JPH04500031A - 粉末耐火性材料を得る方法及びこの方法を実行するための反応器 - Google Patents
粉末耐火性材料を得る方法及びこの方法を実行するための反応器Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
粉末耐火性材料を得る方法及びこの方法を実行するための反応器
発明の分野
本発明は、周期表の■〜■、■族の耐火性非有機金属化合物をベースとする粉末
耐火性材料を得る方法、及びこの方法を実行するための反応器に関する。
発明の背景
現在、炉内で1200〜2000℃の温度において周期表の■〜■族の金属の酸
化物及び硼素、珪素、炭素の群より選んだ非金属を含む粉末混合物を焼結するこ
とにより、又は周期表の■〜■族の金属及び前記非金属の燃焼による熱遊離混合
物を熱処理することにより粉末材料が得られる。こうして得られた多孔質無形ケ
ーキの形状の耐火性材料を冷却し、粉砕し、この粉末の材料を画分に分ける。し
かし、この方法は多くの処理段階を含み、低効率並びに高い動力及び労力の消費
を特徴とする。耐火性材料の粉砕及び微粉砕の間、その品質に影響を及ぼす種々
の不純物により汚染されやすい。
燃焼の熱及び気体生成物の遊離により達成される反応ゾーンにおける燃焼を確実
にする比のチタン及び炭素を含む熱遊離混合物の燃焼による熱処理によって粉末
材料を得る方法が公知である(SU、A、 644.728)。
この方法を行なうための反応器は、断熱材をライニングし、燃焼の気体生成物を
排気するためのパイプを有し及び冷却システムに包まれた反応室を有するケーシ
ングを含む。このケーシングは取りはずし可能なカバープレートを有する。この
反応器は反応室と通じ及び電源に接続しているタングステンコイルの形状を有す
る、熱遊離混合物の燃焼を開始するための手段を含む。この反応器は以下の方法
で作動する。チタン及び炭素の熱遊離混合物を反応室に入れ、圧縮し、カバープ
レートによりケーシングを閉じる。次いで40〜60V、60〜80Aの電流を
加えタングステンコイルにより混合物を燃焼させる。熱遊離混合物中で炎が現わ
れた際、反応室内の圧力は燃焼の気体生成物の遊離のため40〜50MPaに高
まる。この圧力はパイプを介して燃焼の気体生成物を排気することにより低下す
る。同時に、冷却システムにより反応室より熱が除去される。
圧縮体もしくはケーキの形状でこの方法の結果として形成される炭化チタンは冷
却され粉末に粉砕され、これにより望ましくない不純物により汚染される。一方
この方法の段階の多くは製造効率が低い。合成の温度を低下させ、従って反応室
内で発生する炭化チタンの焼成を防ぐ反応ゾーンへ混合物を加える前に熱遊離混
合物に炭化チタンを入れることにより反応室内ですぐにこの材料の粉末を形成す
ることが可能である。しかし、この反応器の構造により高温ゾーンからすばやく
粉末を排出することが不可能であることに注意しなければならない。その結果、
炭化チタンはケーキの形状を有し、そのほんの一部のみが粉末になり、反応ゾー
ンにおいて分別組成の分布がせまい粉末の形成が妨げられる。
発明の概要
本発明は、製造工程を簡略化することにより分別組成の分布がせまい粉末耐火性
材料を得る方法を提供すること、及びこの方法を実行するための効率の高い反応
器を提供することを目的とする。
本発明の目的は、炭素、硼素、珪素より選ばれる非金属、及び少なくとも1種の
金属を燃焼の気体生成物及び熱の除去により達成される反応ゾーンでの混合物の
燃焼を確実にする比で含む熱遊離混合物の燃焼による熱処理を含む粉末耐火性材
料を得る方法により達成され、この方法において、本発明に従い、反応ゾーンに
おいて燃焼の固体生成物にその燃焼温度から0.5融点付近の温度においてこの
生成物の表面の接線及び/又は法線に外部力を加え、次いで反応ゾーンから得ら
れる粉末耐火性材料を排出する。
提案された方法は、連続もしくは断続操作条件において外部力の強さを変えるこ
とによりあらかじめ決めたせまい分布の分別組成を有する耐火性材料の高純度粉
末を得ることを可能にする。
