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DE2731665A1 - Semiconducting refractory oxide(s) - with controlled electrical conductivity, for use in electrically heated glass melting furnaces - Google Patents

Semiconducting refractory oxide(s) - with controlled electrical conductivity, for use in electrically heated glass melting furnaces

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Publication number
DE2731665A1
DE2731665A1 DE19772731665 DE2731665A DE2731665A1 DE 2731665 A1 DE2731665 A1 DE 2731665A1 DE 19772731665 DE19772731665 DE 19772731665 DE 2731665 A DE2731665 A DE 2731665A DE 2731665 A1 DE2731665 A1 DE 2731665A1
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DE
Germany
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refractory material
dopant
lattice
weight
material according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19772731665
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German (de)
Inventor
Darryl John Costin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Owens Corning
Original Assignee
Owens Corning Fiberglas Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Owens Corning Fiberglas Corp filed Critical Owens Corning Fiberglas Corp
Priority to DE19772731665 priority Critical patent/DE2731665A1/en
Publication of DE2731665A1 publication Critical patent/DE2731665A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

A refractory material with controlled conductivity consists of a lattice of a metallic and a non-metallic element doped with an element whose atomic radius is similar to that of the atoms forming the lattice so that it diffuses into the lattice and is not precipitated at the grain boundaries. The concn. of the dopant does not significantly exceed its solubility in the lattice. The refractory is in general free from fluxing elements from gps. I and II. The lattice consists of pure oxides of one of the elements from gps. IV, V or VI. The dopant has a different valency from the matrix element. A pref. matrix element is Cr and the pref. dopants are Ti, Zr,Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Ru,Os, Ir, Si, Ge or Sn. Used as cladding or electrode material in electrically heated glass melting furnaces.

Description

Feuerfeste Materialien und Verfahren zu ihrerRefractory materials and processes for their

Herstellung Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf feuerfeste Materialien, auf elektrisch beheizte Öfen, die solche Materialien enthalten und auf Verfahren zur Herstellung von feuerfesten Materialien. Manufacturing Description The invention relates to on refractory materials, on electrically heated furnaces that contain such materials included and on processes for the manufacture of refractory materials.

Zur Auskleidung der inneren Wärmekammern von Öfen, mit denen Materialien erhitzt werden, werden feuerfeste Materialien verwendet. In vielen Fällen müssen die feuerfesten Materialien ganz bestimmte Eigenschaften haben, um der Reaktivität der zu erhitzenden Materialien und/oder der Ofenatmosphäre zu widerstehen. So gibt es z.B. in elektrischen öfen, die zum Glasschmelzen verwendet werden, Probleme, weil das Glas auf viele Typen von feuerfesten Materialien als Flußmittel wirkt und weil die feuerfesten Materialien, die beständig gegenüber der Flußmitteleigenschaft sind, eine größere elektrische Leitfähigkeit als das geschmolzene Glas haben. Ähnliche Probleme gibt es bei anderen Ofentypen, so daß in vielen Fällen ein Bedarf an feuerfesten Materialien besteht, die einen höheren elektrischen Widerstand als schon bekannte feuerfeste Materialien haben. Es gibt auch feuerfeste Materialien, die als Kontaktelektroden für das geschmolzene Glas verwendet werden. For lining the internal heating chambers of furnaces with which materials refractory materials are used. In many cases you have to The refractory materials have very specific properties in order to reactivity to withstand the materials to be heated and / or the furnace atmosphere. So there there are problems, for example, in electric furnaces used for melting glass, because the glass acts as a flux on many types of refractories and because the refractory materials, which are resistant to the flux property have a greater electrical conductivity than the molten glass. Similar There are problems with other types of furnaces, so that in many cases there is a need for refractories It consists of materials that have a higher electrical resistance than already known have refractory materials. There are also refractory materials that act as contact electrodes can be used for the molten glass.

In diesen Fällen ist es notwendig, die elektrische Leitfähigkeit des feuerfesten Materials der Elektroden zu erhöhen, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Es gibt auch andere Anwendungsmöglichkeiten, bei denen aus einer Erhöhung oder Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit der dabei verwendeten feuerfesten Materialien ein Nutzen gezogen werden kann.In these cases it is necessary to check the electrical conductivity of the Refractory material to increase the electrodes in order to extend their life. There are also other uses where there is an increase or decrease the electrical conductivity of the refractory materials used Benefit can be drawn.

Erfindungsgemäß kann nun die elektrische Leitfähigkeit eines feuerfesten Materials erhöht oder vermindert werden, ohne daß dabei ein merklicher Einfluß auf die Fähigkeit des feuerfesten Materials, dem Angriff der Stoffe zu widerstehen, denen das feuerfeste Material ausgesetzt ist, ausgeübt wird. So ist z.B. die Leitfähigkeit von reinem Chrom (III)-Oxid bei der Schmelztemperatur von Glas höher als die des geschmolzenen Glases. Man fand überraschenderweise, daß die Gitterstruktur des aus Chrom (III)-oxid bestehenden feuerfesten Materials so verändert werden kann, daß das Chrom (III)-oxid einen wesentlich größeren elektrischen Widerstand bekommt, wodurch der Stromverbrauch oder der Verlust von elektrischer Energie eines elektrisch beheizten Glasschmelzofens vermindert werden kann. According to the invention, the electrical conductivity of a refractory Material can be increased or decreased without this having a noticeable effect the ability of the refractory material to withstand the attack of the substances, to which the refractory material is exposed. So is the conductivity, for example of pure chromium (III) oxide at the melting temperature of glass higher than that of the molten glass. It was found, surprisingly, that the lattice structure of the Chromium (III) oxide existing refractory material can be modified so that the chromium (III) oxide is essential greater electrical resistance gets, reducing the power consumption or the loss of electrical energy of a electrically heated glass melting furnace can be reduced.

