專利名稱:用氧化鋁的碳-氮共滲連續(xù)生產(chǎn)高純度超細(xì)粒的氮化鋁粉末的方法
理論上，制備氮化鋁最簡單的方法是在有氮的情況下加熱鋁金屬即可;此方法叫做直接氮化。但是實(shí)際上，此方法比初看起來要困難得多。因?yàn)殇X在660℃左右熔化，并且一般在800℃左右開始鋁和氮的反應(yīng)，所以在所應(yīng)開始之前，鋁金屬要熔化和聚結(jié)成熔液池，從而阻止反應(yīng)物的緊密接觸。而且，一旦形成熔液池，該氮化鋁覆蓋層將起阻止進(jìn)一步反應(yīng)的表面層或障礙物的作用。這樣由于存在大量沒有反應(yīng)的鋁，所以得到的產(chǎn)率很低，并且氮化鋁產(chǎn)品的純度差。
氮化鋁也可以通過氮與氧化鋁和碳的混合物反應(yīng)而得到，這種方法會(huì)使反應(yīng)溫度升至高溫。為了實(shí)際上達(dá)到氧化鋁充分轉(zhuǎn)變成氮化物，重要的是溫度不能超過1800℃，同時(shí)保證有足夠的氮?dú)馐冀K流過裝滿固體原料爐料的整個(gè)空間。任何過熱會(huì)使反應(yīng)效率降低，對成品質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響，并且可以引起燒結(jié)而阻止?fàn)t子連續(xù)操作。缺氮，甚至局部缺氮會(huì)使熔化的爐料部分燒結(jié)，從而不可能使氮化操作進(jìn)行完全。
由于上述一些問題，因此商品氮化鋁是非常昂貴的。通常用二步操作使鈍粉末(大約300目)氮化的方法生產(chǎn)氮化鋁。首先，在600℃左右使鋁粉氮化一段時(shí)間而形成氮化鋁的覆蓋層，從而防止金屬熔滴聚結(jié)。隨后在大約1200～1400℃溫度下進(jìn)行第二次的氮化處理。在1200～1400℃氮化處理的產(chǎn)品對水分是不穩(wěn)定的，很容易水解。為了使產(chǎn)品穩(wěn)定，要求在2000℃進(jìn)行附加熱處理。簡而言之，該方法是少慢差費(fèi)的。
Victor Mandorf，Jr的美國專利3，307，908號介紹了另外一種制備氮化鋁的方法，該方法包括形成一種混合物，該混合物由30～60(重量)鋁金屬粉末和70～40%(重量)載體材料粉末組成。該載體材料選自氮化鋁、氟化鋁、及其混合物。在此方法中，在混合物的周圍提供了一種氮化氣氛，該氣氛對氮化鋁是不活潑的，并且不含有影響氮化的氧和其他物質(zhì)。一般來說，該氮化氣氛由氮和氨的混合物組成。然后在上述的氣氛下把該混合物加熱到至少800℃，從而使鋁氮化成氮化鋁。
在Clair的美國專利3，032，398號中，介紹了又一個(gè)制備氮化鋁的方法。此方法包括形成由氧化鋁、碳和鋁酸鈣粘結(jié)劑組成的顆粒材料，使顆粒材料由重力作用向下連續(xù)地進(jìn)入細(xì)長的外加熱反應(yīng)區(qū)，其中將顆粒材料均勻地加熱到不超過1750℃的溫度，使氮?dú)饬鬟B續(xù)地進(jìn)入上述的反應(yīng)區(qū)，與下降的顆粒材料形成對流，從而形成氮化鋁。在clair專利的方法中，使用電加熱的豎爐來進(jìn)行此反應(yīng)，并且要求一定數(shù)量的鋁酸鈣(aluminate of lime)、粘結(jié)劑，以防止氮化鋁在整個(gè)氮化過程中的分解。該粘結(jié)劑導(dǎo)致結(jié)殼形成，阻止氧化鋁一碳顆?；驁F(tuán)塊正常地向下流動(dòng)。該體系也要求反應(yīng)溫度保持在1750℃或低于此溫度。似乎如果該反應(yīng)溫度不保持得這樣低，那末反應(yīng)物不易磨粹，并且不能用于它的規(guī)定用途。
人們可以發(fā)現(xiàn)，Clair專利的必要條件是采用對流的電加熱豎爐進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)氮化鋁的結(jié)果。clair介紹的加熱豎爐并不是進(jìn)行這種反應(yīng)的良好反應(yīng)容器，Clair在1750℃以下進(jìn)行該方法，以防止團(tuán)塊燒結(jié)，團(tuán)塊燒結(jié)會(huì)影響氮?dú)饬飨蚱渲行牟课?，在此反?yīng)容器內(nèi)氣體與顆粒不能很好混合，并且常常發(fā)生局部缺氮。此因素以及由于爐殼內(nèi)的電阻加熱反應(yīng)容器產(chǎn)生額外的不均勻加熱，使吸熱轉(zhuǎn)變反應(yīng)停止，引起爐料過熱并使?fàn)t料沿反應(yīng)器壁熔化在一起。一旦所有爐料或部分爐料熔化，豎爐操作就變得困難，因?yàn)闋t料不再自由流動(dòng)。此外在爐子的冷凝器(1200～1300℃)部件中形成的鈣和碳的硬殼阻礙了團(tuán)塊正常地向下流動(dòng)。總之，電加熱豎爐受到氣體與團(tuán)塊混合不良、熱量的不均勻性和團(tuán)塊流動(dòng)問題的影響。
