JP2021038901A - Nitriding reaction furnace - Google Patents
Nitriding reaction furnace Download PDFInfo
- Publication number
- JP2021038901A JP2021038901A JP2019161893A JP2019161893A JP2021038901A JP 2021038901 A JP2021038901 A JP 2021038901A JP 2019161893 A JP2019161893 A JP 2019161893A JP 2019161893 A JP2019161893 A JP 2019161893A JP 2021038901 A JP2021038901 A JP 2021038901A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- reaction
- nitriding
- tray
- nitrogen gas
- raw material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 149
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 title claims abstract description 82
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 74
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 54
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 40
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 48
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 16
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 15
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 13
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 10
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000012752 auxiliary agent Substances 0.000 claims description 7
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 7
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052810 boron oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 6
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract description 3
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 abstract 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 13
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 10
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 150000001639 boron compounds Chemical class 0.000 description 6
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 4
- -1 graphite Chemical compound 0.000 description 4
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Inorganic materials [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 3
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 3
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001341 alkaline earth metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N azanylidyneindigane Chemical compound [In]#N NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Chemical compound [O-2].[Ca+2] BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000005554 pickling Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Furnace Charging Or Discharging (AREA)
- Muffle Furnaces And Rotary Kilns (AREA)
- Furnace Details (AREA)
Abstract
Description
本発明は、高温での窒化反応に適用される窒化反応炉に関する。 The present invention relates to a nitriding reactor applied to a nitriding reaction at a high temperature.
耐熱性に優れ、さらには熱伝導性、電気絶縁性等の特性に優れた各種窒化物、例えば窒化アルミニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)は、各種金属あるいは金属化合物等の原料粉末に窒素を高温で接触させて反応させることにより製造される。また、硬度等の機械的特性に優れた窒化ケイ素(Si3N4)や、半導体特性を有する窒化ガリウム(GaN)や窒化インジウム(InN)なども、同様に高温での窒化反応により製造される。 Various nitrides having excellent heat resistance and also excellent properties such as thermal conductivity and electrical insulation, such as aluminum nitride (AlN) and boron nitride (BN), add nitrogen to the raw material powder of various metals or metal compounds. Manufactured by contacting and reacting at high temperature. Moreover, and excellent silicon nitride mechanical properties such as hardness (Si 3 N 4), even or gallium nitride having a semiconductor characteristic (GaN) and there are indium nitride (InN), it is similarly prepared by nitriding at high temperature ..
上記のような高温での窒化反応に適用し得る高温反応炉としては、断熱材で囲まれた炉内に、原料が収容された箱型の容器(以下、セッターともいう)が多段に積載されており、この反応容器の周囲にヒーターが配置されているバッチ式炉が知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。
このようなバッチ式の高温反応炉は、原料が収容された箱型の容器を多段に積載されているため、一度に多量の原料を窒化反応に供することができるという利点がある。また、バッチ式の高温反応炉は連続式に比べ、製造バッチ毎に運転条件を調整することが出来、多品種の製品を作り分ける点で連続式の高温反応炉に対して大きなアドバンテージを有する。
As a high-temperature reactor that can be applied to the above-mentioned nitriding reaction at high temperature, a box-shaped container (hereinafter, also referred to as a setter) containing raw materials is loaded in multiple stages in a furnace surrounded by a heat insulating material. There is known a batch type furnace in which a heater is arranged around this reaction vessel (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
Such a batch type high temperature reactor has an advantage that a large amount of raw materials can be subjected to a nitriding reaction at one time because box-shaped containers containing raw materials are loaded in multiple stages. In addition, the batch type high temperature reactor has a great advantage over the continuous type high temperature reactor in that the operating conditions can be adjusted for each production batch and a wide variety of products can be produced separately as compared with the continuous type high temperature reactor.
ところで、上記のような構造のバッチ式高温反応炉では、原料と反応させるガスや雰囲気ガスを箱型容器の周辺部から供給したり、或いは箱型容器の中心部にガス供給管を通し、該容器の中心部からガスを供給するなどの手段が採用されているが、反応を完結するまでに長時間を要したり、或いは反応が均一に行われ難いなどの問題がある。また、炉内に配置されているヒーターや周囲の断熱材が反応に際して副生するガスなどにより短期間で劣化してしまうなどの問題もある。特に、カーボン粉末などの還元剤を用いて金属酸化物を原料とする還元窒化反応を行う場合には、金属酸化物の揮発物や二酸化炭素等の酸化性ガスが副生するため、カーボン製のヒーターや断熱材等の劣化が顕著である。 By the way, in the batch type high temperature reactor having the above structure, the gas to be reacted with the raw material or the atmospheric gas is supplied from the peripheral part of the box-shaped container, or the gas supply pipe is passed through the central part of the box-shaped container. Means such as supplying gas from the center of the container are adopted, but there are problems that it takes a long time to complete the reaction or it is difficult for the reaction to be carried out uniformly. In addition, there is a problem that the heater arranged in the furnace and the surrounding heat insulating material deteriorate in a short period of time due to the gas produced as a by-product during the reaction. In particular, when a reducing nitride reaction using a metal oxide as a raw material is carried out using a reducing agent such as carbon powder, volatile substances of the metal oxide and oxidizing gas such as carbon dioxide are by-produced, so that the product is made of carbon. Deterioration of heaters and heat insulating materials is remarkable.
従って、本発明の目的は、短時間で且つ均一に窒化反応を完結させることができ、しかも、副生ガスによるヒーターや断熱材の劣化が有効に抑制されたバッチ式窒化反応炉を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a batch type nitriding reaction furnace capable of completing the nitriding reaction uniformly in a short time and further suppressing deterioration of the heater and the heat insulating material due to the by-product gas. It is in.
本発明によれば、窒化反応を行うための窒化反応炉において、
前記窒化反応炉は、断熱性ケーシングを有しており、
前記断熱性ケーシング内には、排気口を備えた底板に保持されているシールド壁に囲まれている反応室と、該反応室の外側に配置されたヒーターが設けられており、
前記反応室内には、前記底板上に、中心部に開口を有しており且つ窒化反応に供される反応原料が収容され且つ側壁に切欠きが形成されているトレイが多段に積載されていると共に、該トレイの開口を通って貫通して延びている窒素ガス供給管が設けられており、
前記窒素ガス供給管から供給された窒素ガスを前記トレイに収容されている反応原料に接触させることにより窒化反応が行われ、未反応窒素ガス及び副生ガスは、前記トレイの側壁に形成されている切欠きを通って、該トレイの周縁部と前記シールド壁との間に形成されている空隙を通り、前記底板の排気口から排出される構造を有していることを特徴とする窒化反応炉が提供される。
According to the present invention, in a nitriding reaction furnace for performing a nitriding reaction,
The nitriding reactor has a heat insulating casing and has a heat insulating casing.
In the heat insulating casing, a reaction chamber surrounded by a shield wall held by a bottom plate provided with an exhaust port and a heater arranged outside the reaction chamber are provided.
In the reaction chamber, trays having an opening in the center, containing reaction raw materials to be subjected to the nitriding reaction, and having notches on the side walls are loaded in multiple stages on the bottom plate. At the same time, a nitrogen gas supply pipe extending through the opening of the tray is provided.
The nitriding reaction is carried out by bringing the nitrogen gas supplied from the nitrogen gas supply pipe into contact with the reaction raw material contained in the tray, and the unreacted nitrogen gas and the by-product gas are formed on the side wall of the tray. The nitriding reaction is characterized by having a structure in which the gas is discharged from the exhaust port of the bottom plate through the gap formed between the peripheral edge of the tray and the shield wall through the notch. A furnace is provided.
本発明の窒化反応炉においては、次の態様が好適に適用される。
(1)前記反応室の上部には予熱室が設けられており、該予熱室で加熱された窒素ガスが、前記窒素ガス供給管を通して前記反応室内に配置されたトレイ内に供給されること。
(2)前記反応原料として、含酸素アルミニウム粉末とカーボン粉末とを含む混合粉末が使用されること。
(3)前記反応原料として、酸化ホウ素粉末、カーボン粉末及び助剤を含む混合粉末が使用されること。
(4)前記トレイの内部には、窒化物の板状成型体または粉末からなる離型層が敷設されており、該離型層上に前記反応原料が層状に配置されていること。
(5)前記反応室内温度が、1200〜2200℃の範囲となるように、前記ヒーターによる加熱が行われること。
(6)前記トレイの平面形状が円形であること。
In the nitriding reactor of the present invention, the following aspects are preferably applied.
(1) A preheating chamber is provided in the upper part of the reaction chamber, and nitrogen gas heated in the preheating chamber is supplied to a tray arranged in the reaction chamber through the nitrogen gas supply pipe.
(2) As the reaction raw material, a mixed powder containing oxygen-containing aluminum powder and carbon powder is used.
(3) As the reaction raw material, a mixed powder containing boron oxide powder, carbon powder and an auxiliary agent is used.
(4) A mold release layer made of a nitride plate-shaped molded body or powder is laid inside the tray, and the reaction raw material is arranged in layers on the mold release layer.
(5) Heating by the heater is performed so that the temperature in the reaction chamber is in the range of 1200 to 2200 ° C.
(6) The planar shape of the tray is circular.
本発明の窒化反応炉においては、窒素と反応させるべき反応原料が収容されている各トレイの中心から窒素ガスが供給され、未反応窒素ガスや副生するガスは、トレイに形成されている切欠きを通してトレイの外部(トレイの周縁部と前記シールド壁との間に形成されている空隙)に排出される構造となっている。即ち、窒化反応に伴って副生するガスは、トレイに収容されている反応原料上に滞留することなく、速やかに外部に放出される。このため、副生するガスにより窒化反応が抑制されることがなく、トレイに収容されている反応原料の隅々まで窒素ガスを速やかに接触させることができる。この結果、短時間で十分に窒化反応を進行させ、しかも窒化反応を均一に進行させることができる。 In the nitriding reaction furnace of the present invention, nitrogen gas is supplied from the center of each tray containing the reaction raw material to be reacted with nitrogen, and unreacted nitrogen gas and by-produced gas are cut off formed in the tray. The structure is such that the material is discharged to the outside of the tray (the gap formed between the peripheral edge of the tray and the shield wall) through the notch. That is, the gas produced as a by-product of the nitriding reaction is rapidly released to the outside without staying on the reaction raw material contained in the tray. Therefore, the nitriding reaction is not suppressed by the by-produced gas, and the nitrogen gas can be quickly brought into contact with every corner of the reaction raw material contained in the tray. As a result, the nitriding reaction can be sufficiently advanced in a short time, and the nitriding reaction can be uniformly advanced.
また、本発明では、シールド壁によって、反応室がヒーターや断熱性ケーシングと区画されている。即ち、副生するガス等は、ヒーターや断熱性ケーシングとは接触しない構造となっており、このため、ヒーターや断熱性ケーシングの劣化が有効に抑制されており、装置寿命が極めて長い。
特に、本発明の炉構造においては、ガス流れがトレイの中心部から周縁部になっているため、原料層に対して夾雑物の極めて少ない窒素ガスを供給することが出来、窒化反応をよりスムーズに行わせる点において理想的である。
Further, in the present invention, the reaction chamber is separated from the heater and the heat insulating casing by the shield wall. That is, the by-produced gas or the like has a structure that does not come into contact with the heater or the heat-insulating casing. Therefore, deterioration of the heater or the heat-insulating casing is effectively suppressed, and the life of the device is extremely long.
In particular, in the furnace structure of the present invention, since the gas flow is from the central portion to the peripheral portion of the tray, nitrogen gas having an extremely small amount of impurities can be supplied to the raw material layer, and the nitriding reaction can be made smoother. Ideal for letting you do it.
図1及び図2を参照して、本発明の窒化反応炉は、断熱性ケーシング1の内部に、ヒーター3と反応室5とが設けられている基本構造を有している。 With reference to FIGS. 1 and 2, the nitriding reactor of the present invention has a basic structure in which a heater 3 and a reaction chamber 5 are provided inside a heat insulating casing 1.
断熱性ケーシング1は、断熱性の高い材料で円筒形状に形成されるが、通常は、耐熱性にも優れていることから、カーボン製であり、例えばカーボン繊維製のブロックを積み重ねることにより形成される。断熱性ケーシングに用いられるカーボン材料は断熱性能を向上させるために、繊維状カーボンの成型体を採用すること好ましい。また、耐久性を向上させることを目的にC/Cコンポジット材シート等を炉内側表面に貼付けることも好適な態様の例として挙げられる。
前記繊維状カーボンの成型体は、カーボンファイバーを積層させたり樹脂を含浸させたりすることで製造される。樹脂含浸させた炭化しやすい樹脂を炭化・黒鉛化することで成型する。
The heat-insulating casing 1 is made of a material having high heat-insulating properties and is formed in a cylindrical shape. However, since it is usually excellent in heat resistance, it is made of carbon, and is formed by stacking blocks made of carbon fiber, for example. The casing. As the carbon material used for the heat insulating casing, it is preferable to use a fibrous carbon molded body in order to improve the heat insulating performance. Further, for the purpose of improving durability, a C / C composite material sheet or the like may be attached to the inner surface of the furnace as an example of a preferable embodiment.
The fibrous carbon molded body is produced by laminating carbon fibers or impregnating them with a resin. Molding is performed by carbonizing and graphitizing a resin impregnated with a resin that is easily carbonized.
また、ヒーター3は、抵抗加熱により加熱するタイプのものであり、窒化反応では、特に反応室5を高温に加熱することが必要であることから、カーボン製、好ましくはグラファイト製のヒーターが使用される。例えば、図2に示されているように、反応室5を取り囲むように、ケーシング1内の4か所に対称的に配置されている。 Further, the heater 3 is of a type that is heated by resistance heating, and since it is necessary to heat the reaction chamber 5 to a high temperature in the nitriding reaction, a heater made of carbon, preferably graphite, is used. To. For example, as shown in FIG. 2, they are symmetrically arranged at four locations in the casing 1 so as to surround the reaction chamber 5.
尚、図1に示されているように、このヒーター3は、断熱性ケーシング1を貫通して延びている支持ロッド7の先端部に取り付けられているホルダー9に保持されており、反応室5の高さ方向全体の周囲に存在するような長さを有しているべきである。従って、反応室5の高さが大きい場合には、ヒーター3は、上下2つに分割されていてもよい。即ち、反応室5の上方部分の周囲に配置されているものと、反応室5の下方部分の周囲に存在するものとに分割して配置することもできる。 As shown in FIG. 1, the heater 3 is held by a holder 9 attached to the tip of a support rod 7 extending through the heat insulating casing 1 and is held in a reaction chamber 5. It should have a length that exists around the entire height direction of the. Therefore, when the height of the reaction chamber 5 is large, the heater 3 may be divided into upper and lower parts. That is, it can be divided into those arranged around the upper portion of the reaction chamber 5 and those existing around the lower portion of the reaction chamber 5.
さらに、図示されていないが、断熱性ケーシング内に設けられた熱電対や放射温度計などの温度データをもとに上記のヒーター3の出力が制御され、温度をコントロールし得るように構成されている。
尚、断熱性ケーシング1の内径dは、通常、ヒーター3により、反応室5内温度が窒化反応に適した温度に加熱されるような大きさに設定すればよい。
また、図示されていないが、断熱性ケーシング1の外面には、ケーシング1を安定に保持するために、ステンレススチール等により形成された枠体を設けることができる。
Further, although not shown, the output of the heater 3 is controlled based on the temperature data of a thermocouple or a radiation thermometer provided in the heat insulating casing so that the temperature can be controlled. There is.
The inner diameter d of the heat insulating casing 1 may be set to a size such that the temperature inside the reaction chamber 5 is usually heated to a temperature suitable for the nitriding reaction by the heater 3.
Further, although not shown, a frame made of stainless steel or the like can be provided on the outer surface of the heat insulating casing 1 in order to stably hold the casing 1.
本発明において、反応室5は、底板11と、底板11を覆うように設けられている筒状形態のシールド壁13とから形成されている。即ち、底板11及びシールド壁13によって囲まれている内部空間が反応室5となっており、前述したヒーター3は反応室5の外部に配置された構造となっており、また、断熱性ケーシング1の内面は、反応室5とは完全に区画されている。 In the present invention, the reaction chamber 5 is formed of a bottom plate 11 and a tubular shield wall 13 provided so as to cover the bottom plate 11. That is, the internal space surrounded by the bottom plate 11 and the shield wall 13 is the reaction chamber 5, the heater 3 described above has a structure arranged outside the reaction chamber 5, and the heat insulating casing 1 The inner surface of the reaction chamber 5 is completely separated from the reaction chamber 5.
底板11は、断熱性ケーシング1の底部に設けられている受け台15上に載置されている。この底板11には、中心部に排気口17が形成されており、受け台15に形成されている孔15aに連通している排気管19を通しての真空引き等により、排気口17から反応室5内からの排気が行われる構造となっている。
また、シールド壁13は、底板11が完全にシールド壁13により覆われるように、受け台15に取り付けられている。これにより、受け台15とシールド壁13との間からのガスの漏洩を防止することができる。
このような底板11及びシールド壁13は、耐熱性の高い材料、例えばカーボン、好ましくはグラファイトなどにより形成されている。
The bottom plate 11 is placed on a pedestal 15 provided at the bottom of the heat insulating casing 1. An exhaust port 17 is formed in the center of the bottom plate 11, and the reaction chamber 5 is formed from the exhaust port 17 by vacuuming through an exhaust pipe 19 communicating with a hole 15a formed in the pedestal 15. The structure is such that exhaust is performed from the inside.
Further, the shield wall 13 is attached to the cradle 15 so that the bottom plate 11 is completely covered by the shield wall 13. This makes it possible to prevent gas from leaking between the cradle 15 and the shield wall 13.
Such a bottom plate 11 and a shield wall 13 are made of a material having high heat resistance, for example, carbon, preferably graphite or the like.
本発明において、上記の底板11及びシールド壁13により囲まれている反応室5内には、窒化反応に供される反応原料が収容されたトレイ19が多段に積み重ねられている。多段に積み重ねられているトレイ19の外側面とシールド壁13の内面との間には、ガス流路となる空隙Sが形成されている。 In the present invention, trays 19 containing reaction raw materials to be subjected to the nitriding reaction are stacked in multiple stages in the reaction chamber 5 surrounded by the bottom plate 11 and the shield wall 13. A gap S serving as a gas flow path is formed between the outer surface of the trays 19 stacked in multiple stages and the inner surface of the shield wall 13.
図3(a)を参照して、このトレイ19は、底壁19aと、底壁19aの周縁から立ち上がっている側壁19bとからなっており、側壁19bの上端には、周方向に間隔を置いて、複数(図では4つ)の切欠き19cが点対称的に形成されている。また、底壁19aの中心には、中空筒19dが直立して形成されている。即ち、多段に積載されているトレイ19には、中空筒19dを通して窒素ガス供給管21が貫通して最下段のトレイ19xまで延びている。この窒素ガス供給管21は下端が閉じられており、且つ、その管壁には、多数の小孔21a(図1では省略されている)が、積み重ねられているトレイ19のそれぞれの内部に面するように形成されており(図4参照)、窒素ガスが各トレイ15の内部に供給されるようになっている。かかるトレイ19は、筒状形態のシールド壁13の内径よりも小さな外径を有しており、これにより、トレイ19の外側面とシールド壁13の内面との間に、適度な大きさの空隙Sが形成される。 With reference to FIG. 3A, the tray 19 is composed of a bottom wall 19a and a side wall 19b rising from the peripheral edge of the bottom wall 19a, and the upper ends of the side wall 19b are spaced apart from each other in the circumferential direction. Therefore, a plurality of notches 19c (four in the figure) are formed point-symmetrically. A hollow cylinder 19d is formed upright at the center of the bottom wall 19a. That is, the nitrogen gas supply pipe 21 penetrates the tray 19 loaded in multiple stages through the hollow cylinder 19d and extends to the lowermost tray 19x. The lower end of the nitrogen gas supply pipe 21 is closed, and a large number of small holes 21a (omitted in FIG. 1) are formed in the pipe wall on the inside of each of the stacked trays 19. (See FIG. 4), nitrogen gas is supplied to the inside of each tray 15. The tray 19 has an outer diameter smaller than the inner diameter of the tubular shield wall 13, whereby a gap having an appropriate size is provided between the outer surface of the tray 19 and the inner surface of the shield wall 13. S is formed.
尚、積み重ねられているトレイ19の内、最下段に位置しているトレイ19xには、図3(b)に示されているように、複数本の足19eが形成されており、上記の空隙Sが、このトレイ19xの下面と底板11との間に形成される空間Yと連通するような形態となっている。
尚、上記のような足19eをトレイ19の下面に形成する代わりに、底板11の周縁部に、適当な台を設け、この台上にトレイ19xを載置することにより、空隙Sと連通する空間Yを形成することも可能である。
As shown in FIG. 3B, a plurality of legs 19e are formed in the tray 19x located at the bottom of the stacked trays 19, and the above-mentioned gaps are formed. The S is in such a form that it communicates with the space Y formed between the lower surface of the tray 19x and the bottom plate 11.
Instead of forming the foot 19e as described above on the lower surface of the tray 19, an appropriate table is provided on the peripheral edge of the bottom plate 11, and the tray 19x is placed on the table to communicate with the space S. It is also possible to form a space Y.
上記のトレイ19の底壁19a上には、図4に示されているように、反応原料の粉末が敷設されている。この反応原料の厚みtは、当然、切欠き19cや中央部の中空筒19dから反応原料が零れ落ちない程度の大きさに設定される。 As shown in FIG. 4, powder of the reaction raw material is laid on the bottom wall 19a of the tray 19. Naturally, the thickness t of the reaction raw material is set to such a size that the reaction raw material does not spill from the notch 19c or the hollow cylinder 19d in the center.
