WO2023217706A1 - Siliciumcarbid-kies und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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WO2023217706A1
WO2023217706A1 PCT/EP2023/062135 EP2023062135W WO2023217706A1 WO 2023217706 A1 WO2023217706 A1 WO 2023217706A1 EP 2023062135 W EP2023062135 W EP 2023062135W WO 2023217706 A1 WO2023217706 A1 WO 2023217706A1
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WO
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sic
silicon carbide
particles
gravel
waste products
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Application number
PCT/EP2023/062135
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg ADLER
Axel Bales
Hans-Peter Martin
Jan Räthel
Matthias Hausmann
Jörg Deutmarg
Stefan Wild
Yvonne Wolff
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
ESK-SIC GmbH
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Publication date
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Publication of WO2023217706A1 publication Critical patent/WO2023217706A1/de

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/90—Carbides
    • C01B32/914—Carbides of single elements
    • C01B32/956—Silicon carbide

Definitions

  • the invention relates to the field of technical ceramics and relates to silicon carbide gravel, which can be used, for example, for refractory products, and a process for producing silicon carbide gravel, which can be used to produce different qualities and grain sizes of silicon carbide gravel.
  • Silicon carbide is a synthetic industrial mineral that is used in many industrial sectors because of its outstanding properties (hardness, high temperature properties, chemical resistance). Its use in the form of fractional fine powder grains (0.5 to approximately 250 pm) is of particular importance in microelectronics/photovoltaics (wafer saws), for the production of technical ceramics (mechanical seals, ballistic protective ceramics for military technology), and in automotive and environmental technology (diesel particle filters ), as an abrasive material for high-quality surface processing throughout mechanical engineering, and as a component in fireproof materials for the lining of waste incineration plants.
  • Raw SiC is produced via the electrosynthesis process that has been used for around 100 years, the so-called Acheson process (DE 76629 A, DE 85197 A), in which a carbothermal reduction of SiÜ2 (quartz sand) with carbon (usually petroleum coke) in one Electric furnace SiC is synthesized.
  • Acheson process DE 76629 A, DE 85197 A
  • SiÜ2 quartz sand
  • carbon usually petroleum coke
  • This process is clearly linked to the price of electricity and oil (petroleum coke as raw material) and also causes relatively high environmental costs (due to high dust, CO/CO2 and SO2 emissions).
  • the desired SiC powder grains are produced from the raw SiC by grinding, cleaning and fractionation.
  • the fractionation of the SiC powders is usually checked using a sieving process in accordance with FEPA standard 42-1:2006 or ISO 8486 and using test sieves.
  • the coarsest SiC powder grain currently available according to these standards is an F4 grain, also called macro grain, which has an average particle size of approximately 4.8 mm.
  • Coarser fractions of SiC powders are not available on the market. Numerous semi-finished and finished products are made from the raw SiC.
  • abrasion-resistant ceramic grinding balls and a process for their production based on SisN4 and SiC are known.
  • the grinding balls are, for example, formed from very fine SiC powder mixtures with grain sizes ⁇ 1 pm, produced by pressing or build-up granulation and then sintered into SiC ceramic. They have densities of 2.93-3.11 g/cm 3
  • these grinding balls have a high roundness of >0.95.
  • the roundness is defined and measured according to DIN-ISO 13322 parts 1 and 2.
  • SiC waste is created, such as so-called SiC sinter scrap or other manufacturing-related SiC waste.
  • SiC waste remains, such as grinding sludge or used kiln furniture, or used SiC diesel particle filters.
  • a method for recycling powdered silicon carbide waste products in which powdered SiC waste products that have at least 50% by mass of SiC and an average grain size dso between 0.5 to 500 pm Subjected to temperature treatment under vacuum or an oxygen-free atmosphere at temperatures of at least 2000 °C.
  • a method for separating impurities from silicon carbide in which powdery SiC waste products which have at least 50% by mass of SiC and an average grain size dso between 0.5 to 1000 pm, and subjected to a temperature treatment under vacuum or a non-oxidizing atmosphere at temperatures of 1400 - 2600 °C and cooled, subsequently treated mechanically and physically separated into two fractions, of which in one fraction the mass of impurities is at least a factor of 2 higher than in the other fraction.
  • the object of the present invention is to provide silicon carbide gravel in which the SiC particles have a high density, and further to provide a simple and cost-effective method for producing silicon carbide gravel.
  • the silicon carbide gravel according to the invention the particles of which consist of at least 85% by weight of silicon carbide from SiC waste products and a density of 2.89 to 3.20 g / cm 3 , a compressive strength of > 2500 MPa, a proportion of ⁇ 5 % of pores with an equivalent diameter of > 100 pm and a proportion of open porosity of ⁇ 10%, consists at least predominantly of particles with particle sizes of greater than or equal to 2 mm, and the particles have a mechanical stress with an energy input between 0.1 up to 5 MJ/kg produced irregular shape with a roundness of 0.5 to 0.8.
  • the SiC waste products are products from the Acheson process or SiC sinter scrap or manufacturing-related SiC waste from product production, the particles of which consist of at least 85% by mass of silicon carbide and have a density of 2.89 to 3. 20 g/cm 3 , a compressive strength of > 2500 MPa, a proportion of ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of > 100 pm and a proportion of open porosity of ⁇ 10%, the particles at least predominantly having particle sizes of greater than or equal to 2 mm and the particles are subjected to mechanical stress with an energy input between 0.1 and 5 MJ/kg have an irregular shape with a roundness of 0.5 to 0.8, products made from SSiC, LPS-SiC, SiSiC, RSiC, NSiC being advantageous as SiC waste products - and/or OBSiC ceramic and/or fiber composites made of C-SiC and/or SiC-SiC are present.
  • the silicon carbide gravel according to the invention consists of at least 90% by weight, advantageously 95% by weight, and even more advantageously 98% by weight of silicon carbide.
  • the particles of the silicon carbide gravel according to the invention have a density of 3.05 to 3.20 g/cm 3
  • the silicon carbide gravel according to the invention consists at least predominantly, advantageously at least 85%, more advantageously at least 95% of particles with a particle size of greater than or equal to 2 mm.
  • the particle sizes of the silicon carbide gravel according to the invention are between greater than or equal to 2 mm to 20 mm, or 5 mm to 63 mm.
  • the particle shapes of the silicon carbide gravel according to the invention which are realized after mechanical stress on the SiC waste products by applying a mechanical impulse, by mixing, grinding, more advantageously by oxyfuel grinding, or by using eddy currents and / or ultrasound, or by grinding, hammering, breaking or by means of electrical discharges or shock waves.
  • the silicon carbide gravel according to the invention has irregular, completely and/or partially sharp-edged and/or irregular, completely or partially rounded particle shapes.
  • SiC waste products are subjected to mechanical stress with a Energy input between 0.1 and 5 MJ/kg to SiC particles, which consist of at least 85% by mass of silicon carbide and a density of 2.89 to 3.20 g/cm 3 and a compressive strength of > 2500 MPa
  • SiC particles consist of at least 85% by mass of silicon carbide and a density of 2.89 to 3.20 g/cm 3 and a compressive strength of > 2500 MPa
  • a physical separation of the SiC particles into fractions is carried out at least after one or the last treatment under mechanical stress on the SiC particles.
  • SiC waste products are advantageously subjected to a temperature treatment under vacuum or a non-oxidizing atmosphere at temperatures of 1400 to 2600 ° C, subsequently subjected to treatment under mechanical stress and then to physical separation of the SiC particles into fractions.
  • SiC waste products with a density of 3.05 to 3.20 g/cm 3 are also advantageously used.
  • the mechanical stress on the SiC waste products is realized by applying a mechanical impulse, advantageously by mixing, grinding, even more advantageously by oxyfuel grinding, or by the use of eddy currents and / or ultrasound or by means of grinding, hammering, breaking or by means of electrical discharges or shock waves.
  • a temperature treatment is carried out at temperatures of at least 2000 ° C between 10 and 300 minutes.
  • the physical separation of the particles after the temperature treatment is carried out according to the particle size, the particle shape, the density and/or the physical and/or chemical surface properties of the particles.
  • the separation according to particle size and/or particle shape is carried out by sieving, sifting and/or cyclone processes, or the separation is carried out by the action of mass forces with regard to the particle density using flotation, sedimentation, sifting, centrifugation and/or cyclone processes , or the separation according to the density of the particles is carried out by flotation and/or cyclone processes.
  • the silicon carbide gravel according to the invention which is produced according to the invention, is used to produce SiC-containing ceramics, in particular refractory ceramics.
  • silicon carbide gravel consisting of particles that consist of at least 85% by mass of silicon carbide from SiC waste products and a density of 2.89 to 3.20 g/cm 3 , a compressive strength of > 2500 MPa, have a proportion of ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of >100 pm and a proportion of open porosity of ⁇ 10%.
  • Gravel is a name for a grain size and a loose sediment.
  • the grain size for gravel is specified according to DIN 4022 and DIN EN ISO 14668 with a grain diameter between 2 mm and 63 mm. A distinction is also made between coarse gravel with grain sizes of 20 - 63 mm, medium gravel with grain sizes of 6.3 to 20 mm and fine gravel with grain sizes of 2 to 6.3 mm (Wikipedia, keyword gravel).
  • silicon carbide gravel is intended to mean SiC particles with grain diameters of greater than or equal to 2 mm to 63 mm in terms of particle size.
  • the SiC particles according to the invention are irregularly shaped due to mechanical stress with an energy input between 0.1 and 5 MJ/kg, but predominantly have convex surfaces. With known grain shape analyzers, average roundnesses in the range from 0.5 to 0.8 are measured.
  • the grain size, grain shape and roundness are defined and measured in accordance with DIN-ISO 13322 parts 1 and 2.
  • the silicon carbide gravel according to the invention consists of particles with at least 85% by mass, advantageously 90% by mass, more advantageously 95% by mass, and even more advantageously 98% by mass of silicon carbide from SiC waste products.
  • the particles are made and consist of essentially silicon carbide of the silicon carbide gravel according to the invention from SiC waste products.
  • SiC waste products are to be understood as meaning SiC products that are created in the production of the raw SiC or come from semi-finished and finished products made of SiC, which were originally made from raw SiC and sintered and processed into shaped bodies.
  • SiC waste products used according to the invention are products that arise as waste in the production of SiC semi-finished products and finished products from SiC if the material has cracks, deformations or poor dimensional accuracy or other errors and is sorted out as scrap, and then so-called SiC is sintered scrap. But even after the products have been used and after their operating time has expired or after the products have failed or been destroyed, there is still SiC waste, such as used kiln furniture or used SiC diesel particle filters.