在過去，對于氟化鈣之類催化劑，或者不用，或者用了無效。在美國專利號3，032，389中，Clair提到采用鋁酸鈣作造粒的粘結(jié)劑，不過并沒有提到制造催化劑。氟化鈉已被用作鋁粉直接氮化的催化劑。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供制備氮化鋁的方法和裝置，該方法能夠得到高的生產(chǎn)率和極鈍的產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用碳-氮共滲制備氮化鋁的連續(xù)方法和裝置，該方法可以得到高的生產(chǎn)率和極鈍的產(chǎn)品。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供用氧化鋁的碳-氮共滲制備氮化鋁的方法和裝置，從而可以得到高的生產(chǎn)率、極純的產(chǎn)品和成本低的產(chǎn)品。
本發(fā)明第四個(gè)目的是供提用氧化鋁的碳-氮共滲低成本制備氮化鋁的方法與裝置，其中使用一種催化劑，使反應(yīng)在1600～1850℃范圍溫度下進(jìn)行。
本發(fā)明是用氧化鋁的碳-氮共滲制造高純度、超細(xì)氮化鋁的多步驟綜合法。此方法包括形成粒度和化學(xué)成分均勻的團(tuán)塊，團(tuán)塊含有化學(xué)計(jì)量的氧化鋁和碳的混合物，并加入了少量催化劑，精確控制這些團(tuán)塊在能均勻混合的反應(yīng)容器內(nèi)的加熱而達(dá)到均勻一致的轉(zhuǎn)化水平，并且在控制氣氛中將已反應(yīng)的團(tuán)塊磨碎，產(chǎn)生高純度、微米級的粉末。
圖1 是本發(fā)明方法的流程圖;
圖2 是流化床反應(yīng)器縱向剖視圖，該反應(yīng)器是本發(fā)明方法優(yōu)選的反應(yīng)容器;
圖3 是圖2所示的流化床反應(yīng)器的泡罩蓋的平面圖;
圖4 是圖2所示的流化床反應(yīng)器的泡罩縱向剖視圖。
通過下面的全反應(yīng)進(jìn)行氧化鋁的碳-氮共滲
當(dāng)適當(dāng)?shù)乜刂粕厦娴姆磻?yīng)時(shí)，此反應(yīng)可以用來生產(chǎn)純度超過99%的微米級的氮化鋁粉末。
高純度氮化鋁可以由幾種高溫方法生產(chǎn)?；剞D(zhuǎn)爐、填料床式反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器已經(jīng)是屬于成功之列。流化床反應(yīng)器方法對于以連續(xù)方式生產(chǎn)大量高純度的氮化鋁是理想的。
連續(xù)流化床反應(yīng)器作為一種理想的氧化鋁碳-氮共滲的操作反應(yīng)器有如下原因。流化床反應(yīng)器將提供團(tuán)塊與氣相極好的混合，氣體利用率高。由于團(tuán)塊和氣體優(yōu)良的混合，使反應(yīng)器的溫度分布十分均勻。良好的熱混合引起均勻的反應(yīng)，與反應(yīng)在這其間是否放熱或吸熱無關(guān)。如果按照在這里所介紹的那樣正常地產(chǎn)生氧化鋁一碳顆粒，當(dāng)采用連續(xù)流化床時(shí)，那末這些因素將引起始終是高而均勻的轉(zhuǎn)化程度。鑒于本發(fā)明方法采用的流化床反應(yīng)器為優(yōu)選的反應(yīng)容器，下面將進(jìn)一步介紹本發(fā)明的方法。
本發(fā)明方法包括形成粒度和化學(xué)成分均勻的團(tuán)塊，團(tuán)塊含有化學(xué)計(jì)量的氧化鋁和碳的混合物及少量催化劑，包括精確控制這些團(tuán)塊在能均勻混合反應(yīng)容器中的加熱而達(dá)到均勻一致的轉(zhuǎn)化水平，并且在極好的控制氣氛中將已反應(yīng)的團(tuán)塊磨粉，產(chǎn)生高純度、微米級的粉末。本發(fā)明方法中需要求得最佳的可變因素有原始反應(yīng)的質(zhì)量、操作溫度、氮?dú)饬髁?、在流化床反?yīng)器中的停留時(shí)間、顆粒尺寸和顆粒原料的速度。