図5を参照して、上記のような構造とすることにより、窒素ガス供給管21に導入された窒素ガスのガス流Zは、該供給管21に形成されている小孔21aから放出され、各トレイ19の中心部からトレイ19内を通り、前述した切欠き19cを介して、トレイ19の外側面とシールド壁13の内面との間の空隙Sに流れ込み、空隙Sに流れ込んだガス流Zは、最下方のトレイ19xの下面と底板11との間の空間Yに流れ込み、底板11に形成されている排気口17から外部に排出されることとなる。 With reference to FIG. 5, with the above structure, the gas flow Z of the nitrogen gas introduced into the nitrogen gas supply pipe 21 is discharged from the small hole 21a formed in the supply pipe 21. The gas flow Z that passes through the tray 19 from the center of each tray 19 and flows into the gap S between the outer surface of the tray 19 and the inner surface of the shield wall 13 through the notch 19c described above, and flows into the gap S. Will flow into the space Y between the lower surface of the lowermost tray 19x and the bottom plate 11, and will be discharged to the outside from the exhaust port 17 formed in the bottom plate 11.
このような窒素ガスのガス流Zから理解されるように、窒素ガスは、各トレイ19の中心部分から各トレイ19の周縁部とシールド壁13とによって形成される空隙Sに流れ、この際に、各トレイ19内に収容されている反応原料と接触して窒化反応が行われるわけであるが、この反応により副生したガスが、未反応の窒素ガスと共に、速やかにトレイ19の外部に存在する空隙Sに排出され、さらに空間Yを通って排気口17から排出される。即ち、窒化反応により副生したガスは、トレイ19内に滞留することなく、直ちに排出されるため、反応原料と窒素との反応が副生ガスによって阻害されることなく進行するため、反応原料からの窒化物の生成時間を大幅に短縮することができる。しかも、トレイ19内を通るガスがよどむことなく速やかに排出されるため、トレイ内19に収容されている反応原料について、均一に窒化させることができる。例えば、トレイ19の周縁部分に位置している反応原料も、中心部分に位置する反応原料と同様に窒化されることとなる。 As can be understood from such a gas flow Z of nitrogen gas, nitrogen gas flows from the central portion of each tray 19 to the void S formed by the peripheral edge portion of each tray 19 and the shield wall 13, and at this time. The nitriding reaction is carried out in contact with the reaction raw materials contained in each tray 19, and the gas produced as a by-product of this reaction promptly exists outside the tray 19 together with the unreacted nitrogen gas. It is discharged into the gap S, and is further discharged from the exhaust port 17 through the space Y. That is, the gas produced as a by-product of the nitriding reaction is immediately discharged without staying in the tray 19, and the reaction between the reaction raw material and nitrogen proceeds without being hindered by the by-product gas. It is possible to significantly reduce the production time of the nitride in the above. Moreover, since the gas passing through the tray 19 is quickly discharged without stagnation, the reaction raw material contained in the tray 19 can be uniformly nitrided. For example, the reaction raw material located at the peripheral portion of the tray 19 is also nitrided in the same manner as the reaction raw material located at the central portion.
本発明において、上述した窒素ガスが、乱れることなく、層流状態でスムーズに流れるようにするという見地から、シールド壁13は、図2に示されているように円筒形状とすることがよく、さらに、トレイ19の平面形状は円形であることが好ましい。即ち、シールド壁19やトレイ19に角部が存在すると、窒素ガス(未反応窒素ガス及び副生ガス)が角部に当たったときに乱れ、ガス流のよどみが生じ易く、特に角部近傍に位置する反応原料の窒化反応が不安定となり、窒化反応が不均一となるおそれがあるからである。 In the present invention, the shield wall 13 is often formed into a cylindrical shape as shown in FIG. 2 from the viewpoint of allowing the above-mentioned nitrogen gas to flow smoothly in a laminar flow state without being disturbed. Further, the planar shape of the tray 19 is preferably circular. That is, if the corners are present on the shield wall 19 or the tray 19, the nitrogen gas (unreacted nitrogen gas and by-product gas) is disturbed when it hits the corners, and the gas flow tends to stagnate, especially in the vicinity of the corners. This is because the nitriding reaction of the position reaction raw material becomes unstable, and the nitriding reaction may become non-uniform.
また、上記のようなトレイ19の内径D1は、特に制限されるものではないが、通常、トレイ19毎に生成する窒化物の量が適度な範囲となるように、200mm以下、特に10〜80mm程度の範囲とすることがよい。また、トレイ19の高さhも、特に制限されるものではないが、トレイ19内に収容される反応原料(粉末状である)の高さtが10〜80mm程度となるように、トレイ19の内径D1に応じて設定することが好ましい。この高さhが小さ過ぎると、トレイ19毎の処理量が少なくなり、窒化物を工業的に量産するためには、必要以上にトレイ19の積み重ね段数を多くしなければならず、この結果、シールド壁13やケーシング1が過度に大型化してしまい、反応原料が収容されたトレイ19の積み重ね作業や、シールド壁13の組み立て作業、さらには、反応終了後にトレイ19を取り出すための作業が大掛かりなものとなってしまう。また、高さhが大き過ぎると、反応原料の深部まで窒化させることが困難となるおそれがある。
従って、トレイ19の中心に形成されている中空筒19dの高さや切り欠き19cの高さh1は、上記のような量で収容された反応原料が中空筒19の内部に侵入せず、且つ切欠き19cからこぼれ落ちない程度の高さに設定される。
The inner diameter D 1 of the tray 19 as described above is not particularly limited, but is usually 200 mm or less, particularly 10 to 10 so that the amount of nitride produced for each tray 19 is in an appropriate range. The range is preferably about 80 mm. Further, the height h of the tray 19 is not particularly limited, but the tray 19 is provided so that the height t of the reaction raw material (powdered) contained in the tray 19 is about 10 to 80 mm. it is preferably set according to the inner diameter D 1. If this height h is too small, the processing amount for each tray 19 will be small, and in order to mass-produce nitrides industrially, the number of stacking stages of the tray 19 must be increased more than necessary, and as a result, the number of stacking stages of the tray 19 must be increased. The shield wall 13 and the casing 1 become excessively large, and the work of stacking the trays 19 containing the reaction raw materials, the work of assembling the shield wall 13, and the work of taking out the tray 19 after the reaction is completed are large. It becomes a thing. Further, if the height h is too large, it may be difficult to nitrid the deep part of the reaction raw material.
Thus, the hollow cylinder the height h 1 of the height or the notch 19c of 19d which center is formed of the tray 19 does not enter the inside of the reaction raw material is a hollow cylinder 19 which is accommodated in the above-mentioned amount, and The height is set so that it does not spill from the notch 19c.
また、トレイ19に形成されている複数の切欠き19c幅や数は、トレイ19の中心から外部の空隙Sへのガス流Zが周方向に均等となるように設定すればよく、従って、複数の切欠き19は、点対称となるように配置される。また、切欠き19の数は、図3では4個となっているが、2個とすることもできるし、3個或いは5個以上とすることもできる。 Further, the width and number of the plurality of notches 19c formed in the tray 19 may be set so that the gas flow Z from the center of the tray 19 to the external void S is even in the circumferential direction. The notch 19 of is arranged so as to be point-symmetrical. Further, the number of notches 19 is four in FIG. 3, but it can be two, three or five or more.
さらに、上述したトレイ19の外径D2は、シールド壁13の内径D3の50〜95%程度に設定することが、排気管19から排気口17を介しての吸引を効率よく、且つスムーズなガス流を確保する上で好適である。 Further, the outer diameter D 2 of the tray 19 described above can be set to about 50 to 95% of the inner diameter D 3 of the shield wall 13 so that suction from the exhaust pipe 19 through the exhaust port 17 is efficient and smooth. It is suitable for ensuring a good gas flow.
本発明において、上記のような形態のトレイ19は、種々の窒化反応や酸化物の還元窒化などに使用される耐熱性の材料により形成され、例えば、カーボン、特にグラファイトが好適に使用される。また、これ以外にも、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ホウ素等のセラミックス粉の焼結体によりトレイ19が形成されていてもよい。また、カーボンからなるトレイ上にアルミナ、炭化ケイ素、窒化ホウ素等のセラミックス粉の焼結体または成型体製の板を載せることでカーボン製のトレイの劣化を防止することも好ましい態様である。 In the present invention, the tray 19 having the above-described form is formed of a heat-resistant material used for various nitriding reactions, reduction nitriding of oxides, and the like, and for example, carbon, particularly graphite, is preferably used. In addition to this, the tray 19 may be formed of a sintered body of ceramic powder such as alumina, silicon carbide, and boron nitride. It is also a preferred embodiment to prevent deterioration of the carbon tray by placing a plate made of a sintered body or a molded body of ceramic powder such as alumina, silicon carbide, or boron nitride on a tray made of carbon.
上述したトレイ19の積載段数は、トレイの大きさ等に応じて工業的に十分な量の窒化物が1バッチで得られるように設定され、通常、5〜40段に設定される。 The number of loading stages of the tray 19 described above is set so that an industrially sufficient amount of nitride can be obtained in one batch according to the size of the tray and the like, and is usually set to 5 to 40 stages.
上述した本発明の窒化反応炉において、シールド壁13で区画されている反応室5の上部には、予熱室23が形成されていることが好ましい。即ち、窒素導入管25がケーシング1を貫通して予熱室23の上部に接続され、一方、予熱室23の下部には、前述した窒素ガス供給管21の上端が接続されている。即ち、窒素ガスは、導入管25から予熱室23に流れ込み、予熱室23から窒素ガス供給管21に導入され、前述したように、この供給管21からトレイ19内に窒素ガスが供給される。即ち、トレイ19内に使用されている反応原料を窒化させるための反応(例えば直接窒化や還元窒化)は極めて高温で行われるため、反応室15内がヒーター3により所定の反応温度に加熱されていたとしても、トレイ19内に供給される窒素ガスの温度が低いと、窒化反応が不安定となるおそれがある。このため、反応室5の上部に予熱室23を設け、窒素供給管21に導入する窒素ガスを、反応室5内と同等の温度に加熱されている予熱室23に通し、予め加熱しておくことが望ましい。 In the above-mentioned nitriding reactor of the present invention, it is preferable that a preheating chamber 23 is formed in the upper part of the reaction chamber 5 partitioned by the shield wall 13. That is, the nitrogen introduction pipe 25 penetrates the casing 1 and is connected to the upper part of the preheating chamber 23, while the upper end of the nitrogen gas supply pipe 21 described above is connected to the lower part of the preheating chamber 23. That is, the nitrogen gas flows from the introduction pipe 25 into the preheating chamber 23, is introduced into the nitrogen gas supply pipe 21 from the preheating chamber 23, and as described above, the nitrogen gas is supplied from the supply pipe 21 into the tray 19. That is, since the reaction for nitriding the reaction raw material used in the tray 19 (for example, direct nitriding or reduction nitriding) is performed at an extremely high temperature, the inside of the reaction chamber 15 is heated to a predetermined reaction temperature by the heater 3. Even so, if the temperature of the nitrogen gas supplied into the tray 19 is low, the nitriding reaction may become unstable. Therefore, a preheating chamber 23 is provided above the reaction chamber 5, and the nitrogen gas introduced into the nitrogen supply pipe 21 is passed through the preheating chamber 23 heated to the same temperature as in the reaction chamber 5 to be preheated. Is desirable.
このような予熱室23は、窒素導入管25から導入される窒素ガスの滞留時間をできるだけ長くすることにより、窒素ガスをできるだけ高温に加熱するというものであり、例えば、シールド壁13と同様の耐熱材料により形成されたボックス形状の枠体27の内部にガス流透過口を有する予熱板29が重ねられている。 Such a preheating chamber 23 heats the nitrogen gas to a high temperature as much as possible by lengthening the residence time of the nitrogen gas introduced from the nitrogen introduction pipe 25 as much as possible. For example, the heat resistance is similar to that of the shield wall 13. A preheating plate 29 having a gas flow vent is stacked inside a box-shaped frame 27 formed of a material.
上記の予熱板29は、高熱伝導性のカーボン、好ましくはグラファイトや窒化ホウ素の焼結体等により形成されるが、滞留時間を長くするために、ガス流透過口の位置の異なるものを作成し、これらを重ね合わせて使用することが好適である。 The above-mentioned preheating plate 29 is formed of carbon having high thermal conductivity, preferably a sintered body of graphite or boron nitride, but in order to prolong the residence time, the preheating plate 29 has a different position of the gas flow permeation port. , It is preferable to use these in combination.
例えば、図6(a)には、中心にガス透過口となる開口31が形成されており、中心開口予熱板29aが示されている。この中心開口予熱板29aには、中心開口31を取り囲むように、周方向に一定の間隔を置いてリング状に配列されている気流規制突起33が設けられている。
また、図6(b)には、周縁にガス流透過口となる小孔34が多数分布している周縁小孔予熱板29bが示されている。
For example, in FIG. 6A, an opening 31 serving as a gas permeation port is formed in the center, and a central opening preheating plate 29a is shown. The central opening preheating plate 29a is provided with airflow regulating protrusions 33 arranged in a ring shape at regular intervals in the circumferential direction so as to surround the central opening 31.
Further, FIG. 6B shows a peripheral small hole preheating plate 29b in which a large number of small holes 34 serving as gas flow permeation ports are distributed on the peripheral edge.
上記のような中心開口予熱板29aと周縁小孔予熱板29bとを枠体27内で交互に重ねて予熱室23を形成することにより、この予熱室23内での窒素ガスの滞留時間を長くすることができる。即ち、窒素導入管25から予熱室23内に導入された窒素ガスは、周縁小孔予熱板29bの周縁に形成されている小孔34を通って中心開口予熱板29a上に流れる。中心開口予熱板29a上に流れ込んだ窒素ガスは、気流規制突起33の間を通り、中心の開口31から周縁小孔予熱板29b上に流れる。このように窒素ガスの流れを、周縁−中心−周縁−中心とジグザグにすることがで、滞留時間を長くし、窒素ガスを十分に高温に加熱することができる。 By alternately stacking the central opening preheating plate 29a and the peripheral small hole preheating plate 29b as described above in the frame body 27 to form the preheating chamber 23, the residence time of nitrogen gas in the preheating chamber 23 is lengthened. can do. That is, the nitrogen gas introduced from the nitrogen introduction pipe 25 into the preheating chamber 23 flows onto the central opening preheating plate 29a through the small holes 34 formed on the peripheral edge of the peripheral small hole preheating plate 29b. The nitrogen gas that has flowed onto the central opening preheating plate 29a passes between the airflow regulation protrusions 33 and flows from the central opening 31 onto the peripheral small hole preheating plate 29b. By making the flow of nitrogen gas zigzag with the periphery-center-periphery-center in this way, the residence time can be lengthened and the nitrogen gas can be heated to a sufficiently high temperature.
このように、十分に加熱された窒素ガスを、窒素ガス供給管21から所定の反応温度に維持されている反応室5内に導入し、窒化反応を行うことにより、トレイ19上に窒化物を得ることができる。
反応終了後は、断熱性ケーシング1を開け、予熱室23を取り出し、次いでシールド壁13を引き抜いてトレイ19を取り出し、トレイ19上の反応生成物(窒化物)が回収される。
回収された窒化物は、適宜、酸化、酸洗や水洗等による洗浄や乾燥といった操作による高純度化、分級等の工程を得て、製品としての使用に供される。
In this way, the sufficiently heated nitrogen gas is introduced from the nitrogen gas supply pipe 21 into the reaction chamber 5 maintained at a predetermined reaction temperature, and the nitriding reaction is carried out to bring the nitride onto the tray 19. Obtainable.
After completion of the reaction, the heat insulating casing 1 is opened, the preheating chamber 23 is taken out, then the shield wall 13 is pulled out to take out the tray 19, and the reaction product (nitride) on the tray 19 is recovered.
The recovered nitride is appropriately subjected to processes such as high purification and classification by operations such as oxidation, pickling, washing with water, and drying, and is used as a product.
上述した本発明の窒化炉は、バッチ式で窒化反応を行うものであるが、副生するガスが、断熱性のケーシング1の内面やヒーター3に接触しないような構造となっているため、特に還元窒化反応の実施に好適であり、例えば、還元窒化法により、常温常圧で安定な窒化アルミニウム(AlN)や六方晶窒化ホウ素(h−BN)を製造するのに極めて適している。 The above-mentioned nitriding furnace of the present invention is a batch type nitriding reaction, but it has a structure in which the by-produced gas does not come into contact with the inner surface of the heat insulating casing 1 or the heater 3. It is suitable for carrying out a reduction nitriding reaction, and is extremely suitable for producing aluminum nitride (AlN) and hexagonal boron nitride (h-BN) that are stable at normal temperature and pressure, for example, by the reduction nitriding method.
還元窒化還元窒化法による窒化アルミニウム(AlN)の製造は、以下のようにして実施される。即ち、アルミニウム源として酸化アルミニウム(Al2O3)等の含酸素アルミニウム化合物を使用し、この含酸素ホウ素化合物の粉末と、カーボン粉末との混合粉末を反応原料としてトレイ19上に敷き詰め、かかるトレイ19を前述した窒化炉の反応室5内に積載し、窒素ガス供給管21から窒素を供給し、含酸素アルミニウム化合物の還元及び窒化により、トレイ19上にAlNが得られる。
上記の反応は、下記式により表される。
Al2O3+3C+N2 → 2AlN+3CO
上記の反応は、一般に、反応室5内を1200〜2000℃、好ましくは1400〜1800℃の温度に設定されて実施される。この温度が低すぎると、還元窒化が十分に進行せず、また、反応室5内の温度が必要以上に高いと、生成したAlNが揮散し、排出されてしまうおそれがある。
Reduction Nitriding The production of aluminum nitride (AlN) by the reduction nitriding method is carried out as follows. That is, an oxygen-containing aluminum compound such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is used as an aluminum source, and a mixed powder of the oxygen-containing boron compound powder and carbon powder is spread on the tray 19 as a reaction raw material, and the tray is covered. 19 is loaded in the reaction chamber 5 of the above-mentioned nitriding furnace, nitrogen is supplied from the nitrogen gas supply pipe 21, and AlN is obtained on the tray 19 by reduction and nitriding of the oxygen-containing aluminum compound.
The above reaction is represented by the following formula.
Al 2 O 3 + 3C + N 2 → 2AlN + 3CO
The above reaction is generally carried out in the reaction chamber 5 at a temperature of 1200 to 2000 ° C, preferably 1400 to 1800 ° C. If this temperature is too low, reduction nitriding does not proceed sufficiently, and if the temperature in the reaction chamber 5 is higher than necessary, the generated AlN may volatilize and be discharged.
また、還元窒化法による六方晶窒化ホウ素(h−BN)の製造は、以下のようにして実施される。即ち、ホウ素源として酸化ホウ素(B2O3)等の含酸素ホウ素化合物を使用し、この含酸素ホウ素化合物の粉末と、カーボン粉末及び助剤との混合粉末を反応原料としてトレイ19上に敷き詰め、かかるトレイ19を前述した窒化炉の反応室5内に積載し、窒素ガス供給管21から窒素を供給し、含酸素ホウ素化合物の還元及び窒化により、トレイ19上にh−BNが得られる。
上記の反応は、下記式により表される。
B2O3+3C+N2 → 2BN+3CO
Further, the production of hexagonal boron nitride (h-BN) by the reduction nitriding method is carried out as follows. That is, an oxygen-containing boron compound such as boron oxide (B 2 O 3 ) is used as a boron source, and a powder of the oxygen-containing boron compound, a carbon powder, and a mixed powder of an auxiliary agent are spread on the tray 19 as a reaction raw material. The tray 19 is loaded in the reaction chamber 5 of the nitriding furnace described above, nitrogen is supplied from the nitrogen gas supply pipe 21, and h-BN is obtained on the tray 19 by reducing and nitriding the oxygen-containing boron compound.
The above reaction is represented by the following formula.
B 2 O 3 + 3C + N 2 → 2BN + 3CO
上記の反応は、一般に、反応室5内を1200〜2200℃、好ましくは1800〜2100℃の温度に設定されて実施される。この温度が低すぎると、還元窒化が十分に進行せず、また、反応室5内の温度が必要以上に高いと、生成したh−BNが揮散し、排出されてしまうおそれがある。 The above reaction is generally carried out in the reaction chamber 5 at a temperature of 1200 to 2200 ° C., preferably 1800 to 2100 ° C. If this temperature is too low, reduction nitriding does not proceed sufficiently, and if the temperature in the reaction chamber 5 is higher than necessary, the generated h-BN may volatilize and be discharged.
また、上記の反応により、金属酸化物の揮発物や二酸化炭素等の酸化性ガスが副生するが、このCOガスは、シールド壁13により、断熱性ケーシング1やヒーター3に接触することがなく、これにより、断熱性ケーシング1やヒーター3の劣化を有効に抑制することができ、装置寿命を長く保持することができる。 Further, due to the above reaction, an oxidizing gas such as a volatile metal oxide or carbon dioxide is produced as a by-product, but this CO gas does not come into contact with the heat insulating casing 1 or the heater 3 due to the shield wall 13. As a result, deterioration of the heat insulating casing 1 and the heater 3 can be effectively suppressed, and the life of the device can be maintained for a long time.
さらに、反応原料中の助剤は、上記の還元窒化反応を原料内部まで均一に進行させるために使用されるものであり、例えば、含酸素アルカリ土類金属化合物、特に炭酸カルシウムや酸化カルシウムが好適に使用される。即ち、上記のような高温で還元窒化反応を実施すると、反応室5内を高温に昇温させる過程で、このような助剤が分解してガス(例えば炭酸ガス)が発生する。この結果、窒素ガスを供給する段階で反応原料の内部に空隙が生成しており、反応原料の深部まで窒素ガスが侵入し、迅速且つ均一に、還元窒化反応を進行させることができる。例えば、本発明者等は、前述した図に示す窒化炉を用いて、上記のh−BNの製造を行ったところ、トレイ19の全体にわたって、白色度の高いh−BNの粉末(例えば白色度Wが90以上)が製造されたことを確認している。例えば、還元窒化が不均一に進行すると、カーボンが残留するため、部分的に白色度の低い部分が生成するが、本発明では、還元窒化が均一に且つ内部まで進行するため、白色度も全体にわたって高いものとなっている。
また、内径D1が60mmのトレイ19の積み重ね段数を20とし、窒素ガス供給管21からの窒素ガスの吐出速度(線速)が0.5Ncm/s以上となるように設定したとき、15時間以内に還元窒化反応が完了したことも確認している。
Further, the auxiliary agent in the reaction raw material is used to uniformly proceed the above reduction nitriding reaction to the inside of the raw material, and for example, oxygen-containing alkaline earth metal compounds, particularly calcium carbonate and calcium oxide are preferable. Used for. That is, when the reduction nitriding reaction is carried out at a high temperature as described above, such an auxiliary agent is decomposed and gas (for example, carbon dioxide gas) is generated in the process of raising the temperature inside the reaction chamber 5 to a high temperature. As a result, voids are formed inside the reaction raw material at the stage of supplying the nitrogen gas, and the nitrogen gas penetrates deep into the reaction raw material, so that the reduction nitriding reaction can proceed quickly and uniformly. For example, when the present inventors produced the above h-BN using the nitriding furnace shown in the above-mentioned figure, the h-BN powder having a high whiteness (for example, whiteness) was produced over the entire tray 19. W is 90 or more) has been confirmed to have been manufactured. For example, when reduction nitriding proceeds non-uniformly, carbon remains, so that a portion having low whiteness is partially generated. However, in the present invention, reduction nitriding proceeds uniformly and to the inside, so that the whiteness is also overall. It has become high over.
Further, when the number of stacking stages of the tray 19 having an inner diameter D 1 of 60 mm is set to 20, and the discharge speed (linear speed) of nitrogen gas from the nitrogen gas supply pipe 21 is set to 0.5 Ncm / s or more, 15 hours. It has also been confirmed that the reduction nitriding reaction was completed within the time.
尚、前記反応原料である混合粉末を調製するための混合は、各成分が均一に混合される限り、特に制限されず、振動ミル、ボールミル、ドラムミキサー振動攪拌機等の混合装置を用いて行われる。 The mixing for preparing the mixed powder as the reaction raw material is not particularly limited as long as each component is uniformly mixed, and is performed using a mixing device such as a vibration mill, a ball mill, or a drum mixer vibration stirrer. ..
また、反応原料中、ホウ素源とカーボン粉末との量比は、元素比(B/C)が0.60〜0.85、特に0.65〜0.80の範囲となるように設定される。この元素比(B/C)が上記範囲よりも小さいと、反応生成物中に未反応カーボンが多く存在するようになり、目的とするh−BNを得ることが困難となるおそれがある。また、上記範囲よりも大きいと、還元されずに揮散するホウ素化合物の量が増大し、収率が低下するばかりか、排気ライン中での還元窒化により、排気ラインが閉塞してしまうなどの不都合も生じる恐れがある。
また、含ホウ素化合物と助剤との量比は、例えば酸化物換算でのホウ素とカルシウムのモル比(B2O3/CaO)が4.0〜6.0、特に4.5〜5.5の範囲とすることが好適である。このモル比が、当該範囲よりも小さいと、カルシウム由来の不純物がトレイ19上に多く存在することとなり、収率が低下してしまう。また、モル比が上記範囲よりも大きいと、還元されずに揮散するホウ素化合物の量が増大し、収率の低下ばかりか、排気ラインの閉塞も生じるおそれがある。
Further, the amount ratio of the boron source and the carbon powder in the reaction raw material is set so that the element ratio (B / C) is in the range of 0.60 to 0.85, particularly 0.65 to 0.80. .. If this element ratio (B / C) is smaller than the above range, a large amount of unreacted carbon will be present in the reaction product, and it may be difficult to obtain the desired h-BN. On the other hand, if it is larger than the above range, the amount of boron compound volatilized without being reduced increases, the yield decreases, and the exhaust line is blocked due to reduction nitriding in the exhaust line. May also occur.
As for the amount ratio of the boron-containing compound and the auxiliary agent, for example, the molar ratio of boron to calcium (B 2 O 3 / CaO) in terms of oxide is 4.0 to 6.0, particularly 4.5 to 5. It is preferably in the range of 5. If this molar ratio is smaller than this range, a large amount of calcium-derived impurities will be present on the tray 19, and the yield will decrease. On the other hand, if the molar ratio is larger than the above range, the amount of the boron compound volatilized without being reduced increases, which may not only reduce the yield but also cause the exhaust line to be blocked.
また、本発明においては、上記のような反応原料を用いて、h−BNを製造する場合、図7に示されているように、窒化ホウ素(h−BN)の成型体または粉末からなる離型層をトレイ19の底壁19a上に敷き詰め、この上に、反応原料を敷き詰めることが好適である。
即ち、トレイ19上での還元窒化によりh−BNを製造する場合、生成するh−BN粉末がトレイ19の底壁19aに付着してしまい、トレイ19からの取り出しが困難となってしまうおそれがある。特にグラファイトカーボン製のトレイ19が使用されている場合には、この傾向が大きい。このような不都合を防止するために、トレイ19の底壁19a上に窒化ホウ素の成型体または粉末を敷き詰めて離型層とし、生成する窒化ホウ素粉末とトレイ19の底壁19aとの直接接触を回避することにより、上記のような不都合を有効に防止することができる。
Further, in the present invention, when h-BN is produced using the above-mentioned reaction raw materials, as shown in FIG. 7, the release of boron nitride (h-BN) from a molded product or powder. It is preferable that the mold layer is spread on the bottom wall 19a of the tray 19, and the reaction raw material is spread on this.
That is, when h-BN is produced by reduction nitriding on the tray 19, the produced h-BN powder may adhere to the bottom wall 19a of the tray 19, making it difficult to remove the h-BN from the tray 19. is there. This tendency is particularly large when the tray 19 made of graphite carbon is used. In order to prevent such inconvenience, a boron nitride molded body or powder is spread on the bottom wall 19a of the tray 19 to form a release layer, and the generated boron nitride powder is in direct contact with the bottom wall 19a of the tray 19. By avoiding it, the above-mentioned inconvenience can be effectively prevented.
上記のようにしてトレイ19上に生成した六方晶窒化ホウ素(h−BN)の粉末は、トレイ19から回収し、酸洗により未反応酸化ホウ素や助剤に由来するCa若しくはCa化合物などを除去し、水洗し、適宜、振動篩などを用いて所定の粒度に分級し、包装袋に回収し、販売に供される。 The hexagonal boron nitride (h-BN) powder generated on the tray 19 as described above is recovered from the tray 19 and pickled to remove unreacted boron oxide, Ca or Ca compound derived from an auxiliary agent, and the like. Then, it is washed with water, classified into a predetermined particle size using a vibrating sieve or the like, collected in a packaging bag, and put on the market.
このように、本発明の窒化反応炉によれば、バッチ式でありながら、一度に多量の窒化物を製造することができ、さらに窒化反応も迅速かつ均一に進行させることができ、さらには、断熱性ケーシング1やヒーター3の劣化も有効に回避することができ、装置寿命が長く、効率よく窒化物を生産することができ、工業的に極めて有用である。 As described above, according to the nitriding reaction furnace of the present invention, a large amount of nitrides can be produced at one time even though it is a batch type, and the nitriding reaction can proceed quickly and uniformly. Deterioration of the heat insulating casing 1 and the heater 3 can be effectively avoided, the device life is long, and nitrides can be efficiently produced, which is extremely useful industrially.
1:断熱性ケーシング
3:ヒーター
5:反応室
11:底板
13:シールド壁
17:排気口
19:トレイ
19c:切欠き
21:窒素ガス供給管
23:予熱室
S:空隙
1: Insulation casing 3: Heater 5: Reaction chamber 11: Bottom plate 13: Shield wall 17: Exhaust port 19: Tray 19c: Notch 21: Nitrogen gas supply pipe 23: Preheating chamber S: Void
Claims (7)
前記窒化反応炉は、断熱性ケーシングを有しており、
前記断熱性ケーシング内には、排気口を備えた底板に保持されているシールド壁に囲まれている反応室と、該反応室の外側に配置されたヒーターが設けられており、
前記反応室内には、前記底板上に、中心部に開口を有しており且つ窒化反応に供される反応原料が収容され且つ側壁に切欠きが形成されているトレイが多段に積載されていると共に、該トレイの開口を通って貫通して延びている窒素ガス供給管が設けられており、
前記窒素ガス供給管から供給された窒素ガスを前記トレイに収容されている反応原料に接触させることにより窒化反応が行われ、未反応窒素ガス及び副生ガスは、前記トレイの側壁に形成されている切欠きを通って、該トレイの周縁部と前記シールド壁との間に形成されている空隙を通り、前記底板の排気口から排出される構造を有していることを特徴とする窒化反応炉。 In a nitriding reactor for performing a nitriding reaction
The nitriding reactor has a heat insulating casing and has a heat insulating casing.
In the heat insulating casing, a reaction chamber surrounded by a shield wall held by a bottom plate provided with an exhaust port and a heater arranged outside the reaction chamber are provided.
In the reaction chamber, trays having an opening in the center, containing reaction raw materials to be subjected to the nitriding reaction, and having notches on the side walls are loaded in multiple stages on the bottom plate. At the same time, a nitrogen gas supply pipe extending through the opening of the tray is provided.
The nitriding reaction is carried out by bringing the nitrogen gas supplied from the nitrogen gas supply pipe into contact with the reaction raw material contained in the tray, and the unreacted nitrogen gas and the by-product gas are formed on the side wall of the tray. The nitriding reaction is characterized by having a structure in which the gas is discharged from the exhaust port of the bottom plate through the gap formed between the peripheral edge of the tray and the shield wall through the notch. Furnace.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019161893A JP7356297B2 (en) | 2019-09-05 | 2019-09-05 | Nitriding reactor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019161893A JP7356297B2 (en) | 2019-09-05 | 2019-09-05 | Nitriding reactor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021038901A true JP2021038901A (en) | 2021-03-11 |
JP7356297B2 JP7356297B2 (en) | 2023-10-04 |
Family
ID=74846871
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019161893A Active JP7356297B2 (en) | 2019-09-05 | 2019-09-05 | Nitriding reactor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7356297B2 (en) |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63217187A (en) * | 1987-03-03 | 1988-09-09 | 住友化学工業株式会社 | Reaction furnace |
JPH0325288A (en) * | 1989-06-23 | 1991-02-04 | Toshiba Ceramics Co Ltd | Base plate for firing aluminum nitride substrate |
JPH0542998U (en) * | 1991-11-01 | 1993-06-11 | 株式会社村田製作所 | Box for baking |
JPH09255438A (en) * | 1996-03-22 | 1997-09-30 | Murata Mfg Co Ltd | Burning of ceramic formed article and burning apparatus |
JPH10219346A (en) * | 1997-02-07 | 1998-08-18 | Kanto Yakin Kogyo Kk | Atmosphere heat treatment furnace |
JP2005069668A (en) * | 2003-08-01 | 2005-03-17 | Asahi Glass Co Ltd | Baking container for silicon nitride-based ceramic |
WO2010016421A1 (en) * | 2008-08-08 | 2010-02-11 | 芝浦メカトロニクス株式会社 | Heat treating device and heat treating method |
JP2017014064A (en) * | 2015-07-01 | 2017-01-19 | 株式会社トクヤマ | Hexagonal boron nitride particle and method for producing the same |
JP2018013256A (en) * | 2016-07-19 | 2018-01-25 | 日本碍子株式会社 | Atmosphere furnace |
-
2019
- 2019-09-05 JP JP2019161893A patent/JP7356297B2/en active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63217187A (en) * | 1987-03-03 | 1988-09-09 | 住友化学工業株式会社 | Reaction furnace |
JPH0325288A (en) * | 1989-06-23 | 1991-02-04 | Toshiba Ceramics Co Ltd | Base plate for firing aluminum nitride substrate |
JPH0542998U (en) * | 1991-11-01 | 1993-06-11 | 株式会社村田製作所 | Box for baking |
JPH09255438A (en) * | 1996-03-22 | 1997-09-30 | Murata Mfg Co Ltd | Burning of ceramic formed article and burning apparatus |
JPH10219346A (en) * | 1997-02-07 | 1998-08-18 | Kanto Yakin Kogyo Kk | Atmosphere heat treatment furnace |
JP2005069668A (en) * | 2003-08-01 | 2005-03-17 | Asahi Glass Co Ltd | Baking container for silicon nitride-based ceramic |
WO2010016421A1 (en) * | 2008-08-08 | 2010-02-11 | 芝浦メカトロニクス株式会社 | Heat treating device and heat treating method |
JP2017014064A (en) * | 2015-07-01 | 2017-01-19 | 株式会社トクヤマ | Hexagonal boron nitride particle and method for producing the same |
JP2018013256A (en) * | 2016-07-19 | 2018-01-25 | 日本碍子株式会社 | Atmosphere furnace |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP7356297B2 (en) | 2023-10-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2579760B2 (en) | Reactor | |
US20060118048A1 (en) | Susceptor system | |
JP7356297B2 (en) | Nitriding reactor | |
US20060081187A1 (en) | Susceptor system | |
JP7356298B2 (en) | Nitriding reactor | |
JP2010248025A (en) | Method for producing silicon carbide powder | |
KR102133885B1 (en) | Porous carbon crucible using spherical phenolic resin and its manufacturing method | |
JPS60155507A (en) | Continuous preparation of boron nitride | |
JP2009184897A (en) | Method for manufacturing silicon carbide single crystal | |
KR102377938B1 (en) | Manufacturing method of aluminum nitride using porous carbon crucible | |
JPH0648837A (en) | Silicon carbide-based member for production of semiconductor | |
JPH028964B2 (en) | ||
JP2004083341A (en) | Aluminum nitride sintered compact and its producing process | |
JP2006117472A (en) | Silicon carbide tool material for firing and its manufacturing method | |
KR101893490B1 (en) | Apparatus for forming silicon carbide | |
JP2010138011A (en) | Method of producing aluminum nitride powder | |
JP4343154B2 (en) | Manufacturing method of ceramic sintered body | |
JPS5891012A (en) | Method and apparatus for manufacturing silicon nitride powder | |
JP2009256153A (en) | Method and apparatus for producing silicon carbide powder | |
KR20140045531A (en) | Method for making porous acicular mullite bodies | |
JP2579760C (en) | ||
JP3111657B2 (en) | Method for producing silicon nitride sintered body | |
JP5517257B2 (en) | Method for producing aluminum nitride material, aluminum nitride material and heat exchanger | |
JP2696734B2 (en) | Manufacturing method of silicon nitride sintered body | |
US20210363011A1 (en) | Method for preparing boron nitride nanotubes by heat treating boron precursor and apparatus thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220606 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20230525 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230606 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230724 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20230724 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230905 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230922 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7356297 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |