JP2009103331A - ローラハースキルン - Google Patents

Abstract

【課題】Ｌｉ系原料を１０３０℃以上の高温で熱処理した場合にも、低融点化合物の流れ落ち現象を生ずることがないＬｉ系原料熱処理用のローラハースキルンを提供する。
【解決手段】Ｌｉ系原料をローラ搬送しながらＳｉＣヒータにより加熱し、１０３０℃以上で熱処理するローラハースキルンであり、ＳｉＣヒータ８をローラ２よりも下側のみに配置する。またＳｉＣヒータ８の下部にＳｉＣ系反射板９を配置し、ローラ間の開口率を５０％以上とすることが好ましい。さらに炉室７の底部に空気供給口１０を設け、また各炉室の上部に排気孔１１を設け、焼成ゾーンを含む各炉室７の内部に、上向きの空気流を形成してＬｉ上記がローラよりも下側に流れることを防止する。
【選択図】図３

Description

本発明は、Ｌｉ系原料をローラ搬送しながら熱処理するローラハースキルンに関するものである。

リチウム電池の電極材料として用いられるコバルト酸リチウム等のＬｉ系原料を製造するには、Ｌｉを含む粉末原料を匣鉢と呼ばれる耐熱容器内に収納し、ローラハースキルン内を搬送しながら高温に加熱して熱処理する方法が採用されている。

このＬｉを含む粉末原料は加熱されるとＬｉ蒸気を発生するが、熱処理温度が１０３０℃以上となると、炉内雰囲気中に拡散したＬｉ成分が、炉体構造部材中のＳｉ成分や、炉体天井部に設けられたＳｉＣヒータ中のＳｉ成分と反応して低融点化合物を生成し、流れ落ちる現象が発生する。

このような現象が炉体の天井近傍で発生すると、製品を収納した匣鉢上に滴下してコンタミの原因となるとともに、匣鉢の固着による割れの原因となるなどの問題を引き起こす。また炉体やヒータは表面から溶融され損傷を受けることとなるため、短期間で修理を要することとなる。

なおＬｉ系原料の焼成用冶具（匣鉢）として、リチウムとコバルトを含有させた耐火物を使用し、Ｌｉ蒸気による侵食速度を低下させることが、特許文献１に開示されている。しかしリチウムやコバルトは高価であるから、リチウムとコバルトを含有させた耐火物を小型の焼成用冶具には使用できるとしても、大型の炉体やヒータに適用することは経済的に不可能である。

また炉体自体は、Ｌｉ蒸気と反応しにくいアルミナ系耐火物やムライト系耐火物で構成することも考えられるが、１０００〜１２００℃の温度域で使用されるヒータとしてはＳｉＣヒータが一般的であり、ヒータの材質を他の材質に置き換えることは、技術的にも経済的に容易ではない。また高温強度が要求される搬送用ローラについても、ＳｉＣ以外の材質に置き換えることは容易ではない。このため、ヒータやローラの材質をＳｉＣ質としたままで、Ｌｉ蒸気による侵食を防止することが求められている。
特開２００４−６３２６１号公報

従って本発明の目的は、ヒータやローラの材質をＳｉＣ質としたまま、Ｌｉ系原料を１０３０℃以上の高温で熱処理した場合にも、低融点化合物の流れ落ち現象を生ずることがなく、高効率の熱処理が可能なＬｉ系原料熱処理用のローラハースキルンを提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明のローラハースキルンは、Ｌｉ系原料をローラ搬送しながらＳｉＣヒータにより加熱し、１０３０℃以上で熱処理するローラハースキルンであって、前記ＳｉＣヒータをローラよりも下側のみに配置したことを特徴とするものである。

