JP2018150228A - Manufacturing method of graphite powder - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な設備で高効率に黒鉛粉末原料内の不純物を排出し、低コストで高純度の黒鉛粉末が得られる黒鉛粉末の製造方法を提供する。【解決手段】鉛直上端面が大気開放され、内壁面に電極を有する炉を用いた黒鉛粉末の製造方法であって、無機珪酸質粒子および炭素質粒子が混合された充填材の内部に埋設され、炉内の電極間を接続する黒鉛粉末原料を配置する工程と、黒鉛粉末原料を通電加熱する工程と、を含み、充填材のかさ密度は、0.50×103kg/m3以上1.2×103kg/m3以下である。このようなかさ密度の充填材で加熱することで、充填材から生じたSiOガスを黒鉛粉末原料の形状を維持しつつその内部に速く拡散させて金属酸化物を還元し、高効率で還元された金属を充填材中へ排出できる。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing graphite powder, which can obtain high-purity graphite powder at low cost by efficiently discharging impurities in the graphite powder raw material with simple equipment. SOLUTION: This is a method for producing graphite powder using a furnace in which a vertical upper end surface is open to the atmosphere and an electrode is provided on an inner wall surface, and is embedded inside a filler in which inorganic siliceous particles and carbonaceous particles are mixed. , The step of arranging the graphite powder raw material connecting the electrodes in the furnace and the step of energizing and heating the graphite powder raw material, the bulk density of the filler is 0.50 × 103 kg / m3 or more 1.2 × It is 103 kg / m3 or less. By heating with a filler having such a bulk density, the SiO gas generated from the filler is rapidly diffused inside the filler while maintaining the shape of the graphite powder raw material to reduce the metal oxide, and the metal oxide is reduced with high efficiency. Metal can be discharged into the filler. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、鉛直上端面が大気開放され、内壁面に電極を有する炉を用いた黒鉛粉末の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing graphite powder using a furnace in which a vertical upper end surface is opened to the atmosphere and an electrode is provided on an inner wall surface.
高純度黒鉛粉末は、二次電池負極材料、メカニカルシール材といった粉体、または半導体製造に使用する部材として用いられる。特に、灰分が数十〜数ppmオーダーの半導体製造工程で使用される製品は、高温かつ長時間の処理で高度に不純物を除去して製造され、高価である。従来、ハロゲンガスやハロゲン化物を用いた高純度黒鉛粉末の製造方法が知られている。 High-purity graphite powder is used as a secondary battery negative electrode material, a powder such as a mechanical seal material, or a member used for semiconductor manufacturing. In particular, a product used in a semiconductor manufacturing process having an ash content of the order of several tens to several ppm is manufactured by removing impurities at a high temperature for a long time and is expensive. Conventionally, a method for producing high-purity graphite powder using a halogen gas or a halide is known.
特許文献1には、断熱材を充填した加熱炉に黒鉛製で円筒形の加熱容器を入れ、黒鉛を供給しながら通電加熱することで、連続的に純化処理を行う装置が記載されている。特許文献2には、縮合多環炭化水素を重合させてメソフェーズピッチとしてから、熱処理および粉砕によって結晶性で平均粒径10μmの黒鉛粉末を得る方法が記載されている。特許文献3には、炭素原料粉末をバインダと共に焼成したのちにハロゲンを含む有機物を含浸させ、含浸体を熱処理することで高純度な黒鉛部材を得る方法が記載されている。
特許文献1〜3に記載の方法は、いずれもハロゲン化物を用い、黒鉛中の金属酸化物を金属ハロゲン化物に還元し、沸点を下げて揮発させている。これらと同様に、バインダと共に焼成成型する、あるいは炭素内に埋没するといった方法で加熱装置内に設置したのち、ハロゲンガスやハロゲン化物の存在下で熱を加えることで灰分を低減する方法も一般的に行われている。しかし、ハロゲンガスやハロゲン化物を用いて灰分が数十ppm以下の高純度な黒鉛粉末を製造しようとすると、ガスの漏洩防止策や排ガス処理設備を設ける必要があり、高コストになる。
All the methods described in
一方、アチソン炉(非特許文献1、特許文献4参照)を用いた黒鉛の製造方法が知られている。特許文献5記載の方法では、炉内の容器に黒鉛化したい原料を充填し細い炭素棒に電流を流すことで、簡易に黒鉛を製造している。特許文献6記載の方法では、炉内にコークスと珪石の混合物を充填し、炭素材に通電して、炭化珪素を生成し、加熱により珪素原子を熱解離して黒鉛を製造している。
On the other hand, a method for producing graphite using an Atchison furnace (see Non-Patent
上記のように、従来は、簡易な方法で黒鉛粉末を製造すると灰分が数十ppm以下の高純度の黒鉛粉末は製造できない。一方、高純度の黒鉛粉末を製造しようとすると高価な設備等が必要となり製造コストが嵩む。 As described above, conventionally, when a graphite powder is produced by a simple method, a high-purity graphite powder having an ash content of several tens of ppm or less cannot be produced. On the other hand, if an attempt is made to produce high-purity graphite powder, expensive equipment or the like is required, and the production cost increases.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な設備で高効率に黒鉛粉末原料内の不純物を排出し、低コストで高純度の黒鉛粉末が得られる黒鉛粉末の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a method for producing a graphite powder that discharges impurities in the graphite powder raw material with high efficiency and with a simple facility, thereby obtaining a low-cost and high-purity graphite powder. The purpose is to provide.
