(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底を有する部材と、その上に乗っている輪状の部材とから構成されている耐熱容器を用い、粉体の仕込み層高を耐熱容器の直径の１．１〜５．０倍とした状態で、バッチ式で被加熱粉末にガスを供給しながら加熱処理する工程を含むことを特徴とする高純度粉体の製造方法。
【請求項２】
耐熱容器の直径が２００〜１０００ｍｍである請求項１記載の高純度粉体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温で加熱することにより得られる高純度粉体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、高純度セラミックス粉末、高純度希土粉末等の、高温での加熱処理により得られる高純度粉体の製造においては、様々な熱処理方法が提案されている。例えば、ロータリーキルンで連続処理する方法や、ルツボ等の耐熱容器内で回分式で熱処理する方法が挙げられる。特に高純度粉体においては加熱装置からのコンタミが問題となる場合があり、例えば耐熱性且つ高純度の炉心管を用いる等の手段により対応が図られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の加熱処理において、例えば酸素含有ガスを通気しながら、酸化反応を促進させる様な用途の場合、出来るだけ均一にガスを流通させる方が好ましい。しかしながら、ルツボ等に被加熱粉体を仕込んで加熱処理する場合には、その表層部分だけにガスを流通させても、ルツボ底部にはガスがなかなか拡散せず、焼成に長時間を要したり、得られた加熱処理済みの粉体に品質ムラが生じたりする事があった。これを回避するため、例えばルツボ下部に多孔板を設けたり、散気管を挿入して、ルツボの底部よりガスを供給しながら加熱処理する方法が考えられる。ところが、ルツボ底部よりガスを供給しながら加熱処理を行うと、供給ガス流量の変動、昇温課程でのガス線速の変化、粉体物性の変化等により、ガスが粉体内を均一に流通せず、偏流が生じたり、粉体がルツボから外へ吹きこぼれたりする現象が見られる事があり、品質不良、生産性の低下が生じるという問題があった。
【０００４】
特に、高純度粉体である合成シリカガラス粉は半導体治具、単結晶引き上げ用ルツボ等、１０００℃以上の高温で使用される用途が多く、熱変形しにくい事が求められるが、特に、ゾルゲル法で得られた合成石英ガラス粉末中にはシラノール基が残留し、これが高温での粘性を低下させる要因となる。このため、露点の低いガスを流通させながら、１１００〜１３００℃の高温で長時間（通常、数時間〜数十時間）の加熱処理を実施する事により、この残留シラノール濃度を低減させ、高温粘性を向上させる必要がある。ちなみに、高温（１０００℃以上）で使用される用途に於いて要求されるシラノール残存量は１００ｐｐｍ以下、好ましくは５０ｐｐｍ以下である。
【０００５】
しかしながら、特に生産性を重視し、ある程度の粉体量を仕込んで加熱処理を行った場合、粉体表面のガスを低い露点で制御しても、これが拡散により粉体内部から発生する水蒸気と置換するのには時間を要し、結果として、非常に長時間の熱処理が必要となる。この問題を解決するため、従来、例えば加熱処理の際の低露点ガスの導入方法として、粉体層の内部に低露点ガスを導入する事により、焼成時間を短縮する方法（特開平４−８３７１１号公報）、更には、この導入ガス量を一定領域に制御する事により、粉体内部でのガスの偏流（ショートパス）による、得られた粉体のルツボ中の場所によるシラノール濃度の不均一性、バブリングによる粉体の吹きこぼれを抑制し、より短時間で均一な低シラノール化を可能とした方法（特開平９−１１８５１３号公報）が考案されている。このような条件により、低シラノール合成シリカガラス粉末を、短時間で大量に生産する事が可能となったが、前述のガス量の制御範囲が狭く、実際にはガスの元圧変動等により、ガスの偏流（ショートパス）による、シラノール濃度の不均一性、バブリングによる粉体の吹きこぼれを完全に抑える事は困難であった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題に鑑み鋭意検討した。その結果、粉体の仕込み層高と耐熱容器の直径とを特定割合とする、すなわち耐熱容器の直径よりも粉体の仕込み層高を高くして被加熱粉体を加熱処理することにより、この問題点を解決する事が出来ると同時に、生産性も大幅に向上する事が出来る事を見出したのである。
