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Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid aus Siliciumdioxyd und
Kohlenstoff im Lichtbogenofen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Siliciumcarbid mit mikrokristallinen Partikeln, bei dem das Endprodukt direkt
aus den Rohmaterialien unter Benutzung eines Lichtbogens und einer sich verbrauchenden
Elektrode erhalten wird.
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Siliciumcarbid ist ein bekanntes und weitgehend verwendetes feuerfestes
Material. Hauptsächlich wird es als Schleifmaterial und zur Herstellung elektrischer
Heizelemente verwendet. Beide Verwendungsarten bedingen ein feinkörniges Carbid.
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Bisher wird Siliciumcarbid in einem elektrischen Widerstandsofen hergestellt,
in dem eine Mischung von Siliciumoxyd und Koks auf eine Temperatur von 2300° C etwa
36 Stunden lang erhitzt wird. Das sich ergebende Produkt ist eine Masse von sehr
harten Kristallen. Selbst nach langer Zerkleinerung und Vermahlung, die sehr teuer
sind, hat das Endprodukt noch eine verhältnismäßig große Korngröße. Man kann auf
diese Weise nicht Siliciumcarbid mit mikrokristallinen Partikeln herstellen. Man
hat manchmal schon Siliciumcarbid mit mikrokristallinen Partikeln für Versuchszwecke
durch Zerkleinerung größerer Partikeln hergestellt, aber Solch ein Material ist
im Handel nicht erhältlich, vielmehr ist die kleinste erhältliche Partikelgröße
von Siliciumcarbid etwa 5 Mikron.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung von Siliziumcarbid
in mikrokristalliner Partikelgröße direkt aus den Rohmaterialien, und zwar zu tragbaren
Kosten. Das Verfahren besteht darin, daß man zwischen zwei Elektroden, von denen
eine - als Stab ausgebildet - aus einem Gemisch von Siliciumdioxyd und Kohlenstoff
im stöchiometrischen Verhältnis gemäß der Gleichung Si02 -I- 3 C .-> SiC -I- 2 CO
besteht, in einer nichtoxydierenden oder reduzierenden Atmosphäre einen Lichtbogen
niedriger Intensität erzeugt und das sich infolge Verdampfens der Si02 C-Elektrode
aus ihren Komponenten bildende Siliciumcarbid als mikrokristallines Carbid durch
einen Gasstrom aus dem Ofen abführt.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert, die einen Schnitt
durch einen Lichtbogenofen zur Ausführung des Verfahrens zeigt.
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Der Lichtbogenofen besteht aus einer zylindrischen gasdichten Lichtbogenkammer
10, die verhältnismäßig klein ist und von Kühlschlangen 12 umgeben ist. In die Kammer
10 ragt die sich verbrauchende Elektrode 30, die in üblicher bekannter Weise aus
den Rohstoffen Si02 und C unter Zusatz eines Bindemittels hergestellt wurde, hinein.
Die Elektrode gleitet in einem Teil 14, der in einer seitlichen Öffnung der
Lichtbogenkammer gelagert ist und mittels durch einen Flansch 18 gesteckte Bolzen
16 an der Kammer befestigt ist. Die Bolzen greifen in einen Flansch 20 der Kammer
in der Nähe deren Öffnung ein. Das Anschlußstück ist uiit einer elektrischen Stromquelle
verbunden und führt der sich verbrauchenden Elektrode die Energie zu. Durch eine
nicht dargestellte Druckstange, wird die Elektrode mehr und mehr in die Lichtbogenkammer
eingeführt, wobei sich dann die Elektrode fast ganz verbraucht. Die Druckstange
kann von Hand oder automatisch bedient werden. Eine Vorderplatte 26 aus feuerfestem
Material, wie beispielsweise Bornitrid, deckt das Anschlußstück vorn ab und stützt
dessen Metallkomponenten vor dem Lichtbogen und verhindert das Entstehen eines zweiten
Lichtbogens zwischen der Kathode und dem Gehäuse des Anschlußstückes. Ein Dichtungsring
22 macht die Kammer gasdicht, und durch eine Leitung 24 wird das Kontaktstück
wassergekühlt.
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In einer Graphitbüchse 34 wird eine Graphitkathode 32 gehalten, die
ihrerseits von einer Isolierbüchse 36 gehalten wird. Diese Vorrichtung ist federnd
in einem Gehäuse 38 angeordnet, das in eine Öffnung der Lichtbogenkammer eingesetzt
ist, und
zwar so, daß die Kathodenspitze sich in derselben senkrechten
Ebene befindet wie die sich verbrauchende Elektrode, und zwar in einem Winkel von
45° unter der waagerechten Anodenebene. Die Kathode ist an eine Stromquelle angeschlossen
und durch eine Isolierbuchse 36 elektrisch gegenüber der Lichtbogenkammer isoliert.
Ein Dichtungsring 40 sichert die Gasdichtigkeit der Kammer.
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Durch Gaseinlässe 42 in der Lichtbogenkammer treten atmosphärische
Gase, Reinigungsgase oder Trägergase ein. Gegenüber dem Lichtbogenbereich ist ein
Sichtfenster 44 angeordnet. Die Gaseinlässe und die Sichtfenster sind mit Dichtungsringen
abgedichtet. Oben an der Lichtbogenkammer ist mit Bolzen 48 eine Übergangsleitung
46 angeschlossen, die mittels Kühlschlangen 50 wassergekühlt wird. Ein Dichtungsring
52 ergibt eine Gasdichtigkeit dieser Verbindung. Die Übergangsleitung 46 führt zu
einem Auslaßrohr 54, das seinerseits zu einem nicht dargestellten Sammelbehälter,
beispielsweise einem elektrostatischen Staubsammler oder einem Zyklonsammler führt.