(1)上記の目的を達成するため、本発明の黒鉛粉末の製造方法は、鉛直上端面が大気開放され、内壁面に電極を有する炉を用いた黒鉛粉末の製造方法であって、無機珪酸質粒子および炭素質粒子が混合された充填材の内部に埋設され、炉内の電極間を接続する黒鉛粉末原料を配置する工程と、前記黒鉛粉末原料を通電加熱する工程と、を含み、前記充填材のかさ密度は、0.50×103kg/m3以上1.2×103kg/m3以下であることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, a method for producing a graphite powder according to the present invention is a method for producing a graphite powder using a furnace having a vertical upper end face open to the atmosphere and having an electrode on the inner wall surface. Including a step of placing a graphite powder raw material embedded in a filler in which carbonaceous particles and carbonaceous particles are mixed and connecting electrodes in a furnace, and a step of electrically heating the graphite powder raw material, The bulk density of the filler is 0.50 × 10 3 kg / m 3 or more and 1.2 × 10 3 kg / m 3 or less.
上記のようなかさ密度の充填材で加熱することで、充填材から生じたSiOガスを黒鉛粉末原料の形状を維持しつつその内部に速く拡散させて金属酸化物を還元し、高効率で還元された金属を充填材中へ排出できる。その結果、簡易な設備で高効率に黒鉛粉末原料内の不純物を排出し、低コストで高純度の黒鉛粉末が得られる。また、黒鉛粉末原料に電流を流して直接加熱していることに加え、充填材が無機珪酸質粒子および炭素質粒子の混合物であり周囲に余分な電流が生じ難いことから、エネルギー効率を向上できる。 By heating with the bulk density filler as described above, the SiO gas generated from the filler is quickly diffused into the graphite powder raw material while maintaining the shape of the graphite powder raw material, thereby reducing the metal oxide and reducing it with high efficiency. Metal can be discharged into the filler. As a result, impurities in the graphite powder raw material are discharged with high efficiency with simple equipment, and high-purity graphite powder can be obtained at low cost. In addition to direct heating of the graphite powder raw material and direct heating, the filler is a mixture of inorganic siliceous particles and carbonaceous particles, and it is difficult for excess current to occur in the surroundings, so energy efficiency can be improved. .
(2)また、本発明の黒鉛粉末の製造方法は、前記黒鉛粉末原料が、前記炉の電極が設置されていない内壁面および鉛直上端面のいずれに対しても、前記黒鉛粉末原料の代表太さの2倍以上10倍以下の間隔を空けて前記充填材の内部に埋設されていることを特徴としている。これにより、SiOガスを炉内に維持し金属不純物を効率的に除去しつつ、高純度の黒鉛粉末の収率を向上できる。 (2) Further, in the method for producing graphite powder of the present invention, the graphite powder raw material is a representative thick of the graphite powder raw material for both the inner wall surface and the vertical upper end surface where the furnace electrode is not installed. It is characterized by being embedded in the filler with an interval of not less than 2 times and not more than 10 times. Thereby, the yield of high purity graphite powder can be improved, maintaining a SiO gas in a furnace and removing a metal impurity efficiently.
(3)また、本発明の黒鉛粉末の製造方法は、前記黒鉛粉末原料の代表太さが、50mm以上500mm以下の範囲であることを特徴としている。これにより、加熱に十分な通電を維持しつつ、黒鉛粉末原料の中心まで金属不純物を除去できる。 (3) Moreover, the method for producing graphite powder of the present invention is characterized in that the representative thickness of the graphite powder raw material is in the range of 50 mm or more and 500 mm or less. Thereby, metal impurities can be removed to the center of the graphite powder raw material while maintaining energization sufficient for heating.
(4)また、本発明の黒鉛粉末の製造方法は、前記充填材のSiを除いた灰分が、前記充填材に対して重量分率で1000ppm以下であることを特徴としている。これにより、充填材から黒鉛粉末原料に流れる不純物を低減し、黒鉛粉末原料を高純度化できる。 (4) Moreover, the method for producing graphite powder of the present invention is characterized in that the ash content excluding Si of the filler is 1000 ppm or less by weight with respect to the filler. Thereby, impurities flowing from the filler to the graphite powder material can be reduced, and the graphite powder material can be highly purified.
(5)また、本発明の黒鉛粉末の製造方法は、前記充填材に含まれる炭素質粒子の重量分率が、前記炭素質粒子および無機珪酸質粒子の合計重量に対して30wt%以上60wt%以下であることを特徴としている。これにより、高い効率でSiOガスを発生させることができる。 (5) Further, in the method for producing graphite powder of the present invention, the weight fraction of the carbonaceous particles contained in the filler is 30 wt% or more and 60 wt% with respect to the total weight of the carbonaceous particles and the inorganic siliceous particles. It is characterized by the following. Thereby, SiO gas can be generated with high efficiency.
本発明によれば、簡易な設備で高効率に黒鉛粉末原料内の不純物を排出し、低コストで高純度の黒鉛粉末が得られる。 According to the present invention, impurities in the graphite powder raw material are discharged with high efficiency with simple equipment, and high-purity graphite powder can be obtained at low cost.
本発明者らは、鋭意研究の結果、黒鉛粉末原料を、無機珪酸質原料及び炭素質原料を含む充填材内に充填し、黒鉛粉末原料を通電加熱することで、ハロゲン化物を用いず、安価に高純度黒鉛を製造できる方法を発明した。以下に、本発明の実施形態について説明する。 As a result of diligent research, the inventors of the present invention filled a graphite powder raw material in a filler containing an inorganic siliceous raw material and a carbonaceous raw material, and heated the graphite powder raw material with current, so that a halide was not used and the cost was low Invented a method for producing high-purity graphite. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[高純度黒鉛が得られる原理]
一般に、黒鉛は熱処理により高純度化される。これは、揮発性物質を揮発させるとともに、黒鉛に含まれる金属の酸化物を還元して金属単体とし、蒸発させることによる。高純度化したい黒鉛をハロゲンガスで保たれた場所に置いたり、炭素中に埋没させたりすることで還元雰囲気を保つことができる。
[Principle for obtaining high-purity graphite]
Generally, graphite is highly purified by heat treatment. This is because the volatile substance is volatilized and the metal oxide contained in the graphite is reduced to a single metal and evaporated. The reducing atmosphere can be maintained by placing graphite to be highly purified in a place kept with halogen gas or by burying it in carbon.