Dies wird durch Diffusion eines Dotierungsmittels in die Gitterstruktur von im wesentlichen reinen Chrom (III)-oxid-Teilchen unter Verminderung der Menge an Elektronenträgern in der Gitterstruktur, die für den Stromtransport zur Verfügung stehen, erreicht.This is done by diffusing a dopant into the lattice structure of essentially pure chromium (III) oxide particles with a reduction in the amount on electron carriers in the lattice structure, which are available for the transport of electricity stand, achieved.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß feuerfeste Materialien die sich bei Raumtemperatur als Isolatoren verhalten, bei den erhöhten Betriebstemperaturen der Öfen, in die sie eingebaut sind, merkliche Halbleitereigenschaft zeigen. According to the invention it has been found that the refractory materials behave as insulators at room temperature, at the elevated operating temperatures of the furnaces in which they are installed show noticeable semiconductor properties.

Bei Verwendung eines Dotierungsmittels, das einen Atomradius hat, der annähernd so groß ist wie der Atomradius der Metallatome im Kristallgitter der Teilchen des feuerfesten Materials, kann das Dotierungsmittel in das Gitter hinein diffundieren,ohne sich an den Korngrenzen wischen den Teilchen abnilagern, Wenn man die Reinheit der Gitterstruktur so kontrolliert, daß sie nur das gewünschte Dotierungsmittel enthält, und wenn man das Vorhandensein von Flußmitteln an den Korngrenzen ausschließt, so wird ein Körper hergestellt, der bei erhöhten Temperaturen eine veränderte elektrische Leitfähigkeit hat. Man fand z.B. beim Sintern einer Mischung von im wesentlichen reinen Chrom (III)-Oxid-Teilchen und einer kleinen Menge von Titanoxid, daß der spezifische elektrische Widerstand des so erhaltenen feuerfesten Materials merklich erhöht ist, so daß elektrische Glasschmelzofen nun für den gewerbsmäßigen Gebrauch möglich sind. Man fand, daß die Menge des zu verwendenden Dotierungsmittels die Menge, die in das Kristallgitter der Teilchen des feuerfesten Materials diffundiert,nicht wesentlich überschreiten darf, und daß diese Menge im allgeweinen der Löslichkeit des Dotierungsmittels in den Teilchen des feuerfesten Materials bei der Betriebstemperatur entspricht. When using a dopant that has an atomic radius, which is approximately as large as the atomic radius of the metal atoms in the crystal lattice of the Particles of the refractory material, the dopant can enter the grid diffuse without wiping at the grain boundaries when the particles are deposited the purity of the lattice structure is controlled so that it is only what is desired Contains dopants, and considering the presence of fluxes on the Excludes grain boundaries, a body is produced that can operate at elevated temperatures has changed electrical conductivity. One found e.g. during sintering Mixture of essentially pure chromium (III) oxide particles and a small one Amount of titanium oxide that the electrical resistivity of the thus obtained refractory material is noticeably increased, so that electric glass melting furnace now are possible for commercial use. It was found that the amount of to be used Dopant means the amount contained in the crystal lattice of the particles of the refractory Material diffuses, must not significantly exceed, and that this amount in the generally the solubility of the dopant in the particles of the refractory Material at the operating temperature.

Bei den meisten der dem Erfinder nach dem Stand der Technik bekannten feuerfesten Materialien wurden Sinterhilfen, manchmal Schrumpfungsmittel genannt oder Flußmittel verwendet, um entweder die Sintertemperatur herabzusetzen oder die Dichte des erzeugten feuerfesten Materials zu erhöhen. Man fand nun, daß diese Sinterhilfen nicht nur schädlich sind, sondern daß sie auch den erfindungsgemäß stattfindendensynergistischen Effekt verhindern. Unreinheiten haben daher bezüglich der erfindungsgemäß verwendeten Materialien einen entscheidenden Einfluß, und die Menge der unerwünschten Verunreinigungen muß innerhalb sehr enger Grenzen gehaiten werden. Most of those known to the inventor in the prior art Refractories have been called sintering aids, sometimes shrinking agents or flux is used to either lower the sintering temperature or the To increase the density of the refractory material produced. It has now been found that these sintering aids not only are they harmful, but also the synergistic effects taking place in accordance with the invention Prevent effect. Impurities therefore have with respect to those used according to the invention Materials have a decisive influence, and the amount of undesirable impurities must be kept within very narrow limits.

Da man fand, daß feuerfeste Materialien bei ihrer erhöhten Betriebstemperatur Halbleiter sind, erwies sich die folgende Theorie als nützlich. Die elektrische Leitfähigkeit der Halbleiter vom p-Typ ist in Defekten der Metallatome des Gitters begründet, und diese Defekte sind im Fall des feuerfesten Materials aus Chrom (III)-oxid negative, dreifach ionisierte Chrom-Leerstellen, die im folgenden mit #### bezeichnet werden. Da Sauerstoff das andere Gittermaterial darstellt, wird der Sauerstoff im Gitter durch das Kristall-Dampf-Gleichgewicht kontrolliert, wobei 0 bedeutet Sauerstoff auf einem Sauerstoffplatz und h stellt 0 positive Löcher dar.Since refractories have been found to be semiconductors at their elevated operating temperature, the following theory proved useful. The electrical conductivity of the p-type semiconductors is due to defects in the metal atoms of the lattice, and in the case of the refractory material made of chromium (III) oxide, these defects are negative, triple-ionized chromium vacancies, which are denoted in the following with #### are designated. Since oxygen is the other lattice material, the oxygen in the lattice is controlled by the crystal-vapor equilibrium, whereby 0 means oxygen on an oxygen site and h represents 0 positive holes.

Die Gleichgewichtskonstante der vorstehenden Gleichung wird daher durch dargestellt, wobei pO2 den Partialdruck des Sauerstoffs, p die Konzentration der positiven Löcher und die Defektkonzen- tration bedeutet.The equilibrium constant of the above equation is therefore given by where pO2 is the partial pressure of oxygen, p is the concentration of positive holes and the concentration of defects.

