DE1904185C - Verfahren und Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen nach Verneuil - Google Patents

Description

\ Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von einkristnllinem Material, insbesondere zur Züchtung von synthetischen Korunden und Spinellen.

Es ist bekannt, nach dem Verneuil·Verfahren Einkristalle in Birnen-, Stab- oder Scheibenform dadurch hurzustellon, daß man sehr feinkörnige, bei hohen Temperaturen schmelzende Stoffe, z. B. Metalloxide, mengenmäßig möglichst gleichmäßig einer Flamme zuführt, in der die einzelnen Partikeln flüssig werden, so daß diese — auf einen Keimkristall gelenkt — zu einem festen Körper erstarren, der — wenn günstige Bedingungen gegeben sind — ein Einkristall ist. Damit das Aufhellen der flüssigen Partikeln auf die Wachstumsfläche des sich bildenden Kristalls immer in derselben Zone der Flamme stattfindet, wird der entstehende Kristall langsam so nach unten aus der Flamme herausbewegt, daß die Geschwindigkeit dieser Bewegung gleich ist der Wachstumsgeschwindigkeit des sich bildenden Kristalls. ao

Dieses herkömmliche Verneuil-Verfahren, bei dem zum Schmelzen der Pulverpartikeln eine Knallgasflamme verwendet wird, hat den Nachteil, daß die erzeugten Einkristalle so starke Spannungen aufweisen, daß sie beim Löschen der Flamme, beim Abkühlen, auf dem Transport oder bei der Verarbeitung zerspringen oder daß Risse auftreten. Durch Aufspalten des Kristalls in der Ebene der optischen Achse oder durch nachträgliches Tempern kann man einen Teil der Spannungen beseitigen, ein Rest bleibt aber erhalten. Diese Spannungen werden durch die sehr ungünstige Temperaturverteilung in der Knallgasflarnme verursacht. Diese rührt daher, daß der Wasserstoff und tier zu seiner Verbrennung notwendige Sauerstoff sich in der Flamme mischen sollen. Dabei sind in der Flamme Zonen vorhanden, in denen ein Überschuß an Wasserstoff oder an Sauerstoff vorhanden ist. In diesen Zonen herrscht naturgemäß eine niedrigere Temperatur als it< den Zonen mit einer für die Verbrennen!' des WasserstolTcs guten Durt-Iirs-k.h»ig ;m günsligi.n Verhältnis. Besonders begünstigend für die Erzeugung von Spannungen in dem wachsenden Einkristall ist der das Pulver mitführende Sauerstoffstrom, der durch ein zentrales Rohr, das in einer engen Düse endet, in die Flamme gelangt und bis zur vollständigen Mischung mit dem Wasserstoff einen verhältnismäßig langen Weg zurücklegt. Dieser für die Verbrennung des Wasserstoffes noch nicht restlos verwendete Sauerstoff hat eine niedrigere Temperatur als die ihn umgebende Flamme. Da er auf die Mitte der Wachstumsflache des werdenden Einkristalls auftrifft, erzeugt er dort eine begrenzte Fläche niedrigerer Temperatur als in der umgebenden Zone der Wachstumsflüehe. Ähnlich verhält es sich in den Randzonen der Wachstumslläche, wo der verbrennende Wasserstoff unter Umständen infolge der noch unvollkommenen Durchmischung nicht genügend Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung hat. Dadurch kann auch hier eine Zone niedrigerer Tempcratur vorhanden sein, die ebenfalls das Entstehen von Spannungen im Kristall begünstigt.

Hin weiterer Nachteil der beim Verneuil-Verfahren verwendeten Knallj;asflamme besteht darin, daß infolge der unvollkommenen Durchniischung der beiden Gase der Heizwert des Brenngases schlecht ausgenutzt wird. Außerdem hat das Verneuil-Vcrfahrcn den Machteil, daß infolge der verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit des das Pulver mitführenden Sauerstoffes, insbesondere bei hohem Sauerstoffbedarf für die Herstellung von Kristallen mit großem Durchmesser, die Flamme turbulent wird und dadurch kein gezieltes Auftreflen der flüssigen Pulverpartikeln auf der schmelzflüssigen Spitze des Keimkristalls oder der scnmelzflUssigen Kuppe des wachsenden Einkristalls gewährleistet ist. Die Folge davon ist ein schlechter Ausnutzungsgrad des Pulvers. (Nach F.Ulimann, Enzyklopädie der Technischen Chemie, Bd. 6, S. 233, liegt die Ausbeute auf das Pulver bezogen beim Verneuil-Verfahren nicht höher als 60%).