ハロゲンガス中で加熱する方法は、ガスを介しての間接加熱となるためエネルギー効率が悪くなる。また、反応性の高いハロゲンガスを多量に使用する必要があり、ガスに対する安全対策を講ずる必要がある。内部に対象物を埋没させた炭素に電圧をかけてジュール熱で加熱する直接加熱の方法がある。しかし、他の炭素にも電流が流れてしまい、電流効率に劣る。また、炉内に粒子の流れがないため、金属が単体になったとしても、炭素原料中から排斥されにくく、不純物が残りやすい。 Since the method of heating in the halogen gas is indirect heating through the gas, the energy efficiency is deteriorated. Moreover, it is necessary to use a large amount of highly reactive halogen gas, and it is necessary to take safety measures against the gas. There is a direct heating method in which a voltage is applied to carbon in which an object is buried and heating is performed with Joule heat. However, current flows also to other carbon, and current efficiency is inferior. Further, since there is no flow of particles in the furnace, even if the metal becomes a simple substance, it is difficult to be removed from the carbon raw material, and impurities are likely to remain.
これに対し、黒鉛粉末原料を無機珪酸質原料および炭素質原料からなる充填材に埋没させて通電加熱すれば、黒鉛粉末原料を直接加熱でき、ガス中で加熱する場合と比較してエネルギー効率が高い。また、充填材が無機珪酸質原料および炭素質原料の混合物であることから、炭素を充填材として用いるより周囲に余分な電流が流れにくい。 In contrast, if the graphite powder raw material is embedded in a filler composed of an inorganic siliceous raw material and a carbonaceous raw material and heated by energization, the graphite powder raw material can be directly heated, and energy efficiency is higher than when heated in gas. high. Further, since the filler is a mixture of an inorganic siliceous raw material and a carbonaceous raw material, an extra current is less likely to flow around than when carbon is used as the filler.
また、炉内が高温になると、無機珪酸質原料と炭素質原料が反応し、活性の高いSiOガスが生じる。このSiOガスの一部が黒鉛粉末原料の間に進入するが、SiOガスは還元性が強く、黒鉛粉末原料に含まれる金属酸化物を還元できる。加熱により黒鉛粉末原料は2500℃以上に昇温し、この温度ではほとんどの金属は少なくとも一部が気化する。気化した金属は、SiOガスの流れによって黒鉛粉末原料中から充填材中に移動する。 Further, when the temperature inside the furnace becomes high, the inorganic siliceous raw material and the carbonaceous raw material react to generate highly active SiO gas. A part of the SiO gas enters between the graphite powder raw materials, but the SiO gas is highly reducible and can reduce the metal oxide contained in the graphite powder raw materials. The graphite powder raw material is heated to 2500 ° C. or more by heating, and at this temperature, at least a part of most of the metal is vaporized. The vaporized metal moves from the graphite powder raw material to the filler by the flow of SiO gas.
低温になると金属は再び酸化物や炭化物になる。充填材中の方が黒鉛粉末原料中より還元雰囲気が弱くまた温度が低いため、不純物は充填材側に移動する。同様の不純物の移動は炭素中で黒鉛を高純度化する場合でも起こる。上記の製造方法では、還元性のあるSiOガスを発生させることで、黒鉛粉末原料に含まれる不純物元素を速やかに還元し充填材側へ排斥できる。その結果、黒鉛粉末原料から高純度化された黒鉛粉末を得ることができる。 At low temperatures, the metal becomes oxide and carbide again. Since the reducing atmosphere is weaker and the temperature is lower in the filler than in the graphite powder raw material, the impurities move to the filler. Similar migration of impurities occurs even when graphite is highly purified in carbon. In the above manufacturing method, by generating reducing SiO gas, the impurity element contained in the graphite powder raw material can be quickly reduced and discharged to the filler side. As a result, highly purified graphite powder can be obtained from the graphite powder raw material.
[黒鉛粉末の製造方法]
次に、上記の原理に基づく黒鉛粉末の製造方法について説明する。
[Method for producing graphite powder]
Next, a method for producing graphite powder based on the above principle will be described.
(炉の構成)
まず、製造方法に用いる炉の構成を説明する。図1(a)、(b)は、それぞれ炉10、充填材20および黒鉛粉末原料30を示す側断面図および正断面図である。本発明の黒鉛粉末の製造方法は、電極15a、15bつきの反応容器である炉10を用いて行う。炉10は、鉛直上端面が大気開放され、内壁面に電極を有する。
(Configuration of furnace)
First, the structure of the furnace used for a manufacturing method is demonstrated. 1A and 1B are a side sectional view and a front sectional view showing a
炉本体11を形成する容器の形状は特に問わないが、黒鉛粉末原料30に通電するための電極15a、15bを有していることが必要である。電極15a、15bは、容器内側の対向する両端面に設けられていることが好ましく、炉本体11は平行な対向する二面を有することが好ましい。炉本体11には、直方形の形状の容器を用いるのが簡便で好ましい。炉本体11は、反応ガスが過剰に発生した際にその濃度を適度に保つためのガス抜け用の隙間としてスリットを有してもよい。
The shape of the container forming the
炉本体11の材質は特に問わないが、通電時に黒鉛粉末原料からの伝熱により壁面が高温になるため、充填材と接触する部分には耐火性の高い材料を使うことが望ましい。例えば、高アルミナ質耐火れんが、珪酸カルシウムボード等が好適である。
The material of the
炉本体11に保持させる電極15a、15bとしては、高純度化の観点から金属を含まない素材が好ましい。電極15a、15bは、黒鉛粉末原料からの伝熱の影響を受けることから、高温にも耐性のある黒鉛成型体が好適である。
As the
(方法全体の手順)
黒鉛粉末原料30の埋設は、無機珪酸質粒子および炭素質粒子が混合された充填材20の内部に炉10内の電極15a、15b間を接続するように行う。
(The whole procedure)
The graphite powder
無機珪酸質原料には、化学式SiO2で表される物質一般が使用できる。SiO2で表される物質には、例えば、珪砂、石英粉末、結晶質シリカ粉末、非晶質シリカ粉末、シリカゲル等が挙げられる。上記SiOガスの発生は非晶質のSiO2を使用した方が起こりやすいことから、非晶質シリカ粉末、シリカゲルは特に好適である。 As the inorganic siliceous raw material, a substance generally represented by the chemical formula SiO 2 can be used. Examples of the substance represented by SiO 2 include silica sand, quartz powder, crystalline silica powder, amorphous silica powder, and silica gel. Since generation of the SiO gas is more likely to occur when amorphous SiO 2 is used, amorphous silica powder and silica gel are particularly suitable.