Für konstantes pO2 gilt K = [####] 2 p6. Wenn das reine Cr O3-Gitter durch ein Fremdatom mit höherer Wertigkeit als Cr dotiert wird, z.B. durch T. , ist die Bedingung für die elektrische Neutralität gegeben durch n + 3 [####] = p + 2 [###] + [###], wobei n die Konzentration der Elektronen, [###] die Konzentration der positiven doppelt ionisierten Sauerstoff-Leerstellen die die die Konzentration des auf einem Cr-Platz befindlichen positiv geladenen Dotierungsmittels Ti bedeutet. For constant pO2, K = [####] 2 p6 applies. If the pure Cr O3 grid is doped by a foreign atom with a higher valence than Cr, e.g. by T., the condition for electrical neutrality is given by n + 3 [####] = p + 2 [###] + [###], where n is the concentration of electrons, [###] the concentration of the positive double ionized oxygen vacancies which determine the concentration of the positively charged dopant located on a Cr site means Ti.

Unter Anwendung der Annäherungsmethode von Brower für die Bedingung der elektrischen Neutralität erhält man folgende modifizierte Gleichung: 3 [####] = p + [###], da K' = [####] 6 p6, folglich Man sieht sofort, daß mit wachsender Konzentration des Dotierungsmittels, [Ti##], p kleiner werden muß, um K' konstant zu halten. Da die elektrische Leitfähigkeit direkt proportional zu p ist, vermindert sich die elektrische Leitfähigkeit des feuerfesten Materials aus Cr203 vom p-Typ, wenn man Dotierungsmittel wie Ti++++, die eine höhere Wertigkeit als das Basismetall Cr+++ haben, verwenden.Using Brower's approximation method for the electrical neutrality condition, the following modified equation is obtained: 3 [####] = p + [###], since K '= [####] 6 p6, consequently It can be seen immediately that with increasing concentration of the dopant, [Ti ##], p must become smaller in order to keep K 'constant. Since the electrical conductivity is directly proportional to p, the electrical conductivity of the p-type Cr 2 O 3 refractory material decreases when dopants such as Ti ++++, which have a higher valence than the base metal Cr +++, are used.

Was für Titan gesagt wurde, geschieht auch bei Verwendung jedes anderen Materials mit einer höheren Wertigkeit als Cr+++, vorausgesetzt, daß diese Materialien einen Atomradius haben, der dem Atomradius des Chroms in genügendem Maße ähnlich ist, so daß das Material in das Chrom (III)-oxid- Gitter diffundieren kann. Mehr noch, die oben dargestellte Theorie gilt für jedes halbleitende Material vom p-Typ. What has been said for titanium also happens when using any other Materials with a higher valence than Cr +++, provided that these materials have an atomic radius sufficiently similar to the atomic radius of chromium is so that the material in the chromium (III) oxide Diffuse grids can. What is more, the theory presented above applies to any semiconducting material p-type.

Im Fall des Chroms können demnach folgende Materialien als Dotierungsmittel -zur Erhöhung des spezifischen Widerstands des aus Chromoxid bestehenden, feuerfesten Materials eingesetzt werden: Titan, Zirkon,liafnium, Vanadin, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Ruthenium, Osmium, Iridium, Silicium, Germanium und Zinn. Dabei sind Silicium, Germanium und Zinn Elemente der Gruppe IV, Titan, Zirkon und Hafnium Elemente der Gruppe IVa, Vanadin, Niob und Tantal Elemente der Gruppe Va, Molybdän und Wolfram Elemente der Gruppe VIa und Ruthen, Osmium und Iridium Elemente der Gruppe VIII.In the case of chromium, the following materials can accordingly be used as dopants -to increase the specific resistance of the refractory made of chromium oxide Materials used: titanium, zirconium, liafnium, vanadium, niobium, tantalum, molybdenum, Tungsten, ruthenium, osmium, iridium, silicon, germanium and tin. Here are silicon, Germanium and tin elements of group IV, titanium, zirconium and hafnium elements of the Group IVa, vanadium, niobium and tantalum elements of group Va, molybdenum and tungsten Group VIa elements and ruthenium, osmium and iridium group VIII elements.

Für den Fall, daß man wünscht, die Leitfähigkeit eines feuerfesten Materials vom p-Typ zu erhöhen, wendet man folgende Theorie an. Die Bedingung der elektrischen Neutralität ist erfüllt, wenn n + 3 [####] + [Mg##] = p + 2 [V##], wobei n die Konzentration der Elektronen, rMgCr] die Konzentration des auf Cr-Plätzen befindlichen, negativ geladenen Dotierungsmittels Mg und [V##] die Konzentration der positiven doppelt ionisierten Sauerstoff-Leerstellen bedeutet. In the event that one wishes, the conductivity of a refractory To increase p-type materials, one applies the following theory. The condition of the electrical neutrality is fulfilled if n + 3 [####] + [Mg ##] = p + 2 [V ##], where n is the concentration of electrons, rMgCr] is the concentration of the on Cr sites negatively charged dopant Mg and [V ##] the concentration of the positive double ionized oxygen vacancies.

Unter Verwendung der Näherungsmethode von Brower ergibt sich: folglich Diese Gleichung zeigt, daß p, die Anzahl der positiven Löcher1 mit wachsender Konzentration des Dotierungsmittels anwachsen muß, um K' konstant zu halten. Die elektrische Leitfähigkeit aller feuerfesten Materialien vom p-Typ wird daher durch Zugabe von Dotierungsmitteln mit einer niedrigeren Wertigkeit als das Gittermetall erhöht.Using Brower's approximation method, we get: consequently This equation shows that p, the number of positive holes 1 must increase with increasing concentration of the dopant in order to keep K 'constant. The electrical conductivity of all p-type refractories is therefore increased by adding dopants of a lower valence than the grid metal.