首先，形成粒度和化學(xué)成分均勻的團(tuán)塊，這些團(tuán)塊是由化學(xué)計(jì)量的氧化鋁和碳的混合物及少量催化劑添加劑組成的。生產(chǎn)氮化鋁的原料由氧化鋁(Al2O3)和碳及催化劑組成。為了得到較大表面積的氮化鋁，最好起用較大表面積的氧化鋁，理想的表面積為1-50米2/克。理想的催化劑CaF2對氮化鋁的表面積或粒度沒有不利的影響。例如，為了制備一批60磅的進(jìn)料，將73.8%(重量)的氧化鋁(A-16)、26.0%(重量)的碳(Thermax)和0.5%(重量)的氟化鈣在Eirich混合器中，以高速設(shè)定位置干混5分鐘，使混合物緊密地混合。氧化鋁(A-16)可以從Alcoa有限公司買來，Eirich混合器可以向Eirich機(jī)器有限公司(紐約)購買。用高速設(shè)定位置進(jìn)行濕混合，完成結(jié)塊步驟，濕混合所用的液體為12%(重量)的聚乙烯醇溶液(25%體積聚乙烯醇和75%體積的水)，混合時(shí)間為4分鐘。4分鐘時(shí)間包括3分鐘添加聚乙烯醇溶液的時(shí)間。用盤子將結(jié)塊料放在120℃的爐子中進(jìn)行干燥。使干燥的團(tuán)塊通過14目和70目的篩分。用上述方法生產(chǎn)的團(tuán)塊，有80～85%的團(tuán)塊在-14/+70粒度級別內(nèi)，d50大約為35目。
結(jié)塊操作產(chǎn)生的符合均勻要求的顆粒度和化學(xué)成分對成品純度顆粒度是特別重要的。因?yàn)樵诹骰卜磻?yīng)器中的顆粒間沒有氧化鋁或碳的輸送，只有床內(nèi)顆粒的有限遷移，所以每個(gè)顆粒必須包含成分均勻的按化學(xué)計(jì)量配比的混合物，以達(dá)到高度的轉(zhuǎn)化而不發(fā)生顆粒的過分長大，床中顆粒過分長大則是氮化鋁顆粒變大并燒結(jié)在一起使難于磨碎的條件。當(dāng)使用催化劑加速反應(yīng)時(shí)，也必須使催化劑均勻分布在團(tuán)塊內(nèi)。
此外，為了反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，氮?dú)獗仨毑粩嗟赝ㄈ腩w粒，并且一氧化碳必須從顆粒處逸出。因此這些顆粒必須是多孔的并且顆粒的孔隙率將控制轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速度。因?yàn)榭紫兜某叽绾兔芏炔糠值貨Q定了化學(xué)轉(zhuǎn)化的速度，所以孔隙尺寸和孔隙在每個(gè)團(tuán)塊中的均勻分布是同等重要的。
尺寸均勻的顆粒度對本發(fā)明的方法也是很重要的。很好地控制粒度的分布對有效操作連續(xù)流化床反應(yīng)器是基本的，原因如下。團(tuán)塊在流化床中停留的時(shí)間是顆粒大小的函數(shù)，而且顆粒尺寸越小，轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速度越快。在流化床中將出現(xiàn)由粒度不同所造成的團(tuán)塊分離，從而引起已反應(yīng)團(tuán)塊的均勻性變差。此外，有人指出，轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速度是團(tuán)塊直徑的函數(shù)，與所使用的反應(yīng)器類型無關(guān)。如果把大、小顆粒一起放到反應(yīng)器中，那么甚至直至大顆粒完成反應(yīng)后，這些顆粒仍留在反應(yīng)器內(nèi)，較小的顆粒將發(fā)生顆粒長大。對上述因素的研究指出，如果顆粒尺寸控制不適當(dāng)，則產(chǎn)品將不均勻，而且純度低下。
一般根據(jù)顆粒的平均尺寸選擇氣體的流態(tài)化速度。為了說明這種情況，曾選用每分鐘2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方英尺的氣體流量，因?yàn)榇肆髁渴蛊骄?00微米的團(tuán)塊尺寸產(chǎn)生最小的流態(tài)化速度。采用最小流態(tài)化速度的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用氮?dú)狻Ｈ绻麍F(tuán)塊的尺寸差別太大，則細(xì)顆粒將被吹出流化床的頂部，而粗的顆粒將沉到流化床的底部。
另外，為了保證在加證期間反應(yīng)進(jìn)行得充分，顆粒必須是多孔的。本說明所用的流化床反應(yīng)器的內(nèi)徑為8英寸，高為20英寸。由與流化床同軸的感應(yīng)線圈(高42英寸和直徑22英寸)提供加熱。采用每分鐘2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方英尺的氮?dú)饬髁渴沽骰策B續(xù)操作200個(gè)小時(shí)以上。根據(jù)溫度和要求的轉(zhuǎn)化水平，顆粒在流化床中的停留時(shí)間將為3至20個(gè)小時(shí)。表1說明了溫度和進(jìn)料速度對轉(zhuǎn)化水平的影響。為了在較低的反應(yīng)溫度下得到相同程度的轉(zhuǎn)化，需要較慢的進(jìn)料速度。進(jìn)料速度和溫度之間的關(guān)系不是直線關(guān)系，或者不是明顯的直線關(guān)系，所以，必須通過仔細(xì)改變操作參數(shù)的方法來確定進(jìn)料速度和溫度之間關(guān)系。
表1溫度與最佳進(jìn)料速度間的關(guān)系溫度℃ 進(jìn)料速度(磅/小時(shí)) 氧(重量%) 碳(重量%)1600℃ 1.44 2.38 2.491650℃ .75 0.94 .711650℃ 1.37 1.04 1.001700℃ 1.24 .64 .611700℃ 6.25 4.43 3.871750℃ 2.71 .53 .501750℃ 6.25 2.75 2.20如果顆粒不具有均勻的孔隙，那末該反應(yīng)就不均勻。因此，若要求100%轉(zhuǎn)化率的產(chǎn)品，則顆粒必須擁有均勻的孔隙率，并且孔隙必須是均勻的。若顆粒各含有一些大孔隙和一些小孔隙，并且這些顆粒在爐子停留的時(shí)間較長，以便等待所有的顆粒反應(yīng)，則發(fā)生顆粒長大。在此情況下，顆粒大小是不均勻的，并且該團(tuán)塊將不易磨碎成粒度均勻的粉末。
其次，加熱形成的團(tuán)塊。把符合粒度要求的氧化鋁、碳和催化劑以0.5～6磅/小時(shí)(理想的是3.0磅/小時(shí))速度通過石墨料槽(該槽一直延伸到流化床的表面下)裝入流化床。為了生產(chǎn)可以磨成超細(xì)粉末的高純度氮化鋁，必須研究進(jìn)行碳一氮共滲反應(yīng)的溫度。在較高的溫度下進(jìn)行碳-氮共滲反應(yīng)，氮化鋁顆粒燒結(jié)在一起，成為硬得難于磨碎的大顆粒。應(yīng)該在足夠低的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，以便防止明顯的燒結(jié)和顆粒長大。如果出現(xiàn)顯著的燒結(jié)，那么已反應(yīng)的顆粒將很難磨碎，因此需要過多的磨碎時(shí)間。應(yīng)該把產(chǎn)生微米級粉末的磨碎時(shí)間壓低到最低限度，因?yàn)樵谀ニ檫^程的污染是時(shí)間的函數(shù)。所以，正確控制反應(yīng)溫度對產(chǎn)生容易磨碎的已反應(yīng)的脆性顆粒是基本的，因而，在微粉化之后也將使氮化鋁保持高的純度。在本發(fā)明的情況下，由于催化劑的作用，可以在較低的溫度下進(jìn)行碳-氮共滲反應(yīng)，降低了反應(yīng)成本。
為了得到所需的脆性，必須在1850℃以下進(jìn)行反應(yīng)，理想的溫度范圍是1600℃～1800℃。在過去，人們認(rèn)為，用如此低的溫度范圍操作反應(yīng)器對生產(chǎn)率有不利的影響，因?yàn)楸痉磻?yīng)同大多數(shù)高溫度轉(zhuǎn)化反應(yīng)一樣是熱活化的，降低反應(yīng)溫度將劇烈地降低生產(chǎn)率。為了使低溫區(qū)的反應(yīng)切實(shí)可行，本發(fā)明采用了催化劑。必須確定添加適當(dāng)?shù)姆}量，以便在有意義的反應(yīng)溫度下使氟化鈣起到催化劑的作用。業(yè)已確定氟化鈣(CaF2)的重量濃度在0.1和0.75%之間具有良好的催化作用。我們發(fā)現(xiàn)很高的CaF2濃度(2.5%重量)會(huì)使催化活性降低。我們認(rèn)為在1600～1800℃溫度范圍的本反應(yīng)過程中，諸如氟化釔(YF3)和氟化鈉(NaF)等其他氟化物具有類似的催化作用。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重的燒結(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)化反應(yīng)變慢，并且要達(dá)到高的轉(zhuǎn)化程度不可能沒有大量的顆粒長大。為了防止嚴(yán)重的顆粒長大，必須嚴(yán)格控制加熱條件。均勻的氮化鋁粒度是產(chǎn)生適合于再加工的微米級粉末所必需的。顆粒長大是不利的，因?yàn)樗哪ニ槭股a(chǎn)超細(xì)末造成很大的困難。
團(tuán)塊在流化床反應(yīng)器中加熱大約3～20小時(shí)。在與本申請同日提交的序號為-的美國未決專利申請(代理人的登錄號scp-8748)中介紹了本發(fā)明方法用的優(yōu)選的流化床反應(yīng)器，未決專利申請的題目是“產(chǎn)生熱流態(tài)化氣體的方法和裝置”(J.kim等人)。該申請的內(nèi)容也在此引入作為參考。
如圖2所示，流化床反應(yīng)器1包括爐子反應(yīng)器50，該反應(yīng)器本身又包括三個(gè)互相連通的爐室。下爐室8即反應(yīng)室是一個(gè)具有封底和經(jīng)機(jī)械加工的頂部的圓筒形石墨管。中爐室12是圓筒形的石墨管，其頂部和底部經(jīng)機(jī)械加工，以便與下爐室8和上爐室30進(jìn)行同軸緊配合。上爐室30是圓筒形的石墨管，其兩端經(jīng)機(jī)械加工，以便同軸緊配合。整個(gè)爐身被支撐在四根鋼柱46上。所有的金屬零件與感應(yīng)線圈15保持一個(gè)安全的距離，其敘述如下。
由環(huán)繞下爐室8的三十七圈感應(yīng)線圈15提供熱量的輸入，它加熱感受器11。感受器是一個(gè)具有敞開底部和頂部的長形石墨圓筒，該感受器配置在以受感應(yīng)線圈15和下爐室8之間的區(qū)域內(nèi)。在感應(yīng)線圈15和感受器11之間的空間設(shè)置了絕緣體5，絕緣體最好采用契馬黑碳粉。碳絕緣紙17用作感應(yīng)線圈15頂部周圍的絕緣體。將木板條9盡可能遠(yuǎn)離感受器11，而設(shè)置在感應(yīng)線圈15的外側(cè)，以便支撐感應(yīng)線圈15，并使其固定就位。碳黑7提供反應(yīng)器1內(nèi)附加的絕緣體源，以便有效地加熱。在操作過程中，感受器11從感應(yīng)線圈15那里感應(yīng)或吸收能量，并且通過輻射加熱下爐室8。感受器11在第一個(gè)室壁破裂的情況下，起反應(yīng)室的第二個(gè)室壁的作用。當(dāng)進(jìn)行這種類型的操作時(shí)，破裂是常見的現(xiàn)象，因?yàn)槟ゲ列缘膱F(tuán)塊腐蝕室壁。室壁的破裂會(huì)使熱量外逸，從而可以傷害該地區(qū)的工人。甚至可以引起爆炸，破壞反應(yīng)器、周圍的設(shè)備、并有可能嚴(yán)重危害人身安全。
流化床43配置在下爐室8內(nèi)。當(dāng)流化床反應(yīng)器1在正常的操作條件下操作時(shí)，該流化床處于感應(yīng)線圈15的中間部分。
為了控制連續(xù)裝料，用稱重供料斗或給料器41把結(jié)塊料(團(tuán)塊)輸入流化床反應(yīng)器1。由柔性槽42連接到給料器的螺旋給料器40，通過長的石墨進(jìn)料槽28，將原料輸送到位于中爐室12內(nèi)的石墨進(jìn)料槽端29。然后該原料落到下爐室8中，在那里進(jìn)行處理。
同時(shí)，從爐子50的頂部，通過石墨進(jìn)氣管線或輸氣管2輸入流態(tài)化用的氮?dú)?，輸氣管從爐子50的頂部經(jīng)過上爐室30、中爐室12和下爐室8延伸到泡罩60內(nèi)，泡罩位于下爐室8中，并且配置在流化床或反應(yīng)區(qū)43的下面。為了防止漏氣，將氣體輸送管線2的接頭數(shù)減少到最低限度。流態(tài)化氣體從爐子的頂部引入并且通過由感應(yīng)線圈15加熱的區(qū)域，這樣就使氣體進(jìn)入流化床43之前，達(dá)到很高的溫度。然后該加熱了的氣體通過泡罩的頂進(jìn)入泡罩60。
圖3和圖4更詳細(xì)地說明了泡罩60的情況。泡罩60包括一個(gè)石墨室，它具有靠螺旋接合裝配在該室上的石墨頂或蓋65。泡罩65的蓋上形成許多孔68，使熱的流態(tài)化氣體從那里流出。流態(tài)化氣體的進(jìn)氣管線2與泡罩連通，并且終止在泡罩60的蓋65處。泡罩設(shè)置在加熱區(qū)的下端，流態(tài)化氣體通過輸送管2從處于加熱區(qū)上方的氣源輸送到泡罩，當(dāng)氣體通過整個(gè)加熱區(qū)時(shí)，氣體在輸氣管內(nèi)加熱。
