145667. lajstromszámú szabadalom • Eljárás alumíniumnitrid előállítására

2 145.667 Emellett magas hőmérsékleten az alumíniumoxid szén általi redukciójának reakciósebessége is növekszik, és minthogy a nitrogénnek a nitriddé átalakítandó tömeg belsejébe történő diffúziója nem eléggé gyors, az alumíniumoxid redukálást reakciója válik főreakcióvá. E reakció termékei részben megolvadó anyagok, amelyek a szemcsék egymáshoz ragadását okozzák; az így összeragadt tömeg, a pórusosság hiánya folytán gátolja a nitridképzési reakció teljessé válását, bármilyen hosszú ideig tartson is a kezelés. Ez a jelenség tehát különösen nagymértékben befolyásolja a termék minőségét; ilyen esetben a termék túlságosan sok alumíniumoxidot tartalmaz, másrészről viszont a részben megolvadt termékek összesülést okoznak, ami zavarja a kemence folytonos üzemét. A jelen találmány egyik jellemzője tehát az, hogy a nitridképzési 1750 C° alatti, előnyösen 1700 C° alatti hőmérsékleten folytatjuk le. Feltételezhető lenne, hogy a nitrogénárambau való hevítés időtartamának meghosszabbítása útján javítható lesz a kapott nitrid minősége, ami különösen az alumíniumoxid-tartalom csökkenésében fog megnyilvánulni. Az ezirányú kísérletek során azonban kitűnt, hogy ez az előny csak látszólagos, sőt hogy a hevítés huzamos időn át történő fenntartása a következő két hátránnyal jár: 1. Megnövekszik a már képződött nitridből és a szénből keletkező alumíniummonocianid elillanása folytán előálló veszteség, és ennek folytán a hatásfok csökken és az eltömődés veszélye megnövekszik. 2. Megnövekszik a szemcsék törékenysége, ami ugyancsak a hatásfok csökkenésével és az eltömődés veszélyével jár. A törékenység megnövekedését nemcsak az anyagnak az A1CN elillanása folytán .megnövekedett pórusossága okozza, hanem ez részben a nitrid rendezett és előrehaladó kristályosodásának is a következménye. Ezért kerülni kell szakaszos üzemű kemence esetében a nitridképző reakció továbbfolytatását azon az időponton túl, amikor a fejlődő és a kemencéből kilépő gáz szénmonoxid-tartalma már a rendes töltetlen kemence esetében fennálló értékre csökken, folytonos üzemű kemence esetében pedig a reakció továbbvitelét a kemencének azon a szakaszán túl, ahol nitriddé alakított termék a magas hőmérsékletű zónát elhagyja. Emellett kimutatható, hogy valamely meghatározott, 1800 C° feletti hőmérsékleten, ahol a nitridképzési reakció már számottevő sebességgel folyik, megadható a nitrogén egy olyan minimális áramlási sebessége, amelynél kisebbel nem ajánlatos dolgozni. Ugyanis, ha a kemence bármely helyén ennél kisebb a nitrogén áramlási sebessége,, akkor az alumíniumoxid-redukálási reakció túlnyomóvá válik a nitridképzési reakcióval szemben. Ebben az esetben pedig bekövetkeznek a fentebb említett hátrányos hőmérsékleti hatások, vagyis olvadékok képződnek, amelyek a szemcsék összeragadását és a kemencef.alakra való feltapaclásáí eredményezik és ezzel gyakorlatilag lehetetlenné teszik a nitridképzés teljes mértékű lefolytatását, bármilyen hosszú ideig is kezeljük még tovább a nitriddé alakítandó anyagot, minthogy a nitrogén nem képes már keresztüldiffundálni az összetapadt tömegen. Ezekre való tekintettel a találmány további fontos vonása a nitrogénáram sebességének korlátok között tartása. A nitrogénáram sebességét a kemence bármely részében könnyebben lehet a kritikus minimális érték felett tartani, ha olyan kemencét alkalmazunk, amelyben a töltet csaknem teljesen kitölti a nitrogénáram számára rendelkezésre álló keresztmetszetet. A porzás lehető legnagyobbmérvű elkerülése érdekében célszerű a kemence-töltetet 5 és 20 milliméter közötti átmérőjű agglomerált szemcsék alakjában alkalmazni. Valamely adott kemence és a rendelkezésre álló szemcsézett alumíniumoxid-szén keverék esetében, kísérletileg lehet meghatározni azt, hogy milyen nitrogénáram-sebesség felel meg gyakorlatilag annak a határnak, amelyen alul már nem folytatható biztonságosan az üzem; ezt a határt az jelzi, hogy a kemence belsejében már helyi összeolvadás és összesülés figyelhető meg. A nitrogénáram minimális megengedhető sebességének értéke nem adható eleve meg, mert ez az érték különböző tényezőktől és különösen a töltetben alkalmazott szén reakcióképességétől, a kemencében fennálló hőmérsékleteloszlástól, valamint attól függ, hogy a nitrogén egyenletesen járja-e át a töltetet. A megfelelő nitrogénáramsebesség kísérleti meghatározása során a kemencéből távozó gáz elemzési adatai szolgálhatnak támpontul. A nitrogén bevezetési sebességét oly módon kell megszabni, hogy a kemencéből kilépő gáz nitrogéntartalma nagyobb legyen, mint a legalacsonyabb hőmérsékletű nitridképzésű zóna hőmérsékletén fennálló egyensúlynak megfelelő nitrogéntartalom. így pl. ha a töltet legkevésbé felhevített pontján a hőmérséklet 1700 C°, akkor a kemencéből távozó gázok nitrogéntartalmának legalább 40%nak kell lennie. Ha a legkevésbé felhevített töltetrész hőmérséklete 1600 C°, akkor a távozó gáznak legalább 70% nitrogént kell tartalmaznia. Ezt a nitrogéntartalmat semmi esetre sem szabad túllépni; 1800 C° alatti hőmérsékleten megolvadás vagy összeragadás a kemencében már nem következik be. Az alumíniumoxid és szén keverékéből álló agglomerált szemcséknek eléggé pórusosaknak kell lenniük ahhoz, hogy a nitrogén behatolhasson a szemcsék belsejébe, mert különben a fent említett hátrányos jelenségek a szemcsék belsejében következnének be. A gyakorlatban kitűnő eredmények érhetők el 50%-os pórusosságú szemcsékkel, ez az. érték azonban igen tág határok között ingadozhat. Az ipari gyakorlatban a jelen találmány szerintihez hasonló típusú anyagátalakitási folyamatok esetében igen gyakran járnak el oly módon, hogy megnövelik valamely alkotórész sztöchiometriai vagy termodinamikai arányát, hogy jobban biztosítsák az ilyenfajta anyagátalakulások lefolyását. így az itt tárgyalt esetben fel lehetne tételezni, hogy az ipari gyakorlat követelményeinek is csak olyan szénfelesleg felel meg, amelyen a kísérletek