DE229638C

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KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

KLASSE 12 f. GRUPPECLASS 12 f. GROUP

in KRISTIANIA.in KRISTIANIA.

Die Erfindung· betrifft ein Verfahren zur Darstellung von Siliciumnitrid durch unmittelbare Vereinigung von Silicium und Stickstoff.The invention relates to a method of representation of silicon nitride by the direct union of silicon and nitrogen.

Das Siliciumnitrid, welches bisher nicht Gegenstand fabrikmäßiger Darstellung gewesen ist, wurde bereits vor mehreren Jahren von Meh- ^! ner als eine besonders hochprozentige Stickstoffverbindung beschrieben, zu deren Darstellung Luftstickstoff verwendet werden könneThe silicon nitride, which so far has not been the subject of factory presentation, was already several years ago by Meh- ^! Ner described as a particularly high-percentage nitrogen compound, for the representation of which atmospheric nitrogen can be used

ίο und die als Ausgangsmaterial für die Darstellung anderer Stickstoffverbindungen verwertbar sei. Das von Mehne-r zur Darstellung angegebene Verfahren ist in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht unbefriedigend und hat wohl aus diesen Gründen gewerbliche Verwertung bisher nicht gefunden. Nach Mehner soll Stickstoff durch ein Gemenge von Silikaten mit Kohle hindurchgeleitet werden, das im elektrischen Ofen erhitzt wird. Hierdurch wird jedoch nur zum kleineren Teil Siliciumnitrid gebildet, indem die Gegenwart von Kohlenstoff die Bildung von Süiciumcarbidnitrid (Carbazotsilicium) veranlaßt, wie schon L. S ρ i eg e 1 gezeigt hat. Ferner ist die Trennung der etwa erhaltenen Stickstoffverbindungen von der gleichzeitig gebildeten Schlacke nur schwierig durchzuführen.ίο and used as the starting material for the representation other nitrogen compounds can be used. The one given by Mehne-r for illustration Process is unsatisfactory from a technical and economic point of view and has For these reasons, commercial exploitation has not yet been found. According to Mehner should nitrogen be passed through a mixture of silicates with coal, the heated in an electric oven. However, this only makes silicon nitride to a lesser extent formed by the presence of carbon causing the formation of silicon carbide nitride (Carbazot silicon), as L. S ρ i eg e 1 has already shown. Furthermore, the separation is the any nitrogen compounds obtained from the slag formed at the same time only with difficulty perform.

Diese Mängel werden gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch beseitigt, daß man Silicium in Dampf form bringt und mit Stickstoff von hoher Temperatur zusammenleitet. Hat der Stickstoff die genügend hohe Temperatur, erreicht man eine annähernd quantitative Herstellung von Siliciumnitrid. Für das Gelingen des Verfahrens hat es keine Bedeutung, ob sich das dampfförmige Silicium teilweise kondensiert, da die entstandenen Staubteilchen vollständig freischwebend sind und daher der Reaktion nicht hinderlich sind.These shortcomings are eliminated according to the present invention by Brings silicon in vapor form and merges it with nitrogen at high temperature. If the nitrogen has a sufficiently high temperature, an approximately quantitative one is achieved Manufacture of silicon nitride. It is of no importance for the success of the procedure whether the vaporous silicon partially condenses, as the dust particles formed are completely free-floating and therefore do not interfere with the reaction.

Das Verfahren wird zweckmäßig in unmittelbarer Verbindung mit der Gewinnung des Siliciums oder im Anschluß an Verfahren aus-, geführt, bei welchen Silicium als Nebenprodukt entfällt. Im ersteren Falle kann man. beispielsweise in der folgenden Weise verfahren.The process is expedient in direct connection with the extraction of silicon or following processes carried out in which silicon is a by-product not applicable. In the former case you can. for example, proceed in the following manner.