【０００７】
かかる本発明により、通気ガスの偏流、粉体の吹きこぼれによるロスもなく、安定した運転を継続できることを見出し、本発明に到達した。すなわち、本発明は、底を有する部材と、その上に乗っている輪状の部材とから構成されている耐熱容器を用い、粉体の仕込み層高を耐熱容器の直径の１．１〜５．０倍とした状態で、バッチ式で被加熱粉末にガスを供給しながら加熱処理する工程を含むことを特徴とする高純度粉体の製造方法に存する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
まず、本発明の対象となる高純度粉体としては、高純度セラミックス、希土類粉末、蛍光体粉末、合成シリカガラス粉末等が挙げられる。
また、本発明で熱処理に供せられる被加熱粉体としては、これら高純度粉体の前駆体が代表的である。例えば高純度セラミックスの前駆体、希土類酸化物粉末の前駆体の各種金属の炭酸塩、硝酸塩、水酸化物等や、各種耐熱性ガラスやセラミックスであるアルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、シリカ−ジルコニア、シリカ−チタニア等複合酸化物の前駆体である、ゾルゲル反応により得られたゲル体等が挙げられる。
【０００９】
これらの中でも、バッチ式の焼成でシリカゲル粉末を加熱して無孔化することにより合成シリカガラス粉を製造する際に、本発明は極めて有用である。
特に、ゾルゲル法で得られたシリカゲル粉末由来の合成石英ガラス粉末は、上述のようにシラノール基の残留が高温での粘性を低下させる要因となるため、ガスを流通での高温・長時間の加熱処理が必要となる。しかしながら、この際のガス拡散を、粉体内部でのガスの偏流や粉体の吹きこぼれを抑えつつ効率的に行うことは、シラノール脱離反応に関連する因子や被処理粉体の形状、物性にも依存して影響を受けうるため従来技術では制御が困難であった。本発明により加熱処理を行えば、上記の問題を解決して効率的な加熱処理を行うことができるため、工業的な価値が極めて高い。
【００１０】
本発明においては、これら高純度粉体の前駆体等の被加熱粉体を、耐熱容器内に仕込んで加熱処理する。耐熱容器の材質、形状は特に制限されないが、加熱により被加熱物へのコンタミを生じない材質のものが望ましい。耐熱容器としては、代表的にはルツボが挙げられる。
加熱の温度は、目的とする高純度粉体の製造に関する従来技術により適宜選択すればよい。例えば、合成シリカ粉末を製造するには、１０００〜１３００℃、好ましくは１１００〜１３００℃が一般的である。また、高純度粉体の製造における加熱以外の工程は、従来技術を適宜選択して行えばよく、特に限定されるものではない。
【００１１】
本発明においては、加熱処理に際し、被加熱粉体の仕込み層高を特定の範囲内とする。すなわち、耐熱容器の直径を超える高さとする。
ここで言う耐熱容器の直径とは、耐熱容器の内径を指す。粉体層高とは耐熱容器内の底面から粉体表層部の最も高い部分迄の鉛直距離である。
尚、耐熱容器の断面が円でない場合には、長径その他耐熱容器の水平断面の周上の２点を結ぶ最長距離を、耐熱容器の直径とみなす。
【００１２】
直径より粉体層高が大きければ、各々の長さは特に制限されないが、好ましくは高さが直径の１．１〜５．０倍、好ましくは１．２〜３．０倍とするのが良い。
粉体層高が直径以下であるとガス導入量の運転範囲が狭くなり、本発明の効果が十分に得られず、また粉体層高が高すぎると、高温で焼成した際のルツボ自身の熱変形・耐久性が問題となり、ルツボのサポート材等の付帯設備が必要となる。
【００１３】
また、使用するルツボの大きさとしては、生産性、作業効率等を考慮すると、直径で１５０〜１２００ｍｍ、特に好ましくは２００〜１０００ｍｍ程度のものが好ましい。