  • SiC waste products should always be understood to mean lumpy SiC waste products that are processed to the desired particle size for SiC gravel, advantageously comminuted by mechanical stress.
  • the SiC waste products according to the invention do not concern those SiC waste products which require grain growth to coarsen the particle size of the SiC waste products in order to achieve the particle size desired for SiC gravel. This applies, for example, to SiC waste products with particle sizes of less than 2 mm, such as SiC powder, SiC grinding sludge or SiC dust.
  • SiC waste products can be used according to the invention as SiC waste products.
  • the particles of silicon carbide gravel have a density of 2.89 to 3.20 g/cm 3 .
  • the particles of the silicon carbide gravel according to the invention advantageously have a density of 3.05 to 3.20 g/cm 3 , measured using pycnometric methods.
  • the SiC particles of silicon carbide gravel according to the invention have a very high compressive strength of >2500 MPa due to the very low content of ⁇ 5% of coarse pores with an equivalent diameter of >100 pm, which is the crushed raw SiC from the Acheson process not reached.
  • the determination of grain size and grain shape can be carried out in accordance with DIN-ISO 13322 parts 1 and 2 (static and dynamic analysis).
  • the grain strength can be determined using the method according to ASTM D5731 -16 (Standard Test Method for Determination of the Point Load Strength Index of Rock and Application to Rock Strength Classifications) or the analogous methodology according to “ISRM - International Society for Rock Mechanics 2007. Rock characterization testing & monitoring - ISRM suggested methods. Ed. E. T. Brown, Pergamon Press, London, 211 p.” measured according to the test specimen shape/dimension d) “irregular lump”.
  • the reference to the breaking force is made by determining an equivalent diameter.
  • the strength is size-normalized according to the aforementioned methods and given as the “point load strength index” ls(50) in MPa.
  • a compressive strength o c in MPa can be calculated.
  • the compressive strength of the particles of the SiC gravel according to the invention determined in this way is >2500 MPa, while coarse SiC particles broken from Acheson raw material have compressive strengths of significantly less than 1000 MPa due to their high fissures and porosity.
  • SiC ceramic bodies such as grinding balls, which are specifically manufactured using a ceramic manufacturing process from special powders, do not achieve the required packing density of the SiC particles and are not used due to the high price resulting from the complex production.
  • the SiC particles according to the invention have only very few large pores with an equivalent diameter of >100 pm. These pores are irregularly shaped cavities in the structure and are determined by image analysis using polished sections. The equivalent diameter of the same area is determined here as the size indication. The amount of such pores is stated in percent according to the area fraction determined by image analysis, which can be stated as a volume fraction in percent using stereological laws. It is also possible, albeit more complex, to take so-called micro-X-ray computer tomographic images of the gravel particles and to determine the size and volume fraction of the large pores with an equivalent diameter of > 100 pm.
  • the particles of the gravels according to the invention have a very low open porosity of ⁇ 10%.
  • these pores include all pores, cavities and cracks in the SiC particles that are accessible from the surface.
  • the measurement of open porosity is known to be carried out by liquid or gas pycnometry or mercury porosimetry.
  • the SiC waste products according to the invention can advantageously be products made from SSiC, LPS-SiC, SiSiC, RSiC, NSiC and/or OBSiC ceramics and/or fiber composites made from C-SiC and/or SiC-SiC.
  • the abbreviations and names listed for the various SiC ceramics are familiar to those skilled in the art and can be found, for example, in the Technical Ceramics Brevier (Technical Ceramics Brevier: Published by the Association of the Ceramic Industry, 4th edition 2004, ISBN: 9783924158361).
  • Waste from mineral concrete containing high SiC also known as mineral casting, can also be advantageous SiC waste products.
  • SiC mineral concretes consist of SiC particles in a polymer matrix, mostly made of polyester resins.
  • silicon carbide gravel according to the invention For LPS-SiC waste products, no additives need to be added in the production of silicon carbide gravel according to the invention and silicon carbide gravel with particle sizes greater than or equal to 2 mm with a high purity > 90% and with a freedom from pores of almost 100% is achieved.
  • the free Si content is determined quantitatively using known methods and an appropriate amount of carbon-containing additives is added to the waste products in order to achieve a stoichiometric conversion of the Si+C to SiC.
  • the optimal amount can be determined by a specialist through simple series of tests. It is made with a silicon carbide gravel Particle sizes greater than or equal to 2 mm of high purity > 98% and with a content of ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of > 100 pm are achieved.
  • RSiC waste products 2 - 20% of fine SiC powder with a grain size of 0.2-10 pm is added and a silicon carbide gravel with particle sizes greater than or equal to 2 mm of high purity > 99% with a content of ⁇ 5% is added Pores with an equivalent diameter of > 100 pm are achieved.
  • the open porosity of the RSiC particles is closed during the thermal treatment.
  • the optimal amount and particle size of the added fine SiC particles can be determined by a person skilled in the art through simple series of tests until an amount of open porosity ⁇ 10% has been achieved.
  • the oxide content is primarily determined and an appropriate amount of carbon-containing additives is added in order to achieve a reduction of the oxides.
  • the optimal amount can be determined by a specialist through simple series of tests. A silicon carbide gravel with particle sizes greater than or equal to 2 mm with a SiC content > 85% with a content ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of > 100 pm is achieved.
  • the oxide content is primarily determined and an appropriate amount of carbon-containing additives is added in order to achieve a reduction of the oxides.
  • the optimal amount can be determined by a specialist through simple series of tests.
  • a silicon carbide gravel with particle sizes greater than or equal to 2 mm of high purity > 85% with a content of ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of > 100 pm is achieved.
  • C-SiC waste products i.e. waste from carbon fiber-reinforced SiC composites, such as short or long fiber reinforced materials, or composites produced via siliconization or precursor infiltration
  • the free Si and C components must be analyzed during the production of the silicon carbide gravel according to the invention and an appropriate amount of Si or C additives can be used to produce a stoichiometric composition.
  • Si additives usually have to be added in order to convert the excess carbon into SiC. The addition takes place in the required amount that is necessary to achieve a stoichiometric composition of the SiC.
  • the optimal amount can be determined by a person skilled in the art through simple series of tests and silicon carbide gravel with particle sizes greater than or equal to 2 mm of high purity > 95% with a content of ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of > 100 pm is achieved.
  • SiC-SiC waste products i.e. waste from silicon carbide fiber-reinforced SiC composites
  • 2-20% of fine SiC powders with a grain size of 0.5-5 pm are added and a silicon carbide gravel with particle sizes greater than or equal to 2 is created mm of high purity > 99% with a content of ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of > 100 pm.
  • the optimal amount and particle size of the fine SiC particles added can be determined by a person skilled in the art through simple series of tests until an amount of open Porosity ⁇ 10% has been achieved.
  • a temperature treatment is first carried out at 600-1000 ° C in the absence of air (pyrolysis) and then the carbon content is determined quantitatively using known methods and an appropriate amount of silicon-containing additives is added to the waste products in order to achieve a stoichiometric conversion of the Si +C to SiC.
  • the optimal amount can be determined by a specialist through simple series of tests.
  • a silicon carbide gravel with particle sizes greater than or equal to 2 mm with a high purity of >98% and a content of ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of >100 pm is achieved.
  • Mixtures of the waste products mentioned can also be used very advantageously, especially if this allows the type and amount of additives required to be reduced.
  • the components are then mixed according to the analyzed free Si and C contents in order to add as few or no additional C or Si-containing additives as possible.
  • a silicon carbide gravel with particle sizes greater than or equal to 2 mm with a purity of > 85% SiC and a content of ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of > 100 pm is achieved.
  • the SiC waste products have been subjected to mechanical stress with an energy input between 0.1 and 5 MJ/kg and then at least predominantly have particle sizes of greater than or equal to 2 mm and an irregular shape generated by mechanical stress have a roundness of 0.5 to 0.8.
  • the mechanical stress can take place either before the thermal treatment, or after the thermal treatment, or before and after the thermal treatment.
  • the particles of the silicon carbide gravel according to the invention have no or ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of greater than 100 ⁇ m.
  • SiC is present, which, due to its starting materials as SiC waste products and due to the mechanical stress, is present in a macrograin of particles with particle sizes of greater than or equal to 2 mm, which do not have the disadvantages of the macrograin made of raw SiC.
  • the silicon carbide gravel according to the invention consists at least predominantly, advantageously at least 85%, more advantageously at least 95% of particles with a particle size of greater than or equal to 2 mm.
  • the silicon carbide gravel according to the invention is advantageously present with particle sizes between greater than or equal to 2 mm to 20 mm, or 5 mm to 63 mm.
  • the silicon carbide gravel according to the invention also differs from silicon carbide products with dimensions greater than or equal to 2 mm in that the silicon carbide gravel according to the invention consists of particles which have an irregular shape caused by mechanical stress.
  • the irregular shape produced with a roundness of 0.5 to 0.8 of the silicon carbide gravel according to the invention is after mechanical stress on the SiC waste products with an energy input between 0.1 and 5 MJ/kg by applying a mechanical impulse, advantageously this is by mixing, grinding, even more advantageously by oxyfuel grinding, or by the use of eddy currents and / or by ultrasound, or by grinding, hammering, breaking or by means of electrical discharges or shock waves, for Example by means of electric pulse fragmentation or pulsed power processing.
  • the particles can advantageously be in the form of irregular, completely and/or partially sharp-edged and/or irregular, completely or partially rounded shapes.
  • the irregularity according to the invention relates to SiC particles that are irregularly shaped and have a roundness of 0.5 to 0.8.
  • the irregularity refers to the shape, which according to the invention should not correspond to any geometric shape, such as spheres, cylinders, cubes, cuboids, pyramids, cones, pyramids or truncated cones.
  • the silicon carbide gravel according to the invention only has a low content of impurities, since the starting materials, the SiC waste products, basically have a high purity of SiC. Any impurities still present, especially metallic impurities, or impurities introduced by mechanical stress, can also be reduced or eliminated after using known methods for removing impurities.
  • SiC waste products are converted into SiC particles by means of mechanical stress, which consist of at least 85% by weight of silicon carbide and have a density of 2.89 to 3.20 g/cm 3 Compressive strength of > 2500 MPa, a proportion of ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of > 100 pm and a proportion of open porosity of ⁇ 10%, processed with particle sizes of greater than or equal to 2 mm and an irregular shape, with before and / or After the mechanical stress, a physical separation into different particle fractions can take place.
  • mechanical stress consist of at least 85% by weight of silicon carbide and have a density of 2.89 to 3.20 g/cm 3 Compressive strength of > 2500 MPa, a proportion of ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of > 100 pm and a proportion of open porosity of ⁇ 10%, processed with particle sizes of greater than or equal to 2 mm and an irregular shape, with before and / or After the mechanical stress, a physical separation into different particle fractions can take place.