因此在操作過程中，流態(tài)化氣體通過進(jìn)氣管線2下降到泡罩60。然后流態(tài)化氣體通過泡罩的蓋65上升到反應(yīng)室8中。當(dāng)上升的預(yù)熱流態(tài)化氣體留在反應(yīng)室8內(nèi)時(shí)使已經(jīng)離開進(jìn)料槽端29的原料流態(tài)化。更重要的是，上升的廢氣開始失去熱量，從而將熱量傳遞給沿進(jìn)氣管線2下降的流態(tài)化氣體，使氣體加熱。這種傳遞促使反應(yīng)保持在流化床反應(yīng)器以前所不能達(dá)到的溫度。這種對流熱傳遞能促進(jìn)氣體和固體間的溫度保持不變，從而引起固定的轉(zhuǎn)化。反應(yīng)室8內(nèi)的溫度可以保持到2000℃，如高溫計(jì)所指示的(圖中未表示出)，可以通過觀察筒47檢查溫度。
由需要的產(chǎn)品質(zhì)量來確定反應(yīng)室8內(nèi)原料規(guī)定的停留時(shí)間。通過出料槽塞4的溢流連續(xù)排放出產(chǎn)品，該出料槽塞置于流化床43表面附近的下爐室8的壁上。熱產(chǎn)品通過產(chǎn)品出料槽3(在出料槽塞4內(nèi))排出，該產(chǎn)品出料槽從反應(yīng)室8延伸到旋轉(zhuǎn)的水冷圓筒24，該圓筒配置在爐子50下面的鋼架46內(nèi)。在那里，產(chǎn)品冷卻到大致150℃，使轉(zhuǎn)化過程抑制。冷卻了的產(chǎn)品從冷卻圓筒24，通過重力推動(dòng)自卸裝置25溢出，該自卸裝置設(shè)置在上述冷卻圓筒24的下面，并且與冷卻圓筒連通，由上述鋼架46支撐住，在自卸裝置那里，產(chǎn)品甚至冷卻到更低溫度。水冷蛇管62圍繞上述冷卻圓筒24而促進(jìn)冷卻過程。旋轉(zhuǎn)冷卻器可以用如氮等惰性氣體吹洗，以使產(chǎn)品在冷卻過程中不被氧化。
將反應(yīng)室8的熱流態(tài)化氣體通過水冷的連接器管61引入旋流裝置(圖中沒有示出)，分離夾帶的固體。水冷蛇管62圍繞著連接器管使之冷卻。該旋流裝置也起到燃燒爐氣中的任何一點(diǎn)一氧化碳的作用。旋流裝置/后燃燒室襯以絕緣體，以隔絕離開旋流裝置的300℃氣體。
由冷卻水管線5冷卻流化床反應(yīng)器裝置。具有每分鐘30加侖容量的管線用于冷卻感應(yīng)線圈15的能源(圖中沒有示出)。其他四個(gè)并聯(lián)管線是冷卻感應(yīng)線圈15的感應(yīng)蛇形管線;冷卻上爐室30的爐子管線;冷卻連接器管裝置的連接器管裝置管線;冷卻旋轉(zhuǎn)圓筒24的旋轉(zhuǎn)圓筒管線。這些冷卻管線在附圖上均標(biāo)為62。本方法用的爐子設(shè)備的總冷卻水量為每分鐘43加侖。
由于氣體引入反應(yīng)室的方法與已知的不同，本方法用的反應(yīng)器1優(yōu)于已知的流化床反應(yīng)器。氣體從反應(yīng)器的頂部引入，并且向下流向泡罩。當(dāng)氣體向下流動(dòng)時(shí)，氣體受到流出的廢氣的對流傳熱而加熱。所謂對流傳熱指的是反應(yīng)器上升的廢氣放出熱量，傳遞給沿進(jìn)氣管線2向下朝著泡罩流動(dòng)的氣體，所以在反應(yīng)器中，存在一個(gè)效率很高的加熱裝置。
于是，以15磅/小時(shí)的速度磨碎已反應(yīng)的團(tuán)塊。如上述所討論的那樣，正確控制磨碎前的反應(yīng)溫度會(huì)減少磨成微米級粉末所需的時(shí)間。如果能把磨碎的時(shí)間保持在最少的限度，那末還可以保證把吸收的氧量保持在最低限度。在惰性氣氛下進(jìn)行磨碎反應(yīng)可以進(jìn)一步把吸收的氧量減少到更低限度。例如可以在氮?dú)鈿夥盏亩栊詺夥障逻M(jìn)行磨碎。可以進(jìn)行第二次磨碎操作以得到更大的表面積。合適的碾磨機(jī)包括Madel T-15 Jet Trost Mill碾磨機(jī)(得自The Platomer Division of Garloch，Trost Mill Dept.，Newtown，PA 18940)和Sweco VIBRO Energy Grind Mill碾磨機(jī)(可以購自Sweco有限公司，美國加州、洛杉磯市)。還可使用其它類型的碾磨機(jī)。開始就保證原料粉末、結(jié)塊狀態(tài)的顆粒和化學(xué)反應(yīng)的均勻性，可使這種磨碎操作變得更容易，因?yàn)樯鲜龅囊蛩厥巧a(chǎn)粒度均勻的已反應(yīng)氮化鋁的基本條件。
下面用非限制性實(shí)施例對上述發(fā)明作進(jìn)一步說明。在所有的實(shí)例中，氮?dú)釴2流量為每分鐘2立方英尺。