また本発明のローラハースキルンは、請求項２に記載のように、ＳｉＣヒータの下部にＳｉＣ系反射板を配置した構造とすることが好ましい。また請求項３に記載のように、ローラをＳｉ−ＳｉＣ製ローラとし、ローラ間の開口率を５０％以上とした構造とすることが好ましい。また請求項４に記載のように、ローラよりも上側の炉室の少なくとも内面を、アルミナ系またはムライト系耐火物により構成した構造とすることが好ましい。

さらに本発明のローラハースキルンは、請求項５に記載のように、炉体内部に突出する隔壁によって炉体内部を多数の炉室に区画し、各炉室の底部に空気供給口を設け、また各炉室の上部に排気孔を設け、焼成ゾーンを含む各炉室の内部に、上向きの空気流を形成した構造とすることが好ましい。また請求項６に記載のように、冷却ゾーンの炉室の内部に冷却パイプを通してその内部に冷却用空気を流し、その空気をこの冷却パイプが配置された炉室よりも後段の炉室内に吹き込む急冷構造を備えた構造とすることが好ましい。

本発明のローラハースキルンは、Ｌｉ系原料をローラ搬送しながらＳｉＣヒータにより加熱し、１０３０℃以上で熱処理する炉であるが、Ｌｉ蒸気は比重が小さいためローラよりも上方に浮上する。このためローラよりも下側のみに配置されたＳｉＣヒータがＬｉ蒸気と接触する可能性は極めて小さくなる。従来のローラハースキルンではローラの上下両面にＳｉＣヒータが配置されていたため、天井側のＳｉＣヒータがＬｉ蒸気と接触して低融点化合物を生成し易かったが、この問題を解消することが可能となる。

しかしこのようなヒータ配置とすると、匣鉢に収納されたＬｉ系原料は下側のみから加熱されることとなる。そこで請求項２のようにＳｉＣヒータの下部にＳｉＣ系反射板を配置すれば、ＳｉＣヒータから下側に放射される赤外線を反射させ、より効率良くＬｉ系原料に向けることができることとなる。ＳｉＣは赤外線の放射性能が高いので、反射板として用いるに適している。

請求項３に記載のように、ローラをＳｉ−ＳｉＣ製ローラとし、ローラ間の開口率を５０％以上とした構造とすることにより、ローラの高温強度を維持しつつ、ローラの下側からの赤外線をローラ上の匣鉢に当てることができる。

請求項４に記載のように、Ｌｉ蒸気と接触する可能性のあるローラよりも上側の炉室の少なくとも内面を、アルミナ系またはムライト系耐火物により構成しておけば、Ｌｉ蒸気による炉体の侵食を避けることができる。

請求項５に記載のように、炉体内部に形成された各炉室の底部に空気供給口を設け、また各炉室の上部に排気孔を設け、焼成ゾーンを含む各炉室の内部に、上向きの空気流を形成した構造とすれば、発生したＬｉ蒸気はこの上向きの空気流に乗って速やかに上部の排気孔から炉外に排出される。このためローラやローラ下部にＬｉ蒸気が流入することをより確実に防止することができる。

Ｌｉ系原料は必要な熱処理を完了した後は、できるだけ速やかに冷却することが好ましい。しかし１０００℃以上の状態から冷却空気による急冷を行うとセラミック製の匣鉢が割れるおそれがある。そこで請求項６に記載のように、冷却ゾーンの炉室の内部に冷却パイプを通してその内部に冷却用空気を流して間接冷却を行い、これにより昇温した空気をこの冷却パイプが配置された炉室よりも後段の炉室内に吹き込む構造とすれば、匣鉢の割れを回避しつつＬｉ系原料を急冷することが可能となる。

以下に本発明を図面を参照しつつ更に詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態のローラハースキルンを示す全体図、図２は炉幅方向の拡大断面図、図３は炉長方向の拡大断面図である。炉体１は周知のトンネル構造であり、その内部に一定ピッチで多数の搬送用のローラ２が配置されている。各ローラ２は高温強度に優れたＳｉ−ＳｉＣ製であり、炉外に設置された駆動装置３によって一定速度で駆動されている。なおＳｉ−ＳｉＣはＳｉを含浸させた緻密なＳｉＣであり、１３００℃において２５０ＭＮ/ｍ^２という高強度を有する。また耐クリープ性、耐酸化性、赤外線の放射性にも優れる材質である。

Ｌｉ系原料はセラミック製の匣鉢４に収納され、セラミック製の支持板５の上に複数の匣鉢４を配列した状態でローラ２上を搬送され、１０３０℃以上で熱処理される。進行中のガタツキをなくすために、支持板５は常に４本のローラ２に載っているようにサイズを決定しておく。匣鉢４としては蓋付きのものが用いられるが、加熱によりＬｉ蒸気が発生し、蓋と本体との隙間から炉内に分散することは従来と同様である。

炉体内部には多数の隔壁６が突出しており、これらの隔壁６によって炉体内部が多数の炉室７に区画されていることは従来と同様である。図１に示すように、炉長手方向の隔壁６、６の間隔は必ずしも一定ではなく、適宜設定すればよい。この実施形態のローラハースキルンは、図１の左側の入口側から右側の出口に向かって、昇温ゾーン、焼成ゾーン、急冷ゾーンに大別されている。

急冷ゾーンを除く各ゾーンには、ＳｉＣヒータ８がローラ２よりも下側のみに配置されている。ＳｉＣヒータ８は１０００〜１２００℃の温度域におけるヒータとして最適のものであるが、Ｌｉ蒸気と接触すると低融点化合物を生成して侵食されるおそれがある。しかし本発明ではＳｉＣヒータ８をローラ２よりも下側のみに配置したので、Ｌｉ蒸気と接触する可能性を低下させることができる。なお、ローラ２よりも上側の炉室内面はＬｉ蒸気と接触するため、Ｌｉと反応することのないアルミナ系またはムライト系耐火物により構成しておくものとする。

本発明ではこのようにＳｉＣヒータ８をローラ２よりも下側のみに配置し、ローラ２よりも上側にはヒータを設けていない。このためにＳｉＣヒータ８から放射される赤外線はローラ２の下面からのみ匣鉢４を加熱することとなり、上下にヒータを配置した従来構造に比べて加熱効率が低下することとなる。そこでこの問題を解決するために、２つの工夫がなされている。

そのひとつは、ＳｉＣヒータ８の下部にＳｉＣ系反射板９を配置したことである。これによってＳｉＣヒータ８から下方に放射された赤外線を上方に反射させ、匣鉢４の加熱に寄与させることができる。前記したようにＳｉＣは赤外線の放射性能に優れているので、反射板として用いるに適している。

他のひとつは、ローラ間の開口率を５０％以上としたことである。これはローラ２の下面に配置されたＳｉＣヒータ８からの放射線を効率良く匣鉢４に到達させるためである。開口率を高めるためにはローラ２を細くするかピッチを拡大する必要があり、強度面からの制約が生ずる。このため開口率の上限は７０％程度となる。なお通常のローラハースキルンにおけるローラ間の開口率は３０〜４０％である。

以上に説明した構成によって、Ｌｉ蒸気によるローラ２、ＳｉＣヒータ８、ＳｉＣ系反射板９等の侵食を防止することができるが、本実施形態では図示のように、各炉室７の底部に空気供給口１０を設けて送風ファン１１から供給される空気を吹き込み、また各炉室７の上部に排気孔１２を設けて吸引ファン１３で吸引することにより、焼成ゾーンを含む各炉室７の内部に、上向きの空気流を形成してある。これによってＬｉ蒸気がローラ２よりも下側に流れることを確実に防止することができる。排気孔１２は図２に示すように屈曲させ、炉内からの排気ガスが外気と接触して冷却されることにより固形物が生成されても、直接炉室７内に落下しないようになっている。