Die elektrische Leitung in feuerfesten Materialien vom n-Typ geschieht grundsätzlich mittels ionischer Defekte im Sauerstoff oder im negativen Element des Gitters des feuerfesten Materials. Der hauptsächliche ionische Effekt wird deshalb als V0 bezeichnet. Für das Kristallgleichgewicht gilt folgende Gleichung: wobei e' Elektronen darstellt.The electrical conduction in n-type refractories occurs basically by means of ionic defects in the oxygen or in the negative element of the refractory grid. The main ionic effect is therefore referred to as V0. The following equation applies to the crystal equilibrium: where e 'represents electrons.

Für die Gleichgewichtskonstante der vorstehenden Gleichung gilt: K = V##] n2 P02 1/2, wobei n die Konzentration der Elektronen, [V##) die Konzentration der positiven doppelt ionisierten Sauerstoff-Leerstellen bedeutet. The following applies to the equilibrium constant of the above equation: K = V ##] n2 P02 1/2, where n is the concentration of electrons, [V ##) the concentration of the positive double ionized oxygen vacancies.

Für konstantes PO2 gilt demnach K' = [V##] n².Accordingly, K '= [V ##] n² applies to constant PO2.

X sei das positive Element (Wertigkeit +3) des Gitters und Mg sei das Dotierungsmittel. Die Bedingung der elektrischen Neutralität ist erfüllt wenn: n + 3 [Vx'''] + Mgx'] = p + 2 [VO++]. Let X be the positive element (valence +3) of the lattice and let Mg the dopant. The condition of electrical neutrality is fulfilled if: n + 3 [Vx '' '] + Mgx'] = p + 2 [VO ++].

Nach der Näherungsmethode von Brower ergibt sich: Diese Gleichung zeigt, daß mit wachsender Konzentration des Dotierungsmittels n kleiner werden muß, um K' konstant zu halten. Für feuerfeste Materialien vom n-Typ gilt daher, daß die elektrische Leitfähigkeit sich durch Zugabe von Dotierungsmitteln, wie Mg , die eine niedrigere Wertigkeit als das Metall des Gitters des feuerfesten Materials haben, vermindert.Brower's approximation method gives: This equation shows that as the concentration of the dopant increases, n must become smaller in order to keep K 'constant. For refractory materials of the n-type, therefore, the electrical conductivity is reduced by the addition of dopants, such as Mg, which have a lower valence than the metal of the lattice of the refractory material.

MateriAlien, die eine höhere Wertigkeit als das Metall "X" des feuerfesten Materials haben, wie etwa Titan, seien im folgenden mit Ti++++ bezeichnet. Wenn man feuerfeste Materialien vom n-Typ mit den soeben beschriebenen Materialien Ti dotiert, so gilt folgende Gleichung für die Bedingung der elektrischen Neutralität: n + 3 [Vx'''] = p + 2 [VO++] + [Tix+] Nach der Näherungsmethode von Brower ergibt sich: folglich Diese Gleichung zeigt, daß mit Zunahme der Konzentration des Dotierungsmittels n kleiner werden muß, um K' konstant zu halten. Bei feuerfesten Materialien vom n-Typ steigt daher die elektrische Leitfähigkeit durch Zugabe von Dotierungsmitteln wie Ti mit eines--höheren Wertigkeit als das Metall des Gitters des feuerfesten t'aterial.s an.Materials that have a higher valence than the metal "X" of the refractory material, such as titanium, are referred to below as Ti ++++. When doping refractory materials of the n-type with the materials Ti just described, the following equation applies to the condition of electrical neutrality: n + 3 [Vx '''] = p + 2 [VO ++] + [Tix +] According to the approximation method from Brower we get: consequently This equation shows that as the concentration of the dopant increases, n must decrease in order to keep K 'constant. In the case of refractory materials of the n-type, the electrical conductivity therefore increases by adding dopants such as Ti with a higher valence than the metal of the lattice of the refractory material.

Erfindungsgemäß wurde bestätigt, daß sich feuerfeste Materialien, wenigstens qualitativ, tatsächlich in Ubereinstimmung mit der oben dargestellten Theorie verhalten, und daß es möglich ist, die elektrische Leitfähigkeit von feuerfesten Materialien sowohl vom p-Typ als auch vom n-Typ zu erhöhen oder herabzusetzen. Folgende Beispiele sollen der näheren Erläuterung dieser überraschenden Feststellung dienen. According to the invention it was confirmed that refractory materials, at least qualitatively, actually in agreement with the one presented above Theory behave and that it is possible to determine the electrical conductivity of refractories Increase or decrease both p-type and n-type materials. The following Examples are intended to provide a more detailed explanation of this surprising finding.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Beispiel 1 Dieses Beispiel zeigt, welche Verbesserung schon mit einer kleinen Menge des Dotierungsmittels erreicht werden kann, vorausgesetzt, daß das Gitter des feuerfesten Materials im wesentlichen rein ist. Description of the Preferred Embodiments Example 1 This Example shows what improvement with a small amount of the dopant can be achieved provided that the grid of refractory material in the is essentially pure.