Es sind Verfahren bekannt, durch deren Anwendung eine bessere Durchmischung der beiden Gase und eine bessere Ausnutzung des Heizwertes des Brenngases erreicht werden soll. So ist vorgeschlagen worden, den bekannten Verneuil-Brenner so abzuändern, daß durch ein um das'äußere Rohr herum angeordnetes drittes Rohr zusätzlicher Sauerstoff in die Flamme geleitet wird, der den Mangel an Sauerstoff in den Randzonen der Flamme ausgleicht. Durch diese Maßnahme wird zwar die Temperatur in den Randzonen der Flamme angehoben, es bleibt aber immer noch der Überschuß an kühlem Sauerstoff im Zentrum der Flamme, so daß durch diese Maßnahme eine Verhinderung des Entstehens von Spannungen im wachsenden Kristall nicht erreicht wird.

Nach einem anderen Vorschlag wird das den Sauerstoff und das Pulver führende zentrale Rohr des Verneuil-Brenners von einem Kranz gegen die Brennerachse geneigter Rohre umgeben, durch die das Brenngas so in die Flamme geleitet wird, daß eine bessere Durchmischung mit dem zentral eingeführten Sauerstoff erzielt wird. Zusätzlich bringt man durch die Zwischenräume zwischen den das Brenngas führenden Rohren noch Sauerstoff in die Flamme. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Durchmischung der Gast- gegenüber der ursprünglichen Brenneranordnung im Vtfneuil-Verfahren und damit die Temperaturverteilung in der Flamme verbessert werden und daß die Gefahr der Turbulenz durch die mögliche Verringerung der durch das zentrale Pulverrohr fließenden Sauerstoffmenge verkleinert wird. Ein Nachteil des vorgeschlagenen Brenners ist aber die durch die schräge Anordnung der das Brenngas führenden Rohre hervorgerufene spitze Flamme, die nur zur Herstellung von Kristallen mit geringem Durchmesser zu verwenden ist. Außerdem werden durch das schräge Auftreffen des zugeführten Brenngases auf das durch das zentrale Rohr gelührte Pulver die Pulverteilchen aufgewirbelt, so daß die Pulverausnutzung auch bei dieser Brennerpjiordnung maximal bei 60°/o liegt (Diplomarbeit V. Grämlich, TH Karlsruhe, 1966, S. 13).

Andere Vorschläge zur Verbesserung des Temperaturgradienten längs des horizontalen Flammendurchmessers sehen eine zusätzliche elektrische oder Gasheizung vor. Hierdurch, werden die Bedingungen in den Randzonen des wachsenden Kristalls verbessert, allerdings unter zusätzlichen Betriebskosten.

Bei einem Verfahren zur Züchtung von Einkristallen aus hochschmelzenden Stoffen, insbesondere Oxyden, durch Einblasen eines Pulvers aus Ausgangsstoffen mittels Sauerstoff in eine durch Verbrennung eines Brenngases mit Sauerstoff in einem Brenner entstandene Flamme durch ein zentral in die Flamme reichendes Pulverrohr, Schmelzen des Pulvers in der

Flamme, Niederschlagen der Schmelze auf einem Träger und fortschreitende Kristallisation dei Schmelze, nach Verneuil, treten die angeführten Nachteile nicht auf, wenn erfindungsgemäß das Brenngas vor dem Eintritt in die Flamme bereits mit dem Sauerstoff so yorgemischt ist, daß eine mit dieser Mischung erzielte Flammentemperatur wenig unteihalb des Schmelzpunktes des Pulvers läge und daß die tatsachliche Arbeitstemporatur durch die Bemessung des mit dem Pulver durch das zentrale Pulverrohr in die Flamme gegebenen Sauerstoffs erreicht wird.

Die Verwendung von vorgemischten Gasen in Brennern ist aus der Heizungs- und Schweißtechnik bekannt. Hier kommt es aber im Gegensatz zur Einkristallzüchtung nicht auf eine möglichst ge.ringe Flammengeschwindigkeit und auf eine extreme Laminarität in der Flamme an. Es ist daher nicht möglich, die Kennzeichnungen der in der Heizungsund Schweißtechnik verwendeten Brenner auf diejenigen zu übertragen, die für das erfindungsgemäße Verfahren zur Einkristallzüchtung eingesetzt werden müssen.