なお１０００℃を越える高温の焼成ゾーンにおいて、本発明のように空気を直接炉室７内に供給することは、温度降下を招くために通常は行われないことである。本発明における空気供給量は、５０〜１００Ｌ／分／ｍ^３とすることが好ましい。なおｍ^３は空気が吹き込まれる炉室７の炉内容積である。

このようにＬｉ蒸気による侵食を防止しつつ、Ｌｉ系原料は１０３０℃以上で熱処理されるが、その後はできるだけ急速に冷却することが望ましい。そこで冷却ゾーンの炉室７の内部に、図４に示すような急冷構造が設けられている。

１４は冷却ゾーンの炉室７を炉幅方向に貫通する複数本の冷却パイプであり、冷却ファン１５によってこれらの冷却パイプ１４の内部に冷却用空気を流す。これによって炉室７内は１０００℃付近から数百℃にまで冷却されるとともに、冷却用空気は加熱される。この加熱された空気はこれらの冷却パイプ１４が配置された炉室７よりも後段（出口側）の炉室７に導かれ、冷却風噴射パイプ１６に形成された孔から後段の炉室７に直接吹き込まれる。冷却用空気は加熱されているものの風量が多いため、後段の炉室７も急速に冷却される。

上記の急冷構造を用いれば熱処理を終えたＬｉ系原料を急速に冷却することができる。しかも前段の炉室７では間接冷却が行われるので、セラミック製の匣鉢４が熱衝撃によって割れることもない。

以上に説明したように、本発明のローラハースキルンを用いれば、Ｌｉ系原料を１０３０℃以上の高温で熱処理した場合にも、低融点化合物の流れ落ち現象を生ずることがなく、高効率の熱処理を行うことができる。このため低融点化合物の流れ落ちに起因するコンタミ発生、匣鉢割れ、炉寿命の低下などの従来の問題点を一掃することができる。

本発明の実施形態のローラハースキルンを示す全体図である。 本発明の実施形態のローラハースキルンを示す炉幅方向の拡大断面図である。 本発明の実施形態のローラハースキルンを示す炉長方向の拡大断面図である。 冷却ゾーンの急冷構造を示す平面図である。

符号の説明

１ 炉体
２ ローラ
３ 駆動装置
４ 匣鉢
５ 支持板
６ 隔壁
７ 炉室
８ ＳｉＣヒータ
９ ＳｉＣ系反射板
１０ 空気供給口
１１ 排気口
１２ 送風ファン
１３ 吸引ファン
１４ 冷却パイプ
１５ 冷却ファン
１６ 冷却風噴射パイプ

Claims (6)

1. Ｌｉ系原料をローラ搬送しながらＳｉＣヒータにより加熱し、１０３０℃以上で熱処理するローラハースキルンであって、前記ＳｉＣヒータをローラよりも下側のみに配置したことを特徴とするローラハースキルン。
2. ＳｉＣヒータの下部にＳｉＣ系反射板を配置したことを特徴とする請求項１記載のローラハースキルン。
3. ローラをＳｉ−ＳｉＣ製ローラとし、ローラ間の開口率を５０％以上としたことを特徴とする請求項１記載のローラハースキルン。
4. ローラよりも上側の炉室の少なくとも内面を、アルミナ系またはムライト系耐火物により構成した特徴とする請求項１記載のローラハースキルン。
5. 炉体内部に突出する隔壁によって炉体内部を多数の炉室に区画し、各炉室の底部に空気供給口を設け、また各炉室の上部に排気孔を設け、焼成ゾーンを含む各炉室の内部に、上向きの空気流を形成したことを特徴とする請求項１記載のローラハースキルン。
6. 冷却ゾーンの炉室の内部に冷却パイプを通してその内部に冷却用空気を流し、その空気をこの冷却パイプが配置された炉室よりも後段の炉室内に吹き込む急冷構造を備えたことを特徴とする請求項１記載のローラハースキルン。

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