Aus Pulvern mit einer Teilchengröße von annähernd einemv4m wird eine Mischung hergestellt, wobei die Mischung aus 99,5% eines Cr 203-Materials mit einer Reinheit von 99,9% und 0,5% Titandioxid, auch mit einer Reinheit von 99.9%, besteht. Nach gründlichem Durchmischen der Pulver wird durch Schütten der Pulver in Toluol ein Schlicker hergestellt, man verwendet dabei soviel Toluol, daß das Toluol annähernd 20 Volumenprozent der Mischung ausmacht. Dieses Material wird in eine Form aus gebranntem Gips gegossen (2,5 cm x 15,2 cm) und erst bei Raumtemperatur, dann in einem Trockenschrank bei 1490 C getrocknet. Das Material wird danach in einen Brennofen gelegt und der Brennofen wird langsam über einen Zeitraum von 24 Stunden aufgeheizt, bis er eine Temperatur von 16000 C erreicht hat. Der Brennofen wird 24 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Die Probe wird dann im Ofen abkühlen gelassen, worauf sie in Testwürfel mit einer Seitenlänge von 2,54 cm zerschnitten wird. Einander gegenüberliegende Würfelflächen werden mit Platinpulver aus J-Legierung bestäubt. Dann werden Folienblätter aus J-Legierung auf das Pulver gelegt und einzelne Platindrähte an die entsprechenden Folien aus J-Legierung angeschweißt. Der Probekörper wird dann in einen Ofen gelegt und die Temperatur wird erhöht, bis die J-Legierung schmilzt. Powders with a particle size of approximately one v4m become one Mixture produced, the mixture of 99.5% of a Cr 203 material with a 99.9% purity and 0.5% titanium dioxide, also with a purity of 99.9%. After thorough mixing of the powder, pour the powder into toluene a slip is produced using so much toluene that the toluene is approximately Makes up 20 percent by volume of the mixture. This material is made from fired in a mold Plaster cast (2.5 cm x 15.2 cm) and first at room temperature, then in a drying cabinet at 1490 C dried. The material is then placed in a kiln and the kiln is slowly heated up over a period of 24 hours, until it has reached a temperature of 16000 C. The kiln is open for 24 hours kept this temperature. The sample is then allowed to cool in the oven, whereupon it is cut into test cubes 2.54 cm on a side. Each other Opposite cube faces are dusted with J-alloy platinum powder. J-alloy foil sheets are then placed on top of the powder and individual platinum wires welded to the corresponding J-alloy foils. The test specimen is then placed in a furnace and the temperature increased until the J alloy melts.

Dann wird der Probekörper aus dem Ofen genommen und die überschüssige Folie wird von den (2,54cm) 2. messenden Endflächen des Würfels abgeschnitten. In der Mitte zwischen den Folienschichten wird seitlich durch den Würfel ein Loch von 6,4 mm gebohrt. In das Loch wird ein Thermoelement gesteckt. Verlängerungsdrähte aus Platindraht werden mit den zwei Zuleitungen aus Platindraht verbunden. Der Probekörper wird in einen Ofen gelegt und Leitfähigkeitsmessungen werden unter Verwendung einer Wheatstoneschen Brücke bei verschiedenen Temperaturen, die mittels des Thermoelements aufgezeichnet werden, durchgeführt. Die Leitfähigkeit des FErfels wird in Tabelle 1 neben der Probenbezeichnung "Beispiel 1" angegeben.Then the specimen is removed from the oven and the excess Foil is cut from the (2.54cm) 2. measuring end faces of the cube. In the middle between the foil layers will be a hole of laterally through the cube 6.4 mm drilled. A thermocouple is inserted into the hole. Extension wires made of platinum wire are connected to the two leads made of platinum wire. The test specimen is placed in an oven and conductivity measurements are made using a Wheatstone bridge at different temperatures by means of the thermocouple recorded. The conductivity of the iron is shown in table 1 next to the sample name "Example 1".

Zum Vergleich wurde das oben beschriebene Verfahren wiederholt,nur daß ein Probestück hergestellt wurde, das aus im wesentlichen reinem Cr203 - Pulver ohne Zusatz von 0,5% Dotierungsmittel hergestellt wurde. Die elektrische Leitfähigkeit dieser reinen Probe wird unter der Probenbezeichnung "reines Cr203"angegeben. For comparison, the procedure described above was repeated, only that a test piece was made which was made from essentially pure Cr203 powder was made without the addition of 0.5% dopant. The electrical conductivity this pure sample is indicated under the sample designation "pure Cr203".

Beispiel 2 Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt, nur daß anstelle des Dotierungsmittels Ti02 0,5% MgO-Pulver mit einer Reinheit von 99,9% verwendet werden. Die elektrische Leitfähigkeit dieses Probestücks wird in Tabelle 1 unter der Probenbezeichnung"Beispiel 2"angegeben. Example 2 The procedure of Example 1 is repeated except that instead of the dopant Ti02 0.5% MgO powder with a purity of 99.9% be used. The electric Conductivity of this specimen is given in Table 1 under the sample designation "Example 2".

Beispiel 3 Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt, nur daß die Pulvermischung, die zur Herstellung des Probestücks verwendet wird, 2,7 Gewichtsprozent TiO2 enthält. Die Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit dieses Probestücks beträgt annähernd das Dreifache der Verminderung, die durch Verwendung der 0,5% TiO als Dotierungsmittel in Beispiel 1 2 erzielt wird. Example 3 The procedure of Example 1 was repeated except that the powder mixture used to make the specimen, 2.7 percent by weight Contains TiO2. The decrease in the electrical conductivity of this specimen is approximately three times the reduction achieved by using the 0.5% TiO is achieved as a dopant in Example 1 2.

Beispiel 4 Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt, nur daß die Pulvermischung 5,2 Gewichtsprozent TiO2 enthält. Die elektrische Leitfähigkeit dieses Materials ist mit einer Erhöhung des Widerstands verbunden, die annähernd das Fünffache der Widerstanderhöhung beträgt, die in Beispiel 1 durch Zugabe von 0,5% TiO2 als Dotierungsmittel verursacht wird. Example 4 The procedure of Example 1 is repeated except that the powder mixture contains 5.2 percent by weight TiO2. The electrical conductivity this material is associated with an increase in resistance that approximates is five times the increase in resistance obtained in Example 1 by adding 0.5% TiO2 is caused as a dopant.