炭素質原料には、結晶質の黒鉛、非晶質のカーボンブラックの両方が使用できる。いずれも形態は問わず、例えば土状、鱗片状等であってもよい。高純度化の対象となる黒鉛により多くの電流を流すことがエネルギーコストの面で望ましいため、炭素質原料には電導性の小さい非晶性のカーボンブラック粉末が特に適している。 As the carbonaceous raw material, both crystalline graphite and amorphous carbon black can be used. Any of them may be in any form, and may be, for example, earthy or scale-like. Since it is desirable in terms of energy cost to pass a larger amount of current through the graphite to be purified, amorphous carbon black powder with low conductivity is particularly suitable for the carbonaceous raw material.
充填材20に黒鉛粉末原料30を埋設し終えたら、電極15a、15bに通電する。その結果、充填された黒鉛粉末原料30が通電により発熱する。次第に伝熱により黒鉛粉末原料30から周囲の充填材20に熱が伝わり、徐々にSiOガスの発生、それに伴う黒鉛の高純度化が起こる。
When the graphite powder
反応が進んでいくと、次第に、黒鉛粉末原料30の周囲の炭素質原料と無機珪酸質原料が溶融あるいは反応し、ガラス質の組織や反応によって生じた炭化珪素結晶が生じる。このようにして黒鉛粉末原料30から高純度化した黒鉛粉末が得られる。黒鉛粉末原料に電流を流して直接加熱していることに加え、充填材が無機珪酸質粒子および炭素質粒子の混合物であり周囲に余分な電流が生じ難いことから、エネルギー効率を向上できる。
As the reaction proceeds, the carbonaceous raw material and the inorganic siliceous raw material around the graphite powder
通電は、黒鉛粉末原料30周辺の温度が1500℃以上になるように電流等を調整するのが好ましい。これにより、SiOガスが生じる。後述する単離を容易にするため、硬質な炭化珪素結晶の生じやすい2200℃以上になるようにするのが特に好ましい。
For energization, it is preferable to adjust the current etc. so that the temperature around the graphite powder
所定時間の通電の後、得られた黒鉛粉末が冷めるのを待って炉本体11から取り出す。黒鉛粉末は、上記の反応中に生成したガラス質組織または炭化珪素結晶の殻に包まれたような状態となっており、充填材や、上記の殻との分離は容易に行うことができる。例えば、上記の殻ごと取り出し、殻をハンマー等で粉砕後、中の黒鉛粉末をかき出し、混入した殻をふるいで除去することができる。
After energization for a predetermined time, the obtained graphite powder is taken out of the
このようにして、灰分を0.1%程度含む黒鉛粉末を安価に精製し、灰分を50ppm以下にまで低減できる。製造された高純度の黒鉛粉末は、高純度の黒鉛るつぼ、半導体製造部材等に使用できる。 Thus, the graphite powder containing about 0.1% of ash can be purified at a low cost, and the ash can be reduced to 50 ppm or less. The manufactured high-purity graphite powder can be used for high-purity graphite crucibles, semiconductor manufacturing members, and the like.
(炉本体内の充填材および黒鉛粉末原料の詳細)
炉本体内に充填された充填材のかさ密度は、0.50×103kg/m3以上1.2×103kg/m3以下に調整する。かさ密度を1.2×103kg/m3以下にすることで、充填材内にて発生したSiOガスの拡散速度を維持でき、不純物金属の還元反応を促進できる。また、かさ密度を0.50×103kg/m3以上にすることで、充填材の一部が反応して炭化珪素(真密度3.21×103kg/m3)となる反応の進行を抑制して充填材の体積を維持し、柱状に充填した黒鉛粉末原料の崩壊を防止できる。充填材のかさ密度は、0.55×103kg/m3以上1.15×103kg/m3以下であることがさらに好ましい。これにより、不純物金属の排出効果が高まり、さらに取扱いが容易になる。
(Details of the filler in the furnace body and the graphite powder raw material)
The bulk density of the filler filled in the furnace body is adjusted to 0.50 × 10 3 kg / m 3 or more and 1.2 × 10 3 kg / m 3 or less. By setting the bulk density to 1.2 × 10 3 kg / m 3 or less, the diffusion rate of SiO gas generated in the filler can be maintained, and the reduction reaction of the impurity metal can be promoted. Further, by setting the bulk density to 0.50 × 10 3 kg / m 3 or more, a part of the filler reacts to form silicon carbide (true density 3.21 × 10 3 kg / m 3 ). The volume of the filler can be maintained by suppressing the progress, and the collapse of the graphite powder raw material filled in the columnar shape can be prevented. The bulk density of the filler is more preferably 0.55 × 10 3 kg / m 3 or more and 1.15 × 10 3 kg / m 3 or less. As a result, the effect of discharging the impurity metal is enhanced and the handling becomes easier.
充填材のSiを除いた灰分は、充填材に対して重量分率で1000ppm以下であることが好ましい。これにより、充填材から黒鉛粉末原料に流れる不純物を低減し、黒鉛粉末原料を高純度化できる。灰分が1000ppm以下なので、充填材の不純物の黒鉛粉末原料への移動が抑制される。その結果、有効に高純度化でき、灰分50ppm以下を達成できる。 The ash content excluding Si in the filler is preferably 1000 ppm or less by weight with respect to the filler. Thereby, impurities flowing from the filler to the graphite powder material can be reduced, and the graphite powder material can be highly purified. Since the ash content is 1000 ppm or less, the migration of the impurities of the filler to the graphite powder raw material is suppressed. As a result, it can be highly purified effectively and an ash content of 50 ppm or less can be achieved.
また、充填材に含まれる炭素質粒子の重量分率は、炭素質粒子および無機珪酸質粒子の合計重量に対して30wt%以上60wt%以下であることが好ましい。これにより、高い効率でSiOガスを発生させることができる。炭素質粒子の重量分率が30wt%以上なので、無機珪酸質原料のSiO2の還元反応が起こりやすく、SiOガスの発生量を確保できる。また、炭素質粒子の重量分率が60wt%以下なので、SiO2の存在量を確保でき、十分なSiOガスの発生量を維持できる。 Moreover, it is preferable that the weight fraction of the carbonaceous particle contained in a filler is 30 wt% or more and 60 wt% or less with respect to the total weight of a carbonaceous particle and an inorganic siliceous particle. Thereby, SiO gas can be generated with high efficiency. Since the weight fraction of the carbonaceous particles is 30 wt% or more, a reduction reaction of SiO 2 of the inorganic siliceous raw material is likely to occur, and the generation amount of SiO gas can be ensured. Further, since the weight fraction of the carbonaceous particles is 60 wt% or less, it is possible to secure the abundance of SiO 2 and maintain a sufficient generation amount of SiO gas.
黒鉛粉末原料は、電極間を電気的に接続できればよいが、柱状に形成されていることが好ましい。そして、図1(a)に示すように、炉10の電極が設置されていない内壁面および鉛直上端面のいずれに対しても、黒鉛粉末原料30の代表太さXの2倍以上10倍以下の間隔を空けて充填材20の内部に埋設されていることが好ましい。これにより、SiOガスを炉内に維持し金属不純物を効率的に除去しつつ、高純度の黒鉛粉末の収率を向上できる。
The graphite powder raw material is only required to be electrically connected between the electrodes, but is preferably formed in a columnar shape. And as shown to Fig.1 (a), it is 2 times or more and 10 times or less of the typical thickness X of the graphite powder
すなわち、炉10の電極が設置されていない内壁面および鉛直上端面のいずれに対しても、黒鉛粉末原料30の代表太さの2倍以上の間隔で充填材20が充填されているため、高純度化の鍵となるSiOガスが炉外に拡散するのを防止でき、金属不純物の除去効率が向上する。また、黒鉛粉末からの伝熱が緩衝され炉壁の傷みを低減できる。炉壁から溶出した金属不純物による黒鉛粉末の汚染を防止できる。
That is, since both the inner wall surface where the electrode of the
一方、炉10の電極が設置されていない内壁面および鉛直上端面のいずれに対しても、黒鉛粉末原料30の代表太さの10倍以下の間隔で充填材20が充填されているため、充填材20の使用量を抑えられる。また、黒鉛粉末原料30の柱が細くなりすぎないため、高純度化処理中の十分な通電を確保できる。
On the other hand, since both the inner wall surface where the electrode of the
ここで代表太さXとは、柱状に形成された黒鉛粉末原料30の代表太さであり、柱の断面が正方形である場合はその一辺の長さを指す。また、各辺の長さがAおよびBの長方形である場合はX=(A+B)/2、円柱状である場合はその直径を指す。それ以外の場合は、断面の外周の長さをLとしたとき、同じ外周の長さを持つ円の直径(すなわちX=L/π)を指す。また、黒鉛粉末原料30の代表太さXが炉内で変化する場合は、最も黒鉛粉末原料30の柱の断面積が小さい位置におけるXを採用する。
Here, the representative thickness X is the representative thickness of the graphite powder
また、黒鉛粉末原料30の代表太さXは、50mm以上500mm以下の範囲であることが好ましい。黒鉛粉末原料30の代表太さXが50mm以上なので、高純度化処理中の十分な通電を確保できる。一方、500mm以下なので、SiOガスが十分に黒鉛粉末原料30中に拡散し、内部まで金属不純物を除去できる。
The representative thickness X of the graphite powder
[実施例、比較例の実験条件]
実施例1〜10、比較例1〜8として黒鉛粉末を製造し、純度を測定する実験を行った。
[Experimental conditions for Examples and Comparative Examples]
As Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 8, graphite powders were produced and experiments for measuring purity were performed.
(実施例1)
高アルミナ質耐火れんがを用いて、内寸が、幅1050mm、長さ2530mm、高さ1020mmの直方体の炉本体を作製した。そして、炉本体の長尺方向の両端の二面における、高さ480mm、短尺両側の壁から均等な位置のれんがに穴を開けて、電極として直径100mm、長さ320mmの円柱状の黒鉛成型体を挿入した。
Example 1
Using a high-alumina refractory brick, a rectangular parallelepiped furnace body having an internal size of 1050 mm in width, 2530 mm in length, and 1020 mm in height was produced. Then, on the two sides of the furnace body in the longitudinal direction, 480 mm in height, a hole in the brick at an equal position from the short side wall, and a cylindrical graphite molded body having a diameter of 100 mm and a length of 320 mm as an electrode Inserted.
炭素質原料としてカーボンブラック(灰分550ppm、かさ密度0.74×103kg/m3)、無機珪酸質原料として非晶質シリカ(灰分670ppm、かさ密度0.53×103kg/m3)を質量比4:6で混合し、灰分622ppm、かさ密度0.66×103kg/m3の充填材を準備した。なお、原料のかさ密度は、炭素質原料については「JIS K 1474 活性炭試験方法 充填密度」に記される方法により、無機珪酸質原料については「JIS K 1150 シリカゲル試験方法 かさ密度」に記される方法により測定した。 Carbon black (ash content: 550 ppm, bulk density: 0.74 × 10 3 kg / m 3 ) as a carbonaceous raw material, amorphous silica (ash content: 670 ppm, bulk density: 0.53 × 10 3 kg / m 3 ) as an inorganic siliceous raw material Were mixed at a mass ratio of 4: 6 to prepare a filler having an ash content of 622 ppm and a bulk density of 0.66 × 10 3 kg / m 3 . The bulk density of the raw material is described in “JIS K 1474 activated carbon test method packing density” for the carbonaceous raw material, and “JIS K 1150 silica gel test method bulk density” for the inorganic siliceous raw material. Measured by the method.
また、灰分420ppm、かさ密度0.35×103kg/m3の黒鉛粉末原料を準備した。ただし充填時の体積と重量から計算すると、充填時の黒鉛粉末原料のかさ密度は0.65×103kg/m3である。なお、原料のかさ密度は、「JIS K 1474 活性炭試験方法 充填密度」に記される方法により測定した。 Further, a graphite powder raw material having an ash content of 420 ppm and a bulk density of 0.35 × 10 3 kg / m 3 was prepared. However, when calculated from the volume and weight at the time of filling, the bulk density of the graphite powder raw material at the time of filling is 0.65 × 10 3 kg / m 3 . The bulk density of the raw material was measured by the method described in “JIS K 1474 activated carbon test method packing density”.
炉本体内に、充填材1610kgと黒鉛粉末原料23.7kgを充填した。この時、黒鉛粉末原料は、両端の電極を結ぶよう、幅120mm、高さ120mm、長さ2530mmの直方体状に充填した。充填高さは960mmであった。充填材と黒鉛粉末原料の充填後、両端の電極を介して黒鉛粉末原料に通電を行った。 The furnace body was filled with 1610 kg of filler and 23.7 kg of graphite powder raw material. At this time, the graphite powder raw material was filled in a rectangular parallelepiped shape having a width of 120 mm, a height of 120 mm, and a length of 2530 mm so as to connect the electrodes at both ends. The filling height was 960 mm. After filling the filler and the graphite powder raw material, the graphite powder raw material was energized through the electrodes at both ends.
通電加熱により、2400℃で16時間の焼成を行った後、常温になるまで空冷し、炉本体から、ガラス質および炭化珪素結晶に内包された黒鉛粉末を取り出した。回収できた黒鉛粉末全体を十分混合した上でサンプリングし、後述の灰分の算出方法に沿って黒鉛粉末の灰分の測定を行った。同様に、8時間、24時間の焼成を行った際の黒鉛粉末の灰分も測定した。なお、8時間、24時間の焼成は実施例1、比較例1、3についてのみ行った。 After firing at 2400 ° C. for 16 hours by energization heating, air cooling was performed until the temperature reached room temperature, and the graphite powder included in the vitreous and silicon carbide crystals was taken out from the furnace body. The entire recovered graphite powder was sampled after being sufficiently mixed, and the ash content of the graphite powder was measured according to the ash content calculation method described below. Similarly, the ash content of the graphite powder when firing for 8 hours and 24 hours was also measured. In addition, baking for 8 hours and 24 hours was performed only about Example 1 and Comparative Examples 1 and 3.
(実施例2)
黒鉛粉末原料の充填形状を、幅180mm、高さ180mm、長さ2530mmの直方体とし、その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Example 2)
The filling process of the graphite powder raw material was a rectangular parallelepiped having a width of 180 mm, a height of 180 mm, and a length of 2530 mm, and the other steps were performed in the same manner as in Example 1.
(実施例3)
黒鉛粉末原料の充填形状を、幅80mm、高さ80mm、長さ2530mmの直方体とし、その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Example 3)
The filling process of the graphite powder raw material was a rectangular parallelepiped having a width of 80 mm, a height of 80 mm, and a length of 2530 mm. The other conditions were the same as in Example 1.
(実施例4)
無機珪酸質材料として、かさ密度1.40×103kg/m3、灰分1070ppmのシリカゲルを使用し、その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Example 4)
A silica gel having a bulk density of 1.40 × 10 3 kg / m 3 and an ash content of 1070 ppm was used as the inorganic siliceous material, and the other steps were performed in the same manner as in Example 1.
(実施例5)
無機珪酸質材料として、かさ密度0.38×103kg/m3、灰分540ppmの非晶質シリカ粉末を使用し、その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Example 5)
An amorphous silica powder having a bulk density of 0.38 × 10 3 kg / m 3 and an ash content of 540 ppm was used as the inorganic siliceous material, and the other steps were performed in the same manner as in Example 1.
(実施例6)
実施例2の黒鉛粉末原料の形状と実施例4の無機珪酸質原料を採用し、その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Example 6)
The shape of the graphite powder raw material of Example 2 and the inorganic siliceous raw material of Example 4 were adopted, and the other steps were performed in the same manner as in Example 1.
(実施例7)
炭素質材料と無機珪酸質原料の混合比を5:5とし、その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Example 7)
The process was performed in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio of the carbonaceous material and the inorganic siliceous raw material was 5: 5.
(実施例8)
炭素質材料と無機珪酸質原料の混合比を6:4とし、その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Example 8)
The process was performed in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio of the carbonaceous material and the inorganic siliceous raw material was 6: 4.
(実施例9)
炉本体を、内寸で長さ2100mm、幅2530mm、高さ2040mm(充填高さ2000mm)で構成し、電極を底面からの高さ960mmに配置した。黒鉛粉末原料の充填形状を、幅240mm、高さ240mm、長さ2530mmの直方体とした。その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
Example 9
The furnace body was configured with an internal size of length 2100 mm, width 2530 mm, height 2040 mm (filling height 2000 mm), and the electrode was disposed at a height 960 mm from the bottom. The filled shape of the graphite powder raw material was a rectangular parallelepiped having a width of 240 mm, a height of 240 mm, and a length of 2530 mm. The process was performed in the same manner as in Example 1 under other conditions.
(実施例10)
炉本体を実施例9と同じ寸法で構成し、黒鉛粉末原料の充填形状を、幅360mm、高さ360mm、長さ2530mmの直方体とした。その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Example 10)
The furnace body was configured with the same dimensions as in Example 9, and the graphite powder raw material was filled in a rectangular parallelepiped having a width of 360 mm, a height of 360 mm, and a length of 2530 mm. The process was performed in the same manner as in Example 1 under other conditions.
(比較例1)
黒鉛粉末原料の充填形状を、幅240mm、高さ240mm、長さ2530mmの直方体とした。その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Comparative Example 1)
The filled shape of the graphite powder raw material was a rectangular parallelepiped having a width of 240 mm, a height of 240 mm, and a length of 2530 mm. The process was performed in the same manner as in Example 1 under other conditions.
(比較例2)
黒鉛粉末原料の充填形状を、幅40mm、高さ40mm、長さ2530mmの直方体とした。その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Comparative Example 2)
The filled shape of the graphite powder raw material was a rectangular parallelepiped having a width of 40 mm, a height of 40 mm, and a length of 2530 mm. The process was performed in the same manner as in Example 1 under other conditions.
(比較例3)
無機珪酸質原料として、かさ密度1.66×103kg/m3、灰分430ppmの珪砂を使用した。その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Comparative Example 3)
As an inorganic siliceous material, quartz sand having a bulk density of 1.66 × 10 3 kg / m 3 and an ash content of 430 ppm was used. The process was performed in the same manner as in Example 1 under other conditions.
(比較例4)
無機珪酸質原料として、かさ密度0.16×103kg/m3、灰分250ppmの非晶質シリカを使用した。その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Comparative Example 4)
As the inorganic siliceous material, amorphous silica having a bulk density of 0.16 × 10 3 kg / m 3 and an ash content of 250 ppm was used. The process was performed in the same manner as in Example 1 under other conditions.
(比較例5)
無機珪酸質材料として、かさ密度1.40×103kg/m3、灰分1070ppmのシリカゲルを使用し、炭素質原料として、かさ密度0.91×103kg/m3、灰分380ppmのカーボンブラックを使用した。その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Comparative Example 5)
Silica gel having a bulk density of 1.40 × 10 3 kg / m 3 and an ash content of 1070 ppm is used as the inorganic siliceous material, and carbon black having a bulk density of 0.91 × 10 3 kg / m 3 and an ash content of 380 ppm is used as the carbonaceous material. It was used. The process was performed in the same manner as in Example 1 under other conditions.
(比較例6)
炭素質材料と無機珪酸質原料の混合比を7:3とした。その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Comparative Example 6)
The mixing ratio of the carbonaceous material and the inorganic siliceous raw material was 7: 3. The process was performed in the same manner as in Example 1 under other conditions.
(比較例7)
炉本体の寸法を実施例9と同じにし、黒鉛粉末原料の充填形状を、幅480mm、高さ480mm、長さ2530mmの直方体とした。その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Comparative Example 7)
The dimensions of the furnace body were the same as in Example 9, and the graphite powder raw material was filled in a rectangular parallelepiped having a width of 480 mm, a height of 480 mm, and a length of 2530 mm. The process was performed in the same manner as in Example 1 under other conditions.
(比較例8)
炭素質原料として、かさ密度0.68×103kg/m3、灰分4200ppmのカーボンブラックを使用した。その他の条件は実施例1と同様にして工程を行った。
(Comparative Example 8)
As a carbonaceous raw material, carbon black having a bulk density of 0.68 × 10 3 kg / m 3 and an ash content of 4200 ppm was used. The process was performed in the same manner as in Example 1 under other conditions.
(灰分の算出方法)
黒鉛粉末および充填材中の炭素質原料の灰分は、「JIS M 8511 天然黒鉛の工業分析及び試験方法」に記載される灰分の分析方法に準じて分析できる。非晶質の炭素質原料、例えばカーボンブラックを使用する場合も同様の分析方法を用いる。
(Calculation method of ash content)
The ash content of the carbonaceous raw material in the graphite powder and the filler can be analyzed in accordance with the ash content analysis method described in “JIS M 8511 natural graphite industrial analysis and test method”. The same analysis method is used when an amorphous carbonaceous raw material such as carbon black is used.
無機珪酸質原料の灰分は、「JIS R 2212−2:2006 耐火物製品の化学分析方法−第2部:けい石質耐火物」に記載されるけい砂の分析方法を用いることができる。すなわち、酸化アルミニウム、酸化鉄(III)、酸化チタン(IV)、酸化マンガン(II)、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化りん(V)、酸化ほう素(III)を定量(質量分率として算出)し、その和を算出する。非晶質の無機珪酸質原料、例えば非晶質シリカを使用する場合も同様の分析方法を用いる。充填材全体の灰分は、充填材を構成する各原料について灰分の測定を行い、混合比率に応じて加重平均をとることで算出できる。 For the ash content of the inorganic siliceous raw material, a method for analyzing silica sand described in “JIS R 2212-2: 2006 Chemical Analysis Method for Refractory Products—Part 2: Silicic Refractory” can be used. That is, quantitative determination of aluminum oxide, iron (III) oxide, titanium (IV) oxide, manganese (II) oxide, calcium oxide, magnesium oxide, phosphorus oxide (V), and boron oxide (III) (calculated as mass fraction) And the sum is calculated. The same analysis method is used when an amorphous inorganic siliceous raw material such as amorphous silica is used. The ash content of the entire filler can be calculated by measuring the ash content of each raw material constituting the filler and taking a weighted average according to the mixing ratio.