Ein Gemenge von Kieselsäure oder Silikaten mit der zur Reduktion der Kieselsäure nötigen Menge Kohle wird in einem geschlossenen elektrischen Ofen erhitzt, innerhalb oder außerhalb dessen ein Raum zur Aufnahme der bei der Reduktion gebildeten Gase und Dämpfe vorgesehen ist. Der Ofen steht durch einen Abzugskanal mit geeigneten Filtrier- oder Niederschlagskammern für das staubförmige Siliciumnitrid in Verbindung, und ferner münden in den Gasraum Leitungsrohre für die Zufuhr von Stickstoff. Diese Leitungen werden zweckmäßig so angeordnet, daß sie den Abzugskanal des Ofens umschließen oder von demselben umschlossen werden, um die Wärme der vom Ofen abziehenden Gase zur Erhitzung des Stickstoffs auszunutzen. Ferner ist es zweck- ·, mäßig, das oder die Zuleitungsrohre so anzuordnen, daß der einströmende Stickstoff eine wirbelnde Bewegung im Ofen erzeugt. (Der Stickstoff kann aber auch gegebenenfalls durch die Elektrode eingeführt werden, wozu dieselbe in der Art mit seitlichen Auslässen versehen wird, daß diese oberhalb der Beschickung, d. i. in die Ofenatmosphäre ausmünden.)A mixture of silica or silicates with the one needed to reduce the silica Lots of coal is heated in a closed electric furnace, inside or outside one of which is provided for receiving the gases and vapors formed during the reduction is. The furnace stands through a flue duct with suitable filtering or precipitation chambers for the powdery silicon nitride in connection, and furthermore conduit pipes open into the gas space for the supply of Nitrogen. These lines are expediently arranged so that they form the drainage duct of the furnace or to be enclosed by the same in order to use the heat of the gases drawn off from the furnace for heating of nitrogen. Furthermore, it is advisable to arrange the supply pipe (s) in such a way that that the inflowing nitrogen creates a whirling motion in the furnace. (The nitrogen can, however, also if necessary the electrode can be introduced, for which purpose it is provided with side outlets in the manner is that this is above the feed, d. i. open into the furnace atmosphere.)

Hin,There,

Durch die Reaktion zwischen der Kieselsäure und dem Kohlenstoff der Beschickung wird Silicium in Dampfform entwickelt; die Siliciumdämpfe und das gleichzeitig gebildete Kohlenoxydgas mischen sich im Reaktionsraum mit dem zugeleiteten vorgewärmten Stickstoff, der in einem großen Überschuß im Verhältnis zum Kohlenoxydgas zugeführt wird.
Bei der im Reaktionsraum herrschendenThe reaction between the silica and the carbon in the feed evolves silicon in vapor form; The silicon vapors and the carbon dioxide gas formed at the same time mix in the reaction space with the preheated nitrogen supplied, which is supplied in a large excess in relation to the carbon dioxide gas.
In the case of the prevailing in the reaction chamber

ίο hohen Temperatur treten die Siliciumdämpfe und der durch teilweise Kondensation derselben gebildete Siliciumstaub mit dem Stickstoff in Reaktion unter Bildung von Siliciumnitrid in Form eines feinen Staiibes, der zugleich mit dem Kohlenoxydgas, etwaigem überschüssigen Stickstoff und etwaigen gasförmigen Begleitern des eingeführten »Stickstoffs in die oben genannten Filtrier- oder Niederschlagskammern übertritt und hier aufgefangen wird. Wenn nötig,ίο high temperature occur the silicon fumes and the silicon dust formed by partially condensing them with the nitrogen in reaction with the formation of silicon nitride in the form of a fine steel, which at the same time with the carbon dioxide gas, any excess nitrogen and any gaseous companions of the introduced »nitrogen passes into the above-mentioned filtration or precipitation chambers and is caught here. If needed,

2.0 wird das so erhaltene Siliciumnitrid noch einem geeigneten Reinigungsverfahren unterzogen, z. B. Waschung, magnetische Scheidung ö. dgl. Der für das Verfahren nötige Stickstoff kann in genügend reinem Zustande aus der atmosphärisehen Luft erhalten werden durch Bindung von deren Sauerstoff in Form von Kohlensäure, z. B. in der Weise, daß man sie zur Verbrennung des im Verfahren gebildeten Kohlenoxyds benutzt. Die Kohlensäure wird an ein geeignetes Absorptionsmittel, ζ. Β. Wasser, Kalk ο. dgl., gebunden, wodurch eine hauptsächlich aus Stickstoff bestehende Atmosphäre erhalten wird.2.0, the silicon nitride obtained in this way is subjected to a suitable cleaning process, e.g. B. Washing, magnetic separation or the like. The nitrogen required for the process can be used in sufficient quantities pure state can be obtained from atmospheric air by binding of their oxygen in the form of carbonic acid, e.g. B. in such a way that they can be burned of the carbon oxide formed in the process is used. The carbonic acid is sent to a suitable one Absorbent, ζ. Β. Water, lime ο. Like., bound, making one mainly from Nitrogen existing atmosphere is maintained.