Beispiel 5 Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt, nur daß die Pulvermischung 5,0 Gewichtsprozent Nb205 mit einer Reinheit von 99,9% und 95,0 Gewichtsprozent Cr203 mit einer Reinheit von 99,9% enthält. Dds Probestück dieses Beispiels hat annähernd die gleiche elektrische Leitfähigkeit wie das Material von Beispiel 4. Example 5 The procedure of Example 1 is repeated except that the powder mixture 5.0 percent by weight Nb205 with a purity of 99.9% and 95.0 Contains percent by weight Cr203 with a purity of 99.9%. Dds specimen this Example has approximately the same electrical conductivity as the material of Example 4.

Beispiel 6 Das Verfahren von Beispiel 5 wird wiederholt, nur daß 5 Gewichtsprozent Ta205 verwendet werden. Dieses Material zeigt einen Zuwachs an elektrischer Leitfähigkeit, der dem des Materia2svon Beispiel 5 entspricht. Example 6 The procedure of Example 5 is repeated except that 5 percent by weight Ta205 can be used. This material indicates an increase electrical conductivity corresponding to that of the material 2 of Example 5.

Beispiel 7 Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt, nur daß die Pulvermischung aus 96 Gewichtsprozent SnO2 mit einer Reinheit von 99,9% und aus 4 Gewichtsprozent Nb205 besteht. Example 7 The procedure of Example 1 is repeated except that the powder mixture of 96 percent by weight SnO2 with a purity of 99.9% and consists of 4 percent by weight of Nb205.

Die elektrische Leitfähigkeit ist annähernd mehr als 10% größer als die Leitfälikgeit eines bekannten Materials mit der folgenden Formulierung: 97 Sn02, 1% CuO, 1% U03 und 1% Sb203.The electrical conductivity is approximately more than 10% greater than the conductivity of a known material with the following formulation: 97 Sn02, 1% CuO, 1% U03 and 1% Sb203.

Tabelle 1 Elektrische Leitfähigkeit der feuerfesten Steine (Ohm l Meter 1) Probe 12040C 126ooC 13160C 13710C 14270C Reines Cr203 5,26 5,41 5,78 6,25 6,90 Beispiel 1 1,84 2,56 3,55 4,54 5,81 Beispiel 2 13,51 13,33 13,16 12,99 12,82 E-Glas 0,36 0,66 1,14 1,89 2,60 Fig. 1 stellt die isometrische Darstellung eines elektrisch beheizten Glasschmelzofens dar, dessen Temperatur mittels Stromflusses durch das geschmolzene Glas aufrechterhalten wird. Table 1 Electrical conductivity of the refractory bricks (Ohm l Meter 1) Sample 12040C 126ooC 13160C 13710C 14270C Pure Cr203 5.26 5.41 5.78 6.25 6.90 Example 1 1.84 2.56 3.55 4.54 5.81 Example 2 13.51 13.33 13.16 12.99 12.82 E-glass 0.36 0.66 1.14 1.89 2.60 Fig. 1 represents the isometric view of a electrically heated glass melting furnace, its temperature by means of current flow is maintained by the molten glass.

Fig. 2 ist ein unvollständiger Querschnitt durch das Mauerwerk etwa entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 . In Fig. 2 bezeichnet die Ziffer 10 eine Schicht von Steinen der in Beispiel 4 angegebenen Zusammensetzung. Diese Steine sind annähernd 15 cm dick. Die Ziffer 12 bezeichnet eine Stützschicht, hergestellt aus Harbison-Walker-Superduty-Schamottesteinen mit einer Dicke von annähernd 30,5 cm. Die Elektroden 14 sind aus einem Material mit der Zusammensetzung, die in Beispiel 7 be- schrieben wurde, aus durch Schlickerguß hergestellten Stangen geformt worden. Diese Stangen erstrecken sich nach oben durch ringförmige Isolatoren 16 hindurch, die aus Harbison-Walker-Korund mittels Schlikerguß hergestellt wurden. Das Chrommauerwerk hat eine etwas geringere Leitfähigkeit als das E-Glas, das im Ofen zur Schmelze gebracht wird, und die Leitfähigkeit der Elektrode ist merklich höher als die von bisher verwendeten, bekannten Elektroden, die im wesentlichen aus reinem SnO2 bestehen. Fig. 2 is an incomplete cross-section through the masonry approximately along line 2-2 of FIG. 1. In Fig. 2, numeral 10 denotes a layer of stones of the composition given in Example 4. These stones are approximate 15 cm thick. Numeral 12 denotes a support layer made from Harbison Walker Superduty firebricks with a thickness of approximately 30.5 cm. The electrodes 14 are made of one material with the composition that is in Example 7 was written formed from bars made by slip casting. These rods extend up through annular insulators 16 made of Harbison-Walker corundum were produced by means of Schliker casting. The chrome masonry has a slightly smaller one Conductivity than the E-glass that is melted in the furnace and the conductivity the electrode is noticeably higher than that of the known electrodes used so far, which essentially consist of pure SnO2.

Fig. 3 der Zeichnungen zeigt einen feuerfesten Chromstein, der dem vorstehend beschriebenen ähnlich ist, wobei der Unterschied darin besteht, daß das Dotierungsmittel erst vor dem Brana auf die Innenfläche des Steins aufgebracht wurde, so daß nur die innere Oberfläche des Steins, die mit dem geschmolzenen Glas in Kontakt kommt, den höheren elektrischen Widerstand hat. Dieser Stein kann anstelle des vorstehend beschriebenen verwendet werden. Fig. 3 of the drawings shows a refractory chrome brick that the described above, the difference being that the Dopant was only applied to the inner surface of the stone before the brana, so that only the inner surface of the stone that is in contact with the molten glass comes, has the higher electrical resistance. This stone can be used in place of the prominent one can be used.

