JP2008120657A

JP2008120657A - ハニカム成形体の焼成方法

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Publication number: JP2008120657A
Application number: JP2006309641A
Authority: JP
Inventors: Kinji Houdaira; 欣二宝平
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-15
Also published as: JP4730285B2

Abstract

【課題】焼成時間を短縮することができ、生産性の向上を図ることができると共に、焼成時の割れを抑制することができるハニカム成形体の焼成方法を提供すること。
【解決手段】ハニカム成形体の焼成方法は、ハニカム成形体を炉内に収納し、炉内温度Ｔ₃を焼成温度まで昇温させた後、保持することによって焼成するに当たり、炉内温度Ｔ₃を焼成温度まで昇温させる途中において、炉内温度Ｔ₃をカーボン燃焼温度Ｔ_Cに一旦保持し、ハニカム成形体に含有されるカーボンを燃焼させ、該カーボンの燃焼により、ハニカム成形体の外周温度Ｔ₂が上昇して炉内温度Ｔ₃よりも高くなり、最大となった後、下降する過程において、外周温度Ｔ₂が最大となる外周ピークＰ時における外周温度Ｔ₂と炉内温度Ｔ₃との温度差をＡとした場合、外周ピークＰ時以降に上記温度差が０．５Ａとなった時から０となる前までの間に、炉内温度Ｔ₃の昇温を再び開始する。
【選択図】図４

Description

本発明は、セラミック材料を押出成形することによって成形されたハニカム成形体を焼成する方法に関する。

従来から、コーディエライト等のセラミックからなるハニカム構造体は、内燃機関より排出される排ガスの浄化を行う排ガス浄化フィルタ等として用いられている。
ハニカム構造体は、粘土質のセラミック材料を押出成形してハニカム成形体を作製し、そのハニカム成形体を乾燥させた後、焼成することによって製造される（特許文献１参照）。

また、ハニカム構造体は、例えばディーゼルエンジン用排ガス浄化フィルタ（ＤＰＦ）として適用される場合には、排ガス中のパティキュレートを捕集するために高い気孔率が要求される。そのため、造孔材としてのカーボンを添加したセラミック材料を押出成形してハニカム成形体を作製し、焼成時にカーボンを焼失させることによって高い気孔率を得ていた。

しかしながら、ハニカム成形体を焼成する際に焼成温度まで一気に昇温させると、ハニカム成形体に含まれるカーボンが急激に燃焼して、ハニカム成形体の割れの原因となっていた。すなわち、カーボンの燃焼によって急激に燃焼熱が発生するため、ハニカム成形体の中心部と外周部との間に大きな温度差が生じる。これにより、ハニカム成形体内に熱応力が生じ、割れが発生していた。

そこで、従来は、焼成温度まで一気に昇温させるのではなく、一旦カーボンが燃焼する温度で炉内温度を保持し、ゆっくりとカーボンを燃焼させていた。そして、カーボンの燃焼が完了し、ハニカム成形体全体の温度と炉内温度とがほぼ同じ温度になってから再び昇温させていた。ところが、このような焼成方法では、トータルの焼成時間が長時間となり、生産性の低下を招くことになる。

よって、焼成時間を短縮することができ、生産性の向上を図ることができると共に、焼成時の割れを抑制することができるハニカム成形体の焼成方法が望まれている。

特開平８−７３２７４号公報

本発明は、かかる従来の問題点を鑑みてなされたものであり、焼成時間を短縮することができ、生産性の向上を図ることができると共に、焼成時の割れを抑制することができるハニカム成形体の焼成方法を提供しようとするものである。

本発明は、コーディエライト原料にカーボンが添加されたセラミック材料を押出成形することによって成形された、隔壁をハニカム状に配して多数のセルを設けてなるハニカム成形体を焼成する方法において、
上記ハニカム成形体を炉内に収納し、炉内温度を焼成温度まで昇温させた後、上記ハニカム成形体を上記焼成温度で保持することによって焼成するに当たり、
上記炉内温度を上記焼成温度まで昇温させる途中において、上記炉内温度を上記カーボンの燃焼が可能な温度であるカーボン燃焼温度に一旦保持し、上記ハニカム成形体に含有される上記カーボンを燃焼させ、
該カーボンの燃焼により、上記ハニカム成形体の外周部の温度が上昇して上記炉内温度よりも高くなり、最大となった後、下降する過程において、上記外周部の温度が最大となる外周ピーク時における上記外周部の温度と上記炉内温度との温度差をＡとした場合、上記外周ピーク時以降に上記温度差が０．５Ａとなった時から０となる前までの間に、上記炉内温度の昇温を再び開始することを特徴とするハニカム成形体の焼成方法にある（請求項１）。