  • silicon carbide gravel is produced by SiC waste products before and/or after a temperature treatment under vacuum or non-oxidizing atmosphere at temperatures of 1400 to 2600 ° C by means of mechanical stress to SiC particles, which are at least 85% by mass. consist of silicon carbide and have a density of 2.89 to 3.20 g/cm 3 , a compressive strength of > 2500 MPa, a proportion of ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of > 100 pm and a proportion of open porosity of ⁇ 10% and are processed with particle sizes greater than or equal to 2 mm and an irregular shape.
  • This alternative process can also be used to physically separate the particles into different particle fractions both before and after mechanical stress.
  • a further alternative method according to the invention for the production of silicon carbide gravel is that SiC waste products before and/or after a temperature treatment under vacuum or a non-oxidizing atmosphere at temperatures of 1400 to 2600 ° C by means of mechanical stress to form SiC particles that have at least 85 % by mass of silicon carbide and a density of 2.89 to 3.20 g/cm 3 , a compressive strength of > 2500 MPa, a proportion of ⁇ 5% of pores with an equivalent diameter of > 100 pm and a proportion of open porosity of ⁇ 10%, and are processed with particle sizes of greater than or equal to 2 mm and an irregular shape, whereby these particles can subsequently be treated mechanically again, and during or after this are physically separated into two fractions, one of which contains the mass Impurities are at least a factor of 2 higher than in the other fraction.
  • physical separation into different particle fractions can take place both before and after the mechanical stress(es).
  • SiC waste products with a density of 3.05 to 3.20 g/cm 3 are advantageously used.
  • the mechanical stress on the SiC waste products with an energy input between 0.1 and 5 MJ / kg is advantageously realized by applying a mechanical impulse, more advantageously by mixing, grinding, such as by oxyfuel grinding, or more advantageously through the use of eddy currents and/or ultrasound or by means of grinding, hammering, breaking or by means of electrical discharges and shock waves.
  • SiC particles with particle sizes between greater than or equal to 2 mm to 20 mm or 5 mm to 63 mm are advantageously produced in all cases.
  • this is advantageously carried out at temperatures between 2000 ° C and 2600 ° C, more advantageously at temperatures of at least 2000 ° C between 10 and 300 minutes.
  • the temperature treatment is also advantageously carried out under an argon or nitrogen atmosphere.
  • silicon or silicon dioxide powder and carbon powder can be added to the particles from the SiC-Abfa II products, whereby an increase in the SiC content in the silicon carbide gravel according to the invention can be achieved.
  • SiC powders with smaller particle sizes can also be added during the temperature treatment, which can then lead to a significant reduction in pores in the SiC powders from the SiC waste products.
  • This is particularly advantageous for raw SiC waste from the Acheson process. It is possible to make very highly porous SiC powders with particle sizes of > 2 mm from raw SiC from the Acheson process with a low SiC content and/or poorly crystallized SiC (so-called beta-SiC) by adding finer SiC powders and the other additives during the temperature treatment to achieve a significant reduction in the coarse pores. As a result, these silicon carbide gravel particles have a high SiC content and good crystallization from so-called alpha-SiC. If, after a temperature treatment according to the invention, a physical separation of the particles according to the invention is carried out, this can advantageously be carried out according to the particle size, the particle shape, the density and/or the physical and/or chemical surface properties of the particles.
  • a physical separation according to the invention of the particles into fractions is carried out, this separation advantageously according to the particle size and/or Particle shape is carried out by sieving, sifting and / or cyclone processes, or the separation by the action of mass forces with regard to the particle density using flotation, sedimentation, sifting, centrifugation and / or cyclone processes, or the separation according to the density of the particles by flotation and / or cyclone processes is carried out.
  • the SiC powder is separated according to the invention into at least two fractions, whereby if the SiC waste products have been treated under mechanical stress before physical separation, a separation takes place into at least two fractions, of which in one fraction the mass of impurities is at least a factor of 2 higher than in the other fraction.
  • Si and/or C The removal of impurities in the form of Si and/or C is realized by the temperature treatment, since carbon, advantageously soot, graphite and/or coke powder, and/or silicon and/or silicon dioxide (SiC>2), which are produced during SiC production can be added, then further converted to SiC and even added in order to achieve the most stoichiometric composition possible.
  • AI and B are not considered impurities in the production of raw SiC and also in the production of silicon carbide gravel according to the invention, since they are incorporated into the SiC lattice as doping elements and are not disruptive for most SiC applications.
  • the impurities for example C-free, Si-free, SiÜ2 and iron, as well as the SiC content are determined using known analysis methods, for example according to DIN EN ISO 9286: 2021-10, DIN EN ISO 21068 Parts 1-3. Spectroscopic methods are also used to analyze impurities, including DIN EN 15991.
  • the individual particles in this fraction have SiC contents of 99.5% by mass and have a density of 3.10 g/cm 3 , a compressive strength of 3200 MPa, and a proportion of ⁇ 0.1% of pores with an equivalent diameter of > 100 pm and an open porosity proportion of 0.1%.
  • the irregularly shaped particles have an average roundness of 0.6.
  • the mixed material is then treated under vacuum at 2200 °C for 300 minutes.
  • the SiC particles Due to the partial sintering, the SiC particles are separated by pneumatic energy input of 1 MJ/kg in an oxyfuel mill and then fractionated using sifting. Irregularly shaped particles with sharp and partially rounded edges with a particle size of 2 - 5 mm are obtained with a yield of 90%.
  • the SiC particles resulting from the process have a SiC content of > 98% by mass and a density of 3.02 g/cm 3 , a compressive strength of 2850 MPa, a proportion of 2.3% pores with an equivalent diameter of > 100 pm and a proportion of open porosity of 3%.
  • the irregularly shaped particles have an average roundness of 0.7.
  • the particles are separated by pneumatic energy input of 2MJ/kg in oxyfuel mills. During the subsequent wind sifting, impurities accumulate in a fine fraction ⁇ 500 pm. This fine fraction then contains Fe and Si impurities »5% by mass.
  • the coarse fraction with particle sizes of 4 mm with a yield >95% has a SiC content of 98% by mass.
  • the resulting irregularly shaped particles have sharp and partially rounded edges and a roundness of 0.75.
  • the partially sintered particles resulting from the process have a SiC content of 98% by mass and a density of 2.95 g/cm 3 , a compressive strength of 2600 MPa, and a proportion of 4% pores with an equivalent diameter of > 100 pm and a proportion of open porosity of 3%.

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Abstract

Siliciumcarbid-Kies und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technischen Keramik und betrifft Siliciumcarbid-Kies, welcher beispielsweise für Feuerfestprodukte eingesetzt werden kann, und ein Verfahren, welches zur Herstellung von verschiedenen Qualitäten und Körnungen von Siliciumcarbid-Kies eingesetzt werden kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Siliciumcarbid-Kies anzugeben, bei dem die SiC-Partikel eine hohe Dichte aufweisen. Die Aufgabe wird gelöst durch Siliciumcarbid-Kies, dessen Partikel zu mindestens 85 Ma.-% aus Siliciumcarbid aus SiC-Abfallprodukten bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 µm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, wobei der Siliciumcarbid-Kies mindestens überwiegend aus Partikeln mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm besteht und die Partikel eine durch eine mechanische Beanspruchung erzeugte unregelmäßige Form aufweisen.

Description

Siliciumcarbid-Kies und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technischen Keramik und betrifft Siliciumcarbid-Kies, welcher beispielsweise für Feuerfestprodukte eingesetzt werden kann, und ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Kies, welches zur Herstellung von verschiedenen Qualitäten und Körnungen von Siliciumcarbid-Kies eingesetzt werden kann.
Siliciumcarbid (SiC) ist ein synthetisches Industriemineral, das wegen seiner herausragenden Eigenschaften (Härte, Hochtemperatureigenschaften, chemische Beständigkeit) in vielen Industriebranchen eingesetzt wird. Von besonderer Bedeutung ist sein Einsatz in Form von fraktionierten Feinstpulverkörnungen (0,5 bis circa 250 pm) in der Mikroelektronik/Photovoltaik (Wafersägen), zur Herstellung von Technischer Keramik (Gleitringdichtungen, ballistische Schutzkeramik für die Militärtechnik), der Automobil-ZUmwelttechnik (Dieselpartikelfilter), als Abrasivwerkstoff für hochwertige Oberflächenbearbeitung im gesamten Maschinenbau, sowie als Bestandteil in feuerfesten Werkstoffen für die Auskleidung von Müllverbrennungsanlagen. Die Roh-SiC-Erzeugung erfolgt über den seit circa 100 Jahren angewendeten Elektrosyntheseprozess, den sogenannten Acheson-Prozess (DE 76629 A, DE 85197 A), bei dem mittels einer carbothermischen Reduktion von SiÜ2 (Quarzsand) mit Kohlenstoff (meist Petrolkoks) in einem Elektroofen SiC synthetisiert wird. Dieses Verfahren ist deutlich an den Strom- und Ölpreis (Rohstoff Petrolkoks) gebunden und verursacht auch relativ hohe Umweltkosten (wegen hoher Staub-, CO/CO2- und SO2-Emissionen).
Alternative Herstellungsverfahren sind trotz vieler Versuche zumeist aus wirtschaftlichen Gründen nicht erfolgreich gewesen und stehen auch in absehbarer Zeit nicht zur Verfügung.
Die gewünschten SiC-Pulverkörnungen werden nach der SiC-Herstellung aus dem Roh-SiC durch Mahlung, Reinigung und Fraktionierung hergestellt.
Eine Bedarfssteigerung bei den Körnungen erfordert somit derzeit immer eine Roh- SiC-Produktionssteigerung, was zu einer weiteren Erhöhung der Roh-Kapazität führt und damit zu struktureller Knappheit und Preisinelastizität.
Obwohl SiC als ein weltweit verfügbarer Massenrohstoff gilt, sind bei den strategisch wichtigen hochqualitativen Körnungen (HQ) schon seit Jahren Engpässe und Preissteigerungen zu verzeichnen. Ein noch größeres Problem der Spezialkömungen ist aber, dass in den High-Tech-Anwendungen große Mengen einzelner Korngrößenbänder benötigt werden. Beides führt aufgrund der oben angeführten Zusammenhänge der Preisinelastizität zu Preisaufschlägen und Versorgungsengpässen für diese Spezialkömungen.
Die Fraktionierung der SiC-Pulver, insbesondere der F4- bis F220-Körnungen, wird üblicherweise mittels Siebverfahren gemäß dem FEPA-Standard 42-1 :2006 oder ISO 8486 und mittels Prüfsieben überprüft. Die derzeit gemäß diesen Standards verfügbare gröbste SiC-Pulverkörnung ist eine F4-Körnung, die auch Makrokörnung genannt wird, die eine mittlere Partikelgröße von ca. 4,8 mm aufweist.
Gröbere Fraktionen von SiC-Pulvern sind auf dem Markt nicht verfügbar. Aus dem Roh-SiC werden zahlreiche Halbzeuge und Fertigprodukte hergestellt.
Bekannt sind gemäß DD 300 288 A7 abriebfeste keramische Mahlkugeln und ein Verfahren zu ihrer Herstellung auf der Werkstoffbasis SisN4 und SiC. Die Mahlkugeln werden beispielsweise aus sehr feinen SiC-Pulvergemischen mit Korngrößen < 1 pm geformt, durch Pressen oder Aufbaugranulation hergestellt und danach zu SiC- Keramik gesintert. Sie besitzen Dichten von 2,93-3,11 g/cm3
Diese Mahlkugeln besitzen bestimmungsgemäß eine hohe Rundheit von >0,95. Die Rundheit wird gemäß DIN-ISO 13322 Teil 1 und 2 definiert und gemessen.
Bei der Herstellung von SiC-Produkten entsteht verschiedener Abfall an SiC, wie sogenannter SiC-Sinterschrott oder anderer herstellungsbedingter SiC-Abfall.
Aber auch nach der Anwendung der Produkte und Ablauf ihrer Betriebszeit oder nach Versagen der Produkte liegen SiC-Abfälle, wie z.B. Schleifschlämme oder benutzte Brennhilfsmittel, oder benutzte SiC-Dieselpartikelfilter vor.
Zum Recycling von SiC-Produkten sind bereits verschiedene Verfahren bekannt.
Gemäß der DE 10 2013 218 450 A1 ist ein Verfahren zum Recycling von pulverförmigen Siliciumcarbid-Abfallprodukten bekannt, bei dem pulverförmige SiC- Abfallprodukte, die mindestens 50 Ma.-% SiC und eine mittlere Korngrößen dso zwischen 0,5 bis 500 pm aufweisen, einer Temperaturbehandlung unter Vakuum oder sauerstofffreier Atmosphäre bei Temperaturen von mindestens 2000 °C unterzogen werden.
Dadurch vergröbern sich die SiC-Partikel wieder auf wenige mm und sind somit wieder für eine Reihe von Anwendungen einsetzbar, in denen sie sonst aufgrund von zu geringer Partikelgröße nicht einsetzbar waren.
Weiterhin ist gemäß der DE 10 2020 102 512.2 A1 ein Verfahren zum Abtrennen von Verunreinigungen von Siliciumcarbid bekannt, bei dem pulverförmige SiC- Abfallprodukte, die mindestens 50 Ma.-% SiC und eine mittlere Korngrößen dso zwischen 0,5 bis 1000 pm aufweisen, und einer Temperaturbehandlung unter Vakuum oder nichtoxidierender Atmosphäre bei Temperaturen von 1400 - 2600 °C unterzogen und abgekühlt worden sind, nachfolgend mechanisch behandelt und physikalisch in zwei Fraktionen getrennt, von denen in einer Fraktion die Masse an Verunreinigungen mindestens um den Faktor 2 höher ist als in der anderen Fraktion.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren zum Recycling von Produkten mit SiC ist, dass nur wenige spezielle SiC-Abfallprodukte bisher recycelt worden sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Siliciumcarbid-Kies anzugeben, bei dem die SiC-Partikel eine hohe Dichte aufweisen, und weiterhin ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Kies anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen Ansprüche im Sinne einer und- Verknüpfung miteinschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Kies, dessen Partikel zu mindestens 85 Ma.-% aus Siliciumcarbid aus SiC-Abfallprodukten bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, besteht mindestens überwiegend aus Partikeln mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm, und die Partikel weisen eine durch eine mechanische Beanspruchung mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 bis 5 MJ/kg erzeugte unregelmäßige Form mit einer Rundheit von 0,5 bis 0,8 auf.
Vorteilhafterweise sind als SiC-Abfallprodukte Produkte aus dem Acheson-Prozess oder SiC-Sinterschrott oder herstellungsbedingten SiC-Abfälle aus der Produktherstellung vorhanden, deren Partikel, die zu mindestens 85 Ma.-% aus Siliciumcarbid bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, wobei die Partikel mindestens überwiegend Partikelgrößen von größer gleich 2 mm und die Partikel eine durch eine mechanische Beanspruchung mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg erzeugte unregelmäßige Form mit einer Rundheit von 0,5 bis 0,8 aufweisen, wobei noch vorteilhafterweise als SiC-Abfallprodukte derartige Produkte aus SSiC-, LPS-SiC-, SiSiC-, RSiC-, NSiC- und/oder OBSiC-Keramik und/oder Fasercomposite aus C-SiC und/oder SiC-SiC vorhanden sind.
Weiterhin vorteilhafterweise besteht der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Kies mindestens zu 90 Ma.-%, vorteilhafterweise zu 95 Ma.-%, noch vorteilhafterweise zu 98 Ma.-% aus Siliciumcarbid.
Ebenfalls vorteilhafterweise besitzen die Partikel des erfindungsgemäßen Siliciumcarbid-Kieses eine Dichte von 3,05 bis 3,20 g/cm3
Und auch vorteilhafterweise besteht der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Kies mindestens überwiegend, vorteilhafterweise zu mindestens 85 %, noch vorteilhafterweise zu mindestens 95 % aus Partikeln mit einer Partikelgröße von größer gleich 2 mm.
Von Vorteil ist auch, wenn die Partikelgrößen des erfindungsgemäße Siliciumcarbid- Kieses zwischen größer gleich 2 mm bis 20 mm, oder 5 mm bis 63 mm vorliegen.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn die Partikelformen des erfindungsgemäßen Siliciumcarbid-Kieses, die nach einer mechanischen Beanspruchung der SiC- Abfallprodukte durch Aufbringung eines mechanischen Impulses realisiert sind, durch Mischen, Mahlen, noch vorteilhafterweise durch Autogenmahlen, oder durch den Einsatz von Wirbelströmen und/oder Ultraschall, oder durch Mahlen, Hämmern, Brechen oder mittels elektrischen Entladungen oder Schockwellen erzeugt worden sind.
Und auch von Vorteil ist es, wenn der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Kies unregelmäßige ganz und/oder teilweise scharfkantige und/oder unregelmäßige ganz oder teilweise abgerundete Partikelformen aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Kies werden SiC-Abfallprodukte mittels mechanischer Beanspruchung mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg zu SiC-Partikeln, die zu mindestens 85 Ma.- % aus Siliciumcarbid bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, und mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm und einer unregelmäßigen Form mit einer Rundheit von 0,5 bis 0,8 verarbeitet, oder SiC-Abfallprodukte werden vor und/oder nach einer Temperaturbehandlung unter Vakuum oder nichtoxidierender Atmosphäre bei Temperaturen von 1400 bis 2600 °C mittels mechanischer Beanspruchung mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg zu SiC-Partikeln, die zu mindestens 85 Ma.-% aus Siliciumcarbid bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, und mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm und einer unregelmäßigen Form mit einer Rundheit von 0,5 bis 0,8 verarbeitet, oder SiC-Abfallprodukte werden vor und/oder nach einer Temperaturbehandlung unter Vakuum oder nichtoxidierender Atmosphäre bei Temperaturen von 1400 bis 2600 °C mittels mechanischer Beanspruchung mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg zu SiC-Partikeln, die zu mindestens 85 Ma.-% aus Siliciumcarbid bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, und mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm und einer unregelmäßigen Form mit einer Rundheit von 0,5 bis 0,8 verarbeitet, wobei diese Partikel nochmals mechanisch behandelt werden können, und dabei oder danach physikalisch in zwei Fraktionen getrennt werden, von denen in einer Fraktion die Masse an Verunreinigungen mindestens um den Faktor 2 höher ist als in der anderen Fraktion.
Vorteilhafterweise wird mindestens nach einer oder der letzten Behandlung unter mechanischer Beanspruchung der SiC-Partikel eine physikalische Trennung der SiC- Partikel in Fraktionen durchgeführt.
Weiterhin vorteilhafterweise werden SiC-Abfallprodukte einer Temperaturbehandlung unter Vakuum oder nichtoxidierender Atmosphäre bei Temperaturen von 1400 bis 2600 °C, nachfolgend einer Behandlung unter mechanischer Beanspruchung und danach einer physikalischer Trennung der SiC-Partikel in Fraktionen unterzogen.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden SiC-Abfallprodukte mit einer Dichte von 3,05 bis 3,20 g/cm3 eingesetzt.
Und auch vorteilhafterweise wird die mechanische Beanspruchung der SiC- Abfallprodukte durch Aufbringung eines mechanischen Impulses realisiert, vorteilhafterweise durch Mischen, Mahlen, noch vorteilhafterweise durch Autogenmahlen, oder durch den Einsatz von Wirbelströmen und/oder Ultraschall oder mittels Mahlen, Hämmern, Brechen oder mittels elektrischen Entladungen oder Schockwellen.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn Partikel mit Partikelgrößen zwischen größer gleich 2 mm bis 20 mm, oder 5 mm bis 63 mm realisiert werden.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn eine Temperaturbehandlung bei Temperaturen zwischen 2000 °C bis 2600 °C durchgeführt wird.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn eine Temperaturbehandlung unter Argon- oder Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird.
Von Vorteil ist es auch, wenn eine Temperaturbehandlung bei Temperaturen von mindestens 2000 °C zwischen 10 und 300 min durchgeführt wird.
Und auch von Vorteil ist es, wenn die physikalische Trennung der Partikel nach der Temperaturbehandlung nach der Partikelgröße, der Partikelform, der Dichte und/oder den physikalischen und/oder chemischen Oberflächeneigenschaften der Partikel durchgeführt wird.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Trennung nach der Partikelgröße und/oder Partikelform durch Siebung, Sichtung, und/oder Zyklonverfahren durchgeführt wird, oder die Trennung durch Einwirkung von Massekräften bezüglich der Partikeldichte mittels Flotation, Sedimentation, Sichtung, Zentrifugation und/oder Zyklonverfahren, oder die Trennung nach der Dichte der Partikel durch Flotation und/oder Zyklonverfahren durchgeführt wird.
Erfindungsgemäß wird der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Kies, der erfindungsgemäß hergestellt wird, zur Herstellung SiC-haltiger Keramiken, insbesondere Feuerfestkeramiken verwendet.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, Siliciumcarbid-Kies anzugeben, dessen Partikel eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen, und weiterhin ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Kies anzugeben.
Erreicht wird dies durch Siliciumcarbid-Kies, bestehend aus Partikeln, die zu mindestens 85 Ma.-% aus Siliciumcarbid aus SiC-Abfallprodukten bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5% an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen.
Kies ist eine Bezeichnung für eine Korngröße und für ein Lockersediment.
Die Korngröße für Kies wird nach der DIN 4022 und DIN EN ISO 14668 mit einem Korndurchmesser zwischen 2 mm und 63 mm angegeben. Dabei wird auch nach Grobkies mit Korngrößen von 20 - 63 mm, nach Mittelkies mit Korngrößen von 6,3 bis 20 mm und nach Feinkies mit Korngrößen von 2 bis 6,3 mm unterschieden (Wikipedia, Stichwort Kies).
Kies als Lockersediment, oder auch Lockergestein, ist ein verfestigtes Haufwerk mit wenig Kornbindung (Wikipedia, Stichwort Lockersediment).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll unter dem Begriff Siliciumcarbid-Kies bezüglich der Partikelgröße SiC-Partikel mit Korndurchmessern von größer gleich 2 mm bis 63 mm verstanden werden. Die erfindungsgemäßen SiC-Partikel sind durch eine mechanische Beanspruchung mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg unregelmäßig geformt, weisen aber überwiegend konvexe Oberflächen auf. Mit bekannten Kornformanalysatoren werden mittlere Rundheiten im Bereich von 0,5 bis 0,8 gemessen.
Die Korngröße, Kornform und Rundheit wird gemäß DIN-ISO 13322 Teil 1 und 2 definiert und gemessen.
Vorteilhafterweise besteht der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Kies aus Partikeln mit mindestens 85 Ma.-%, vorteilhafterweise zu 90 Ma.-%, noch vorteilhafterweise zu 95 Ma.-%, und noch vorteilhafterweise zu 98 Ma.-% aus Siliciumcarbid aus SiC- Abfallprodukten.
Von besonderer erfindungsgemäßer Bedeutung ist, dass die Partikel aus im Wesentlichen Siliciumcarbid des erfindungsgemäßen Siliciumcarbid-Kieses aus SiC- Abfallprodukten hergestellt werden und bestehen.
Unter SiC-Abfallprodukten sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung SiC- Produkte verstanden werden, die bei der Herstellung des Roh-SiC entstehen oder von Halbzeugen und Fertigprodukten aus SiC stammen, die ursprünglich aus Roh-SiC hergestellt und gesintert und zu Formkörper verarbeitet worden sind. Ebenso sind erfindungsgemäß eingesetzte SiC-Abfallprodukte Produkte, die bei der Herstellung von SiC-Halbzeugen und Fertigprodukten aus SiC als Abfall anfallen, wenn das Material Risse, Deformationen oder eine schlechte Maßhaltigkeit oder andere Fehler aufweist und als Ausschuss aussortiert wird, und dann sogenannter SiC-Sinterschrott ist. Aber auch nach der Anwendung der Produkte und nach Ablauf ihrer Betriebszeit oder nach Versagen oder Zerstören der Produkte liegen SiC-Abfälle, wie z.B. benutzte Brennhilfsmittel, oder benutzte SiC-Dieselpartikelfilter vor.
Unter SiC-Abfallprodukten sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung weiterhin immer stückige SiC-Abfallprodukte verstanden werden, die auf die für SiC-Kies gewünschte Partikelgröße bearbeitet, vorteilhafterweise durch mechanische Beanspruchung zerkleinert, werden. In jedem Fall betreffen die erfindungsgemäßen SiC-Abfallprodukte nicht solche SiC- Abfallprodukte, die ein Kornwachstum zur Vergröberung der Partikelgröße der SiC- Abfallprodukte erfordern, um die für SiC-Kies gewünschte Partikelgröße zu erreichen. Dies betrifft beispielsweise SiC-Abfallprodukte mit Partikelgrößen von kleiner 2 mm, wie SiC-Pulver, SiC-Schleifschlämme oder SiC-Stäube.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird kein Kornwachstum realisiert sondern ein chemischer Umsatz der SiC-Abfallprodukte, um einen höheren SiC-Gehalt zu realisieren, sowie eine Verringerung der offenen Porosität und/oder die Realisierung einer bestimmten Kornform bezüglich der Rundheit.
Alle derartigen SiC-Produkte können erfindungsgemäß als SiC-Abfallprodukte eingesetzt werden.
Die Partikel des Siliciumcarbid-Kieses weisen eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3 auf. Vorteilhafterweise besitzen die Partikel des erfindungsgemäßen Siliciumcarbid-Kieses eine Dichte von 3,05 bis 3,20 g/cm3, gemessen über pyknometrische Verfahren.
Weiter weisen die erfindungsgemäßen SiC-Partikel des Siliciumcarbid-Kieses durch den sehr geringen Gehalt an < 5 % an groben Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm eine sehr hohe Druckfestigkeit von > 2500 MPa auf, die zerkleinertes Roh-SiC aus dem Acheson-Verfahren nicht erreicht.
Die Bestimmung von Korngröße und Kornform kann bekanntermaßen gemäß DIN-ISO 13322 Teil 1 und 2 (statische und dynamische Analyse) durchgeführt werden.
Die Kornfestigkeit kann mittels der Methode nach ASTM D5731 -16 (Standard Test Method for Determination of the Point Load Strength Index of Rock and Application to Rock Strength Classifications) oder der analogen Methodik gemäß „ISRM - International Society for Rock Mechanics 2007. Rock characterization testing & monitoring - ISRM suggested methods. Ed. E. T. Brown, Pergamon Press, London, 211 p.“ gemäß der Prüfkörperform/Abmessung d) „irregular lump“ gemessen werden.
Der Bezug auf die Bruchkraft erfolgt durch Bestimmung eines Äquivalentdurchmessers.
Diese Verfahren können äquivalent für SiC-Partikel gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt werden. Die Festigkeit wird gemäß den vorgenannten Verfahren größennormiert und als „point load strength index“ ls(50) in MPa angegeben. Mittels einer Korrelationsmethode kann daraus eine Druckfestigkeit oc in MPa berechnet werden.
Die solcherart ermittelte Druckfestigkeit der Partikel des erfindungsgemäßen SiC- Kieses beträgt >2500 MPa, während aus Acheson-Rohmaterial gebrochene grobe SiC-Partikel aufgrund ihrer hohen Zerklüftung und Porosität Druckfestigkeiten von deutlich kleiner als 1000 MPa aufweisen.
Daher kommt auch eine Verwendung von derartigem Roh-SiC als Ausgangsstoff für verschiedene Anwendungen, z.B. als Feuerfestprodukt, nicht in Frage, da, aufgrund der hohen Zerklüftung und Porosität der SiC-Partikel eine hohe Qualität solcher Feuerfestprodukte hinsichtlich Festigkeit und Langlebigkeit nicht erreicht werden kann. Speziell mittels eines keramischen Herstellungsprozesse aus Spezialpulvern hergestellte SiC-Keramikkörper, wie Mahlkugel, erreichen dagegen nicht die erforderliche Packungsdichte der SiC-Partikel und werden auch aufgrund des hohen Preises infolge der komplexen Herstellung nicht eingesetzt.
Von besonderer Bedeutung ist, dass die erfindungsgemäßen SiC-Partikel nur sehr wenige große Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm aufweisen. Diese Poren sind unregelmäßig geformte Hohlräume im Gefüge und werden mittels Anschliffen durch bildanalytische Verfahren bestimmt. Als Größenangabe wird hier der flächengleiche Äquivalentdurchmessers ermittelt. Die Angabe der Menge an solchen Poren erfolgt in Prozent gemäß des bildanalytisch ermittelten Flächenanteils, der mittels stereologischer Gesetzmäßigkeiten als Volumenanteil in Prozent angegeben werden kann. Auch ist es möglich, allerdings auch aufwändiger, sogenannte Mikro- Röntgen-Computertomographische Aufnahmen der Partikel der Kiese anzufertigen und gleichermaßen zu einer Ermittlung der Größe und des Volumenanteils der großen Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm zu gelangen.
Weiterhin vorteilhafterweise besitzen die Partikel der erfindungsgemäßen Kiese eine sehr geringe offene Porosität von < 10 %. Diese Poren umfassen im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle Poren, Hohlräume und Risse in den SiC-Partikeln, die von der Oberfläche aus zugänglich sind. Die Messung der offenen Porosität erfolgt bekanntermaßen durch Flüssigkeits- oder Gaspyknometrie oder Quecksilberporosimetrie.
Die erfindungsgemäßen SiC-Abfallprodukte können vorteilhafterweise Produkte aus SSiC-, LPS-SiC-, SiSiC-, RSiC-, NSiC- und/oder OBSiC-Keramik und/oder Fasercomposite aus C-SiC und/oder SiC-SiC sein. Die angeführten Abkürzungen und Bezeichnungen für die verschiedenen SiC-Keramiken sind dem Fachmann geläufig, und sind z.B. im Brevier Technische Keramik zu finden (Brevier Technische Keramik: Hrsg. v. Verband der Keramischen Industrie, 4. Auflage 2004, ISBN: 9783924158361 ). Auch Abfälle aus hoch-SiC-haltige Mineralbetonen, auch Mineralguss genannt, können vorteilhafte SiC-Abfallprodukte sein. SiC-Mineralbetone bestehen aus SiC Partikeln in einer Polymermatrix, zumeist aus Polyesterharzen.
Es ist bei der Auswahl der erfindungsgemäß eingesetzten SiC-Abfallprodukte auch möglich, vor dem Einsatz in den erfindungsgemäßen Verfahren bereits eine Vorsortierung nach ihrer Zusammensetzung durchzuführen. Dadurch kann ein erfindungsgemäßer Siliciumcarbid-Kies von hoher Reinheit und Güte realisiert werden.
Werden SSiC-Abfallprodukte eingesetzt, müssen bei der erfindungsgemäßen Herstellung des Siliciumcarbid-Kieses meist keine Zusätze zugegeben werden und es wird Siliciumcarbid-Kies mit Partikelgrößen größer gleich 2 mm von hoher Reinheit > 99 % und mit einer Porenfreiheit von nahezu 100 % erreicht.
Für LPS-SiC-Abfallprodukte müssen bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Siliciumcarbid-Kies ebenfalls keine Zusätze zugegeben werden und es wird Siliciumcarbid-Kies mit Partikelgrößen größer gleich 2 mm von hoher Reinheit > 90 % und mit einer Porenfreiheit von nahezu 100 % erreicht.
Für SiSiC-Abfallprodukte wird der freie Si-Gehalt mittels bekannter Methoden quantitativ ermittelt und den Abfallprodukten eine entsprechende Menge an kohlenstoffhaltigen Zusätzen zugegeben, um einen stöchiometrischen Umsatz des Si+C zu SiC zu erreichen. Die optimale Menge kann durch einfache Versuchsreihen durch den Fachmann festgestellt werden. Es wird ein Siliciumcarbid-Kies mit Partikelgrößen größer gleich 2 mm von hoher Reinheit > 98 % und mit einem Gehalt < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm erreicht.
Für RSiC-Abfallprodukte werden 2 - 20 % an feinem SiC-Pulver einer Korngröße von 0,2-10 pm zugegeben und es wird ein Siliciumcarbid-Kies mit Partikelgrößen größer gleich 2 mm von hoher Reinheit > 99 % mit einem Gehalt < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm erreicht. Durch die Zugabe des feinen SiC- Pulvers erfolgt bei der thermischen Behandlung ein Verschluss der offenen Porosität der RSiC-Partikel. Die optimale Menge und Partikelgröße der zugesetzten feinen SiC- Partikel kann durch einfache Versuchsreihen durch den Fachmann festgestellt werden, bis eine Menge an offener Porosität < 10 % erreicht worden ist.
Für NSiC-Abfallprodukte, worunter auch SiON-, SiAION-, SisN^haltige und ähnliche nitridgebundene SiC-Abfallprodukte zählen, wird vorrangig der Oxidgehalt bestimmt und eine entsprechende Menge an kohlenstoffhaltigen Zusätzen zugegeben, um eine Reduktion der Oxide zu erreichen. Die optimale Menge kann durch einfache Versuchsreihen durch den Fachmann festgestellt werden. Es wird ein Siliciumcarbid- Kies mit Partikelgrößen größer gleich 2 mm mit einem SiC-Gehalt > 85 % mit einem Gehalt < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm erreicht.
Für OBSiC-Abfallprodukte, worunter SiÜ2 und alumosilikatisch gebundene SiC- Abfallprodukte zählen, wird vorrangig der Oxidgehalt bestimmt und eine entsprechende Menge an kohlenstoffhaltigen Zusätzen zugegeben, um eine Reduktion der Oxide zu erreichen. Die optimale Menge kann durch einfache Versuchsreihen durch den Fachmann festgestellt werden. Es wird ein Siliciumcarbid- Kies mit Partikelgrößen größer gleich 2 mm von hoher Reinheit > 85 % mit einem Gehalt < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm erreicht.
Werden C-SiC-Abfallprodukte, das heißt Abfälle aus kohlenstofffaserverstärkten SiC Compositen, wie kurz- oder langfaserverstärkte Materialien, oder über Silicierung oder Precursorinfiltration hergestellte Composite, eingesetzt, müssen bei der erfindungsgemäßen Herstellung des Siliciumcarbid-Kieses die freien Si- und C-Anteile analysiert und eine entsprechende Menge an Si- oder C-Additiven zur Herstellung einer stöchiometrischen Zusammensetzung eingesetzt werden. Da C-SiC- Abfallprodukte zumeist einen deutlich höheren C-Anteil als einen freien Si-Anteil besitzen, müssen meist Si-Zusätze zugegeben werden, um den überschüssigen Kohlenstoff zu SiC umzuwandeln. Die Zugabe erfolgt in der erforderlichen Menge, die notwendig ist, um eine stöchiometrische Zusammensetzung zum SiC einzustellen. Die optimale Menge kann durch einfache Versuchsreihen durch den Fachmann festgestellt werden und es wird Siliciumcarbid-Kies mit Partikelgrößen größer gleich 2 mm von hoher Reinheit > 95 % mit einem Gehalt < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm erreicht.
Werden SiC-SiC-Abfallprodukte, das heißt Abfälle aus siliciumcarbidfaserverstärkten SiC-Compositen, eingesetzt, werden 2-20 % an feinen SiC-Pulvern einer Korngröße von 0,5-5 pm zugegeben und es wird ein Siliciumcarbid-Kies mit Partikelgrößen größer gleich 2 mm von hoher Reinheit > 99 % mit einem Gehalt < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm erreicht. Durch die Zugabe der feinen SiC- Pulver erfolgt bei der thermischen Behandlung ein Verschluß der offenen Porosität der SiC-SiC-PartikeL Die optimale Menge und Partikelgröße der zugesetzten feinen SiC- Partikel kann durch einfache Versuchsreihen durch den Fachmann festgestellt werden, bis eine Menge an offener Porosität < 10 % erreicht worden ist.
Für SiC-Mineralbeton-Abfallprodukte wird zunächst eine Temperaturbehandlung bei 600-1000 °C unter Luftabschluß (Pyrolyse) durchgeführt und danach der Kohlenstoff- Gehalt mittels bekannter Methoden quantitativ ermittelt und den Abfallprodukten eine entsprechende Menge an siliciumhaltigen Zusätzen zugegeben, um einen stöchiometrischen Umsatz des Si+C zu SiC zu erreichen. Die optimale Menge kann durch einfache Versuchsreihen durch den Fachmann festgestellt werden. Es wird ein Siliciumcarbid-Kies mit Partikelgrößen größer gleich 2 mm von hoher Reinheit > 98 % und mit einem Gehalt < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm erreicht.
Für grobe Abfallprodukte aus der Roh-SiC-Fertigung werden 5 - 20 % an feinem SiC- Pulver einer Korngröße von 0,2-10 pm zugegeben und es wird ein Siliciumcarbid-Kies mit Partikelgrößen größer gleich 2 mm von hoher Reinheit > 99 % mit einem Gehalt < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm erreicht. Durch die Zugabe des feinen SiC-Pulvers erfolgt bei der thermischen Behandlung ein Verschluss der offenen Porosität der SiC-Partikel des Roh-SiC. Die optimale Menge und Partikelgröße der zugesetzten feinen SiC-Partikel kann durch einfache Versuchsreihen durch den Fachmann festgestellt werden, bis eine Menge an offener Porosität < 10 % erreicht worden ist.
Sehr vorteilhaft können auch Mischungen der genannten Abfallprodukte eingesetzt werden, vor allem dann, wenn dadurch die Art und Menge an erforderlichen Zusatzstoffen verringert werden kann. So ist es z.B. vorteilhaft, Mischungen aus SiSiC- Abfa II Produkten mit C-SiC- und/oder pyrolysierten SiC-Mineralbeton-Abfallprodukten herzustellen, und diese nachfolgend thermisch zu behandeln. Die Bestandteile werden dann entsprechend der analysierten freien Si- und C-Gehalte gemischt, um möglichst wenige oder keine weiteren C- oder Si-haltigen Additive zuzusetzen. Aus Mischungen der verschiedenen SiC-Abfallprodukte wird derart ein Siliciumcarbid-Kies mit Partikelgrößen größer gleich 2 mm mit Reinheit > 85 % SiC und mit einem Gehalt < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm erreicht.
Weiter ist von besonderer erfindungsgemäßer Bedeutung, dass die SiC-Abfallprodukte einer mechanischen Beanspruchung mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg unterzogen worden sind und danach mindestens überwiegend Partikelgrößen von größer gleich 2 mm und eine durch eine mechanische Beanspruchung erzeugte unregelmäßige Form mit einer Rundheit von 0,5 bis 0,8 aufweisen. Dabei kann die mechanische Beanspruchung entweder vor der thermischen Behandlung, oder auch nach der thermischen Behandlung erfolgen, oder auch vor und nach der thermischen Behandlung.
Aufgrund der Behandlung der SiC-Abfallprodukte mit einer mechanischen Beanspruchung entstehen Produkte, mit einem breiten Partikelgrößenbereich. Zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Siliciumcarbid-Kieses ist daher in den meisten Fällen eine physikalische Trennung in verschiedene Fraktionen erforderlich, wobei durch die Verfahren der mechanischen Beanspruchung die Ausbeute an Partikeln mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm mindestens 50 %, meist 80 bis 95 %, sind.
Dies ist ein deutlicher Unterschied zu dem Roh-SiC, welches nach dem Acheson- Prozess vorliegt und bei dem die SiC-Kristalle auch Größen bis in den mm-Bereich aufweisen können. Jedoch sind diese SiC-Kristalle stark zerklüftet und miteinander verwachsen und weisen deutlich mehr als 5 % an groben Poren im Bereich von einigen hundert Mikrometern bis in den Millimeterbereich des Äquivalentdurchmessers auf. Durch diese Struktur der Makrokörnung des Roh-SiC ist deren mechanische Festigkeit sehr gering, so dass deren Anwendung sehr eingeschränkt oder nicht möglich ist. Derartige Makrokömungen können nicht als Schleifmittel angewandt werden, da sie sehr leicht zerbrechen würden und ebenso können sie nicht in Anwendungen eingesetzt werden, die einem chemischen, insbesondere oxidativen Angriff, oder einem Angriff durch aggressive Medien oder Atmosphären ausgesetzt sind, da sie durch ihre große Porosität eine große Oberfläche für einen Angriff und die Zerstörung des Materials bieten.
Die Partikel des erfindungsgemäßen Siliciumcarbid-Kieses weisen keine oder < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von größer 100 pm auf.
Mit dem erfindungsgemäßen Siliciumcarbid-Kies liegt SiC vor, welches aufgrund seiner Ausgangsstoffe als SiC-Abfallprodukte und aufgrund der mechanischen Beanspruchung in einer Makrokörnung von Partikeln mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm vor, die die Nachteile der Makrokörnung aus Roh-SiC nicht aufweisen.
Vorteilhafterweise besteht der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Kies mindestens überwiegend, vorteilhafterweise zu mindestens 85 %, noch vorteilhafterweise zu mindestens 95 % aus Partikeln mit einer Partikelgröße von größer gleich 2 mm.
Weiterhin vorteilhafterweise liegt der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Kies mit Partikelgrößen zwischen größer gleich 2 mm bis 20 mm, oder 5 mm bis 63 mm vor. Ebenso unterscheidet sich der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Kies von Siliciumcarbid-Produkten mit Abmessungen von größer gleich 2 mm auch dadurch, dass der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Kies aus Partikeln besteht, die eine durch eine mechanische Beanspruchung erzeugte unregelmäßige Form aufweisen.
