DE360038C

DE360038C - Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid oder komplexen Aluminiumnitrid enthaltenden Nitriden

Info

Publication number: DE360038C
Application number: DES53649D
Authority: DE
Original assignee: SGN
Current assignee: SGN
Priority date: 1913-11-20
Filing date: 1920-07-08
Publication date: 1922-09-29

Description

Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid oder komplexen Aluminiumnitrid enthaltenden Nitriden. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Binden von Stickstoff, welches darin besteht, daß man in der Hitze ein Ferroaluminium mit reinem Stickstoff oder mit Stickstoff in Mischung mit Gasen behandelt, die für die Reaktion geeignet oder unschädlich sind. Das Ferroaluminium kann auf beliebige Weise erhalten werden, beispielsweise durch Reduzieren von Tonerde oder Tonerdemineralien mit Kohle in Gegenwart von Eisen. Wenn man Tonerdeminerale anwendet, so enthält das Ferroaluminimum in metallischem oder Oxydzustand verschiedene Stoffe, wie Silicium, Titan usw., die in den Mineralien enthalten waren. Es kann auch Kohle, besonders im Zustande von Aluminiumkarbid enthalten.
Es ist bekannt (vgl. die amerikanische Patentschrift 8880:I4), Aluminiumnitride dadurch herzustellen, daß man eine Mischung von Tonerde, Kohle und einem Metall, das sich mit Aluminium zu legieren vermag, z. B. Eisen, in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre auf Rotglut (red heat) erhitzt. Bei diesem Verfahren bildet sich die Legierung des Aluminiums mit dem Metall (z. B. Ferroaluminium) im Laufe des Vorganges; man muß daher die Masse auf die sehr hohe Temperatur bringen, die für die Reduktion von Tonerde nötig ist, Bei dem vorliegenden Verfahren wird der Stickstoff an vorher erzeugtes Ferroaluminium gebunden, wodurch es möglich ist, bei einer weit niedrigeren Temperatur zu arbeiten als nach dem obengenannten Verfahren. In der amerikanischen Patentschrift 888044 ist allerdings angegeben, daß es genügt, die Masse (Tonerde, Kohle und ein Metall, beispielsweise Eisen) bis auf Rotglut (red heat) zu erhitzen; aber diese Angabe ist sehr unbestimmt, und es wurde durch Versuche festgestellt, daß man die Masse mindestens auf eine Temperatur von i ooo° erhitzen muß, um die Reaktion einzuleiten, worauf sie dank der von ihr entwickelten Wärme von selbst weitergeht.
Wenn man dagegen gemäß der vorliegenden Erfindung den Stickstoff an eine im voraus hergestellte Ferroaluminiumlegierung bindet, so ist festgestellt worden, daß die Temperatur, bei der -die Reaktion anfängt, -auf 55o bis 60o° ist. Die Temperatur steigt dann wegen des exothermen Charakters der Reaktion, man regelt aber die Zufuhr von Stickstoff derart, daß die Temperatur i ioo bis i i50° nicht überschreitet, bei welcher die Bindung des Stickstoffes an vorher erzeugtes Ferroaluminium erfolgt.
Andererseits haben ganz genaue Messungen gezeigt, daß Aluminiumnitrid sich erst von i 6oo° an bildet, wenn man den Stickstoff auf eine Mischung von Tonerde, Kohle und Eisen wirken läßt.
Es ist infolgedessen weit leichter, die Apparate bei der Temperatur dicht zu halten, bei der Stickstoff gemäß vorliegender Erfindung an vorher erzeugtes Ferroaluminium gebunden wird (Temperaturen von i ioo bis i i 5o°) als im Falle des bekannten Verfahrens, bei dem man die Klasse zu diesem Zweck auf i 6oo° bringen muß.
Das Ferroaluminium kann mit dem Stickstoff oder den stickstoffhaltigen Gasen in pulverförmigem Zustande behandelt werden, nachdem es bis zu einem passenden Grade zerkleinert ist.
Um die Reaktion auszuführen, kann man die Masse allein vorwärmen und die Gase kalt lassen oder umgekehrt. Z. B. könnte man die Masse als Pulver in ein Gefäß werfen, das Stickstoff enthält oder von einem Stickstoffstrom durchquert wird, derart, daß wenigstens einer der beiden reagierenden Stoffe - das Gas oder die feste Beschickung - erhitzt ist.
Das Erhitzen der reagierenden Stoffe kann auf jede bekannte Weise bewirkt werden, sei es elektrisch, sei es durch irgendwelche Verbrennung. Man könnte auch mittels eines Rohres den Stickstoff auf den Boden eines mit Ferroaluminium gefüllten und auf die gewünschte Temperatur erhitzten Tiegels führen Die Reaktion beginnt an der Stelle, wo der Stickstoff in das Ferroaluminium eindringt. Der Wärmeherd, der auf dem Boden des Tiegels geschaffen wird, verbreitet sich unter den günstigsten Bedingungen gegen die Oberfläche.
Um den Durchgang des Gases zu erleichtern und die Berührungsflächen zwischen dem Stickstoff und dem zu nitrierenden Stoff zu vergrößern, ist es vorteilhaft, das Ferroaluminium nach der Zerkleinerung in kleine Päckchen zu zerteilen, sei es, daß man es in kleinen Mengen in Papierstücke einhüllt, die verbrennen und die gesinterte Beschickung in Stückform zurücklassen, sei es, daß man den Körper von vornherein in Form von Stücken anwendet, die mit Hilfe irgendeines bekannten Bindemittels (Satzmehl, Stärke, Roggenmehl, Wasserglas usw.) hergestellt sind.
