastigheten i slutfasen . ökas genom en höjning av kvävets partialtryck.

Som nämnts skall partiklarna i högtemperaturzonen ky- las efter det att den exoterma bildningsreaktionen startats för att upprätthålla det önskade jämna temperaturtillståndet.

Denna kylning kan ske på olika sätt.i Särskilda kylda organ kan anordnas i anslutning till bädden, antingen i direkt kontakt med partiklarna för utnyttjande av värmeledning eller företrädesvis på något avstånd från partiklarna för förenkling och huvudsakligt utnyttjande av strålningskyl- ning. Denna princip har fördelen att de kylande organen med eventuellt inneslutet kylmedium representerar en värme- kapacitet som verkar utjämnande på temperaturskillnader. Om kylytorna placeras i bädden inne i högtemperaturzonen vinnes dessutom en konstruktivt enkel utformning och en möjlighet att placera kylytorna där överhettningar förväntas. I detta fall uppnås även en kylning av gasfasen. Kylelementen kan emellertid också placeras utanför högtemperaturzonen, var- vid partikelmassan transporteras ut ur denna, bringas i kontakt med kylytan och återföres till zonen. I detta fall vinnes att kylytorna kan utformas med mindre hänsyn till de besvärliga förhållandena i zonen, att själva zonen får en enklare konstruktiv utformning och att en viss blandnings- effekt kan erhållas vid pulvrets transport. 10. 15. 20. 25: 30. 35- 8107732-3 5 En annan möjlighet är att kyla gasen som passerar bäd- den. Gasen har normalt mindre värmekapacitet än kylytor och svarar mycket snabbt på reglerändringar. Metoden medger ock- så enkla konstruktiva lösningar och har fördelen att kyla likformigt i bädden. Gasen kan kylas i högtemperaturzonen fö- re kontakten med partiklarna eller mellan flera bäddavsnitt men företrädesvis kyles den utanför zonen innan den tillföres denna. För effektiv kylning bör gasen cirkuleras genom bädden i högre takt än vad som erfordras för reaktionen och lämpli- gen tillföres mellan 0,1 och 2,0 reaktionsekvivalenter (to- talt erforderlig kvävgasmängd för fullständig omsättning av kíselmängden) per timme och företrädesvis mellan 0,5 och 1,5 reaktionsekvivalenter per timme, g De ovan beskrivna kylmetoderna, vilka med fördel kan användas i kombination, är oftast tillräckliga för att upp- rätthålla det önskade temperaturmönstret. För att ytterli- gare reducera temperaturavvikelser kan metoderna kombineras med någon form av omblandning av bädden. Detta kan ske med mekaniska omrörare monterade i zonen, vilket relativt en- kelt kan ske med bibehållen liten volym hos zonen. En bland- ning kan också erhållas vid transport av pulvret exempelvis ovan. Det är också möjligt att genom att utforma zonen som en kan då ske med gasen, med en transport av partiklarna till till en yttre kylyta enligt röra om bädden med gasfasen fluidiserad bädd. Kylningen värmeväxlare i bädden eller en yttre värmeväxlare.

I de fall omrörning av bädden inte äger rum måste i stället en lämplig dimensionering av bädden företagas med hänsyn till kylningssättet för att inte alltför stora tem- peraturskillnader skall kunna uppträda. Då kylytor använ- des bör utformningen av bädden göras så att inget bäddav- snitt har större avstånd till en kylyta än 30 cm, företrä- desvis inte större avstånd än 20 cm och helst inte Större än 10 cm. I det aktuella temperaturområdet sker kylytornas vär- meupptagning huvudsakligen via strålning och kan därför ske över visst avstånd. Av praktiska och konstruktionsmässiga skäl bör avstânden mellan kylytorna vara minst l cm och helst minst 2 cm. Då en gas användes som kylmedium uppvärmes denna vid passage genom bädden och även i dessa fall måste således bäddens dimensioner i gasens strömningsriktning be- 10. 15. 20. 25. 50. 35- 8107732-3 6 gränsas och kan här tillåtas vara upp till 30 cm men före- träöesvis ej över l5 cm.

Kylmediet för kylning av ytorna respektive gasen måste tåla relativt höga temperaturer, särskilt som väsentliga temperaturgradienter på kylmediet ej bör föreligga, och vätskor kan därför normalt inte användas utan gaser före- drages. Särskilt gas av samma eller liknande sammansättning -som atmosfären i zonen kan med fördel användas.

Kyleffekten bör styras med ledning av faktiska tempera- turvärden uppmätta i bädden. Eftersom kylprincipen enligt uppfinningen effektivt verkar mot små lokala överhettning- ar är det oftast tillräckligt att reglera efter större zo- ner med temperaturavvikelser och öka kyleffekten för att re- ducera dessa avvikelser. Sådana större avvikelser kan upp- komma exempelvis mellan ytligt och centralt belägna delar av större bäddavsnitt eller mellan bädden närmast en kylyta och på största avstånd från kylytan. Praktiskt kan detta gö- ras så att ett termoelements båda lödställen placeras på det förväntade kalla respektive varma stället i bädden och att mängden kylmedium eller dess temperatur ändras tills den uppmätta temperaturskillnaden tillfredsställande utjämnats.