本発明のハニカム成形体の焼成方法は、上記炉内温度を上記焼成温度まで昇温させる途中において、上記炉内温度を上記カーボン燃焼温度に一旦保持し、上記ハニカム成形体に含有されるカーボンを燃焼させる。そして、このカーボンの燃焼により、上記ハニカム成形体の外周部の温度が上昇して最大となり、その後下降する過程において、上記外周部の温度が最大となる外周ピーク時における上記外周部の温度と上記炉内温度との温度差をＡとした場合、上記外周ピーク時以降に上記温度差が０．５Ａとなった時から０となる前までの間のタイミングで、上記炉内温度の昇温を再び開始する。

すなわち、本発明では、上記ハニカム成形体に含まれるカーボンの燃焼が完了する前の上記タイミングで、上記カーボン燃焼温度に保持していた上記炉内温度を再び昇温させる。そのため、従来のようにカーボンの燃焼が完了し、上記ハニカム成形体全体の温度と上記炉内温度とがほぼ同じになってから上記炉内温度の昇温を再び開始する場合に比べて、上記炉内温度を上記カーボン燃焼温度に保持してから再び昇温させるまでの時間を短縮することができる。これにより、上記ハニカム成形体の焼成に要するトータルの焼成時間を短縮することができ、生産性の向上を図ることができる。

また、上記タイミングで上記炉内温度の昇温を再び開始しても、上記ハニカム成形体に割れ等の不具合が発生するおそれもない。すなわち、上記タイミングの時点では、上記ハニカム成形体に含有されるカーボンがある程度燃焼しているため、昇温を開始しても急激な燃焼熱が発生するおそれはなく、また上記ハニカム成形体の中心部と外周部との温度差（以下、適宜、内外温度差という）が急激に大きくなることもない。よって、割れ等の不具合を発生させずに、確実に焼成時間の短縮及び生産性の向上を図ることができる。

また、上述したように、上記ハニカム成形体に含有されるカーボンを燃焼させるために、上記炉内温度を上記焼成温度まで昇温させる途中において、上記炉内温度を上記カーボン燃焼温度に一旦保持する。そのため、上記ハニカム成形体に含有されるカーボンをゆっくりと燃焼させることができ、急激な燃焼熱の発生を抑制することができる。これにより、上記ハニカム成形体の内外温度差が急激に大きくなることを防ぐことができ、割れの発生を抑制することができる。

このように、本発明のハニカム成形体の焼成方法によれば、焼成時間を短縮することができ、生産性の向上を図ることができると共に、焼成時の割れを抑制することができる。

本発明において、上記外周ピーク時以降における上記温度差が０．５Ａとなる前に上記炉内温度の昇温を再び開始した場合には、上記ハニカム成形体に含まれるカーボンが充分に燃焼されていないおそれがある。そのため、このような時点で昇温を開始すると、カーボンの燃焼によって上記ハニカム成形体の内外温度差が急激に大きくなり、割れが発生するおそれがある。一方、上記温度差が０となった後に上記炉内温度の昇温を再び開始した場合には、焼成時間の短縮及び生産性の向上を図ることができない。

また、上記外周ピーク時以降における上記温度差が０．５Ａとなった時から０．２５Ａとなる時までの間に、上記炉内温度の昇温を再び開始することが好ましい（請求項２）。
この場合には、割れ等の不具合を発生させずに、焼成時間の短縮及び生産性の向上を確実に図ることができる。

また、上記炉内温度の昇温を再び開始した後は、上記ハニカム成形体の中心部と外周部との温度差が１００℃以内となるように、上記炉内温度を昇温させることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記ハニカム成形体の内外温度差によって生じる熱応力を低減し、焼成時における上記ハニカム成形体の割れを抑制することができる。

また、上記カーボン燃焼温度は、５００℃以上であることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記ハニカム成形体に含まれるカーボンを充分かつ確実に燃焼させることができる。

本発明の実施例につき、図１〜図６を用いて説明する。
本例においては、図１、図２に示すごとく、ハニカム状の隔壁１１に囲まれた多数のセル１２と外周側面を覆う筒状の外周壁１３とを有するハニカム成形体１を焼成した。
ハニカム成形体１は、コーディエライトを主成分とするセラミックより構成されており、円筒形状を呈している。また、セル１２は、断面形状が四角形である。

本例のハニカム成形体は、粘土質のセラミック材料を押出成形機等により押出成形し、所望の長さで切断した後、乾燥させて作製したものである。ハニカム成形体のサイズは、直径１６０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、隔壁の厚み０．３ｍｍ、外周壁の厚み０．５ｍｍ、セル数３００ｃｐｉメッシュである。なお、このサイズは一例を示したものであり、用途に応じてその他のサイズを採用することもできる。