Anstatt das Ferroaluminium im festen Zustande zu nitrieren, könnte man es in flüssigem Zustande in dem Augenblick behandeln, wo es eben entstanden ist, wenn man die Hitze ausnutzen will, die es noch enthält. In diesem Fall kann die Masse in einen Konverter nach Art der Bessemerbirne gegossen werden, in den Stickstoff oder stickstoffhaltige Gase geblasen werden.
Das behandelte Ferroaluminium enthält, wie gesagt, andereElementewieSiliciumundTitan, die von den Verunreinigungen des Bauxits stammen, und selbst imstande sind, sich in Nitride zu verwandeln, wodurch sie ebenfalls zur Bindung des Stickstoffs beitragen.
Man kann ferner dem Ferroaluminium Stoffe zusetzen, die imstande sind, die Reaktion zu befördern, wie Oxyde, Sulfate und besonders Aluminiumfluorid oder Aluminiumkarbid. Statt dieses letztere zuzusetzen, kann man die Herstellung des Ferroaluminiums so leiten, daß es das Karbid enthält.
Beispiel i.
Ein Ferroaluminium mit 4.o Prozent Al wird gepulvert, auf i 25o° erhitzt und drei Stunden lang der Wirkung eines Stickstoffstroms unterworfen. Die erhaltene Masse enthält 2o Prozent Stickstoff. Beispiel 2.
Man behandelt in derselben Weise eine komplexe Eisenlegierung, die man durch Behandlung einer Mischung von Tonerdemineral, Koks und Eisen im elektrischen Ofen erhalten hat, wobei Koks und Eisen in dem gewünschten Verhältnis nebst einem geringen Überschuß zugesetzt werden, damit je nach der Zusammensetzung des Minerals Tonerde, Eisenoxyd, Kieselsäure und Titandioxyd gänzlich reduziert und die reduzierten Elemente in demEisen imVerhältnisvon i bis 2 Fe auf i von den übrigen Elementen aufgelöst werden.
Die nach einer ähnlichen Behandlung wie in Beispiel i erhaltene Masse enthält 18 bis 2o Prozent gebundenen Stickstoff, wenn man von Bauxit mit ungefähr.6o Prozent Al, 03 ausgegangen ist.
Als Oxydationsmittel, um die notwendige Reaktionstemperatur zu erreichen, kann man, wenigstens teilweise, die Wärmeentwicklung benutzen, die sich bei der Oxydation eines Teils der Masse des Ferroaluminiums ergibt. Um diese Wärmeentwicklung zu erhalten, erhitzt man die Masse entweder im ganzen oder nur an einer Stelle in Gegenwart von Oxydationsmitteln auf die Temperatur, die erforderlich ist, damit die Oxydation stattfindet. Die aus dieser Oxydation sich ergebende Wärmeentwicklung steigert die Temperatur immer weiter, bis die zur Bindung des Stickstoffs nötige Temperatur erreicht ist.
Um die Oxydation hervorzurufen, kann man alle bekannten Oxydationsmittel anwenden, wie chlorsaure Salze, Superoxyde, Nitrate usw. und sogar Luft.
Beispiel 3.
Man bringt eine Stelle der Masse auf eine Temperatur von etwa 8oo° und läßt einen Luftstrom darüber streichen. Der Luftsauer- Stoff ruft an dieser Stelle eine Oxydation hervor, und die von dieser entwickelte Wärme genügt, um die Masse an dieser Stelle auf eine Temperatur zu bringen, die zur Bindung des Stickstoffs ausreicht. Man ersetzt darauf den Luftstrom durch einen Stickstoffstrom,worauf die Reaktion durch die ganze Masse weitergeht, wie weiter oben angegeben.
Beispiel 4.
Man bringt Ferroaluminium auf eine Temperatur von einigen ioo° und wirft etwas chlorsaures Salz darauf. Die Entflammung des Chlorats und die darauffolgende Oxydation bringen die Masse an den Stellen,, auf die das Chlorat gefallen ist, auf eine Temperatur, die genügt, um die Bindung des Stickstoffs stattfinden zu lassen. Sie setzt sich dann von selbst fort.
Ferner ist die überraschende Feststellung gemacht worden, daß, wenn man dem Ferroaluminium eine gewisse Menge Calciumkarbid zusetzt, die Bindung des Stickstoffs beträchtlich lebhafter gemacht und verstärkt wird, so daß man das theoretische Verhältnis des Stickstoffs, den das in der Eisenlegierung enthaltene Aluminium zu binden vermag, ziemlich schnell erreichen und sogar überschreiten kann.
Bei der Herstellung von Ferroaluminium aus Bauxit, der gewöhnlich etwas Kalk enthält, kann sich nebenbei etwas Calciumkarbid bilden, aber selbst wenn es sich bildet, so ist die so erzeugte Menge geringer als diejenige, die man zuzusetzen hat, um die günstigste Wirkung zu erzielen.
Beispiel 5.
In einem Stickstoffstrom wurden in der Hitze 240 kg einer Mischung behandelt, die auf ioo kg eines 42 Prozent Aluminium enthaltenden Ferroaluminiums 2o kg Karbid mit 54 Prozent Ca C., enthielt. Abgestochen wurde ein Erzeugnis, das 4475 kg Stickstoff enthielt, d. h. io3,8 Prozent der theoretischen Stick-Stoffmenge, die das in der Eisenlegierung enthaltene Aluminium zu binden vermag.