Die erzeugte unregelmäßige Form mit einer Rundheit von 0,5 bis 0,8 des erfindungsgemäßen Siliciumcarbid-Kieses liegen nach einer mechanischen Beanspruchung der SiC-Abfallprodukte mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg durch Aufbringung eines mechanischen Impulses vor, vorteilhafterweise ist dies durch Mischen, Mahlen, noch vorteilhafterweise durch Autogenmahlen, oder durch den Einsatz von Wirbelströmen und/oder durch Ultraschall, oder durch Mahlen, Hämmern, Brechen oder mittels elektrischen Entladungen oder Schockwellen, zum Beispiel mittel electric pulse fragmentation oder pulsed power processing, realisiert worden.
Die Partikel können vorteilhafterweise in Form von unregelmäßigen, ganz und/oder teilweise scharfkantigen und/oder unregelmäßigen, ganz oder teilweise abgerundeten Formen vorliegen.
Die erfindungsgemäße Unregelmäßigkeit betrifft SiC-Partikel, die unregelmäßig geformt und eine Rundheit von 0,5 bis 0,8 aufweisen. Die Unregelmäßigkeit bezieht sich dabei auf die Form, die erfindungsgemäß keiner geometrischen Form, wie beispielsweise Kugeln, Zylindern, Würfeln, Quadern, Pyramiden, Kegeln, Pyramidenoder Kegelstumpfen entsprechen soll.
Weiter weist der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Kies nur einen geringen Gehalt an Verunreinigungen auf, da die Ausgangsstoffe, die SiC-Abfallprodukte, grundsätzlich eine hohe Reinheit an SiC aufweisen. Trotzdem noch enthaltene Verunreinigungen, vor allem metallische Verunreinigungen, oder Verunreinigungen, die durch die mechanische Beanspruchung eingetragen werden, können nach Anwendung von bekannten Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen auch verringert oder beseitigt sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Kies werden SiC-Abfallprodukte mittels mechanischer Beanspruchung zu SiC-Partikeln, die zu mindestens 85 Ma.-% aus Siliciumcarbid bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm und einer unregelmäßigen Form verarbeitet, wobei vor und/oder nach der mechanischen Beanspruchung eine physikalische Trennung in verschiedene Partikel-Fraktionen erfolgen kann. Alternativ wird erfindungsgemäß Siliciumcarbid-Kies hergestellt, indem SiC- Abfa II produkte vor und/oder nach einer Temperaturbehandlung unter Vakuum oder nichtoxidierender Atmosphäre bei Temperaturen von 1400 bis 2600 ° C mittels mechanischer Beanspruchung zu SiC-Partikeln, die zu mindestens 85 Ma.-% aus Siliciumcarbid bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, und mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm und einer unregelmäßigen Form verarbeitet werden.
Auch nach diesem alternativen Verfahren kann sowohl vor als auch nach der mechanischen Beanspruchung eine physikalische Trennung in verschiedene Partikel- Fraktionen erfolgen.
Ein weiteres erfindungsgemäßes alternatives Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Kies besteht darin, dass SiC-Abfallprodukte vor und/oder nach einer Temperaturbehandlung unter Vakuum oder nichtoxidierender Atmosphäre bei Temperaturen von 1400 bis 2600 ° C mittels mechanischer Beanspruchung zu SiC- Partikeln, die zu mindestens 85 Ma.-% aus Siliciumcarbid bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, und mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm und einer unregelmäßigen Form verarbeitet werden, wobei diese Partikel nachfolgend nochmals mechanisch behandelt werden können, und dabei oder danach physikalisch in zwei Fraktionen getrennt werden, von denen in einer Fraktion die Masse an Verunreinigungen mindestens um den Faktor 2 höher ist als in der anderen Fraktion. Übereinstimmend mit den anderen erfindungsgemäßen alternativen Herstellungsverfahren kann sowohl vor als auch nach der oder den mechanischen Beanspruchungen eine physikalische Trennung in verschiedene Partikel-Fraktionen erfolgen.
Für alle erfindungsgemäßen Verfahrensalternativen zur Herstellung von Siliciumcarbid-Kies werden vorteilhafterweise SiC-Abfallprodukte mit einer Dichte von 3,05 bis 3,20 g/cm3 eingesetzt. Ebenso wird für alle erfindungsgemäßen Verfahrensalternativen zur Herstellung von Siliciumcarbid-Kies vorteilhafterweise die mechanische Beanspruchung der SiC- Abfallprodukte mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg durch Aufbringung eines mechanischen Impulses realisiert, noch vorteilhafterweise durch Mischen, Mahlen, wie durch Autogenmahlen, oder noch vorteilhafterweise durch den Einsatz von Wirbelströmen und/oder Ultraschall oder mittels Mahlen, Hämmern, Brechen oder mittels elektrischer Entladungen und Schockwellen.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahrensvananten werden in allen Fällen vorteilhafterweise SiC-Partikel mit Partikelgrößen zwischen größer gleich 2 mm bis 20 mm, oder 5 mm bis 63 mm realisiert.
Im Falle einer Temperaturbehandlung der SiC-Partikel wird diese vorteilhafterweise bei Temperaturen zwischen 2000 °C bis 2600 °C, noch vorteilhafterweise bei Temperaturen von mindestens 2000 °C zwischen 10 und 300 min, durchgeführt.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird die Temperaturbehandlung unter Argon- oder Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
Während der Temperaturbehandlung können zu den Partikeln aus den SiC- Abfa II Produkten einerseits Silicium- oder Siliciumdioxid-Pulver und Kohlenstoffpulver zugegeben werden, wodurch eine Steigerung des SiC-Gehaltes im erfindungsgemäßen Siliciumcarbid-Kies erreicht werden kann.
Ebenso können während der Temperaturbehandlung auch SiC-Pulver mit geringeren Partikelgrößen zugegeben werden, die dann zu einer deutlichen Verringerung von Poren in den SiC-Pulvern aus den SiC-Abfallprodukten führen können. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Abfällen aus Roh-SiC aus dem Achesonverfahren. Dabei ist es möglich, aus sehr stark porenhaltige SiC Pulvern mit Partikelgrößen von > 2 mm aus Roh-SiC aus dem Achesonverfahren mit einem geringen SiC-Gehalt und/oder schlecht kristallisiertem SiC (sogenanntem Beta-SiC) durch die Zumischung von feineren SiC-Pulvern und der weiteren Zusätzen während der Temperaturbehandlung eine deutliche Verringerung der groben Poren zu erreichen. Im Ergebnis weisen diese Siliciumcarbid-Kies-Partikeln einen hohen SiC-Gehalt und eine gute Kristallisation aus sogenanntem Alpha-SiC auf. Wenn nach einer erfindungsgemäßen Temperaturbehandlung noch eine erfindungsgemäße physikalische Trennung der der Partikel durchgeführt, so kann dies vorteilhafterweise nach der Partikelgröße, der Partikelform, der Dichte und/oder den physikalischen und/oder chemischen Oberflächeneigenschaften der Partikel durchgeführt werden.
Es ist aber auch möglich, wenn nach einer erfindungsgemäßen Temperaturbehandlung und insbesondere nach der oder den Behandlungen der SiC- Abfa II produkte mit mechanischer Beanspruchung, eine erfindungsgemäße physikalische Trennung der der Partikel in Fraktionen durchgeführt wird, wobei vorteilhafterweise diese Trennung nach der Partikelgröße und/oder Partikelform durch Siebung, Sichtung, und/oder Zyklonverfahren durchgeführt wird, oder die Trennung durch Einwirkung von Massekräften bezüglich der Partikeldichte mittels Flotation, Sedimentation, Sichtung, Zentrifugation und/oder Zyklonverfahren, oder die Trennung nach der Dichte der Partikel durch Flotation und/oder Zyklonverfahren durchgeführt wird.
Nach einer erfindungsgemäß realisierten physikalischen Trennung wird das SiC- Pulver erfindungsgemäß in mindestens zwei Fraktionen getrennt, wobei im Falle, dass vor einer physikalischen Trennung eine Behandlung der SiC-Abfallprodukte unter mechanischer Beanspruchung durchgeführt worden ist, eine Trennung in mindestens zwei Fraktionen erfolgt, von denen in einer Fraktion die Masse an Verunreinigungen mindestens um den Faktor 2 höher ist als in der anderen Fraktion.
Die Entfernung von Verunreinigungen in Form von Si und/oder C wird durch die Temperaturbehandlung realisiert, da Kohlenstoff, vorteilhafterweise Ruß, Graphit und/oder Kokspulver, und/oder Silicium und/oder Siliciumdioxid (SiC>2), die während der SiC-Herstellung zugegeben werden, dann weiter zu SiC umgesetzt und sogar zugegeben werden können, um eine möglichst stöchiometrischen Zusammensetzung zu erreichen.
Tatsächliche Verunreinigungen für SiC sind im Wesentlichen metallische Verunreinigungen, die durch die physikalische Trennung nach der Temperaturbehandlung sich überwiegend in einer Fraktion ansammeln und somit leicht entfernt werden können.
Nicht als Verunreinigungen werden in diesem bei der Herstellung von Roh-SiC und auch bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Siliciumcarbid-Kies AI und B, da sie als Dotierungselemente in das SiC-Gitter eingebaut werden und für die meisten Anwendungen von SiC nicht störend sind.
Die Verunreinigungen, beispielsweise Cfrei, Sifrei, SiÜ2 und Eisen, sowie der SiC- Gehalt werden mittels bekannter Analysemethoden, beispielsweise nach DIN EN ISO 9286: 2021-10, DIN EN ISO 21068 Teil 1-3 bestimmt. Auch spektroskopische Verfahren werden für die Analyse der Verunreinigungen angewandt, unter anderem DIN EN 15991.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
100 kg SSiC-Sinterschrott in stückiger Form mit einem SiC-Gehalt von 99,5 Ma.-% wird mittels Walzenmühlen mit metallischen Walzen mit einem Energieeintrag von 0,5 MJ/kg innerhalb von 20 min zerkleinert. Die dabei entstehenden scharfkantig gebrochenen SSiC-Partikel werden gesiebt und eine Fraktion mit einer Partikelgröße von > 10 mm mit einer Ausbeute von > 80 % abgetrennt, die der erfindungsgemäße Siliciumcarbid-Kies ist.
Die einzelnen Partikel in dieser Fraktion weisen SiC-Gehalte von 99,5 Ma.-% auf und haben eine Dichte von 3,10 g/cm3, eine Druckfestigkeit von 3200 MPa, einen Anteil von < 0.1 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von 0,1 %.