この方法の条件は以下により実験的に決定される。反応ゾーン中の燃焼の固体生
成物は、燃焼温度に近い温度において形成される耐火性材料の微粉砕粉末、又は
0.5融点までの温度において機械強度が低い耐火性材料の粒子のケーキの形状
を有する。第1のケースにおいて、外部力は粒子を互いに動かし、それによりケ
ーキングを防ぐよう作用する。第2のケースにおいて、比較的低い外部力を加え
ることにより耐火性材料の特性に影響を与えないケーキの破壊が生ずる。分散工
程は合成の熱及び低い力の使用のためエネルギー有利な条件下で進行する。反応
ゾーンで発生した粉末を連続的に排出する際、繰返ケーキングはおこらない。反
応ゾーンから熱を除去することにより比較的容易に好ましい範囲内に温度を保つ
。
ケーキの形状の耐火性材料に加えられる力の好ましい方向は、それが固体の形状
を有するので明らかである。また耐火性材料の粉末は限られた体積を有する反応
ゾーンをみたすので表面を有する。固体生成物の表面の法線に沿って外部力を加
えることは生成物が最も脆い0.5融点に近い温度で圧力を加えることにより行
なわれる。接線に沿って外部力を加えることは回転運動を与えることにより行な
われる。好ましくは、燃焼の固体生成物へ外部力を加えることは10MPa以下
の圧力を及ぼし及び6〜314rad/ sの回転運動を与えることにより行な
われる。10MPa以上の圧力では、燃焼の固体生成物は圧縮され、分散工程は
あまり好ましくない条件で進行する。回転速度の低限は低分散効果により決定さ
れる。314rad/ s以上に回転速度が増すと分散が速くなり、動力の消費
を増大させる。しかし、特定の特性を有する粉末耐火性材料を得るため、圧力及
び回転速度の大きさは前記限界以下である。
燃焼操作の間の工程の効率を最大にするため、反応ゾーンにおいて熱遊離混合物
の動きを確保する圧力下この混合物を反応ゾーンに移し、燃焼の気体生成物と共
に粉末耐火性材料を排出することが好ましい。これは最終生成物を高品質にする
ため燃焼のパラメーター(燃焼速度及び燃焼温度)をあらかじめ決めた範囲に保
つことに欠くことのできない熱遊離混合物の均一な燃焼を与える。反応ゾーンで
の熱遊離混合物の連続的動き及びそこからの燃焼生成物の排出は高圧の発生を防
ぐ。その結果、この方法は最も高い燃焼及び爆発安全性を確保する。従って熱遊
離混合物を反応ゾーンへ送る反応体速度は燃焼速度と等しいことが好ましい。こ
の条件をみたす場合、反応ゾーンは比較的少量の混合物を含み、一方新鮮な混合
物の供給を止めた場合、燃焼は間もなく停止する。混合物の燃焼速度は以下の関
係により炎伝播の速度と関連する。
m=■°Spρ
(上式中、■は炎伝播速度であり、通常10−〜10−’m/sであり、Sは反
応ゾーンの断面層m′であり、ρは熱遊離混合物の密度kg/m’である)
等しい反応体供給速度及び燃焼速度において、災の前面は反応ゾーンの限られた
部分に限定されている。熱遊離混合物の供給速度を増すもしくは低下させること
により、燃焼の固体生性物への外部力の加える点に災の前部をより近づけること
が可能であり、これにより燃焼から分散への時間を変え、結果として生成物から
分散する温度が変化する。粉末耐火性材料の範囲を広げ及びその品質を改良する
ため、すなわち不純物を完全になくすため、熱遊離混合物の熱処理を不活性ガび
種々の等級の粉末耐火性材料を得るため、周期表の■〜■、■族からの金属並び
に前記金属の少なくとも1種の炭化物、硼化物、珪化物、又は周期表の■〜V族
の少なくとも1種の元素の窒化物、酸化物を含む熱遊離混合物を用いることが好
ましい。
この目的は、断熱材でライニングしたケーシングを含み、冷却システムを有する
この方法を実行するための反応器により達成され、このケーシングは燃焼生成物
を排出するための穴、反応キャビティ、及び熱遊離混合物の燃焼を開始するため
の手段を有し、ケーシングの内部はその端にこのキャビティ内での動きを確保す
る圧力下での熱遊離混合物を供給するための手段、及び耐摩耗性耐火性材料のイ
ンサートを有するローターを有し、インサートの外面はケーシングの内部ライニ