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Während des Betriebes wird in die Lichtbogenkammer eine neutrale oder
reduzierende Atmosphäre eingeleitet. Zwischen der anodischen und sich verbrauchenden
Elektrode und der Kathode wird durch Berührung der Elektrode mit der Kathodenspitze
ein Gleichstrom-Lichtbogen erzeugt. Nach Überspringen des Lichtbogens wird die Elektrode
zurückgezogen, und es verbleibt ein Lichtbogenspalt. Der Hochtemperatur-Lichtbogen
verdampft die sich verbrauchende Elektrode und bildet Dampf aus Silicium, Kohlenstoff
und Sauerstoff. Die Dämpfe reagieren miteinander und bilden Siliciumcarbid mit mikrokristalliner
Partikelgröße. Die Lichtbogenlänge wird konstant gehalten.
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Die Abführung der feinen Teilchen erfolgt durch ein neutrales oder
durch ein reduzierendes Gas, das durch die Gaseinlässe in die Lichtbogenkammer eingeführt
wird und von dort zum Ausflußrohr strömt, an das ein Abscheider, z. B. ein elektrostatischer
Abscheider, angeschlossen ist. Das sich ergebende Produkt ist feinkörniges Siliciumcarbid
mit vorwiegend mikrokristalliner Partikelgröße. Das rohe Reaktionsprodukt kann für
verschiedene Zwecke verwendet werden, beispielsweise als Schleifmittel, Isoliermittel,
Pigment für Farben, Filmmaterial, Mattierungsmittel, Katalysatorträger, Filtermedium,
chemisches Zwischenprodukt und in der Metallurgie.
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Für einige Anwendungsarten, die ein sehr reines Produkt erfordern,
werden die Rohprodukte an sich bekannten Reinigungsoperationen, z. B. Waschen mit
Säure unterzogen.
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Ein Merkmal der Erfindung ist, daß der in dem Verfahren benutzte Lichtbogen
nicht ein Lichtbogen mit sogenannter hoher Intensität ist. Ein solcher hochintensiver
Lichtbogen hat einen plötzlichen Übergangspunkt, an dem sich der Verbrauch der Elektrode
merkbar vergrößert. Bei dem Verfahren tritt das nicht ein. Der Verbrauch der Elektrode
vergrößert sich allmählich entsprechend der sich vergrößernden Stromstärke. Der
Verbrauch erreicht einen Höhepunkt, an dem sich vergrößernde Stromstärken nicht
mehr den Verbrauch vergrößern, oder ein leichtes Absinken zur Folge haben.
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Ein weiteres unterscheidendes Merkmal des Verfahrens ist, daß ein
Verschlackungsverlust praktisch nicht entsteht, vielmehr wird eine fast 100o/oige
Umwandlung der Elektrode in das Endprodukt erreicht.
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Beispiel Eine Mischung von 71 Gewichtsprozent Siliciumoxyd und 29
Gewichtsprozent Graphit wurde etwa 1.0 Minuten lang in einem Mischer gemischt. Dann
wurde langsam ein aus Maissyrup bestehendes Bindemittel zugesetzt, und das Mischen
wurde 20 Minuten fortgesetzt. Der gesamte zugesetzte Anteil an Maissyrup betrug
43 Gewichtsprozent der aus Siliciumoxyd und Graphit bestehenden Mischung. Die Mischung
wurde dann bei einem Druck von 21 kg/cm' zu einer Stange von 9 mm Durchmesser und
60 cm Länge stranggepreßt. Die Stangen wurden eine Stunde lang luftgetrocknet, dann
bei 40° C 24 Stunden lang in einem Ofen getrocknet und schließlich bei 800° C 16
Stunden lang in einer reduzierenden Atmosphäre gebrannt. Die reduzierende Atmosphäre
wurde durch eine Graphitpulverpackung erzeugt.
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Eine Analyse der gebrannten Stangen zeigte einen Anteil von Siliciumoxyd
von 65 Gewichtsprozent und einen Graphitanteil von 35 Gewichtsprozent. Der erhöhte
Graphitanteil rührt von dem Kohlenstoff her, der sich beim Brennen von dem Maissyrup
absetzt.
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Die Stangen wurden als Anoden in einem Lichtbogenofen gemäß der obigen
Beschreibung verwendet. Durch die Lichtbogenkammer wurde bei einem Druck von 0,07
kg/cmy Argon geleitet, dessen Menge 56,61/Minute betrug. Durch Berührung der Elektroden
wurde ein Lichtbogen erzeugt, dessen Länge durch Zurückziehen der Elektroden auf
9 bis 12,5 mm gehalten wurde. Die Stromstärke, die Betriebsspannung, die Betriebszeit,
der Gewichtsverlust der Elektrode, der dem erzeugten Carbid entspricht, waren wie
folgt:
| Gewichtsverlust |
| Stromstärke Spannung Zeit der SiO-C- |
| iaSekunden Elektrode |
| in Gramm |
| 85 38 130 11,8 |
| 104 40 108 12,5 |
| 112 40 90 11,6 |
| 125 44 52 7,6 |
| 132 45 80 12,2 |
| 145 44 70 12,1 |
| 155 41 68 12,0 |
| 162 41 45 7,64 |
| 177 42 30 5,52 |
Argongas oder die bei den Reaktionen erzeugten Gase befördern das in der Lichtbogenkammer
gebildete feinkörnige Material durch den Ausfluß zu einem elektrostatischen Abscheider,
in dem sich das feinkörnige Siliciumcarbid sammelte.