Die unregelmäßig geformten Partikel weisen eine durchschnittliche Rundheit von 0,6 auf. Beispiel 2
200 kg an NSiC aus Feuerfestanwendungen in stückiger Form mit einer Zusammensetzung an SiC von 90 Ma.-%, SiÜ2 von 9,6 Ma.-% und freien Anteilen an C von 0,15 Ma.-% und Si von 0,14 Ma.-% und Fe von 0,128 Ma.-% wird mittels eines Backenbrechers mit einem Energieeintrag von 2 MJ/kg innerhalb von 10 min zerkleinert. 79 g C pro kg NSiC werden während der mechanischen Beanspruchung im Backenbrecher zugegeben, damit eine stöchiometrische Zusammensetzung des SiC-Abfallproduktes realisiert wird.
Das gemischte Material wird anschließend bei 2200 °C für eine Zeit von 300 min unter Vakuum behandelt.
Aufgrund der teilweisen Versinterung werden die SiC-Partikeln durch pneumatischen Energieeintrag von 1 MJ/kg in einer Autogenmühle vereinzelt und anschließend mittel Sichtung fraktioniert. Dabei werden unregelmäßig geformte Partikel mit scharfkantigen und teilweise abgerundeten Kanten mit einer Partikelgröße von 2 - 5 mm mit einer Ausbeute von 90 % erhalten.
Die aus dem Prozess entstandenen SiC-Partikel weisen einen SiC-Gehalt von > 98 Ma.-% und eine Dichte von 3,02 g/cm3, eine Druckfestigkeit von 2850 MPa, einen Anteil von 2,3 % Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von 3 % auf.
Die unregelmäßig geformten Partikel weisen eine durchschnittliche Rundheit von 0,7 auf.
Beispiel 3
100 kg an grobstückigem Si-SiC-Sinterschrott mit einer Zusammensetzung von 80 Ma.-% SiC, von 14 Ma.-% Si, einem freien Anteilen an C von 0,13 Ma.-%, einem Anteil an SiO2 von 3,97 Ma.-% und einem Fe-Anteil von 0,968 Ma.-% und 33 kg pyrolysierte Mineralbeton-Abfälle mit 65 Ma.-% SiC und 30 Ma.-% C und 5 Ma.-% Asche werden mittels einer Hammermühle mit einem Energieeintrag von 5 MJ/kg zerkleinert. Anschließend weist das Material eine zusätzliche Fe-Konzentration von 2 Ma.-% auf. Das gemahlene Material wird anschließend bei 2250°C für eine Zeit von 40 min unter Argonatmosphäre behandelt.
Durch pneumatischen Energieeintrag von 2MJ/kg in Autogenmühlen werden die Partikel vereinzelt. Bei der anschließenden Windsichtung sammeln sich Verunreinigungen in einer Feinfraktion <500 pm an. Diese Feinfraktion weist dann Fe und Si-Verunreinigungen »5 Ma.-% auf.
Die grobe Fraktion mit Partikelgrößen von 4 mm mit einer Ausbeute >95% hat einen SiC-Gehalt von 98 Ma.-%.
Die dabei entstehen unregelmäßig geformten Partikel weisen scharfkantige und teilweise abgerundete Kanten und eine Rundheit von 0,75 auf.
Die aus dem Prozess entstandene, teilweise versinterten, Partikel weisen einen SiC- Gehalt von 98 Ma.-% und eine Dichte von 2,95 g/cm3, eine Druckfestigkeit von 2600 MPa, einen Anteil von 4 % Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von 3 % auf.

Claims

Patentansprüche
1 . Sil iciumcarbid-Kies, dessen Partikel zu mindestens 85 Ma.-% aus Siliciumcarbid aus SiC-Abfallprodukten bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, wobei der Siliciumcarbid-Kies mindestens überwiegend aus Partikeln mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm besteht und die Partikel eine durch eine mechanische Beanspruchung mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg erzeugte unregelmäßige Form mit einer Rundheit von 0,5 bis 0,8 aufweisen.
2. Siliciumcarbid-Kies nach Anspruch 1 , bei dem als SiC-Abfallprodukte Produkte aus dem Acheson-Prozess oder SiC-Sinterschrott oder herstellungsbedingten SiC-Abfälle aus der Produktherstellung vorhanden sind, deren Partikel, die zu mindestens 85 Ma.- % aus Siliciumcarbid bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, wobei die Partikel mindestens überwiegend Partikelgrößen von größer gleich 2 mm und die Partikel eine durch eine mechanische Beanspruchung mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg erzeugte unregelmäßige Form mit einer Rundheit von 0,5 bis 0,8 aufweisen.
3. Siliciumcarbid-Kies nach Anspruch 2, bei dem als SiC-Abfallprodukte derartige Produkte aus SsiC-, LPS-SiC-, SiSiC-, RsiC-, NsiC- und/oder OBSiC-Keramik und/oder Fasercomposite aus C-SiC und/oder SiC-SiC vorhanden sind.
4. Siliciumcarbid-Kies nach Anspruch 1 , welcher mindestens zu 90 Ma.-%, vorteilhafterweise zu 95 Ma.-%, noch vorteilhafterweise zu 98 Ma.-% aus Siliciumcarbid besteht.
5. Siliciumcarbid-Kies nach Anspruch 1 , dessen Partikel eine Dichte von 3,05 bis 3,20 g/cm3 besitzen.
6. Siliciumcarbid-Kies nach Anspruch 1 , welcher mindestens überwiegend, vorteilhafterweise zu mindestens 85 %, noch vorteilhafterweise zu mindestens 95 % aus Partikeln mit einer Partikelgröße von größer gleich 2 mm besteht.
7. Siliciumcarbid-Kies nach Anspruch 1 , bei dem Partikelgrößen zwischen größer gleich 2 bis 20 mm, oder 5 mm bis 63 mm vorliegen.
8. Siliciumcarbid-Kies nach Anspruch 1 , welcher Partikelformen aufweist, die nach einer mechanischen Beanspruchung der SiC-Abfallprodukte durch Aufbringung eines mechanischen Impulses realisiert wird, vorteilhafterweise durch Mischen, Mahlen, noch vorteilhafterweise durch Autogenmahlen, oder durch den Einsatz von Wirbelströmen und/oder Ultraschall, oder durch Mahlen, Hämmern, Brechen oder mittels elektrischen Entladungen oder Schockwellen erzeugt worden sind.
9. Siliciumcarbid-Kies nach Anspruch 1 , welcher unregelmäßige ganz und/oder teilweise scharfkantige und/oder unregelmäßige ganz oder teilweise abgerundete Partikelformen aufweist.
10. Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Kies, bei dem SiC-Abfallprodukte, ausgenommen SiC-Stäube, mittels mechanischer Beanspruchung mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg zu SiC-Partikeln, die zu mindestens 85 Ma.- % aus Siliciumcarbid bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, und mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm und einer unregelmäßigen Form mit einer Rundheit von 0,5 bis 0,8 verarbeitet werden, oder bei dem zur Herstellung von Siliciumcarbid-Kies, SiC-Abfallprodukte vor und/oder nach einer Temperaturbehandlung unter Vakuum oder nichtoxidierender Atmosphäre bei Temperaturen von 1400 bis 2600 °C mittels mechanischer Beanspruchung mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg zu SiC-Partikeln, die zu mindestens 85 Ma.-% aus Siliciumcarbid bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, und mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm und einer unregelmäßigen Form mit einer Rundheit von 0,5 bis 0,8 verarbeitet werden, oder bei dem zur Herstellung von Siliciumcarbid-Kies, bei dem SiC-Abfallprodukte vor und/oder nach einer Temperaturbehandlung unter Vakuum oder nichtoxidierender Atmosphäre bei Temperaturen von 1400 bis 2600 °C mittels mechanischer Beanspruchung mit einem Energieeintrag zwischen 0,1 und 5 MJ/kg zu SiC-Partikeln, die zu mindestens 85 Ma.-% aus Siliciumcarbid bestehen und eine Dichte von 2,89 bis 3,20 g/cm3, eine Druckfestigkeit von > 2500 MPa, einen Anteil von < 5 % an Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von > 100 pm und einen Anteil offener Porosität von < 10 % aufweisen, und mit Partikelgrößen von größer gleich 2 mm und einer unregelmäßigen Form mit einer Rundheit von 0,5 bis 0,8 verarbeitet werden, wobei diese Partikel nochmals mechanisch behandelt werden können, und dabei oder danach physikalisch in zwei Fraktionen getrennt werden, von denen in einer Fraktion die Masse an Verunreinigungen mindestens um den Faktor 2 höher ist als in der anderen Fraktion.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem mindestens nach einer oder der letzten Behandlung unter mechanischer Beanspruchung der SiC-Partikel eine physikalische Trennung der SiC-Partikel in Fraktionen durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem SiC-Abfallprodukte einer Temperaturbehandlung unter Vakuum oder nichtoxidierender Atmosphäre bei Temperaturen von 1400 bis 2600 °C, nachfolgend einer Behandlung unter mechanischer Beanspruchung und danach einer physikalischer Trennung der SiC- Partikel in Fraktionen unterzogen werden.
13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem SiC-Abfallprodukte mit einer Dichte von 3,05 bis 3,20 g/cm3 eingesetzt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die mechanische Beanspruchung der SiC- Abfallprodukte durch Aufbringung eines mechanischen Impulses realisiert wird, vorteilhafterweise durch Mischen, Mahlen, noch vorteilhafterweise durch Autogenmahlen, oder durch den Einsatz von Wirbelströmen und/oder Ultraschall oder mittels Mahlen, Hämmern, Brechen oder mittels elektrischen Entladungen oder Schockwellen.
15. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem Partikel mit Partikelgrößen zwischen größer gleich 2 mm bis 20 mm, oder 5 mm bis 63 mm realisiert werden.
16. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine Temperaturbehandlung bei Temperaturen zwischen 2000 °C bis 2600 °C durchgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine Temperaturbehandlung unter Argonoder Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine Temperaturbehandlung bei Temperaturen von mindestens 2000 °C zwischen 10 und 300 min durchgeführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die physikalische Trennung der Partikel nach der Temperaturbehandlung nach der Partikelgröße, der Partikelform, der Dichte und/oder den physikalischen und/oder chemischen Oberflächeneigenschaften der Partikel durchgeführt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Trennung nach der Partikelgröße und/oder Partikelform durch Siebung, Sichtung, und/oder Zyklonverfahren durchgeführt wird, oder die Trennung durch Einwirkung von Massekräften bezüglich der Partikeldichte mittels Flotation, Sedimentation, Sichtung, Zentrifugation und/oder Zyklonverfahren, oder die Trennung nach der Dichte der Partikel durch Flotation und/oder Zyklonverfahren durchgeführt wird.
21. Verwendung von Siliciumcarbid-Kies gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 und hergestellt nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 10 bis 20 zur Herstellung SiC-haltiger Keramiken, insbesondere Feuerfestkeramiken.
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