實(shí)例1溫度1650℃±5℃顆粒成分73.5%(重量)A-14(氧化鋁)26.0%(重量)Thermax(碳)0.5%(重量)CaF2顆粒度-14/+70目(d50＝500微米)-14/+70目(d50＝400微米)
進(jìn)料(磅/小時(shí)) 出料(磅/小時(shí))平均速度 1.37 0.79標(biāo)準(zhǔn)偏差 0.14 0.43范圍(低/高) 1.0至1.65 0.1至3.2讀數(shù) 24 24產(chǎn)品成分重量(%) 二倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差 試樣數(shù)碳 1.00 0.41 7氧 1.04 0.30 8氮 31.67 0.30 8鋁 61.63 1.02 2實(shí)例2溫度1700℃±5℃顆粒成分與實(shí)例1相同顆粒度-14/+70目(d50＝500微米)產(chǎn)品粒度-14/+70目(d50＝300微米)進(jìn)料(磅/小時(shí)) 出料(磅/小時(shí))平均速度 1.24 0.65標(biāo)準(zhǔn)偏差 0.1 0.32范圍(低/高) 0.88至1.38 0.1至1.45讀數(shù) 17 17
產(chǎn)品成分重量% 二倍標(biāo)準(zhǔn)偏差 試樣數(shù)碳 0.61 0.08 5氧 0.64 0.17 5氮 32.18 1.21 2鋁 61.67 0.55 2實(shí)例3溫度1700℃±5℃顆粒成分與實(shí)例1相同顆粒度-14/+70目(d＝500微米)產(chǎn)品粒度-14/+70目(d＝600微米)進(jìn)料速度(磅/小時(shí)) 出料速度(磅/小時(shí))平均速度 2.71 1.30標(biāo)準(zhǔn)偏差 0.075 0.64范圍(低/高) 2.625至2.825 0.75至2.2產(chǎn)品成分重量% 兩倍標(biāo)準(zhǔn)偏差 試樣數(shù)碳 0.50 0.3 7氧 0.53 0.07 7氮 32.86 1.14 5鋁 64.56 0.83 5
實(shí)例4磨碎后的顆粒度顆粒尺寸(成分)流化床試驗(yàn)號 經(jīng)Trost碾磨機(jī)磨碎后 經(jīng)Sweco碾磨機(jī)磨碎后微米 C% O% 微米39 7.11 0.39 0.56 1.6943 3.78 0.81 0.91 1.65很明顯，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況和變更。人們可以對這里所述的本發(fā)明進(jìn)行許多改進(jìn)和變更。因此對上述的具體實(shí)施例，在各個(gè)方面都應(yīng)認(rèn)為是說明性的，而不是限制性的，用附屬的權(quán)利要求
(而不是用上述的說明)表示本發(fā)明的范圍，并且其中包括了在權(quán)利要求
等效的裝置和范圍內(nèi)的所有變化。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)生產(chǎn)氮化鋁的方法包括形成粒度和化學(xué)成分均勻的團(tuán)塊，團(tuán)塊含有化學(xué)計(jì)量的氧化鋁和碳的混合物及有效數(shù)量的催化劑，在低于1850℃溫度下，加熱反應(yīng)容器中的團(tuán)塊，以達(dá)到均勻一致的轉(zhuǎn)化水平；和在控制氣氛下磨碎已反應(yīng)的團(tuán)塊，產(chǎn)生高純度的微米的氮化鋁粉末。
2.權(quán)利要求
1的方法，其中催化劑選自氟化鈣、氟化釔和氟化鈉。
3.權(quán)利要求
1的方法，其中反應(yīng)物按化學(xué)計(jì)量配比的混合物包含摩爾比等于1∶3的氧化鋁與碳，和0.5%(重量)的催化劑。
4.權(quán)利要求
1的方法，其中在1600～1800℃溫度范圍之間加熱團(tuán)塊。
5.權(quán)利要求
1的方法，其中在流化床反應(yīng)器中進(jìn)行加熱步驟。
6.權(quán)利要求
5的方法，其中流化床反應(yīng)器包括一個(gè)爐子-至少包括上、中、下三個(gè)直立排列的室，給室以機(jī)械加工，使這些室可相互同軸緊配合;在反應(yīng)器上端的團(tuán)塊進(jìn)口裝置;把團(tuán)塊輸入反應(yīng)器的裝置;位于反應(yīng)器上端的流態(tài)化氮?dú)獾妮斎胙b置;圍繞下室配置的感受器;圍繞下室和感受器配置的加熱裝置;在下室的流化床;分散流態(tài)化氣體的泡罩，該泡罩位于上述流態(tài)化氣體輸入裝置的末端，并且在流化床下面，泡罩包括帶蓋的室，蓋上有許多孔眼;已反應(yīng)團(tuán)塊的出口裝置，該裝置位于靠近下反應(yīng)室上端的流化床頂部;在爐子上端的反應(yīng)氣體的出口裝置;和許多用于反應(yīng)氣體和已反應(yīng)團(tuán)塊的冷卻裝置。
7.權(quán)利要求
6的方法，其中通過使已反應(yīng)的團(tuán)塊溢入旋轉(zhuǎn)的水冷圓筒的方法，將已反應(yīng)的團(tuán)塊從反應(yīng)器排出。
8.權(quán)利要求
7的方法，其中用旋轉(zhuǎn)的水冷圓筒將轉(zhuǎn)化反應(yīng)快速冷卻至150℃左右，然后在磨碎前進(jìn)一步冷卻。
9.權(quán)利要求
8的方法，其中在惰性保護(hù)氣氛中對氮化鋁進(jìn)行加熱和冷卻步驟。
10.權(quán)利要求
1的方法，其中在惰性無氧的保護(hù)氣氛中對氮化鋁進(jìn)行磨碎步驟。
11.權(quán)利要求
10的方法，其中保護(hù)氣氛是氮，其中產(chǎn)生氮化鋁的碳氧含量分別為0.5至1.0%。
12.如權(quán)利要求
1的方法，其中在爐中停留的時(shí)間為3～20小時(shí)。
13.權(quán)利要求
1的方法，其中以0.5～6磅/小時(shí)速度將團(tuán)塊輸入加熱的容器中。
14.一種連續(xù)生產(chǎn)氮化鋁的方法包括通過混合化學(xué)計(jì)量的氧化鋁和碳的混合物、有效數(shù)量的氟化鈣催化劑和作粘結(jié)劑的聚乙烯醇溶液，形成粒度和化學(xué)成分均勻的團(tuán)塊;在120℃的爐子中干燥置于盤內(nèi)的濕團(tuán)塊，得到粒度分布范圍窄的團(tuán)塊;在低于1850℃溫度下加熱團(tuán)塊，獲得均勻一致的轉(zhuǎn)化水平;和在氮?dú)鈿夥障履ニ橐逊磻?yīng)的團(tuán)塊，產(chǎn)生高純度微米級的氮化鋁粉末。
15.權(quán)利要求
14的方法，其中反應(yīng)物按化學(xué)計(jì)量配比的混合物包含摩爾比為1∶3的氧化鋁與碳，和一般為0.5%(重量)的催化劑。
16.權(quán)利要求
14的方法，其中在1600～1800℃溫度范圍之間加熱團(tuán)塊。
17.權(quán)利要求
14的方法，其中在流化床反應(yīng)器中進(jìn)行加熱步驟，流化床反應(yīng)器包括一個(gè)爐子-至少包括上、中、下三個(gè)直立排列的室，給室以機(jī)械加工，使這些室可相互同軸緊配合;在反應(yīng)器上端的團(tuán)塊進(jìn)口裝置;把團(tuán)塊輸入反應(yīng)器的裝置;位于反應(yīng)器上端的流態(tài)化氮?dú)獾妮斎胙b置;圍繞下室配置的感受器;圍繞下室和感受器配置的加熱裝置;在下室的流化床;分散流態(tài)化氣體的泡罩，該泡罩位于上述流態(tài)化氣體輸入裝置的末端，并且在流化床下面，泡罩包括帶蓋的室，蓋上有許多孔眼;已反應(yīng)團(tuán)塊的出口裝置，該裝置位于靠近下反應(yīng)室上端的流化床頂部;在爐子上端的反應(yīng)氣體的出口裝置;和許多用于反應(yīng)氣體和已反應(yīng)塊的冷卻裝置;
18.權(quán)利要求
17的方法，其中加熱步驟大約進(jìn)行3-20小時(shí)。
專利摘要
用氧化鋁的碳—氮共滲制造高純度、超細(xì)氮化鋁粉末的方法。形成粒度、化學(xué)成分和孔隙均勻的團(tuán)塊，團(tuán)塊含有化學(xué)計(jì)量的氧化鋁和碳的混合物，并加入少量催化劑。用控制的方法在混合良好的反應(yīng)容器中加熱團(tuán)塊，達(dá)到均勻一致的轉(zhuǎn)化水平。在控制氣氛下磨碎已反應(yīng)的團(tuán)塊，會(huì)產(chǎn)生高純度、微米級的氮化鋁粉末。
文檔編號C01B21/072GK87107018SQ87107018
公開日1988年6月15日 申請日期1987年10月13日
發(fā)明者喬納森·J·金, 喬爾·D·卡茨, 維斯萬內(nèi)芬·文卡蒂斯瓦蘭, 卡爾·H·麥克默特里, 阿日·Y·圣 申請人:斯坦科爾公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan