JP2837315B2 - 金属炭化物に含まれる遊離炭素の除去方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属炭化物の精製方法に
関連し、金属炭化物に含まれる遊離炭素の除去方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】金属炭化物の製造方法としては、 金属酸化物の炭素による還元炭化 金属の直接炭化 分解性金属化合物と炭化水素との気相反応 等が挙げられるが、工業的には経済上の面から上記の
方法が最も一般的である。

【０００３】の方法は金属酸化物と炭素との混合物を
非酸化性雰囲気下で１４００℃以上の高温に加熱し金属
炭化物粉末（粉体）を製造する方法であるが、収率や工
業的安定操業を考慮して、その前駆体である混合物（金
属酸化物＋炭素）は、一般的に炭素が過剰に、即ち金属
酸化物から金属炭化物を合成する反応の化学量論比以上
に含まれている。従って、合成された金属炭化物中には
不可避的に遊離炭素が金属炭化物と結合した状態で含ま
れている。このため遊離炭素を除去する技術は、金属炭
化物を製造する上で極めて重要な工程となっている。

【０００４】金属炭化物中に含まれる遊離炭素を除去す
る方法としては、 金属炭化物と炭素との物性の差を利用する方法 金属炭化物と炭素との酸化速度の差を利用する方法 等が挙げられる。

【０００５】の方法は、例えば比重差を利用した沈降
分離であるが、この方法を用いる場合には金属炭化物と
炭素との比重差が大きいこと、各粒子がそれぞれ単一で
あることが必要である。しかしながら、本発明に使用さ
れる金属炭化物と遊離炭素とは上述の如く結合した状態
にあるため、この方法では分離効率が極端に低下すると
いう欠点を有している。

【０００６】これに対しの方法は遊離炭素を燃焼除去
する方法であり、これは金属炭化物と炭素とが結合した
状態であっても問題なく、粒度等、要求される条件も少
ない。このため金属炭化物中に含まれる遊離炭素の除去
方法として一般的である。例えば、最も単純な方法、装
置として、遊離炭素を含有する金属炭化物を容器に充填
して炉内で遊離炭素を空気で燃焼させる方法が考えられ
る。

【０００７】しかしながら、元来炭素を燃焼除去する方
法では、不可避的に金属炭化物も一部酸化されるという
欠点を伴う。金属炭化物粉末は一般に焼結を行って構造
材料として使用するが、金属炭化物中に酸化物が多量に
含まれていると、構造材料としての密度や強度が低下す
るため致命的となる。従って、燃焼除去を行う際の金属
炭化物の酸化反応は最小限に抑える必要がある。しかし
ながら、金属炭化物中の遊離炭素の燃焼除去は、炭素の
燃焼熱で必然的に雰囲気の温度が上昇し、これと共に金
属炭化物の酸化速度も上昇するという根本的な問題を持
っているのである。遊離炭素を含む金属炭化物を容器に
充填して炉内で燃焼する方法はこの欠点が特に顕著に現
れる。従ってこの方法は、工業的に大量の金属炭化物の
処理を行うには適当ではない。

【０００８】また、遊離炭素を更に効率的に燃焼する方
法として、流動層燃焼装置を用いる方法が考えられる。
しかしながらこの方法では、均一な流動化を達成するた
めに金属炭化物の粒度を揃える必要があり、これが達成
されないと、流動化せず局所的に酸化性ガスとの接触の
悪い部分が発生し、前述のように単純に容器で燃焼させ
る方法と同様の結果を招くことになる。更には、微細な
粒子が飛散して収率が低下するといった問題を生じる。

【０００９】このためさらに改良された手段として、耐
熱性粒子を酸化性ガスにより流動化させてなる流動層の
下部から金属炭化物粉末を連続的に装入し流動層内を上
昇させる間に遊離炭素を燃焼除去する方法（以下、媒体
流動層と略記）が特公昭５７−２１４８４号に開示され
ている。この方法では流動化媒体は、温度や流速等の条
件によって最も流動化し易い耐熱性粒子を自由に選択す
ることができ、金属炭化物の粒度や構造は重要な因子と
はならない。当然のことながら、遊離炭素と酸化性ガス
との接触効率も極めて高いため、金属炭化物中の遊離炭
素を燃焼除去する手段として極めて有効である。

【００１０】しかしながらこの方法では、流動化媒体の
摩耗あるいは、元来流動化媒体に含まれる微細な粒子の
飛出しにより、遊離炭素を燃焼除去して排出された金属
炭化物中に流動化媒体成分が混入するという問題点があ
る。また、層内は完全混合状態であり、滞留時間に分布
があるため、一部の粒子は遊離炭素が除去されないまま
層外へ排出されるという問題点も生じる。更には、連続
的に装入される金属炭化物粒子と流動化媒体との相互作
用により金属炭化物が層内に滞留して、層内で必要以上
に酸化が進行するという問題点も生じる。

【００１１】即ち、この方法は工業的に目的の精製物を
得るための操業条件が狭く、遊離炭素の残留物やその他
の不純物のない金属炭化物を得るためには極めて高度な
制御技術が必要となるのである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
従来技術の欠点を改善し、金属炭化物の酸化を抑制し、
遊離炭素の残存量を少なくし、しかも、短時間で大量に
金属炭化物中の遊離炭素を燃焼除去する新規な方法を提
供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者等は上記状況に
鑑み、従来技術の得失を検討した結果、遊離炭素を特定
濃度の酸素を含有するガスで、かつ特定温度で燃焼処理
を行うことにより、燃焼処理後の残存遊離炭素を最小限
に抑え、また遊離炭素の燃焼熱による系内の温度上昇を
抑えることにより、燃焼処理後の金属炭化物の酸化量を
抑制することができることを見出し、本発明を完成する
に至ったのである。

【００１４】 即ち、金属炭化物に含まれる遊離炭素を
除去する方法において、遊離炭素を含む金属炭化物の固
定層に、酸素濃度１〜１５容量％、温度６００〜９００
℃の熱ガスを接触させ、遊離炭素を燃焼除去することを
特徴とする金属炭化物に含まれる遊離炭素の除去方法に
関する。

【００１５】以下、本発明を詳細に説明する。本発明に
使用される装置の最も単純な構造は、工業装置として一
般的な固定層構造である。即ち、遊離炭素を含む金属炭
化物を充填した層内に熱ガスを導入し、金属炭化物中の
遊離炭素を燃焼除去する反応（以下、脱炭と略記する）
を行うという構造である。

【００１６】本発明ではこの固定層構造に酸素濃度１〜
１５容量％、温度６００〜９００℃の熱ガスを導入す
る。この操作を行うことにより、熱ガスとして単純に空
気（酸素濃度２１容量％）を６００〜９００℃に加熱し
たものを導入した場合よりも明らかに処理中の遊離炭素
を含む金属炭化物の温度（以下品温と略記する）の上昇
及び雰囲気温度の上昇が少なく、また結果として得られ
る処理品中の金属酸化物の生成量も低い。

【００１７】この現象の理由の詳細は明らかにし得ない
が、一つは酸素濃度を抑えることにより炭素の燃焼速度
が抑制され、単位時間あたりの発熱量が小さくなるこ
と。更には導入するガスが冷却剤として働くことにな
り、温度低下の相乗効果を来すこと。或いは、得られる
処理品中の金属酸化物の生成量が低い理由として、温度
が低くなるために金属炭化物の酸化が進行しにくくなる
こと。酸素濃度を抑えることにより、金属炭化物自体の
酸化速度が抑制されること等が考えられる。

【００１８】本発明によれば、遊離炭素を含む金属炭化
物に接触させる熱ガスの酸素濃度は１〜１５容量％、好
ましくは２〜１０容量％の範囲が好適である。酸素濃度
が１容量％未満では、品温上昇や雰囲気温度上昇は抑え
ることができるが、酸素が少ないために、遊離炭素を燃
焼するのに必要以上に長時間を要することとなる。従っ
て、同じ処理量を達成しようとすると装置が巨大なもの
となるため効率的ではない。さらには、１容量％未満で
は、遊離炭素の安定した燃焼反応が進行しない場合があ
るため好ましくない。また、酸素濃度が１５容量％を越
えると、品温や雰囲気温度の上昇を抑える効果に乏しく
なり、処理品中の金属酸化物の生成量も増加するため好
ましくない。

【００１９】本発明によれば遊離炭素を含む金属炭化物
に接触させる熱ガスの温度は６００〜９００℃、好まし
くは、６００〜８５０℃が好適である。熱ガスの温度が
６００℃未満では、遊離炭素の着火が困難となり、ま
た、安定した燃焼状態が継続しないので好ましくない。
熱ガスの温度が９００℃を越えると処理時に生成する金
属酸化物の量が増大するため、本発明の本来の主旨であ
る金属酸化物の生成を最小限に抑えることが困難であ
る。

【００２０】本発明に用いる酸素濃度１〜１５容量％、
温度６００〜９００℃の熱ガスを得る方法としては、い
くつか挙げることができるが、例えば酸素または空気に
窒素や二酸化炭素、水蒸気等の酸素以外の気体成分を混
合して酸素濃度１〜１５容量％とし、該気体を電気ヒー
ターや燃焼炉を用いて熱交換して加熱する方法が一例と
して考えられる。ここで、酸素以外の気体成分として、
二酸化炭素や水蒸気等の酸化性ガスを挙げたが、これら
は酸素と比較すると遊離炭素を燃焼する能力或いは、金
属炭化物を酸化する能力は極端に低いらしく、これらの
成分を熱ガス中に含んでいても本発明の効果には、何等
問題のないことを本発明者らは実験的に確認している。

【００２１】また、該熱ガスを得る方法として、プロパ
ンやブタン、灯油、アルコール等の燃料を空気で燃焼
し、１段で酸素濃度１〜１５容量％、温度６００〜９０
０℃の熱ガスとする方法が電気ヒーターを用いるよりも
経済的である。或いは、工業的に処理を行う設備であれ
ば、層内で遊離炭素を燃焼処理した高温の排ガスを循環
し、一部空気を導入しながら常時上記条件に保つことも
可能であり、この方法が最も経済的である。以上いくつ
かの熱ガスを得る方法を挙げたが、条件に合う熱ガスを
得ることができるならば、もちろんこれらに限られるも
のではない。

【００２２】 本願発明では、かくして得られた酸素濃
度１〜１５容量％、温度６００〜９００℃の熱ガスを遊
離炭素を含む金属炭化物の固定層と接触させる。該金属
炭化物は流動化させる必要はないため形状や粒径に何等
制限はなく、粉末状でも粒状でも使用可能である。即
ち、殆どの場合、金属炭化物を合成する炉から排出され
たものを、粉砕を行うことなくそのまま使用することが
できる。

【００２３】但し、粒径が大きすぎる場合には、酸素濃
度１〜１５容量％の熱ガスの粒内部への拡散が悪くな
り、炭素燃焼の見掛けの反応速度が低下するため、遊離
炭素を含む金属炭化物の粒径は好ましくは２０ｍｍ以
下、より好ましくは１０ｍｍ以下が好適である。

【００２４】 また、遊離炭素を含む金属炭化物の固定
層と熱ガスの接触方法には特に制限はないが、短時間で
均一な処理を行う方が有効であるため、ガスと固体との
接触効率のよい方法或いは装置を選定することが好まし
い。これらを満たす装置としては例えば、バンド通風方
式、薄層式装置等が挙げられる。

【００２５】本発明で使用する熱ガスの供給量、最適温
度、最適酸素濃度等の条件は、金属炭化物中の遊離炭素
の含有率、金属炭化物の充填量等によって異なるため特
定はできない。従ってこれらは実験的に決定すべきであ
る。その手段としては、充填した金属炭化物層内の各所
に熱電対を設置し、熱ガスの温度、供給量、酸素濃度に
伴う温度挙動を確認しながら条件を決定する方法が最も
確実である。上記の方法により、遊離炭素を燃焼除去さ
れた金属炭化物は、通常のセラミック粉末としての処方
に基づき処理することができる。次に、本発明を実施例
にて説明する。

【００２６】

【実施例】

実施例１ 図１に示す内径３５０ｍｍのＳＵＳ製の装置に分散相２
とその上部に２００ｍｅｓｈの金網を敷いて反応相３を
設けた。分散相２は平均径２ｍｍのアルミナ粒子を４０
ｍｍ充填した充填層とした。反応相３に遊離炭素を５１
重量％含有する０．５〜２ｍｍの粒状の炭化珪素粒を層
高で５ｃｍ充填し、分散相２の下部の熱酸化性ガス導入
部１より、窒素と空気を混合し酸素濃度４容量％のガス
を電気炉で熱交換して７５０℃に加熱し、線流速３０ｃ
ｍ／ｓにて連続供給し、燃焼処理を行った。燃焼処理に
伴う品温を温度計４で測定したところ、最高到達温度は
７８０℃であった。燃焼処理が終了した炭化珪素中に含
まれる二酸化珪素と遊離炭素は、それぞれ３．２％、
０．４％であった。

【００２７】実施例２ 酸素濃度１５容量％のガスを電気炉で７００℃とした以
外は実施例１と同様の方法で行った。 この結果、燃焼
処理に伴う品温の最高到達温度は９３０℃であった。燃
焼処理が終了した炭化珪素中に含まれる二酸化珪素と遊
離炭素は、それぞれ５．０％、０．３％であった。

【００２８】実施例３ 遊離炭素を４５重量％含有する平均粒径１０ｍｍの炭化
珪素を層高１０ｍｍ充填し、プロパンを燃焼することで
酸素濃度１４容量％、温度６５０℃となるガスを使用し
線流速１０ｃｍ／ｓとした以外は実施例１と同様の方法
で行った。燃焼処理に伴う品温の最高到達温度は９１５
℃であった。また、燃焼処理が終了した炭化珪素中に含
まれる二酸化珪素と遊離炭素は、それぞれ４．６％、
０．２％であった。

【００２９】比較例１ 酸素濃度１４容量％としガスを電気炉で熱交換して５５
０℃に加熱した以外は、実施例１と同様の方法で行った
結果、遊離炭素の燃焼反応が進行せず、炭化珪素の精製
処理を行うことができなかった。

【００３０】比較例２ 酸素濃度０．７容量％としガスを電気炉で熱交換して８
５０℃に加熱した以外は、実施例１と同様の方法で行っ
た結果、遊離炭素の燃焼反応が進行せず、炭化珪素の精
製処理を行うことができなかった。

【００３１】比較例３ 電気炉で熱交換して７００℃に加熱した空気を使用した
以外は、実施例１と同様の方法で行った。その結果、燃
焼処理に伴う品温の最高到達温度は１２７０℃であっ
た。燃焼処理が終了した炭化珪素中に含まれる二酸化珪
素と遊離炭素はそれぞれ２２．５％、０．１％以下であ
った。

【００３２】比較例４ 電気炉で熱交換して１０００℃に加熱した酸素濃度４容
量％としたガスを使用した以外は、実施例１と同様の方
法で行った。その結果、燃焼処理に伴う品温の最高到達
温度は１０６０℃であった。燃焼処理が終了した炭化珪
素中に含まれる二酸化珪素と遊離炭素はそれぞれ１２．
５％、０．１％以下であった。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、従来技術では達成され
なかった、金属炭化物中の遊離炭素を効率的に燃焼し、
燃焼処理が終了した金属炭化物中に含まれる遊離炭素が
効果的に減少し、金属酸化物の増加も少ないという成果
が達成される。また、金属炭化物中の遊離炭素の含有
率、金属炭化物の粒径や形状といった諸条件に殆ど制限
がないため、粉砕や造粒等の前処理工程を必要としない
効率的な燃焼処理技術である。

【００３４】即ち、本発明の範囲外である比較例は、炭
化珪素中の遊離炭素は減少するものの、密度や強度が低
下する二酸化珪素が多量に生成するので好ましくない。
これに対し、本発明の範囲内である実施例は、これらの
性能が全て優れている。したがって、本発明は、金属炭
化物に含まれる遊離炭素の除去方法に好適である。

【００３５】

【図面の簡単な説明】

【図1】図１は本発明の実施に使用する装置を示す断面
図の一例である。

【符号の説明】

１ 熱酸化性ガス導入部 ２ 分散相 ３ 反応相（遊離炭素を含む金属炭化物） ４ 温度計

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−100214（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−3083（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−80399（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C01B 31/00 - 31/36 B01J 8/24

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属炭化物に含まれる遊離炭素を除去す
   る方法において、遊離炭素を含む金属炭化物の固定層
   に、酸素濃度１〜１５容量％、温度６００〜９００℃の
   熱ガスを接触させ、遊離炭素を燃焼除去することを特徴
   とする金属炭化物に含まれる遊離炭素の除去方法。