[実施例、比較例の実験結果]
(16時間焼成後の灰分量)
図2は、各実施例、比較例の実験条件および16時間焼成後の灰分の測定結果を示す表である。実施例1〜10ではいずれの例も灰分が50ppmを下回った。比較例1〜8はいずれも灰分が50ppmを大きく上回った。
[Experimental results of examples and comparative examples]
(Amount of ash after baking for 16 hours)
FIG. 2 is a table showing the experimental conditions of each example and comparative example and the measurement results of ash content after baking for 16 hours. In each of Examples 1 to 10, the ash content was less than 50 ppm. In all of Comparative Examples 1 to 8, the ash content greatly exceeded 50 ppm.
なお、比較例2、4は、通電中に急激な抵抗値の上昇が見られ、電力が印加できなくなった。比較例2は、通電開始から1時間後、比較例4は通電開始から3時間後に電力が印加できなくなった。これは、黒鉛粉末原料が断線したためと考えられ、処理対象の黒鉛粉末原料の柱が細すぎたり、充填材のかさ密度が小さすぎたりすると黒鉛粉末原料の柱が崩れやすいことを示している。 In Comparative Examples 2 and 4, a sudden increase in resistance value was observed during energization, making it impossible to apply power. In Comparative Example 2, electric power could not be applied after 1 hour from the start of energization, and in Comparative Example 4 after 3 hours from the start of energization. This is considered to be because the graphite powder raw material was disconnected, and indicates that the column of the graphite powder raw material tends to collapse when the column of the graphite powder raw material to be processed is too thin or the bulk density of the filler is too small.
比較例1、3、5、7で灰分が低減しなかった理由は、SiOガスが処理対象の黒鉛粉末原料まで浸透しなかったためと考えられる。また、比較例6で灰分が低減しなかった理由は、炭素質原料が過多でSiOガスの発生量が少なかった(あるいはすぐに炭化珪素に変化してしまった)ためと考えられる。比較例8は、カーボンブラックの純度が低く、カーボンブラック中の不純物の一部が黒鉛粉末原料中に拡散したため黒鉛粉末原料の灰分も相対的に高くなったと考えられる。 The reason why the ash content was not reduced in Comparative Examples 1, 3, 5, and 7 is considered that the SiO gas did not penetrate into the graphite powder raw material to be treated. The reason why the ash content was not reduced in Comparative Example 6 is considered to be because the carbonaceous raw material was excessive and the generation amount of SiO gas was small (or immediately changed to silicon carbide). In Comparative Example 8, it is considered that the purity of the carbon black is low, and some of the impurities in the carbon black diffuse into the graphite powder raw material, so that the ash content of the graphite powder raw material is also relatively high.
なお、炭素質材料と無機珪酸質原料の混合比を3:7とした実験は、実施していない。この実験を行うと、珪酸質原料の還元が進まず、SiOガス発生量が減るとともに、炭化珪素が生成しないことによって焼成後に充填材と黒鉛粉末の分離が困難になることが予測されたためである。 In addition, the experiment which made the mixing ratio of carbonaceous material and inorganic siliceous raw material 3: 7 was not implemented. This is because it was predicted that the reduction of the siliceous raw material would not proceed and the generation of SiO gas would decrease, and that it would be difficult to separate the filler from the graphite powder after firing because no silicon carbide was formed. .
(焼成時間と灰分量の関係)
実施例1、比較例1、3について焼成時間に応じて黒鉛粉末の灰分量を確認した。図3は、焼成時間と灰分量の関係を示すグラフである。いずれも焼成16時間後でほぼ値が一定になった。これは、充填材の反応が進んでSiCの生成が盛んになったため、SiOの黒鉛粉末原料への供給が行われなくなったためと考えられる。黒鉛粉末原料の量が多い比較例1や、充填材のかさ密度が大きい比較例3では、黒鉛粉末原料に対してSiOガスの供給が十分に行われないまま反応が終了している。
(Relationship between firing time and ash content)
For Example 1 and Comparative Examples 1 and 3, the ash content of the graphite powder was confirmed according to the firing time. FIG. 3 is a graph showing the relationship between firing time and ash content. In all cases, the value became almost constant after 16 hours of firing. This is presumably because the reaction of the filler progressed and the production of SiC became active, so that the supply of SiO to the graphite powder raw material was not performed. In Comparative Example 1 in which the amount of the graphite powder raw material is large and Comparative Example 3 in which the bulk density of the filler is large, the reaction is completed without sufficiently supplying SiO gas to the graphite powder raw material.
以上から、黒鉛粉末原料を、炭素質および無機珪酸質からなる充填材中に埋設する際に、充填材のかさ密度、黒鉛粉末原料と充填材のサイズ比を適切な範囲にして通電させることで、黒鉛粉末を十分に高純度化できることが実証された。 From the above, when the graphite powder raw material is embedded in a filler composed of carbonaceous and inorganic siliceous materials, the bulk density of the filler and the size ratio of the graphite powder raw material to the filler are made to be in an appropriate range and are energized. It was proved that graphite powder can be sufficiently purified.
10 炉
11 炉本体
15a、15b 電極
20 充填材
30 黒鉛粉末原料
DESCRIPTION OF
Claims (5)
無機珪酸質粒子および炭素質粒子が混合された充填材の内部に埋設され、炉内の電極間を接続する黒鉛粉末原料を配置する工程と、
前記黒鉛粉末原料を通電加熱する工程と、を含み、
前記充填材のかさ密度は、0.50×103kg/m3以上1.2×103kg/m3以下であることを特徴とする黒鉛粉末の製造方法。 A method for producing graphite powder using a furnace whose vertical upper end surface is open to the atmosphere and has an electrode on the inner wall surface,
A step of placing a graphite powder raw material embedded in a filler in which inorganic siliceous particles and carbonaceous particles are mixed and connecting electrodes in a furnace;
A step of energizing and heating the graphite powder raw material,
The bulk density of the filler is 0.50 × 10 3 kg / m 3 or more and 1.2 × 10 3 kg / m 3 or less.
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| CN119660729A (en) * | 2024-08-20 | 2025-03-21 | 中溢集团(吉林)新能源科技有限公司 | A production process for graphitization of negative electrode materials for new energy batteries |
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