Man sieht nun, daß die Prinzipien der Erfindung zur Erhöhung oder zur Verminderung der Leitfähigkeit von feuerfesten Materialien angewandt werden können, ohne dabei die Widerstandsfähigkeit dieser Materialien gegenüber dem Angriff anderer Materialien zu verändern. Man sieht weiter, daß die Prinzipien der Erfindung nicht auf feuerfeste Materialien beschränkt sind, die Oxidgitter enthalten, sondern daß man sie auch auf feuerfeste Materialien aus Karbid, aus Nitrid, aus Sulfid, aus Borid, aus Silikat usw. für die Verwendung in Atmosphären, die mit solchen Materialien vereinbar sind, anwenden kann. It can now be seen that the principles of the invention to increase or used to reduce the conductivity of refractory materials can without losing the resistance of these materials to attack to change other materials. It is further seen that the principles of the invention are not limited to refractories containing oxide grids, but rather that they can also be used on refractory materials made of carbide, nitride, sulphide, of boride, silicate, etc. for use in atmospheres made with such materials are compatible, can apply.

Beispiele für andere feuerfeste Materialien sind: SiC, A1P, AlAs, GaP, AlSb, GaAs, InP, GaSb, InAs, InSb, Tonerde-Zirkon usw.Examples of other refractory materials are: SiC, A1P, AlAs, GaP, AlSb, GaAs, InP, GaSb, InAs, InSb, Alumina-Zircon, etc.

Zur Verwendung als Dotierungsmittel für die Erhöhung der Leitfähigkeit von Chrom (III)-oxid sind folgende Materialien geeignet: Lithium, Magnesium, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer und Zink. Lithium.ist ein Element der Gruppe Kupfer ein Element der Gruppe Ia, Zink ein Element der Gruppe IIa, Magnesium ein Element der Gruppe II, Mangan ein Element der Gruppe VIIa, und Eisen, Kobalt und Nickel sind Elemente der Gruppe VIII. For use as a dopant to increase conductivity of chromium (III) oxide, the following materials are suitable: lithium, magnesium, manganese, Iron, cobalt, nickel, copper and zinc. Lithium. Is an element of the group copper a Element of group Ia, zinc an element of group IIa, magnesium a Group II element, manganese a Group VIIa element, and iron, cobalt and nickel are Group VIII elements.

Die Dotierungsmittel sollten im allgemeinen in Mengen eingesetzt werden, die die Grenze ihrer Löslichkeit im Gitter des feuerfesten Materials bei der Betriebstemperatur nicht überschreiten. Die wirksamen Mengen liegen gewöhnlich zwischen 0,5 Gewichtsprozent und 5,5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des feuerfesten Materials. The dopants should generally be used in amounts which are the limit of their solubility in the lattice of the refractory material do not exceed the operating temperature. The effective amounts are usually between 0.5 percent by weight and 5.5 percent by weight, based on the weight of the refractory material.

Zusammenfassend werden gemäß der Erfindung feuerfeste Materialien geschaffen, die bei erhöhten Temperaturen spezielle Ilalbleitereigenschaften haben. Die elektrische Leitfähigkeit der feuerfesten Materialien wird durch Variieren der Defekte der Metall- oder Nichtmetallionen des Gitters verändert und die Reinheit wird kontrolliert, um eine Flußmittelwirkung an den Korngrenzen auszuschalten. Man kann erfindungsgemäß bei beliebigen halbleitenden,feuerfesten Materialien die elektrische Leitfähigkeit erhöhen oder vermindern, da die Theorie sowohl auf solche Materialien, bei denen Defekte in den Metallionen des Gitters auftreten, als auch auf solche Materialien, bei denen Defekte in den Nichtmetallionen auftreten, anwendbar ist. L e e r s e i t e In summary, according to the invention, refractory materials created that have special semiconductor properties at elevated temperatures. The electrical conductivity of the refractory materials is determined by varying the Defects of the metal or non-metal ions of the lattice changed and the purity is controlled to eliminate the effect of flux at the grain boundaries. Man can according to the invention with any semiconducting, refractory materials the electrical Increase or decrease conductivity, as the theory applies to both materials in which defects occur in the metal ions of the grid, as well as on such Materials in which defects occur in the non-metal ions is applicable. L. e e r e i t e

Claims (16)