このように本発明により粉体の仕込み層高を、耐熱容器の直径より高くして加熱を行うには、直径より高さのほうが長い耐熱容器を用いることが前提となるが、ここでいう耐熱容器としては、必ずしも一体物である必要はなく、例えば、高さの低いルツボの上に、ドーナツ状のリングをセットする事により、粉体仕込み層高をアップする方法（図１）等、底を有する部材と、その上に乗っている輪状の部材や、レンガ状の部材とから耐熱容器を構成することもできる。図１中、１は底を有する部材、２は輪状の部材である。
【００１４】
このような態様により耐熱容器の形状を設定し、粉体の仕込み層高を特定のものとすることにより、粉体内部への導入ガス圧力の変動等による、ガスの偏流、粉体の吹きこぼれ等が生じる事が皆無となり、安定的に、均一な低シラノール合成シリカガラス粉の生産が可能となる。このような効果はおそらく、低露点ガス導入管を粉体層内部へ、より深く挿入できるため、粉体圧力が増し、結果として導入ガス量の運転範囲が拡大するものとも考えられる。また、ルツボ高を高くする事により、１バッチ当たりの焼成能力も大幅に向上させることができる。
【００１５】
以下、実施例により、本発明を詳細に説明する。
【００１６】
【実施例】
（実施例）
テトラメトキシシランを加水分解、ゲル化し、これを粉砕、乾燥、分級工程を得て、粒度分布１００〜５００μｍ、平均粒径２３０μｍの、シリカゲル粉末を得た。この粉末を、内径５５０ｍｍ、高さ８５０ｍｍの石英ガラス製ルツボ中に、底部より７５０ｍｍの高さまで１１０ｋｇ仕込み、図２に示すように、その粉体層底部から２０ｍｍの位置まで１０ｍｍφの石英ガラス製ガス吹き込み管を挿入して、電気炉内にセットした。図２は実施例における加熱処理の態様を示す概略図であり、図２中、３はルツボ、４は蓋、５はシリカゲル粉末、６はガス吹き込み管、７は乾燥空気である。
【００１７】
このガス吹き込み管を通して、露点−４５℃の乾燥空気を  １．１リットル/minで供給しながら、１２００℃迄１０時間かけて昇温し、１２００℃で４５時間保持して加熱処理を行った。同じ条件で、のべ１００個分のルツボによる加熱処理を実施したが、加熱処理後のルツボ内部の粉体状況を確認したところ、ガスが偏流したような形跡は確認されなかった。また、各回の加熱処理で得られた粉体について、図３に黒丸で示したルツボ中の各場所におけるシラノール濃度を赤外吸光法により測定したが、いずれも４５〜５５ｐｐｍの範囲内でり、バラツキは小さかった。
（比較例）
実施例１と同様の方法で得られたシリカゲル粉末を、内径５５０ｍｍ、高さ６００ｍｍの石英ガラス製ルツボ中に、底部より５００ｍｍの高さまで仕込み、実施例１と同様の吹き込み管セッティング条件、昇温条件で焼成処理を行った。この条件で、のべ１００個分のルツボによる加熱処理を実施したところ、のべ３個のルツボにおける粉体について、ガスの偏流が生じたと思われる粉体層のクラック、偏りが確認された。この３個のルツボにおける粉体について、図３に黒丸で示した位置におけるシラノール濃度を測定したところ、４５〜７５ｐｐｍと、バラツキが大きかった。
【００１８】
図３は、実施例及び比較例におけるシラノール測定部位を示す図である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明により、高純度粉体の加熱処理を、効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】粉体仕込み層高をアップする方法を示す図
【図２】実施例における加熱処理の態様を示す概略図
【図３】実施例及び比較例におけるシラノール測定部位を示す図
【符号の説明】
３  ルツボ
４  蓋
５  シリカゲル粉末
【図１】
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【図２】
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【図３】
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