SE449221B - Forfarande for framstellning av kiselnitrid genom omsettning av kiseldioxid, kol och kveve vid en temperatur over 1300?59oc - Google Patents

Description

. 15. 20. 251 449 221p framgår av patentkraven.e _ _ Genom att enligt uppfinningen arbeta med övertryck av kvävgas vid reaktionen vinnes flera fördelar. Gränstem- peraruren, vid vilken kiselkarbia bi1aas_i stället för ki- selnítrid, höjs med ökande kvävgastryck vilket minskar kar- bidbildningen och möjliggör_användníng av högre reaktions- temperaturer. Reaktionshastigheten för de hastighetsbestäm- mande kvävereaktionernauökar-också. Detta ökar omsättníngs- hastigheten och därmed produktionen. En förbättrad värme-V överföring genom den högre gastätheten ökar omsättningshas- tigheten ytterligare. Vid reaktionen bildad kolmonoxid får ett mindre negativt inflytande på reaktionshastigheten vid högre kvävgastryck. Dessa förbättrade reaktionsbetingelser ökar inte endast produktionen utan även omsättningsgraden så att oxidinnehållet i produkten minskar. Vidare kan ett mindre kolöverskott användas; Reaktionen till kiselnitri- den sker över mellanprodnkter som gynnar bildning av alfa: -fas. Den normalt svârreagerade kiseldioxiden kan omsättas 'snabbare så att amørr kiseiaioxiavinue_nödvändiguvis bens- ver användas. Det är möjligt att driva reaktionen som en tvåstegsprocess där det första steget avser reduktion av en del av kiseldioxiaen till k¿rbia_med hjälp av kolet varefter i ett andra steg.kvävet tillsättes för bildning av niuriaen.

Genom att i denna process merparten av kolmonoxiden bildas under det första steget utspädes kvävgasen mindre av kolmon- oxid i det andra steget vilken fördel bättre tillvaratages _ vid högre kvävgastryckß 30. uYtterligare ändamål och fördelar med uppfinningen kom- mer att framgå av den närmare beskrivningen nedan. 7Deta1jsbeskrivninggav"uppfinningen ' Den i processen använda_kiselråvaran kan vara vilken som helst kiseldioxid;íKristallina kiseldiokider såsom kvarts ' kan användas liksom amorfa. Renhetsgraden bör väljas med hän- ' 35. syn till det tilltänkta användningsområdet för slutprodukten men normalt önskas en renhet överstigande 95 Procent och helst över 99 procent. Samma renhetskrav bör ställas på kol- råvaran. Molförhållandet mellan satsad mängd kol och satsad mängd kiseldioxíd bör_ligga mellan 1,9 och 10, företrädesvis mellan 1,95 och 3, särskilt mellan 1,95 och 2,2. m.

:Ci 10. 15. “2o. 25. 50. 35. 3 i 449i221 Eventuellt kan pulverbädden även innehålla andra kom- ponenter, exempelvis elementärt kisel för att höja kiselmon- oxidhalten under reaktionen eller för att kunna ersätta en del av kolmängden. Alfa-fas kiselnítridpulver i en mängd mel- lan 5 och 50 procent av bäddvikten kan också på normalt sätt >tillsättas för att upprätthålla en god porositct i bädden under reaktionen.

Partikelstorlekarna för de pulverformiga komponenter- na'i bädden bör hållas ünder ca 30 pm och helst mellan 0,1 och 10 pm. i Kvävet kan tillföras i form av ammoniak eller en bland- ning av kvävgas med ínertgas såsom väte eller argon men fö- reträdesvis användes ren kvävgas. Gasen tíllföres lämpligen pulverblandningen kontinuerligt genom genomspolning av reak- torn. Kvävgasen kan tillföras från början av reaktionen men, som ovan antytts, är det även möjligt att tillföra gasen först sedan en del av kiseldioxiden reagerat till karbid med en stökiometrisk mängd kol (3 mol kol per mol omsatt kisel- dioxid) varvid nitrering av bildad karbid och resterande ki- seldioxid äger rum. Partialtrycket av kväve bör, som nämnts, hållas över atmosfärstryck. För att uppnå väsentliga förbätt- ringar i de beskrivna avseendena bör partialtrycket emeller- tid nå11as över 5 bar. sarski1t förde1autigt är att upprätt- hålla ett partialtryck över 20 bar eftersom ända upp till- denna punkt varje ökning av trycket möjliggör en ökning av den använda reaktionstemperaturen med bibehållande av kisel- dioxiden i fast form och utan att gränskurvan för bildning av kiselkarbid överskrides. Fördelar i fråga om värmeöverfö- ring och-reaktionshastíghet kan uppnås även över 20 bar utan att temperaturen höjes men av praktiska skäl bör trycket hål- las under 200 bar och helst även under 50 bar. Med hänsyn till både tryck och temperaturkrav är det särskilt lämpligt att ligga mellan 10 och 30 bar.

Den möjliga reaktíonstemperaturen har tidigare begrän- sats av gränstemperaturen för bildning av kiselkarbid, som _vid.1 bar ligger vid ca 140000. Genom att höja kvävets par-e tialtryck enligt ovan höjes gränstemperaturen och därmed den möjliga reaktionstemperaturen. Lämpligen väljes reaktions- temperaturen över 90 % av gränstemperaturen i grader Celsius 10. 15. 20. 25.

BO. 449 221% vid det valda kvävetrycket; företrädesvis även över 95 % av denna gränstemperatur och helst så nära gränstemperaturen som möjligt. Smälttemperaturen för kiseldioxiden bör dock inte överskridas, vilken för kvarts ligger vid ca 172000' och motsvarande gränstemperatur vid ca 20 bar kvävgastryck.

Lämpliga temperaturvärden ligger därför mellan 1600 och l700°C och särskilt mellan 1650 och 170000; Temperaturangi- velserna gäller pulverbaddens temperatur i den mån tempera- turgradienter förekommer i reaktorn.

För reaktionen användes en övertrycksreaktor med möj- lighet till temperatur- och tryckövervakning och med organ för värmetillförsel, exempelvis organ för yttre värmning, induktionsuppvärmning, ljusbåge eller medel för förbränning.

Den erhållna produkten kan efterbehandlas för avlägs- nande av överskottskol, för avlägsnande av oxider eller and- ra föroreningar; Kraven på renhet bestämmes av den tilltänk- ta användningen. För sintringsändamål år det önskvärt med ett innehåll av alfa-kiselnitrid överstigande 90 viktpro- cent och helst överstigande 95 viktprocent samt med en för- oreningshalt understigande 5 och helst understigande 2 vikt- procent. Den beskrivna processen kan drivas så att dessa krav uppfylles utan efterföljande rening av produkten.

Fignrbeskrivning Figuren visar ett samband mellan gränstemperaturen för bildning av kiselkarbid som funktion av kvävetrycket. Gräns- temperaturen i grader Kelvin och grader Celsius är avsatt på den vertikala axeln och trycket i bar på den horisontella _axeln. Det framgår att_gränstemperaturen tillväxer snabbt med trycket och att tillväxten är mycket snabb upp till ca 10 bar. Gränstemperaturen vid 1 bar är ca lU07°C. I figuren har också inlagts en horisontell linje vid 172000 avseende smältpunkten för kvarts. I Z .

Vid tryck/temperaturkombinationer liggande över gräns- kurvan bildas kiselkarbid enligt sambandet: “2 sioz +g3 c > slíc + zoo Vid tryck/temperaturkombinationer under gränskurvan erhålles kiselnitrid enligt sambandet: V u; (v, 449 221 N 2 + ac + an? --2-->s si3nu + 6co 3 S10 Vid iförffarandet; enligt uppfinningen bör- således tryck- 'ø » och temperaturbetingelser väljas inom, området under gräns- temperaturkurvan varvid dock temperaturvärden över linjen vid kilseldioxidens smältpunkt skall undvikas. För-eträdesvís 5._ väljes också temperaturer överstigande gränstemperaturen vid flbar, Qï»

Claims (10)

10. 15. a* a449 221

1. 'Patentkrav' 1- Förfarande för framställning av kiselnitrid genom omsättning av kiseldioxid, kol oth kväve vid temperaturer* över ca 1300°C, 'k äln n e tee"c k n a-t _ därav, att ett partialtryck av kväve överstigande atmosfärstryck'upprättá hâlles under reaktionen ooh att temperaturen hâlles under gränstemperaturen för omvandling av kiselnitrid till kisel~ karbid vid det aktuella trycket.

2. K 2. Förfarande enligt krav 1 varvid omsättningen sker vid en temperatur över 1407°C. K

3. Förfarande-enligt krav 1, krä n n e tre c k n a t därav, att trycket överstiger 5 bar. K

4. Förfarande enligt krav 3, k ä n nde t e c k n a t därav, att trydket hållas över 20 bar.

5. Fdrfarande enligt krav 1,_k ä n n e t e c k n a t därav, att temperaturen hâlles under kiseldioxidens smält- *punkt. zo. 25. 30.

6. Förfarande: enligt krav '1, k ä n n e tue c k n a t därav, 'att temperaturen hålles strax 'under gränstempera~ turen. 1 _ _ _

7. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e"t e c k n a t därav, att molförhâllandet kiseldioxid till kol hâlles mellan 1,9:1 och 10:1 i reaktorn. I

8. Förtarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att moLförhâLlandet_hâlles mellan 1,9S;1 och 2,2:1. -

9.-Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att kvävgasen tillföras under- den senare delen av ,reaktionen. k

10. Éörfarande enligt krav 9, k ä nzn e t e c k n a t därav, att kvävgasen -tillföras efter det att len del av kiseldioxiden reagerat till kárbid med kol i molförhâllandet 3 mol per mol omsatt kiseldioxid. <1: '91