Da die vorgemischten Gase bei Entzündung in den Leitungen brennbar sind, muß ein Zurückschlagen der Flamme in den Brenner verhindert werden. Das wird bei einem zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens geeigneten Brenner erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Gaszuführungskanäle einen solchen Gesamtquerschnitt haben, daß die Austrittsgeschwindigkeit der vorgemischten Gase größer ist als die Verbrennungsgeschwindigkeit dieses Gasgemisches und dadurch ein Zurückschlagen der Flamme, insbesondere beim Löschen, in die Brennerkammer nicht möglich ist.

Die Vormischung des Brenngases mit Sauerstoff kann außerhalb, vor dem Eintritt in den Brenner oder im Brenner selbst erfolgen. Zur Verminderung der Gefahr des Auftretens von Turbulenzerscheinungen i" de· Flamme wird man die Vormischung außerhalb des Brenners bevorzugen, so daß das Gasgemisch ohne Wirbelbi'dung zwischen Mischkammer und Eiinna m die Flamme fließen kann. Beim Betrieb eines einzigen Brenners kann es zur Vereinfachung der Apparatur zweckmäßig sein, das Brenngas mit dem benötigten Sauerstoff im Brenner zu mischen. Beim Betrieb einer Reihe von Brennern wird man du- Gasmischung außerhalb der Brenner für alle Brenner gemeinsam herstellen. Dabei ist es notwendig, eine Flammenrückschlagsicherung in jede Zuleitung einzubauen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dienen Ausführungsbeispiele, die im folgenden an Hand der Fig. 1 bis 4 beschrieben werden:

Fig. 1 stellt den schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner dar;

Fig. 2a zeigt einen schematischen Schnitt durch den Brenner in Höhe des Abstandsringes mit einer Anzahl Bohrungen auf einem konzentrierten Kreis um das Pulverrohr;

Fig. 2b zeigt denselben Schnitt durch den Abstandsring mit Bohrungen auf zwei konzentrischen Kreisen;

Fig. 2c stellt einen Abstandsring dar mit einem ringförmigen, konzentrisch um das zentrale Pulverrohr angeordneten Austrittsschlitz für die vorgemischten Gase;

F i g. 3 zeigt wieder einen Längsschnitt durch einen Brenner mit zur Austrittsöffnung hin erweiterten Bohrungen;

Flg. 4 stellt einen Brenner dar, in dem die Bohrungen für die Zuführung des Brenngasgemisches

s gegen die Brennerachse geneigt sind,

In einem Rohr 2 befindet sich konzentrisch angeordnet das mit einer bekannten Pulverdosiervorrichtung, in die zur Beförderung der Pulverpartikeln Sauerstoff eingeleitet wird, verbundene Pulyerrohr t,

ίο welches in einer Düse S, dwen Form für die Durchführung des erfindungsgemiißen Verfahrens unbedeutend ist, die aber zweckmäßig aus der unteren Fläche des Abstandsringes. 3 um einige Millimeter, vorzugsweise zwischen 3 und 10 mm, hervorragt,

>5 endet. Durch die Rohrzuführung 6 strömt das mit dem Sauerstoff bereits gemischte Brenngas in die Brennkammer 7, die ein möglichst kleines Volumen haben sollte, damit bei irrtümlich oder fehlerhaft zu niedriger Austrittsgeschwindigkeit des Mischgases

ao aus den Bohrungen (Fig. 2a, 2b) oder Schlitzen (F i g. 2 c) 4 die Explosionsgefahr so gering wie möglich gehalten wird. Aus der Kammer 7 strömt das Gasgemisch durch die Kanäle 4, die in ihren Abmessungen so zu wählen sind, daß die Austrittsgeschwin-

digkeit des Gasgemisches größer ist als seine Verbrennungsgeschwindigkeit. Zur Verringerung der Austrittsgeschwindigkeit ist es möglich, die Kanäle 4 auf der Brennkammerseite des Abstandsringes 3 in ihren radialen Abmessungen so eng auszuführen, daß die Rückschlagmöglichkeit sicher ausgeschlossen ist, und an der Austrittsseite des Abstandsringes 3, so wie es in F i g. 3 angedeutet ist, größer auszuführen, so daß eine sehr ruhige Flamme entsteht. Der aus der etwas vorgezogenen Düse 5 mit geringer Ge-

schwindigkeit ausströmende Sauerstoff tritt in die bereits brennende Flamme ein und erhöht die Flammenlemperatur so weü, wie es nnjh Art und Durchmesser des zu züchtenden Kristalls notwendig ist. Die Zusammensetzung Jes vnrgemischten Gases bleibt während des ganzen Züchlun^svonvingv-.·. 'κ*ή·- stant. Die Beeinflussung des i-vristaüdurchmcbSei-Ji beson:ie-<i beirr WscbMurnsb^iKi, wiru nut über uie durch das zentrale Rohr I zusammen mit dem Pulver zugeführte Sauerstoffmenge geregelt.