Claims

PAT ENT-AN spRÜcHE: i. Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid oder komplexen Aluminiumnitrid enthaltenden Nitriden, dadurch gekennzeichnet, daß Stickstoff auf Ferroaluminium, das gegebenenfalls noch andere nitrierbare Stoffe, wie Silicium, Titan o. dgl. enthält, in der Hitze zur Einwirkung gebracht wird.
2. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß man das gepulverte Ferroaluminium kalt in eine heiße oder heiß in eine kalte stickstoffhaltige Atmosphäre schleudert.
3. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß man Sticlcstoff auf den Boden eines mit Ferroaluminiuin beschickten und auf die erforderliche Temperatur erhitzten Tiegel leitet.
4. Verfahren nach Anspruch i bis 3, gekennzeichnet durch den Zuschlag von Stoffen, die imstande sind, die Reaktion zu befördern, wie Oxyden, Sulfaten und besonders Aluminiumfluorid oder Aluminiumkarbid.
5. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Masse des Aluminiums im ganzen oder nur an einer Stelle bei Gegenwart von Oxydationsmitteln auf eine Temperatur bringt, die ausreicht, um eine partielle Oxydation hervorzurufen, wobei die von dieser entwickelte Wärme sodann die Temperatur bis auf die für die Stickstoffbindung notwendige Höhe steigert.
6. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Ferroaluminium eine gewisse Menge Calciumkarbid zusetzt.