また、上記セラミック材料としては、カオリン、溶融シリカ、水酸化アルミニウム、アルミナ、タルク等を含有し、化学組成が最終的にコーディエライトを主成分とする組成となるように調整したコーディエライト化原料を水に混合し、有機バインダ、造孔材としてのカーボン等を加えて混練したものを用いた。なお、セラミック材料も、用途に応じて含有する材料を変更することができる。

次に、ハニカム成形体の具体的な焼成方法について説明する。
本例では、ハニカム成形体及び焼成炉内に熱電対を取り付け、ハニカム成形体の中心部の温度（中心温度Ｔ₁）、外周壁の温度（外周温度Ｔ₂）及び炉内雰囲気の温度（炉内温度Ｔ₃）を測定しながら焼成を行った。

なお、以下の焼成方法の説明においては、実際に設定した焼成炉における炉内温度Ｔ₃の制御パターン（焼成パターン）を示した図３と、実際に測定した中心温度Ｔ₁、外周温度Ｔ₂及び炉内温度Ｔ₃の結果を示した図４とを用いて説明する。また、図３の焼成パターンと図４の実際の炉内温度Ｔ₃との間には、タイムラグや温度差が生じている。

まず、ハニカム成形体を焼成炉内に収納し、図３に示すごとく、炉内温度Ｔ₃を室温から３５０℃まで昇温させる（第１昇温工程Ｓ１）。
次いで、炉内温度Ｔ₃を３５０℃からハニカム成形体に含有されるカーボンの燃焼が可能なカーボン燃焼温度Ｔ_Cまで昇温させる（第２昇温工程Ｓ２）。本例では、カーボン燃焼温度Ｔ_Cを６００℃とした。

次いで、図３に示すごとく、炉内温度Ｔ₃をカーボン燃焼温度Ｔ_Cである６００℃で保持し、ハニカム成形体に含有されるカーボンを燃焼させる（カーボン燃焼工程Ｓ３）。なお、図４に示すごとく、カーボンの燃焼は、実際には５５０℃付近から始まっている。このとき、カーボンの燃焼による燃焼熱の発生により、中心温度Ｔ₁及び外周温度Ｔ₂は上昇し始めている。

そして、カーボン燃焼工程Ｓ３では、図４に示すごとく、カーボンの燃焼熱により中心温度Ｔ₁及び外周温度Ｔ₂は上昇し、炉内温度Ｔ₃よりも高くなる。そして、外周ピークＰ時において外周温度Ｔ₂が最大となる。このとき、外周温度Ｔ₂は７５０℃、炉内温度Ｔ₃は６００℃であり、外周温度Ｔ₂と炉内温度Ｔ₃との温度差Ａは１５０℃である。

さらに、外周ピークＰ時以降、中心部に比べてカーボンが燃焼し易い外周部の外周温度Ｔ₂はゆっくりと下降し始める。一方、中心温度Ｔ₁は、外周温度Ｔ₂から少し遅れて最大となり、その後ゆっくりと下降し始める。そして、本例では、外周ピークＰ時以降における外周温度Ｔ₂と炉内温度Ｔ₃との温度差が外周ピークＰ時の温度差Ａ（１５０℃）の半分、つまり０．５Ａ（７５℃）となった時を昇温タイミングＱとし、この昇温タイミングＱにおいて炉内温度Ｔ₃の昇温を再び開始した。

次いで、図３に示すごとく、炉内温度Ｔ₃をカーボン燃焼温度Ｔ_Cである６００℃から１４００℃まで昇温させる（第３昇温工程Ｓ４）。
次いで、炉内温度Ｔ₃を１４００℃で２５時間保持し、ハニカム成形体を焼成する（焼成工程Ｓ５）。
次いで、炉内温度Ｔ₃を１４００℃から室温まで冷却する（冷却工程Ｓ６）。
以上により、ハニカム成形体の焼成を完了した。

次に、比較例として、カーボン燃焼工程Ｓ３において、炉内温度Ｔ₃の昇温を再び開始する昇温タイミングＱが異なる従来の焼成方法によってハニカム成形体を焼成した。
なお、実際に設定した焼成パターンを図５に、実際に測定した中心温度Ｔ₁、外周温度Ｔ₂及び炉内温度Ｔ₃の結果を図６に示した。

比較例では、図５に示すごとく、カーボン燃焼工程Ｓ３において、外周ピークＰ時以降における中心温度Ｔ₁、外周温度Ｔ₂及び炉内温度Ｔ₃が同じとなった時を昇温タイミングＱとした。そして、この昇温タイミングＱにおいて炉内温度Ｔ₃の昇温を再び開始した。
その他の工程は、上記と同様である。

次に、本例のハニカム成形体の焼成方法における作用効果について、比較例と比較して説明する。
比較例は、図６から知られるように、カーボン燃焼工程Ｓ３において、中心温度Ｔ₁、外周温度Ｔ₂及び炉内温度Ｔ₃が同じになってから炉内温度Ｔ₃の昇温を開始する従来の焼成方法を用いている。そのため、炉内温度Ｔ₃をカーボン燃焼温度Ｔ_Cに保持してから再び昇温させる昇温タイミングＱまで時間がかかり、カーボン燃焼工程Ｓ３に要する時間も長くなっている。そして、トータルの焼成時間は９０時間となった。

一方、本例は、図４から知られるように、カーボン燃焼工程Ｓ３において、外周ピークＰ時以降における外周温度Ｔ₂と炉内温度Ｔ₃との温度差が外周ピークＰ時の温度差Ａの半分（０．５Ａ）となった時、つまりハニカム成形体に含まれるカーボンの燃焼が完了する前に、炉内温度Ｔ₃の昇温を開始する。そのため、昇温タイミングＱまでの時間が短くなり、カーボン燃焼工程Ｓ３に要する時間が短縮されている。そして、トータルの焼成時間は８０時間となり、比較例に比べて約１０時間短縮されている。

また、本例では、ハニカム成形体に含まれるカーボンの燃焼が完了する前に炉内温度Ｔ₃の昇温を開始しているが、ハニカム成形体に割れ等の不具合の発生は見られなかった。これは、昇温タイミングＱの時点では、ハニカム成形体に含有されるカーボンがある程度燃焼しているため、昇温を開始しても急激な燃焼熱が発生しないからである。また、外周温度Ｔ₂が下降して中心温度Ｔ₁との温度差が開き始めたところで昇温を開始しているため、ハニカム成形体の内外温度差が大きくなることを抑制する効果も得られた。

また、本例は、比較例と同様に、炉内温度Ｔ₃を焼成温度まで昇温させる途中において、炉内温度Ｔ₃をカーボン燃焼温度Ｔ_Cに一旦保持し、ハニカム成形体に含有されるカーボンを燃焼させるカーボン燃焼工程を行う。そのため、カーボンをゆっくりと燃焼させることができ、急激な燃焼熱の発生を抑制することができる。これにより、ハニカム成形体の内外温度差が急激に大きくなることを防ぐことができ、割れの発生を抑制することができる。

以上により、本例のハニカム成形体の焼成方法によれば、焼成時間を短縮することができ、生産性の向上を図ることができると共に、焼成時の割れを抑制することができることがわかる。

実施例における、ハニカム成形体を示す斜視図。実施例における、ハニカム成形体を示す断面説明図。実施例における、焼成パターンを示す説明図。実施例における、ハニカム成形体及び炉内の温度測定結果を示す説明図。比較例における、焼成パターンを示す説明図。比較例における、ハニカム成形体及び炉内の温度測定結果を示す説明図。

符号の説明

１ハニカム成形体
１１隔壁
１２セル
１３外周壁
Ｐ外周ピーク
Ｑ昇温タイミング
Ｔ₁ 中心温度
Ｔ₂ 外周温度
Ｔ₃ 炉内温度
Ｔ_C カーボン燃焼温度

Claims

コーディエライト原料にカーボンが添加されたセラミック材料を押出成形することによって成形された、隔壁をハニカム状に配して多数のセルを設けてなるハニカム成形体を焼成する方法において、
上記ハニカム成形体を炉内に収納し、炉内雰囲気の温度（以下、炉内温度という）を焼成温度まで昇温させた後、上記ハニカム成形体を上記焼成温度で保持することによって焼成するに当たり、
上記炉内温度を上記焼成温度まで昇温させる途中において、上記炉内温度を上記カーボンの燃焼が可能な温度であるカーボン燃焼温度に一旦保持し、上記ハニカム成形体に含有される上記カーボンを燃焼させ、
該カーボンの燃焼により、上記ハニカム成形体の外周部の温度が上昇して上記炉内温度よりも高くなり、最大となった後、下降する過程において、上記外周部の温度が最大となる外周ピーク時における上記外周部の温度と上記炉内温度との温度差をＡとした場合、上記外周ピーク時以降に上記温度差が０．５Ａとなった時から０となる前までの間に、上記炉内温度の昇温を再び開始することを特徴とするハニカム成形体の焼成方法。
請求項１において、上記外周ピーク時以降に上記温度差が０．５Ａとなった時から０．２５Ａとなる時までの間に、上記炉内温度の昇温を再び開始することを特徴とするハニカム成形体の焼成方法。
請求項１又は２において、上記炉内温度の昇温を再び開始した後は、上記ハニカム成形体の中心部と外周部との温度差が１００℃以内となるように、上記炉内温度を昇温させることを特徴とするハニカム成形体の焼成方法。
請求項１〜３のいずれか１項において、上記カーボン燃焼温度は、５００℃以上であることを特徴とするハニカム成形体の焼成方法。