Das Verfahren kann beispielsweise mit HilfeThe method can, for example, help

einer Apparatanordnung, wie die in der Zeichnung dargestellte, ausgeführt werden. Es bezeichnet A einen elektrischen Elektrodenofen mit oberer Elektrode B und Bodenelektrode C. Der tiegelförmige Ofenraum ist mit einem Deckel D geschlossen und steht durch einen Abzugskanal E mit den Filtrier- und Niederschlagskammern F in Verbindung, an deren letzte sich eine Verbrennungsvorrichtung G anschließt, der Luft von außen durch die Leitung H zugeführt wird und die die Verbrennungsgase in einen Absorber K entläßt. Dieser steht durch eine Leitung M, in welche ein Ventilator L eingeschaltet ist, in Verbindung mit dem Ofenraum, in welchen sie durch eine tangential gerichtete Düse N mündet. Die Be-Schickung wird dem Ofen durch die öffnung O zugeführt.an apparatus arrangement such as that shown in the drawing. It denotes A an electric electrode oven with upper electrode B and the ground electrode C. The pan-shaped furnace chamber is closed by a lid D, and communicates through a discharge channel E with filtration and precipitation chambers F in connection, at the latest, a combustion apparatus G joins the air is supplied from the outside through the line H and which releases the combustion gases into an absorber K. This is in connection with the furnace chamber, into which it opens through a tangentially directed nozzle N , through a line M, in which a fan L is switched on. The feed is fed to the furnace through the opening O.

Das Verfahren kann auch im Anschluß an die Darstellung von Siliciden durchgeführt werden. . Wie bekannt, werden die Silicide, insbesondere Ferrosilicium, im elektrischen Ofen durch Reduktion von Kieselsäure oder Silikaten in Gegenwart der betreffenden Metalle oder deren Oxyde usw. dargestellt. Je nachdem bei diesen Verfahren der Ofen mit einer höheren oder niedrigeren Temperatur, mit mehr oder weniger gedecktem Bogen oder mit mehr oder weniger hochprozentigem Silicid arbeitet, wird unvermeidlich ein größerer oder geringerer Anteil des freigesetzten Siliciums (bis zu etwa 50 Prozent) verflüchtigt. Dieser Anteil ist bisher in Verlust gegangen. Indem man nun das beschriebene Nitridverfahren: Zusammenbringen der Siliciumdämpfe mit einem Stickstoffstrom und Leiten der Gase mit dem Nitridstaub nach Filtrier- oder Niederschlagskammern anschließt, kann man den bei der Silicidbildung der Bindung sich entziehenden Anteil des freigesetzten Siliciums vorteilhaft verwerten und so einen erheblichen Mangel der Silicidfabrikation beseitigen.The process can also be carried out following the preparation of silicides. . As is known, the silicides, especially ferrosilicon, are made in an electric furnace by reducing silica or silicates in the presence of the metals concerned or their oxides, etc. are shown. Depending on the oven with a higher or lower temperature, with more or less covered arch or with more or less high-proof silicide works, it inevitably becomes a greater or lesser one Part of the released silicon (up to about 50 percent) volatilized. This share is so far lost. By now using the nitride process described: Bringing together the silicon vapors with a stream of nitrogen and passing the gases with the nitride dust after filtration or precipitation chambers, one can use the silicide formation advantageously utilize the portion of the released silicon that escapes the bond and thus eliminate a considerable deficiency in the manufacture of silicides.

Die rein konstruktive Anordnung des Gasreaktionsraumes, der Stickstoffzuleitungen sowie der benutzten Vorrichtung zum Auffangen des Siliciumnitrids ist selbstverständlich den Verhältnissen jedes einzelnen Falles anzupassen, wie auch die zur Reaktion erforderlichen beiden Stoffe, Silicium und Stickstoff, auf irgend geeignete Weise beschafft werden können, sofern nur dafür gesorgt wird, daß sie auf die Reaktionstemperatur gebracht werden.The purely constructive arrangement of the gas reaction chamber, the nitrogen supply lines and the device used for collecting the silicon nitride is of course the circumstances to adapt to each individual case, as well as the two necessary to respond Substances, silicon and nitrogen, can be procured in any suitable way, provided it is only ensured that they are brought to the reaction temperature.

Claims

Patent Claims:

1. Process for the preparation of silicon nitride from the elements consisting in that silicon is first brought into vapor form and then with nitrogen from for the reaction required high temperature is brought together.

2. The method according to claim 1, characterized in that the treatment with Nitrogen is effected immediately following the formation of the silicon by the silicon evaporates at the moment of its release and outside of the formation mass with one consisting of nitrogen or mainly nitrogen and brought together an atmosphere heated to a sufficiently high temperature.

1 sheet of drawings.