Patentansprüche 1. Feuerfestes Material mit kontrollierter Leitfähigkeit, bestehend aus feuerfesten Teilchen mit einem Kristallgitter aus einem metallischen und einem nichtmetallischen Element, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter der vorstehend beschriebenen Teilchen ein Dotierungsmittel enthält, wobei das Dotierungsmittel einen Atomradius hat, der in ausreichendem Maße dem Atomradius des das Gitter bildenden metallischen Elements ähnlich.ist, so daß das Dotierungsmittel in das Gitter diffundiert,ohne sich an den Korngrenzen zwischen den Teilchen abzuscheiden, daß die Menge des Dotierungsmittels seine Löslichkeit in dem Gitter nicht wesentlich überschreitet, daß das feuerfeste Material an den Korngrenzen im allge E nen frei von als Flußmittel wirkenden Elementen der Gruppen I und II ist, und daß die Teilchen unter Bildung eines feuerfesten Körpers zusammengesintert werden, sowie ein granulöser Sinterkörper aus dem vorstehend bcachreebenen feuerfesten Material. Claims 1. Refractory material with controlled conductivity, consisting of refractory particles with a crystal lattice made of a metallic and a non-metallic element, characterized in that the grid is the particles described above containing a dopant, wherein the dopant has an atomic radius which is sufficiently close to the atomic radius of the lattice forming metallic element, so that the dopant diffuses into the lattice without to deposit at the grain boundaries between the particles that the amount of dopant its solubility in the grid does not significantly exceed that of the refractory Material at the grain boundaries is generally free of elements that act as flux of Groups I and II, and that the particles form a refractory body are sintered together, as well as a granular sintered body from the above bcachreebenen refractory material. 2. Feuerfestes Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Gitter bildenden Teilchen im wesentlichen rein sind und ein oxidisches Kristallgitter aus einem Element der Gruppen IV, V oder VI haben und daß das Gitter der vorstehend genannten Teilchen ein Dotierungsmittel mpt einer von dem das Gitter bildenden metallischen Element verschiedenen Wertigkeit enthält.. 2. Refractory material according to claim 1, characterized in that that the particles forming the lattice are essentially pure and oxidic Have crystal lattices from an element of groups IV, V or VI and that the lattice of the above particles a dopant mpt one of which the lattice forming metallic element of different valence contains .. 3. Feuerfestes Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gitterelement Chrom ist und daß das Dotierungsmittel aus Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadin, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram,Ruthen, Osmium, Iridium, Silicium, Germanium oder Zinn besteht. 3. Refractory material according to claim 2, characterized in that that the metallic lattice element is chromium and that the dopant is made of titanium, Zircon, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, molybdenum, tungsten, ruthen, osmium, iridium, Silicon, germanium or tin. 4. Feuerfestes Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gitterelement Chrom ist und daß das Dotierungsmittel aus Titan besteht. 4. Refractory material according to claim 2, characterized in that that the metallic grid element is chromium and that the dopant is titanium consists. 5. Feuerfestes Material nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Titan in einer Menge von 0,5 Gahichtsprozent bis annähernd 5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des feuerfesten Materials, vorliegt. 5. Refractory material according to claim 4, characterized in that that the titanium in an amount of 0.5 percent to approximately 5 percent by weight, based on the weight of the refractory material. 6. Feuerfestes Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gitterelement Zirkon ist und daß das Dotierungsmittel aus Ruthen, Lithium, Kobalt, Natrium, stadium, Calcium, Platin, Magnesium, Palladium, Scandium, Nickel,Yttrium, Kupfer, Chrom, Zink, Mangan, Cadmium, Eisen oder Indium besteht. 6. Refractory material according to claim 2, characterized in that that the metallic lattice element is zirconium and that the dopant consists of ruthenium, Lithium, cobalt, sodium, stage, calcium, platinum, magnesium, palladium, scandium, Nickel, yttrium, copper, chromium, zinc, manganese, cadmium, iron or indium. 7. Feuerfestes Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gitterelement Zirkon ist und daß das Dotierungsmittel aus Mangan besteht. 7. Refractory material according to claim 2, characterized in that that the metallic lattice element is zirconium and that the dopant is made of manganese consists. 8. Feuerfestes Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mangan in einer Menge von 0,2 Gewichtsprozent bis annähernd 5,9 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des feuerfesten Materials, vorliegt. 8. Refractory material according to claim 7, characterized in that that the manganese in an amount of 0.2 percent by weight to approximately 5.9 percent by weight, based on the weight of the refractory material. 9. Feuerfestes Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gitterelement Zinn ist und daß das Dotierungsmittel aus Vanadin, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Wismut oder Uran besteht. 9. Refractory material according to claim 2, characterized in that that the metallic lattice element is tin and that the dopant is vanadium, Niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, bismuth or uranium. 10. Feuerfestes Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gitterelement Zinn ist und daß das Dotierungsmittel aus Niob besteht. 10. Refractory material according to claim 2, characterized in that that the metallic lattice element is tin and that the dopant is made of niobium consists. 11. Feuerfestes Material nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Niob in einer Menge von 0,3 Gewichtsprozenten bis annähernd 5,5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des feuerfesten Materials1 vorliegt. 11. Refractory material according to claim 10, characterized in that that the niobium in an amount of 0.3 percent by weight to approximately 5.5 percent by weight, based on the weight of the refractory material1. 12, Feuerfestes Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gitterelement Chrom ist und daß das Dotierungsmittel aus Tantal besteht. 12, refractory material according to claim 2, characterized in that that the metallic grid element is chrome and that the dopant consists of tantalum. 13. Feuerfestes Material nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Tantal in einer Menge von 0,45 Gewichtsprozent bis annähernd 5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des feuerfesten Materials, vorliegt. 13. Refractory material according to claim 12, characterized in that that the tantalum in an amount of 0.45 percent by weight to approximately 5 percent by weight, based on the weight of the refractory material. 14. Feuerfestes Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gitterelement Chrom ist und daß das Dotierungsmittel aus Niob besteht. 14. Refractory material according to claim 2, characterized in that that the metallic lattice element is chromium and that the dopant is made of niobium consists. 15. Feuerfestes Material nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Niob in einer Menge von 0,25 Gewichtsprozent bis annähernd 5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des feuerfesten Materials, vorliegt. 15. Refractory material according to claim 14, characterized in that that the niobium in an amount of 0.25 percent by weight to approximately 5 percent by weight, based on the weight of the refractory material. 16. Anwendung des feuerfesten Materials nach Ansprüchen 1 bis 15 unter hohen Temperaturen, insbesondere als Auskleidungsmaterial oder als Elektrodenmaterial in elektrisch beheizten Glasschmelzöfen, wobei das Material in einen Halbleiter vom n- oder p-Typ übergeht und infolge der Zugabe eines Dotierungsmittels die elektrische Leitfähigkeit des Kristallgitters wirksam verändert wird, indem das Dotierungsmittel. 16. Application of the refractory material according to claims 1 to 15 at high temperatures, in particular as a lining material or as an electrode material in electrically heated glass melting furnaces, the material being converted into a semiconductor passes from the n- or p-type and as a result of the addition of a dopant the electrical The conductivity of the crystal lattice is effectively changed by adding the dopant. im Fall eines Halbleiters vom n-Typ zu Löchern im Gitter führt, während im Fall eines Halbleiters vomp-Typ freie Elektronen entstehen.leads to holes in the lattice in the case of an n-type semiconductor, while in the case of a semiconductor of the comp-type, free electrons are produced.
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WO2001060121A1 (en) * 2000-02-10 2001-08-16 Schott Glas Electrode for heating a melt, especially a glass melt

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