F i g. 4 deutet die Möglichkeit an, daß man alle oder einen Teil der Bohrungen oder Schlitze 4 so anordnet, daß in den anders als parallel zur Brenncrachse angeordneten Kanälen dem austretenden Gasstrom eine Richtung gegeben wird, die gegen die Brennerachse geneigt ist. Dadurch ist es möglich, den Flammenquerschnitt in der Zone der Kristallzüchtung bei gleichbleibendem Brennerdurchmesser fast beliebig zu verändern.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeichneten Ausführungen beschränkt. Insbesondere wäre es möglich, dem Brenner eine rechteckige oder ovale Form zu geben, die geeignet ist, statt der Birnen- oder Stabform eine Band- oder Plattenform des Kristalls zu erreichen.

no Auch wäre es möglich, die in ilen F ι g. 2 b, 2 c, 3 und 4 angedeuteten Kanäle so auszuführen, daß sie unterhalb der Brennerkammer 7 beginnend, sich konisch bis zur AustrittsölTiuing erweitern.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Züchtung von Hinkristallen aus hochschmelzenden Stollen, insbesondere Oxyden, durch Einblasen eines Pulvers aus Aus-

gangsstoffen mittels Sauerstoff in eine durch Verbrennung eines Brenngases mit Sauerstoff in einem Brenner entstandene Flamme durch ein zentral in die Flamme reichendes Pulverrohr, Schmelzen des Pulvers in der Flamme, Niederschlagen der Schmelze auf einem Träger und fortschreitende Kristallisation der Schmelze, nach Verneuil, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas vor dem Eintritt in die Flamme bereits mit dem Sauerstoff so vorgemischt ist, daß eine mit dieser Mischung erzielte Flammentemperatur wenig unterhalb des Schmelzpunktes des Pulvers läge und daß die tatsächliche Arbeitstemperalur durch die Bemessung des mit dem Pulver durch das zentrale Pulverrohr in die Flamme gegebenen Sauerstoffes erreicht wird.

2. Brenner zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus zwei konzentrisch angeordneten Rohren, wobei das zentrale Rohr für die Pulver-Sauerstoff-Zuführung dient, und einem Abstandsring zwischen den Rohren, in welchem sich Gaszuführungskanäle für das Gemisch befinden und der eine Brennerkammer, die vom äußeren Rohr umschlossen ist, durch die das innere Rohr hindurchführt und in die eine Fin'citung für das Brenngas-Sauerstoff-Gemisch mündet, von der Flamme trennt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasführungskanäle (4) einen solchen Gesamtquerschnitt haben, daß ein Zurückschlagen der Flamme in die Brennerkammer (7) nicht möglich ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekenn-

zeichnet, daß das zentrale Pulverrohr in einer Düse endet, die einige Millimeter, vorzugsweise 3 bis 10 mm, weit aus dem Abstandsring mit den Gaskanälen in die Flamme hineinragt.

4. Brenner nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Abstandsring vorhandenen Gasführungskanäle parallel zur Brenneraclise verlaufen.

5. Brenner nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Abstandsring vorhandenen Gasführungskanäle alle, oder einige von ihnen, gegen die Brennerachse geneigt sind, so daß durch diese Neigung eine Konzentrierung oder eine Verbreiterung der Flamme zu erreichen ist.

6. Brenner nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasführungskanäle zylindrische Bohrungen sind, die auf einem odei mehreren konzentrisch um die Brennerachse verlaufenden Kreisen angeordnet sind.

7. Brenner nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasführungskanäle konzentrisch um die Brennerachse angeordnete teilkreisförmige Schlitze, auf einem odei mehreren konzentrisch um die Brennerachse ver laufenden Kreisen angeordnet, mit gleichbleiben der Breite sind.

8. Brenner nach den Ansprüchen 4 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Kanäle sich voi der Brennerkammer ausgehend stetig koniscl oder sprunghaft bis zur Austrittsöffnung er weitern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen