JP4413487B2

JP4413487B2 - Flameproofing equipment for carbon fiber production

Info

Publication number: JP4413487B2
Application number: JP2002312653A
Authority: JP
Inventors: 和之町田; 浩成稲田; 伸之山本; 泰史小田; 正裕佐伯; 篤志川村; 香緒里塚本; 智行古川
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2022-10-28
Also published as: JP2004143647A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維を製造する際に使用される耐炎化装置などの加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維あるいは樹脂フィルムなど長尺のものを製造する際には、繊維あるいは樹脂フィルムを連続的に加熱する加熱処理を施すことがある。例えば、炭素繊維の製造においては、ポリアクリロニトリル系繊維（以下、ＰＡＮ系繊維と記す）からなる前駆体繊維を、耐炎化炉本体（加熱炉本体）内で連続的に２００℃〜３００℃で焼成、耐炎化する耐炎化処理を施すことがある。以下、このような耐炎化処理の際に使用される耐炎化装置について説明する。
【０００３】
図１０に、耐炎化処理で使用される耐炎化装置の概略断面図を示す。この耐炎化装置は、前駆体繊維からなる糸条１を耐炎化する耐炎化炉本体２と、複数の糸条１，１・・・を平行に揃え、この糸条１，１・・・を繰り返し耐炎化炉本体２内に通糸するためのローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃとを具備して概略構成される。
この耐炎化装置の耐炎化炉本体２の側壁には、糸条１，１・・・を導入および導出する開口部５，５・・・が形成されて耐炎化炉本体２の内部と外部とが連通している。ここで、開口部５が形成されていると、耐炎化処理の際に発生したシアンやアンモニアなどの有害物質が開口部５を通って耐炎化炉本体２外に排出することがあるので、その排出を防止するために、耐炎化炉本体２内部は排気手段１１によって強制的に排気されている。排気された排気ガスは、排気ガス処理装置に移送され、灯油などを燃料として用いて８００℃程度で燃焼処理される。
【０００４】
このような耐炎化装置では、有害物質の排出防止をより確実にするために、図１１に示すように、耐炎化炉本体２内部の開口部５近傍に、排気手段１１によって負圧にされたシール室６を設けることがある（例えば、特許文献１〜３参照）。このようにシール室６が設けられた耐炎化炉本体２では、耐炎化炉本体２中央の処理室７で発生した有害物質はシール室６に吸い込まれ、続いて、排気手段１１によって排気ガス処理装置に送られ、燃焼されて排気ガス処理される。
【０００５】
また、有害物質の排出を防止する別の方法として、耐炎化炉本体内部にエアカーテンを形成する方法が提案されている（特許文献４参照）。
図１２に、耐炎化炉本体２内部にエアカーテンを形成した耐炎化装置の概略断面図を示す。この耐炎化装置では、耐炎化炉本体２の内壁４１かつ糸条１の上側および下側にノズル４２を設け、このノズル４２から耐炎化炉本体２内側の糸条１に向けてガスを吹き付けてエアカーテンを耐炎化炉本体２内部に形成させている。その際、エアカーテンのガスには、ファン４３により供給された耐炎化炉本体２内のガスを使用している。また、ノズル４２の吹き出し口は幅広のスリット状にされている。
このような耐炎化装置では、エアカーテンによって開口部からの有害物質の排出がより防止されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６２−２２８８６５号公報（特許請求の範囲、第１図）
【特許文献２】
特開昭６２−２２８８６６号公報（特許請求の範囲、第１図）
【特許文献３】
特開昭６２−２２８８６７号公報（特許請求の範囲、第１図）
【特許文献４】
米国特許第６０２７３３７号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したシール室６を設けた耐炎化装置では、耐炎化炉本体２外への有害物質の排出を防止することはできるものの、シール室６は負圧にされているから、外気が開口部５を通ってシール室６内に侵入しやすくなる。シール室６に侵入した外気は、排気ガス処理装置に送られて燃焼されるが、耐炎化炉本体２外の空気は、本来は排気ガス処理する必要のないものであるから、排気ガス処理装置では有害物質の処理に必要な量以上の燃料を消費していた。
また、煙突効果などによって処理室７内に負圧の部分が形成されるため、開口部５から外気が処理室７内に侵入することがあった。開口部５から外気が処理室７内に侵入すると、侵入した外気も加熱しなければならなくなるため、加熱に要するエネルギー量の増大を招いていた。さらに、常温である外気が処理室７内に侵入することによって、処理室７内の温度分布が不均一になるため、耐炎化処理にムラが生じて最終的に得られる炭素繊維の製品品質が低下することがあった。しかも、処理室７内に侵入した外気も最終的には排気ガス処理に送られるので、その点からも排気ガス処理量の増大を招いていた。
【０００８】
また、上述したエアカーテンを用いた耐炎化装置では、エアカーテンのガスとして使用される耐炎化炉本体２内ガスに、耐炎化処理の際に発生したタールやシリカが含まれているため、エアカーテンのガスとともにタールやシリカも糸条１に吹き付けられて付着することがあった。タールやシリカが糸条１に付着すると、そこが欠陥になって糸切れを起こしたり、強度低下を引き起こしたりするので、最終的に得られる炭素繊維の品質が低下した。その他、タールやシリカはノズル１６a，１６bに付着しやすく、所定の風速が出ないトラブルがある。また、上述したエアカーテンを用いた耐炎化装置でも、外気が耐炎化炉本体２内部に吸い込まれ、排気ガス処理装置に送られるので、排気ガス処理におけるエネルギー消費量の増大、耐炎化炉の加熱エネルギー量の増大、外気による温度の不均一化が生じていた。
【０００９】
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、有害物質の排出を確実に防止し、加熱炉本体内への外気の侵入を防止するとともに、製品の品質低下を防止する加熱装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の加熱装置は、炭素繊維前駆体繊維を導出入する開口部が形成され、該開口部近傍にシール室が形成された耐炎化炉本体と、耐炎化炉本体内を排気する排気手段とを有する炭素繊維製造用耐炎化装置において、
前記シール室の外側で炭素繊維前駆体繊維に向かって耐炎化炉本体外の空気を吹き付けるエアカーテン手段を有し、その吹付角が０°より大きく９０°より小さいことを特徴とする。
ここで、吹付角とは、図２に示すように、炭素繊維前駆体繊維の移動方向（符号１２の二点鎖線）と、ノズル１６ａ，１６ｂの吹き付け方向（符号１７の二点鎖線）との角度θのことである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の加熱装置の一実施形態例について図面を参照して説明する。この実施形態例は、加熱装置が、炭素繊維の製造に使用されるＰＡＮ系繊維の耐炎化装置である例である。
図１に、糸条が横方向に移動する横型の耐炎化装置の概略断面図を示す。この耐炎化装置は、ＰＡＮ系繊維からなる糸条１（被加熱物）を耐炎化する耐炎化炉本体２（加熱炉本体）と、複数の糸条１，１・・・を平行に揃え、この糸条１，１・・・を繰り返し耐炎化炉本体２内に通糸するためのローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃとを具備して概略構成される。
【００１２】
この耐炎化装置において、耐炎化炉本体２の側壁１０には、糸条１を導入および導出するための開口部５，５・・・が形成されており、この開口部５は、開口幅Ｗが２インチ（５．０８ｍｍ）のスリット状に形成されている。さらに、耐炎化炉本体２は、開口部５側に位置するシール室６と、耐炎化炉本体２の中央部に位置し、耐炎化処理が施される処理室７とに仕切り板９，９で仕切られている。この仕切り板９，９には、糸条を通す孔８，８・・・が形成されている。
また、耐炎化炉本体２とローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃとの間の糸条１には、ローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃへの糸条１の巻付き防止及び耐炎化処理の際に副生し、糸条１に付着したシリカを除去するためのバータイプの静電除去装置１４が接している。
【００１３】
さらに、この耐炎化装置には、シール室６を排気する排気手段１１と、図２に示すような、耐炎化炉本体２の開口部５の外側で糸条１２に向かって耐炎化炉本体２外部の空気を吹き付けるエアカーテン手段１３とを有している。
【００１４】
排気手段１１は、シール室６内を排気して負圧にすると同時に、シール室６内のガスを排気ガス処理装置に送るものであり、例えば、ファンなどが使用される。
排気手段１１によって、シール室６内の圧力は、通常、０．０５〜１ｍｍＨ_２Ｏにされている。このような圧力範囲であれば、処理室７内で発生したアンモニアやシアンなどの有害物質を排気ガス処理装置に確実に送ることができる。
【００１５】
エアカーテン手段１３は、支持部１５，１５に取り付けられ、対向したノズル１６ａ，１６ｂを具備しており、このノズル１６ａ，１６ｂが、図２に示すように、耐炎化炉本体２外部の空気（以下、空気と略す）を糸条１２に向かって吹き付けることによってエアカーテンを形成する。その際、吹付角θは、０°より大きく９０°より小さく、好ましくは、３０°以上６０°以下である。吹付角θが上記範囲であることにより、有害物質の排出を確実に防止するとともに、加熱炉本体内部への外気の侵入を防止する。
【００１６】
図３には、ノズル１６ａ，１６ｂの断面図を示す。ノズル１６ａ，１６ｂは、幅方向の一端から空気が供給されるものであって、空気供給側から離間するにつれて内部が狭くされた流量調整室２１と、孔２２，２２・・・を通って供給された空気を吹き出す吹出口２３とを有している。このようなノズル１６ａ，１６ｂでは、孔２２，２２・・・によって圧力損失が発生して流量調整室２１内に空気が滞留しやすくなっているとともに、流量調整室２１の内部が空気供給側から離間するにつれて狭くされているので、流量調整室２１内外の差圧がほぼ等しくなる。その結果、各孔２２から空気を均一の流量で吹き出させることができる。
【００１７】
ノズル１６ａとノズル１６ｂとの間隔は、４〜４０ｍｍであることが好ましい。ノズル１６ａとノズル１６ｂとの間隔が４〜４０ｍｍであれば、エアカーテンによる糸条１の移送の乱れを防止できる。また、ノズル１６ａ，１６ｂの間隔が短くなれば、エアカーテンの風速が小さくてもシールが可能になる。ただし、ノズル１６ａとノズル１６ｂとの間隔を４ｍｍ未満にしてしまうと、糸条１を通すことが困難になるおそれがある。
【００１８】
ノズル１６ａ，１６ｂとローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃとの距離Ｌは、５００ｍｍ以下であることが好ましい。ノズル１６ａ，１６ｂとローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃとの距離Ｌが５００ｍｍ以下であれば、エアカーテンによって糸条１の移送が乱れた場合でも、ローラー３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃによってその乱れを抑えることができる。したがって、糸条１の移送での製品の品質低下を防止できる。
【００１９】
さらに、エアカーテン手段１３は、図４に示すように、吹き付ける耐炎化炉本体２外の空気の流量を調整する流量調整機構２４と、ノズル１６ａ，１６ｂに供給された耐炎化炉本体２外の空気の圧力を測定する圧力計２５とを有している。そして、圧力計２５で測定された圧力を流量調整機構２４にフィードバックして、吹き付ける空気の流量を調整することで、間接的にエアカーテン風速を管理することができる。
その際の、ノズル１６ａ，１６ｂへの空気供給手段としてはファン２６などを使用できる。
【００２０】
このようなエアカーテン手段１３によって形成されるエアカーテンの風速は、１〜５０ｍ／秒であることが好ましい。エアカーテン風速が１〜５０ｍ／秒であれば、シール室６が通常の圧力である場合に有害物質の排出と耐炎化炉本体２内部への外気の侵入とをより確実に防止できる。一方、風速１ｍ／秒未満であると、外気が耐炎化炉本体２内に侵入しやすくなり、風速５０ｍ／秒を超えると、エアカーテンの気流によって耐炎化炉本体２内の有害物質の排出を十分に防止できないおそれがある。
【００２１】
なお、このようなエアカーテン手段１３では、ノズル１６ａ，１６ｂの吹き出し口が幅広であるため、幅方向に流速分布が発生して、耐炎化炉本体２内のガスが外部に排出する箇所と、外気が侵入する箇所との両方が発生する可能性があるが、流速分布が生じた場合には、排気手段１１による排気量を高めて有害物質の排出防止を優先することが望ましい。
【００２２】
上述した実施形態例では、排気手段１１とエアカーテン手段１３によって、耐炎化炉本体２内で発生した有害物質の外部への排出が確実に防止されている。また、外気が耐炎化炉本体２内に侵入することが防止されているから、処理室７の加熱に要するエネルギー量を削減できるとともに、排気ガス処理量の削減により排気ガス処理に要するエネルギー量も削減できる。さらに、耐炎化炉本体２内部の温度分布の不均一化を抑制できるので、耐炎化処理のムラを防止することができ、最終的に得られる炭素繊維の製品品質を向上させることができる。
また、静電除去装置１４に加えてエアカーテンによっても、糸条に付着したシリカを除去することができるから、製品品質が向上する。
【００２３】
なお、本発明は、上述した実施形態例に制限されるものではない。例えば、上述した実施形態例では、加熱装置が耐炎化装置であったが、他の加熱装置、例えば、炭素繊維製造用の炭素化炉や糸条あるいはフィルムの乾燥装置などであってもよい。また、上述の耐炎化炉本体２は、糸条が横方向に移動する横型のものであったが、縦方向に移動する縦型のものであってもよい。
【００２４】
エアカーテン手段のノズルについても他のものを用いることができる。例えば、図６（ａ）に示すような、有底円筒に、長さ方向に延在するスリット状の吹出口３５が形成されたノズル３１であってもよい。図６（ｂ）に、ノズル３１を、その底面と平行に切断したときの断面図を示す。このノズル３１は二重構造を有しており、このノズル３１に供給された空気は、まず、内側の部分３２に入り、続いて、孔３３を通って外側の部分３４に入ってから吹出口３５から吹き出される。このようなノズル３１では、外側の部分３２と３４がバッファの役割を果たして、吹出口３５から吹き出す空気の流量を均一にできる。
また、上述した実施形態例の静電除去装置１４は、糸条に接するバータイプであったが、ノズルに供給する空気をコロナ放電などにより静電処理するものであってもよい。
【００２５】
【実施例】
（参考例）
図２に示すように、開口幅Ｗが２インチの開口部５が形成された耐炎化炉本体２の側壁１０の外側に設けられたエアカーテン手段のノズル１６ａ，１６ｂから空気を吹き付けてエアカーテンを形成させたときの、エアカーテン風速に対するシール室内ガス流出速度をシミュレーションした。
ここで、被加熱物の移動方向をＸ方向、被加熱物の移動方向の直交方向をＹ方向とし、図２中の境界Ｍの左側をシール室６内部とした。また、シミュレーションにおいては、ノズル１６ａ，１６ｂの幅を１／８インチ、吹付角θを３０°、ノズル１６ａ，１６ｂの間隔を１インチ、開口部５のＸ方向の寸法Ｃを４．５インチ、支持部１５のＸ方向の寸法Ｄを１０インチ、シール室６内部の温度を１１０℃、耐炎化炉本体２外部の温度を３０℃とし、空気物性の温度依存性を考慮した。また、シール室内ガス流出速度とは、境界Ｍにおける図２中Ｘ方向のガス速度のことであり、内側から外側の方向が正である。すなわち、シール室内ガス流出速度が０のときには、耐炎化炉内外間のガスの移動がない。
【００２６】
以下、シミュレーションの結果について説明する。
図７に、被加熱物がない場合のシール室内圧力別の、エアカーテン風速とシール室内ガス流出速度との関係を示す。図７から、エアカーテン風速を速くするに従って、シール室内ガス流出速度が高くなるが、シール室内圧力を低くすることにより流出速度を低減できることが分かる。
図８には、被加熱物がない場合のシール室内圧力と、シール室内ガス流出速度が０になるときのエアカーテン風速（図中では「ガス流出速度０のときの風速」と記載する）との関係を示す。図８から、有害物質の排出をより防止するためにシール室内圧力を低い場合は、エアカーテン風速を上げることで、より外気の侵入を防止できることが判明した。
【００２７】
図９に、シール室内圧力を−０．３２ｍｍＨ_２Ｏとし、厚さ１ｍｍの被加熱物がスリットを通っている場合の、エアカーテン風速とシール室内ガス流出速度との関係を示す。この場合には、図２における符号１２が被加熱物を示す。なお、図９中には、比較のために、被加熱物を通さない場合についても示す。
その結果、図９に示すように、被加熱物が開口部を通過する場合にも、エアカーテンの風速を速くすると、シール室内ガス流出速度が速くなるが、シール室内ガス流出速度を０にするためのエアカーテン風速は、被加熱物が存在しない場合の約２倍でよいことが判明した。
また、被加熱物の位置についても検討した。すなわち、図２中の上側のノズル１６ａから被加熱物１２までの距離をＡとし、下側のノズル１６ｂから被加熱物１２までの距離をＢとし、Ａ＋Ｂを１．０インチとして、Ａ：Ｂが０．５インチ：０．５インチの場合、０．７インチ：０．３インチの場合についてシミュレーションした。その結果、図９に示すように、いずれの位置でもほぼ同じ傾向を示すことが判明した。
【００２８】
（実施例）
図１に示すような、排気手段１１であるファンとエアカーテン手段１３とが備えられた耐炎化装置を用いてＰＡＮ系繊維の耐炎化処理を行った。ここで、エアカーテンの風速は、１５〜２０ｍ／秒、吹付角θは３０°、スリットの開口幅Ｗは、７０ｍｍ、対向したノズル１６ａ，１６ｂの間隔は、２０ｍｍ、シール室６内の圧力は−０．５〜―１.０ｍｍＨ_２Ｏ、シール室６内温度は２００℃、エアカーテンに供給される空気の温度は２０℃であった。
【００２９】
（従来例）
図１１に示すような、排気手段１１であるファンが備えられた耐炎化装置を用いて炭素繊維の耐炎化処理を行った。ここで、スリットの開口幅Ｗは、２５ｍｍであり、シール室６内の圧力は−０．５〜−１.０ｍｍＨ_２Ｏであり、シール室６内温度は１１０℃であった。
【００３０】
実施例および従来例において、有害物質の排出を確実に防止した状態での、排気ガス処理装置に送られるガス量を測定した。その結果、実施例では２８Ｎｍ^３/ｈであり、従来例では１４２Ｎｍ^３/ｈであった。すなわち、実施例では、外気の侵入が防止されたために、従来例に比べて１１４Ｎｍ^３/ｈも処理ガス量が少ないことが判明した。このように、実施例では、排気ガス処理量を削減できたので、排気ガス処理に要するエネルギー量も削減できた。また、処理室の加熱に要するエネルギー量を削減できた。
さらに、実施例では、外気の侵入が防止されたために、耐炎化炉本体内部の温度分布が均一化されるので、耐炎化処理のムラを防止することができ、炭素繊維の製品品質を向上させることができた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、加熱炉本体内の有害物質の排出が確実に防止され、また、加熱炉本体外の空気が内部に侵入することが防止されているから、加熱炉の加熱に要するエネルギー量を削減できるとともに、排気ガス処理量の削減により排気ガス処理に要するエネルギー量も削減できる。さらに、加熱炉本体内部の温度分布を均一にできるので、加熱処理のムラを防止することができ、最終的に得られる製品の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱装置の一実施形態例を示す概略断面図である。
【図２】図１に示す実施形態例のエアカーテン手段の要部を拡大した縦断面図である。
【図３】実施形態例で使用したエアカーテン手段のノズルの断面図である。
【図４】図１に示す実施形態例のエアカーテン手段の模式図である。
【図５】エアカーテン手段のノズルの他の例を示す図であって、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は断面図である。
【図６】エアカーテン風速と、シール室内のガス流出速度との関係を示すグラフである。
【図７】シール室内圧力と、ガス流出速度が０になるときのエアカーテン風速との関係を示すグラフである。
【図８】エアカーテン風速と、シール室内のガス流出速度との関係を示すグラフである。
【図９】従来の加熱装置の一例を示す概略断面図である。
【図１０】従来の加熱装置の他の例を示す概略断面図である。
【図１１】従来の加熱装置の他の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１糸条（被加熱物）
２耐炎化炉本体（加熱炉本体）
３ａ〜３ｃ，４ａ〜４ｃローラー
５開口部
６シール室
１１排気手段
１３エアカーテン手段
１６ａ，１６ｂノズル
２４流量調整機構
２５圧力計[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heating device such as a flameproofing device used when producing carbon fibers.
[0002]
[Prior art]
When manufacturing long things, such as a fiber or a resin film, the heat processing which heats a fiber or a resin film continuously may be given. For example, in the production of carbon fibers, precursor fibers made of polyacrylonitrile fibers (hereinafter referred to as PAN fibers) are continuously fired at 200 ° C. to 300 ° C. in a flameproof furnace body (heating furnace body). In some cases, flameproofing treatment is performed to make flameproof. Hereinafter, the flameproofing apparatus used in such a flameproofing process will be described.
[0003]
FIG. 10 shows a schematic cross-sectional view of a flameproofing device used in the flameproofing treatment. This flameproofing device aligns a flameproof furnace body 2 for flameproofing a yarn 1 made of precursor fibers and a plurality of yarns 1, 1... It is schematically configured to include rollers 3a to 3c and 4a to 4c for passing the yarn through the flameproofing furnace main body 2 repeatedly.
.. Are formed on the side wall of the flameproofing furnace main body 2 of the flameproofing apparatus to introduce and lead the yarns 1, 1. Are communicating. Here, when the opening 5 is formed, harmful substances such as cyan and ammonia generated during the flameproofing treatment may be discharged out of the flameproofing furnace main body 2 through the opening 5. In order to prevent discharge, the inside of the flameproof furnace main body 2 is forcibly exhausted by the exhaust means 11. The exhaust gas exhausted is transferred to an exhaust gas processing device and burned at about 800 ° C. using kerosene or the like as fuel.
[0004]
In such a flameproofing device, in order to more reliably prevent harmful substances from being discharged, as shown in FIG. 11, a negative pressure was applied by the exhaust means 11 in the vicinity of the opening 5 inside the flameproofing furnace body 2. A seal chamber 6 may be provided (see, for example, Patent Documents 1 to 3). In the flameproof furnace main body 2 thus provided with the seal chamber 6, harmful substances generated in the treatment chamber 7 in the center of the flameproof furnace main body 2 are sucked into the seal chamber 6, and subsequently exhaust gas treatment is performed by the exhaust means 11. It is sent to the device, burned and exhausted.
[0005]
Further, as another method for preventing the discharge of harmful substances, a method of forming an air curtain inside the flameproof furnace main body has been proposed (see Patent Document 4).
In FIG. 12, the schematic sectional drawing of the flame-proof apparatus which formed the air curtain in the flame-proof furnace main body 2 is shown. In this flameproofing device, nozzles 42 are provided on the inner wall 41 of the flameproofing furnace main body 2 and on the upper and lower sides of the yarn 1, and gas is blown from the nozzle 42 toward the yarn 1 inside the flameproofing furnace main body 2. An air curtain is formed inside the flameproof furnace main body 2. At that time, the gas in the flameproof furnace main body 2 supplied by the fan 43 is used as the gas of the air curtain. Further, the outlet of the nozzle 42 has a wide slit shape.
In such a flameproofing device, discharge of harmful substances from the opening is further prevented by the air curtain.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-62-2228865 (Claims, Fig. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-62-2228866 (Claims, Fig. 1)
[Patent Document 3]
JP-A-62-2228867 (Claims, Fig. 1)
[Patent Document 4]
US Pat. No. 6,027,337
[Problems to be solved by the invention]
However, in the flameproofing device provided with the seal chamber 6 described above, although the discharge of harmful substances to the outside of the flameproofing furnace main body 2 can be prevented, the seal chamber 6 is set to a negative pressure, so that the outside air is opened. It becomes easy to enter the seal chamber 6 through the part 5. The outside air that has entered the seal chamber 6 is sent to the exhaust gas processing device and burned. However, the air outside the flameproofing furnace main body 2 originally does not need to be treated with the exhaust gas. Was consuming more fuel than needed for the disposal of hazardous substances.
In addition, since a negative pressure portion is formed in the processing chamber 7 due to the chimney effect or the like, outside air may enter the processing chamber 7 from the opening 5. When outside air enters the processing chamber 7 from the opening 5, the outside air that has entered must also be heated, resulting in an increase in the amount of energy required for heating. Furthermore, since the ambient temperature outside air enters the processing chamber 7, the temperature distribution in the processing chamber 7 becomes non-uniform, resulting in non-uniformity in the flameproofing treatment and the product quality of the carbon fiber finally obtained is There was a decline. In addition, since the outside air that has entered the processing chamber 7 is finally sent to the exhaust gas processing, the exhaust gas processing amount is also increased from that point.
[0008]
In the flameproofing apparatus using the air curtain described above, since the gas in the flameproofing furnace main body 2 used as the gas for the air curtain contains tar and silica generated during the flameproofing treatment, Tar and silica were sometimes sprayed and adhered to the yarn 1 together with the gas of the curtain. When tar or silica adheres to the yarn 1, it becomes a defect and causes yarn breakage or strength reduction, so that the quality of the carbon fiber finally obtained is lowered. In addition, tar and silica are likely to adhere to the nozzles 16a and 16b, and there is a problem that a predetermined wind speed does not occur. Further, in the flameproofing apparatus using the air curtain described above, the outside air is sucked into the flameproofing furnace main body 2 and sent to the exhaust gas processing device, so that the energy consumption in the exhaust gas processing is increased, and the flameproofing furnace is heated. The amount of energy increased and the temperature became non-uniform due to the outside air.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a heating device that reliably prevents the discharge of harmful substances, prevents the entry of outside air into the heating furnace body, and prevents the product quality from deteriorating. The purpose is to do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The heating device of the present invention includes a flameproof furnace main body in which an opening for introducing and introducing the carbon fiber precursor fiber is formed, and a seal chamber is formed in the vicinity of the opening, and an exhaust means for exhausting the inside of the flameproof furnace main body. In the flameproofing device for carbon fiber production having
It has air curtain means for blowing air outside the flameproofing furnace main body toward the carbon fiber precursor fiber outside the seal chamber, and the spray angle is larger than 0 ° and smaller than 90 °.
Here, as shown in FIG. 2, the spray angle refers to the movement direction of the carbon fiber precursor fiber (two-dot chain line of reference numeral 12) and the spray direction of the nozzles 16 a and 16 b (two-dot chain line of reference numeral 17). It is the angle θ.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of a heating device of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, the heating device is an PAN-based fiber flameproofing device used for the production of carbon fibers.
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a horizontal flameproofing device in which the yarn moves in the horizontal direction. This flameproofing device has a flameproof furnace main body 2 (heating furnace main body) for flameproofing the yarn 1 (object to be heated) made of PAN-based fibers, and a plurality of yarns 1, 1,. The yarns 1, 1... Are roughly configured to include rollers 3 a to 3 c and 4 a to 4 c for repeatedly passing the yarns 1, 1.
[0012]
In this flameproofing device, openings 5, 5... For introducing and leading the yarn 1 are formed in the side wall 10 of the flameproofing furnace main body 2, and the opening 5 has an opening width W. Is formed in a 2 inch (5.08 mm) slit shape. Furthermore, the flameproofing furnace main body 2 is divided into partition plates 9 and 9 into a seal chamber 6 positioned on the opening 5 side and a processing chamber 7 positioned in the center of the flameproofing furnace main body 2 and subjected to a flameproofing process. It is partitioned by. In the partition plates 9, 9, holes 8, 8,.
Further, the yarn 1 between the flameproofing furnace main body 2 and the rollers 3a to 3c and 4a to 4c is subjected to prevention of winding of the yarn 1 around the rollers 3a to 3c and 4a to 4c and flameproofing treatment. A bar-type electrostatic removing device 14 for removing silica by-produced and attached to the yarn 1 is in contact.
[0013]
Further, this flameproofing device includes an exhaust means 11 for exhausting the seal chamber 6 and a flameproofing furnace body 2 toward the yarn 12 outside the opening 5 of the flameproofing furnace body 2 as shown in FIG. And air curtain means 13 for blowing external air.
[0014]
The exhaust means 11 exhausts the inside of the seal chamber 6 to a negative pressure and simultaneously sends the gas in the seal chamber 6 to the exhaust gas processing device. For example, a fan or the like is used.
The pressure in the seal chamber 6 is normally set to 0.05 to ₁ mmH ₂ O by the exhaust means 11. Within such a pressure range, harmful substances such as ammonia and cyanogen generated in the processing chamber 7 can be reliably sent to the exhaust gas processing apparatus.
[0015]
The air curtain means 13 is attached to the support portions 15 and 15 and has opposed nozzles 16a and 16b. As shown in FIG. 2, the nozzles 16a and 16b are provided with air outside the flameproof furnace body 2 ( Hereinafter, the air curtain is formed by blowing air toward the yarn 12. At that time, the spray angle θ is larger than 0 ° and smaller than 90 °, preferably 30 ° or more and 60 ° or less. When the spray angle θ is within the above range, harmful substances can be reliably prevented from being discharged and outside air can be prevented from entering the heating furnace main body.
[0016]
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the nozzles 16a and 16b. The nozzles 16a and 16b are supplied with air from one end in the width direction, and are supplied through the flow rate adjusting chamber 21 and the holes 22, 22. And an air outlet 23 for blowing out the generated air. In such nozzles 16a, 16b, pressure loss is generated by the holes 22, 22... And the air tends to stay in the flow rate adjusting chamber 21, and the inside of the flow rate adjusting chamber 21 is from the air supply side. Since the pressure is narrowed as the distance is increased, the pressure difference inside and outside the flow rate adjusting chamber 21 becomes substantially equal. As a result, air can be blown out from each hole 22 at a uniform flow rate.
[0017]
The distance between the nozzle 16a and the nozzle 16b is preferably 4 to 40 mm. If the distance between the nozzle 16a and the nozzle 16b is 4 to 40 mm, it is possible to prevent the yarn 1 from being disturbed by the air curtain. Moreover, if the space | interval of the nozzles 16a and 16b becomes short, even if the wind speed of an air curtain is small, a seal | sticker will be attained. However, if the distance between the nozzle 16a and the nozzle 16b is less than 4 mm, it may be difficult to pass the yarn 1.
[0018]
The distance L between the nozzles 16a and 16b and the rollers 3a to 3c and 4a to 4c is preferably 500 mm or less. If the distance L between the nozzles 16a and 16b and the rollers 3a to 3c and 4a to 4c is 500 mm or less, even if the transfer of the yarn 1 is disturbed by the air curtain, the disturbance is caused by the rollers 3a to 3c and 4a to 4c. Can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the quality of the product from being lowered due to the transfer of the yarn 1.
[0019]
Furthermore, as shown in FIG. 4, the air curtain means 13 includes a flow rate adjusting mechanism 24 that adjusts the flow rate of the air outside the flameproofing furnace body 2 to be blown, and the flameproofing furnace body 2 outside that is supplied to the nozzles 16 a and 16 b. And a pressure gauge 25 for measuring the pressure of the air. The air curtain wind speed can be indirectly managed by feeding back the pressure measured by the pressure gauge 25 to the flow rate adjusting mechanism 24 and adjusting the flow rate of the air to be blown.
At this time, a fan 26 or the like can be used as air supply means to the nozzles 16a and 16b.
[0020]
The wind speed of the air curtain formed by such air curtain means 13 is preferably 1 to 50 m / sec. When the air curtain wind speed is 1 to 50 m / sec, discharge of harmful substances and intrusion of outside air into the flameproof furnace main body 2 can be more reliably prevented when the seal chamber 6 is under normal pressure. On the other hand, when the wind speed is less than 1 m / sec, outside air easily enters the flameproof furnace body 2, and when the wind speed exceeds 50 m / sec, the air curtain airflow causes the discharge of harmful substances in the flameproof furnace body 2. There is a risk that it cannot be sufficiently prevented.
[0021]
In such an air curtain means 13, the nozzles 16 a and 16 b have a wide outlet, so that a flow velocity distribution is generated in the width direction and the gas in the flameproofing furnace body 2 is discharged to the outside. There is a possibility that both of the places where the outside air enters may occur. However, when a flow velocity distribution is generated, it is desirable to prioritize prevention of discharge of harmful substances by increasing the exhaust amount by the exhaust means 11.
[0022]
In the embodiment described above, the exhaust means 11 and the air curtain means 13 reliably prevent discharge of harmful substances generated in the flameproof furnace body 2 to the outside. Further, since the outside air is prevented from entering the flameproof furnace main body 2, the amount of energy required for heating the processing chamber 7 can be reduced, and the amount of energy required for exhaust gas treatment can be reduced by reducing the exhaust gas treatment amount. Can be reduced. Furthermore, since non-uniform temperature distribution inside the flameproofing furnace body 2 can be suppressed, unevenness in the flameproofing treatment can be prevented, and the product quality of the finally obtained carbon fiber can be improved.
Moreover, since the silica adhering to the yarn can be removed not only by the electrostatic removing device 14 but also by the air curtain, the product quality is improved.
[0023]
Note that the present invention is not limited to the embodiment described above. For example, in the embodiment described above, the heating device is a flameproofing device, but other heating devices such as a carbonization furnace for producing carbon fiber, a yarn or film drying device, and the like may be used. Moreover, although the above-mentioned flameproofing furnace main body 2 was a horizontal type in which the yarn moves in the horizontal direction, it may be a vertical type in which the yarn moves in the vertical direction .
[0024]
Other nozzles for the air curtain means can also be used. For example, as shown in FIG. 6A, a nozzle 31 in which a slit-like air outlet 35 extending in the length direction is formed in a bottomed cylinder may be used. FIG. 6B shows a cross-sectional view when the nozzle 31 is cut in parallel with the bottom surface. The nozzle 31 has a double structure, and the air supplied to the nozzle 31 first enters the inner portion 32, then enters the outer portion 34 through the hole 33, and then blows out. 35 is blown out. In such a nozzle 31, the outer portions 32 and 34 serve as a buffer, and the flow rate of the air blown out from the outlet 35 can be made uniform.
Moreover, although the electrostatic removal apparatus 14 of the embodiment described above is a bar type in contact with the yarn, the air supplied to the nozzle may be electrostatically processed by corona discharge or the like.
[0025]
【Example】
(Reference example)
As shown in FIG. 2, air is blown from nozzles 16a and 16b of air curtain means provided outside the side wall 10 of the flameproof furnace body 2 in which the opening 5 having an opening width W of 2 inches is formed. The gas outflow velocity in the seal chamber with respect to the air curtain wind speed was simulated.
Here, the moving direction of the object to be heated is the X direction, the direction orthogonal to the moving direction of the object to be heated is the Y direction, and the left side of the boundary M in FIG. In the simulation, the width of the nozzles 16a and 16b is 1/8 inch, the spray angle θ is 30 °, the interval between the nozzles 16a and 16b is 1 inch, and the dimension C in the X direction of the opening 5 is 4.5 inches. The dimension D in the X direction of the support portion 15 is 10 inches, the temperature inside the seal chamber 6 is 110 ° C., the temperature outside the flameproofing furnace main body 2 is 30 ° C., and the temperature dependence of air properties is considered. Moreover, the gas outflow velocity in the seal chamber is the gas velocity in the X direction in FIG. 2 at the boundary M, and the direction from the inside to the outside is positive. That is, when the gas outflow rate in the seal chamber is 0, there is no gas movement between inside and outside the flameproofing furnace.
[0026]
Hereinafter, the results of the simulation will be described.
FIG. 7 shows the relationship between the air curtain wind speed and the gas flow rate in the seal chamber for each pressure in the seal chamber when there is no object to be heated. From FIG. 7, it can be seen that the gas outflow rate in the seal chamber increases as the air curtain wind speed increases, but the outflow rate can be reduced by lowering the pressure in the seal chamber.
In FIG. 8, the pressure in the seal chamber when there is no object to be heated, and the air curtain wind speed when the gas outflow speed in the seal chamber becomes 0 (described as “wind speed at 0 gas outflow speed” in the figure) The relationship is shown. From FIG. 8, it was found that when the pressure in the seal chamber is low in order to further prevent the discharge of harmful substances, the intrusion of outside air can be further prevented by increasing the air curtain wind speed.
[0027]
9, the seal chamber pressure and -0.32mmH 2 _O, in the case where the heated object with a thickness of 1mm is through the slit, showing the relationship between the air curtain wind speed and the seal chamber gas exit velocity. In this case, reference numeral 12 in FIG. 2 indicates an object to be heated. Note that FIG. 9 also shows a case where an object to be heated is not passed for comparison.
As a result, as shown in FIG. 9, even when the object to be heated passes through the opening, if the air curtain wind speed is increased, the gas outflow rate in the seal chamber increases, but the gas outflow rate in the seal chamber is reduced to zero. It has been found that the air curtain wind speed for this purpose may be about twice that of the case where there is no object to be heated.
The position of the object to be heated was also examined. That is, the distance from the upper nozzle 16a to the object to be heated 12 in FIG. 2 is A, the distance from the lower nozzle 16b to the object to be heated 12 is B, and A + B is 1.0 inch, A: B When 0.5 is 0.5 inch: 0.5 inch, the simulation is performed for 0.7 inch: 0.3 inch. As a result, as shown in FIG. 9, it was found that the same tendency was exhibited at any position.
[0028]
(Example)
As shown in FIG. 1, the PAN-based fiber was subjected to a flame resistance treatment using a flame resistance device provided with a fan as the exhaust means 11 and an air curtain means 13. Here, the wind speed of the air curtain is 15 to 20 m / sec, the spray angle θ is 30 °, the slit opening width W is 70 mm, the interval between the opposed nozzles 16 a and 16 b is 20 mm, and the pressure in the seal chamber 6 is −0.5 to −1.0 mmH ₂ O, the temperature in the seal chamber 6 was 200 ° C., and the temperature of the air supplied to the air curtain was 20 ° C.
[0029]
(Conventional example)
The flameproofing treatment of the carbon fiber was performed using a flameproofing device provided with a fan as the exhaust means 11 as shown in FIG. Here, the opening width W of the slit was 25 mm, the pressure in the seal chamber 6 was −0.5 to −1.0 mmH ₂ O, and the temperature in the seal chamber 6 was 110 ° C.
[0030]
In the example and the conventional example, the amount of gas sent to the exhaust gas treatment device in a state in which emission of harmful substances was reliably prevented was measured. As a result, in the embodiment was 28 Nm ³ / h, in the conventional example was 142Nm ³ / h. That is, in the example, since the intrusion of the outside air was prevented, it was found that the amount of processing gas was 114 Nm ³ / h less than the conventional example. As described above, in the embodiment, since the exhaust gas processing amount can be reduced, the energy amount required for the exhaust gas processing can also be reduced. In addition, the amount of energy required for heating the processing chamber could be reduced.
Furthermore, in the embodiment, since the intrusion of outside air is prevented, the temperature distribution inside the flameproofing furnace main body is made uniform, so that unevenness of the flameproofing treatment can be prevented and the product quality of the carbon fiber is improved. I was able to.
[0031]
【The invention's effect】
According to the present invention, discharge of harmful substances in the heating furnace body is reliably prevented, and air outside the heating furnace body is prevented from entering the inside, so that the amount of energy required for heating the heating furnace The amount of energy required for exhaust gas treatment can be reduced by reducing the exhaust gas treatment amount. Furthermore, since the temperature distribution inside the heating furnace body can be made uniform, unevenness in the heat treatment can be prevented, and the quality of the finally obtained product can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a heating apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view of a main part of the air curtain means of the embodiment shown in FIG.
FIG. 3 is a sectional view of a nozzle of an air curtain means used in the embodiment.
4 is a schematic view of air curtain means of the embodiment example shown in FIG. 1. FIG.
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing another example of the nozzle of the air curtain means, where FIG. 5A is a side view and FIG. 5B is a cross-sectional view.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the air curtain wind speed and the gas outflow speed in the seal chamber.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the pressure in the seal chamber and the air curtain wind speed when the gas outflow rate becomes zero.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the air curtain wind speed and the gas outflow speed in the seal chamber.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional heating device.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing another example of a conventional heating device.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing another example of a conventional heating device.
[Explanation of symbols]
1 Yarn (object to be heated)
2 Flame resistant furnace body (heating furnace body)
3a-3c, 4a-4c Roller 5 Opening 6 Seal chamber 11 Exhaust means 13 Air curtain means 16a, 16b Nozzle 24 Flow rate adjusting mechanism 25 Pressure gauge

Claims

炭素繊維前駆体繊維を導出入する開口部が形成され、該開口部近傍にシール室が形成された耐炎化炉本体と、耐炎化炉本体内を排気する排気手段とを有する炭素繊維製造用耐炎化装置において、
前記シール室の外側で炭素繊維前駆体繊維に向かって耐炎化炉本体外の空気を吹き付けるエアカーテン手段を有し、その吹付角が０°より大きく９０°より小さいことを特徴とする炭素繊維製造用耐炎化装置。A flame resistant furnace for producing carbon fibers , comprising: a flame resistant furnace body having an opening for introducing and introducing the carbon fiber precursor fiber , and a seal chamber formed in the vicinity of the opening; and an exhaust means for exhausting the inside of the flame resistant furnace body. In the conversion device,
Carbon fiber production characterized by having air curtain means for blowing air outside the flameproofing furnace main body toward the carbon fiber precursor fiber outside the seal chamber, the spray angle being larger than 0 ° and smaller than 90 ° Flame resistant device.

前記吹付角が３０°〜６０°であることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維製造用耐炎化装置。The flameproofing device for producing carbon fiber according to claim 1, wherein the spray angle is 30 ° to 60 °.

前記エアカーテン手段は、風速１〜５０ｍ／秒で耐炎化炉本体外の空気を吹き付けることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素繊維製造用耐炎化装置。The air curtain unit, the carbon fiber production for flame-resistant device according to claim 1 or 2, characterized in that spraying the oxidization oven body outside air wind velocity 1 to 50 m / sec.

前記エアカーテン手段には、耐炎化炉本体外の空気を吹き出すノズルが設けられているとともに、耐炎化炉本体の近傍には前記炭素繊維前駆体繊維を案内するローラーが設けられており、
前記ノズルと前記ローラーとの距離が５００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維製造用耐炎化装置。Wherein the air curtain unit, with a nozzle for blowing the oxidization oven body outside air is provided, in the vicinity of the oxidization oven body and rollers are provided for guiding the carbon fiber precursor fiber,
The flameproofing device for producing carbon fiber according to any one of claims 1 to 3, wherein a distance between the nozzle and the roller is 500 mm or less.

前記ノズルは、炭素繊維前駆体繊維の両側から耐炎化炉本体外の空気を吹き付けるように対向しており、それらのノズルの間隔が４〜４０ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の炭素繊維製造用耐炎化装置。The nozzle is opposed from both sides of the carbon fiber precursor fiber to blow air outside the oxidization oven body, according to claim 4, their spacing of nozzles characterized in that it is a 4~40mm Flameproofing device for carbon fiber production .

前記ノズルは、幅広で、幅方向の一端から空気が供給されるものであって、ノズルの幅方向の前記一端側から離間するにつれて内部が狭くされた流量調整室と、空気を吹き出す吹出口とを有することを特徴とする請求項５に記載の炭素繊維製造用耐炎化装置。The nozzle is wide and is supplied with air from one end in the width direction, and has a flow rate adjusting chamber whose inside is narrowed as it is separated from the one end side in the width direction of the nozzle, and a blowout port for blowing out air. The flameproofing apparatus for producing carbon fiber according to claim 5, wherein

前記エアカーテン手段では、吹き付ける耐炎化炉本体外の空気の流量を調整する流量調整機構と、吹き付ける耐炎化炉本体外の空気の圧力を測定する圧力計とを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の炭素繊維製造用耐炎化装置。In the air curtain unit, claims and having blown the flow rate adjusting mechanism for adjusting the flow rate of the air outside the oxidization oven body, and a pressure gauge for measuring the pressure of the oxidization oven body outside of the air blowing 1 The flameproofing apparatus for carbon fiber manufacture in any one of -6 .