Kontinuerlig styrning av mängd eller temperatur på kylmediet kan användas men en on/off-reglering är i regel tillräcklig.

'Om bädden kan förväntas uppträda olika i olika större av- snitt kan givetvis fler givare anordnas och det är då lämp- ligt att även kylningen kan selektivt styras för de olika avsnitten. Flera givare kan också vara av värde för att få en så likformíg uppvärmning som möjligt av reaktorn vid igångkörning. i I konstruktivt avseende utformas reaktorn lämpligen som en ugn med ett yttre hölje, en innanför liggande isolering samt värmeelement innanför isoleringen för uppvärmning av ugnen vid igångkörning. Centralt anordnas pulverbädden, exempelvis i form av en ihålig cylinder. Om kylytor skall anordnas i bädden dras lämpligen värmeväxlarrör genom ugnens mantel och ledes genom bädden i tillräcklig omfattning för att uppfylla de ovan uppställda dimensioneringsvillkoren.

Kylytorna kan förses med flänsar eller färgas svarta för bäs-g ta_upptagning av strålningsenergil Gasen ledes lämpligen till 10. 15. 20. 25.

BO. 35. 8107732-3 1 cylinderns mitt, får passera cylindern radiellt och uppsam- las mellan ugnens mantel och isolering. Om kylningen sker endast med hjälp av gasen fordras inga ytterligare kylanord- ningar i bädden. Gasen och/eller kylmediet kyles lämpligen på ett styrbart sätt utanför ugnen. Delar utsatta för de hö- ga temperaturerna i processen kan utformas i molybden, gra- fit eller företrädesvis kiselnitrid.

Figurbeskrivning V Figuren visar ett snitt genom en föredragen anordning lämplig att använda vid sättet enligt uppfinningen.

Figuren visar en ugn med en mantel 1, innanför manteln anordnad isolering 2 och innanför isoleringen anordnade upp- cvärmningselement 3. Centralt i ugnen är en bädd Ä av kisel- nitrid och kisel anordnad i form av en cylinder med en cent- ral hålighet. I den centrala håligheten sker gastillförseln med hjälp av ett dubbelrör innefattande ett yttre perforerat rör 5 samt ett inre rör 6 med ett nedre utlopp anordnat vid botten av det yttre röret 5. Mellan ugnens mantel l och iso- leringen 2 är perforerade utsugningsrör 7 anordnade vilka är anslutna till en utsugningsfläkt 8. En kvävgasblandning till- föres ledningen 9, passerar kylaren 10 och fläkten ll varef- ter gasen tillföres det inre röret 6. En ledning 12 förbin- der utrymmet mellan rören 5 och 6 med huvudgasinloppet 9.

Ett huvudgasflöde genom bädden i ugnen erhålles med hjälp av fläkten 8, som skapar ett undertryck i ugnen varigenom gas sugs in genom ledningen 9 till det inre röret 6, passerar perforeringarna i det yttre röret 5, passerar bädden U och avlägsnas från ugnen via de perforerade rören 7. Pumpen ll skapar härutöver ett undertryck i ledningen 12 så att en an- del av gasen mellan rören 5 och 6 suges till huvudledningen 9 för förnyad passage genom kylaren 10 före återinträdet i det inre röret 6. Förhållandet mellan flödet i huvudgasström- men och återflödet i ledningen 12 kan regleras genom ändring av ventilen 13 som styres av reglerdonet 14 på grundval av temperaturdifferensen mellan punkterna A och B i bädden 4, vilken temperaturdifferens uppmätes med termoelementet l5.

Kyleffekten erhålles i detta exempel genom en kombina- tíonsverkan av kyld gas och kall yta genom att den kylda ga- 8107732-3 8 sen, som tillföras röret 6, sänker temperaturen på rören 5 och 6 så att dessa kan uppta strålníngsvärme från den omgi- vande bädden.

Claims (8)

10. 15. 20. 25. 30. . t e c k n a t 8107732-3 Patentkrav
1. l. Förfarande för framställning av kiselnitrid med hög halt alfa-fas genom upphettníng i en högtemperaturzon av ki- selpulver i närvaro av kväveínnehållande gas, k ä n n e - därav, att lokala överhettníngar av kisel- pulvret motverkas genom en reglerad kylning av pulvret med hjälp av fasta kylytor placerade i högtemperaturzonen på sådant sätt att inget kiselpulver har större avstånd till en kylyta än 30 cm och att avståndet mellan kylytorna är minst l om.
2. 2. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t därav, att kylning även sker genom att den kvåveinnehållande gasen kyles och cirkuleras genom kiselpulvret.
3. 3. Förfarande enligtkrav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att kylytan placeras i kontakt med kiselpulvret i högtemperaturzonen. .
4. H. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att kylytan placeras utan direkt kontakt med kisel- pulvret och att kylytan ges hög absorptionsförmåga för värme- strålning.
5. 5. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att inget kiselpulver har större avstånd till en kyl- yta än 20 cm. i
6. 6. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att avståndet mellan kylytorna är minst 2 cm.
7. 7. Förfarande enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t därav, att kiselpartiklarna om- blandas för utplånande av lokala överhettningar.
8. 8. Förfarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att omblandningen sker genom fluidisering av kisel- partiklarna i den kväveinnehållande gasen.