ング表面を穴と通じている環状クリアランスと区別している。
前記の点において、提案された反応器は所望の分散度及び設定した特性の高純度
粉末耐火性材料を得ることを可能にする。この反応器は高い効率及び燃焼/爆発
安全性を特徴とする。これは連続的に又は断続的に操作可能である。
好ましくは、熱遊離混合物を供給する手段はローターの回転方向と反対方向に回
転できるようケーシング内で配置されたスクリューの形状を有している。そのよ
うな配置は最高の爆発安全性を確保し、炎の前部がスクリューに達した際、活発
な熱除去の結果としてスクリューの溝において消失する。
望ましくは、ケーシングの内部ライニング表面及び互いに面しているインサート
及びスクリューの末端は反応キャビティを限定している。この配置はキャビティ
内に均一な分散を確保する。
均一に分散した粉末を得る条件を最適にするため、インサートが回転体の形状を
有し、クリアランスを限定するその側面が円筒形であることが好ましく、一方そ
の末端面は好ましくは反応キャビティに面し先細りになっている。気体媒体中熱
処理工程を行なう場合、ケーシングは好ましくは反応キャビティと通じている気
体媒体を供給するためのパイプを有している。
図面の簡単な説明
提案された反応器の縦方向の軸側投影図を示す添付図面に示す粉末耐火性材料を
得るための反応器を参照し本発明の詳細な説明する。
本発明の最良の態様
添付図面に関する反応器は、燃焼の気体生成物及び粉末耐火性材料を排出するた
めの穴2を有する円筒形ケーシング1を含む。ケーシング1の外側には冷却液(
水)を供給するためのニップル5及び6を有する冷却外被4の形状の冷却システ
ム3が取り付けられている。ケーシング1の内面は、合成の固体生成物の分散に
よる摩耗及び燃焼によって生ずる高温に対しケーシング1を保護するため耐摩耗
性耐火性材料より加工されたランニング7を有する。ケーシング1の内部は穴2
のサイドにおいてケーシング1の一端に固定され、ケーシング1の軸方向に延び
及び圧縮された耐火性耐摩耗性材料のインサー)10を有するローター9と通じ
ている反応キャビティ8を有し、圧力下熱遊離混合物を供給しキャビティ8の内
部での動きを確保するための手段11を有している。インサート10の外面はケ
ーシング1の内部ライニング表面にキャビティ8からの燃焼の気体生成物及び粉
末耐火性材料の排出を促進する環状クリアランス12を限定している。クリアラ
ンス12は穴2と通じている。反応器の操作条件によっては、手段11はピスト
ンの形状を有していてもよく (図示していない)、圧縮されたシリンダーの形
状の混合物はケーシング1の末端に供給される。図面に最もよく示されているよ
うに、手段11はスクリュー13の型であり、ケーシング1は熱遊離混合物を供
給するための入口14を有する。活発な熱除去のためスクリュー13は反応ゾー
ンから投入ゾーンへの炎の動きを防き、それにより反応器の操作の爆発危険性を
低下させる。提案された実施態様において、キャビティ8はケーシング1の内部
ライニング表面並びにインサートIO及びスクリュー13の向い合う末端面によ
り限定されている。これは燃焼の固体生成物の均一な分散条件を最適にする。同
じ目的により、インサートは回転体を形成し、クリアランス12を限定するその
側面は円筒形であり、一方インサート10の末端面は反応室8に面し先細になっ
ている。このインサート10は得られる粉末をせまい分画に分け、又は単分散を
有するようにする。ローター9及びスクリュー13はそれぞれ回転ベアリング1
5及び16においてケーシング1内で軸受され、設定した反応体速度及び圧力で
熱遊離混合物をキャビティ8に分散及び供給するに必要な比較的高い角速度で回
転を与えるため電気作動ドライブ(図示していない)に接続されている。ロータ
ー9及びスクリュー13は反対方向に回転し、その回転速度は自動制御システム
(示していない)により炎の位置に依存し調節される。そのようなシステムはA
、 N、 Malov及びJ、S、 Ivanovらのr Osnovyavt
omatiki avtomatizatsii proizvodstven
nykh protsessov」1974に詳細に記載されている。
反応器はキャビティ8と通じ及びケーシング1においてニップル19に固定され
ているタングステンコイル18を含む、熱遊離混合物を爆発させるための手段1
7を含む。コイルの一端はキャビティ8内に突き出ており、一方コイルの他の二
端は電源20に接続している。このコイルはスペーサー22及び23により絶縁
及びシールされているセラミックチューブ21によりニップル19の内部に固定
されている。チューブ21は、必要によりスペーサー23を圧縮しキャビティ8
を外部からシールするよう作用するねじ切りプラグ24によりニップル19の内
部に固定されている。
ケーシング11に形成された2つの他のニップル25の各々にはコイル18と実
質的に同様にその一端がキャビティ内に突き出ており、他の二端が前記自動制御
システムの対応するインプットに接続しているサーモカップル26が取り付けら
れている。各サーモカップル26はケーシング1の縦軸に垂直に配置されている
。
この反応器は以下のように作動する。
反応器を始動する前に、インサート10を有するローター9の回転速度を粉末の
所望の分散度により、及びスクリュー13の回転速度を混合物の速度により設定
する。次いで、冷却外被4をニップル5に入りニップル6から出て外被4の内部
を循環する冷水用に取り付ける。次いで指令を与えインサート10を有するロー
ター9及びスクリュー13を動かす。一方電源20はコイル18の末端に電流を
加えはじめる。周期表の■〜■及び■族より選んだ少なくとも1種の金属及び硼
素、炭素、珪素より選んだ非金属を含む熱遊離混合物を入口14を介して、反応
キャビティ8に設定した速度及び圧力で運ぶよう作用する電気作動ドライブによ
り回転するスクリュー13のらせん状の溝に入れる。スクリュー13により形成
される圧力は反応キャビティ8への熱遊離混合物の動きを確保する。混合物が加
えられた電流により熱せられたタングステンコイル18に達すると、局部的に燃
焼が開始される。短い移動行程後、ケーシング1の縦軸に垂直な面で熱遊離混合
物に炎の前面が形成される。燃焼温度及び0.5融点に近い温度範囲で分散工程
を連続的に及び最適にするため炎の前面がローター9のインサート10から離れ
ていることが必要である。従って、熱遊離混合物を供給する速度は混合物の組成
により決定される燃焼速度と実質的に等しいことが必要である。熱遊離混合物の
燃焼速度において、不活性生成物、例えば周期表の■〜■及び■族の金属の炭化
物、硼化物、珪化物、又は周期表の■〜V族の元素の酸化物及び窒化物が混合物
に加えられる。炎の前面の位置はローター9及びスクリュー13にシグナルを送
りその回転速度を変える前記自動制御システム(示していない)にシグナルを送
るサーモカップル25によりモニターされている。
炎の前面がローター9に向って動くと、熱遊離混合物の速度を低下させる、すな
わちスクリュー13の回転速度を低下させる必要がある。炎の前面がスクリュー
13に向って動くと、スクリュー13の回転速度を高める必要がある。脆いケー
キもしくは微粉砕粉末の形状の燃焼の固体生成物はスクリュー13により形成さ
れる圧力によって作用する。この圧力下、燃焼の固体生成物はスクリュー130
回転方向と反対方向に電気作動ドライブにより回転可能なローター9のインサー
ト10に圧縮される。燃焼の固体生成物は回転し、それによりその表面の接線に
外部力が加えられる。燃焼の固体生成物の表面への接線及び法線への外部力のジ
ヨイント作用の結果として、分散する。ローター9及びスクリュー13の回転速
度を変えることにより、この力を調節することが可能であり、それにより限定し
た分別組成の粉末を得ることができる。キャビティ8内の好ましい温度範囲は冷
却外被4による熱の除去により保たれる。粉末はクリアランス12を通して押出
され、穴2を介し反応器から排出される。燃焼の間発生した気体は耐火性材料の
粉末と共にクリアランス12及び穴2を介して排出されこの工程の連続操作を促
進する。
例1
直径0.05mの円筒形反応器の反応室8に、溝深さ0.013m及び溝幅0.
006mのねじスクリュー(直径0.05m、ピッチ0.058m)によりlX
l0−’m以下の粒度を有する粉末チタンl kg及びlXl0−’m以下の粒
度を有する炭素粉末0.254kgを含む熱遊離混合物を加える。この混合物は
キャビティ8内を動き、60〜80A、40〜60Vの電流を加え加熱したタン
グステンコイル18により燃焼する。炎の前面の位置は2本のサーモカップル2
5によりモニターされ、自動制御システムは0〜62、8rad/ sにスクリ
ュー13の及び0〜314rad/ sにローター9の回転速度を変化させる。
スクリュー13及びローター9の平均回転速度はそれぞれ40及び150rad
/ sである。こうして形成された脆いケーキの形状の炭化珪素は熱遊離混合物
により移されたスクリュー13の圧力により回転ローターのインサート10に圧
迫され、ケーキの表面に接線に作用する摩擦力によりケーキは分散する。
分散は1500〜2000℃の温度範囲内で行なわれる。燃焼の気体生成物並び
に0.33X 10−3m’/kgの表面積及び2 X IQ−5m未満の粒度
を有する分散した粉末炭化チタンは10””mのいクリアランスを介して送られ
る。320秒操作後1.25kgの炭化チタンが得られる。反応器の生産能力は
0.04kg/ sである。
例2
1xlO−’m以下の粒度を有するチタン粉末8kg及びlXl0−’m以下の
粒度を有する炭素粉末2kgを含む密度ρ= 1.8 X 10’kg/m’を
有する熱遊離混合物を用い例1に記載と同様の反応器で行った。混合物をV =
1.25m/ sでこの混合物の燃焼速度と等しい1. I X 10−3k
g/ sの速度で直径2.5 X IQ−2mのキャビティ8に送る。910秒
間で0.33X 103m”/ gの表面を有する粉末炭化チタンが10kg得
られ、この粉末の98%は2x10−’m未満の粒度を有している。反応器の生
産能力は0.01kg/Sである。
正しい位置に炎の前面を固定するため、制御システムはスクリュー13及びロー
ター9の回転速度をそれぞれ50及び157rad/ sに保つ。分散は150
0〜2000℃の温度範囲で行なわれる。
例3
反応器の反応キャビティにlXl0−’m未満の粒度を有する粉末チタン0.0
95kg及びlXl0−6m未満の粒度を有する炭素粉末0.245kgより圧
縮した直径0.025mのタブレットを入れる。このタブレットはタングステン
コイル18により燃焼し、形成したケーキは10MPaのピストンの圧力により
温度1600℃において作用される。1195kgの炭化チタンが得られ、その
98%は2 X 10−5m未満の粒度を有している。
例4
直径2.5 X 10−’m及び長さ5 X 10−2mのシリンダーを100
MPaの圧力においてlXl0−’未満の粒度を有するチタン粉末0、479k
g及びI X 10−’m未満の粒度を有する炭素粉末0.1201kgを含む
熱遊離混合物から圧縮する。次いで、この2本のシリンダーをケーシング1の末
端面に形成された穴を介しピストンにより直径2.5 X 10−’mを有する
反応器の反応室8に送る。反応ゾーンはアルゴンでみたされており、1.5 M
Paの圧力を保つ。ローターのインサートに最も近いシリンダーを60〜80A
及び40〜60Vの電流を加えたタングステンコイル18により燃焼させる。同
時に、ピストンによりシリンダーを31.4rad/sで回転可能なローター9
のインサーNOに圧迫する。
法線(圧力)及び接線(回転するローターからの摩擦力)への外部力の作用のも
とで形成した炭化チタンのケーキを0.33X103m’/kgの比表面積を有
する粉末に分散させ、その93%は2 X 10−’m未満の粒度を有する。分
散は1500〜2000t:の温度で行なわれる。最初のシリンダーが燃焼し終
り、分散すると、lXl0−’mのクリアランス12を介して粉末は除去され、
ピストンによりローター10のインサート9に第2のシリンダーが配置され、こ
の第2のシリンダーは第1のシリンダーより燃焼される。次いで第3のシリンダ
ーが反応キャビティ8に送られ、この工程が繰り返される。同時に、燃焼の気体
生成物がクリアランス12を介し粉末と共にキャビティ8より排出される。0.
599kgの炭化チタン粉末を得るに180秒かかる。
この反応器の生産能力は3.3 X 10−’kg/ sである。
以下の表に熱遊離混合物の最初の組成、工程条件、及び得た耐火性材料の粉末の
分別組成を示す、例4に示した方法を行なうための他の例を示す。
6 0.5 1600−2200 TiC2070、51600−1800Ti
C2080,51600−2000TiC2090,51500−2000Hf
B、 6010 0J 1500−1800 HfB2 6013 0.5 1
500−1900 CoSi 5016 0.3 1600−1800 Al2
0320手続補正書(方式)
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.熱及び気体生成物の除去を伴ない、反応ゾーンにおいて、混合物の燃焼を確 保する比で硼素、炭素、珪素の群より選んだ非金属及び少なくとも1種の金属を 含む熱遊離混合物の燃焼による熱処理を含む粉末耐火性材料を得る方法であって 、燃焼の固体生成物に燃焼温度から0.5融点付近の温度においてその表面の接 線及び/又は法線方向に外部力を加え、次いで反応ゾーンから燃焼の気体生成物 及び得られる粉末耐火性材料を排出することを特徴とする方法。 2.10MPaまでの圧力を用い及び6〜314rad/sの速度の回転運動を 与えることにより燃焼の固体生成物に外部力を加えることを特徴とする、請求項 1記載の方法。 3.反応ゾーンにおいて動くに十分な圧力で熱遊離混合物を反応ゾーンに供給し 、この反応ゾーンで形成した粉末耐火性材料及び燃焼の気体生成物を共にそこか ら排出することを特徴とする、請求項1記載の方法。 4.反応ゾーンへ熱遊離混合物を供給する速度がこの混合物の燃焼速度と等しい ことを特徴とする、請求項3記載の方法。 5.熱遊離混合物の燃焼による熱処理が不活性ガス又はそれと反応するガスの媒 体中で行なわれることを特徴とする、請求項1記載の方法。 6.周期表のIV〜VI及びVIII族の金属を含む熱遊離混合物が用いられる ことを特徴とする、請求項1記載の方法。 7.さらに周期表のIV〜VI、VIII族より選んだ少なくとも1種の金属の 炭化物、硼化物、珪化物を含む熱遊離混合物を用いることを特徴とする、請求項 6記載の方法。 8.周期表のIII〜V族より選んだ少なくとも1種の元素の酸化物又は窒化物 を含む熱遊離混合物を用いることを特徴とする、請求項6記載の方法。 9.断熱材でライニングされ、冷却システム(3)を有するケーシング(1)を 含み、このケーシングが燃焼生成物を排出するための穴(2)、反応キャビティ (8)、及び熱遊離混合物の燃焼を開始するための手段(17)を有する請求項 3記載の方法を実行するための反応器であって、ケーシングの内部にその末端に 圧力下このキャビティ(8)内でその動きを確保する熱遊離混合物を供給する手 段(11)及び耐摩耗性耐火性材料のインサート(10)を有するローター(9 )を有し、インサート(10)の外面は、反応キャビティから燃焼の気体生成物 及び粉末耐火性材料を排出するためケーシングに形成された穴(2)と通じてい る環状クリアランス(12)をケーシング(1)の内部ランニング表面により限 定することを特徴とする反応器。 10.熱遊離混合物を供給するための手段(11)が前記ローター(9)の回転 方向と反対方向に回転可能なようにケーシング(1)内に配置されているスクリ ュー(13)の形状を有することを特徴とする、請求項9記載の方法。 11.ケーシング(1)の内部ライニング面並びに互いに向い合っているインサ ート(10)及びスクリュー(13)の末端が反応キャビティ(8)を限定する ことを特徴とする、請求項10記載の反応器。 12.ローター(9)のインサート(10)が回転体の形状を有し、クリアラン ス(12)を限定するその側面が円筒形であり、一方その末端面が反応キャビテ ィ(8)に面し先細になっていることを特徴とする、請求項9記載の反応器。
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