JP5544732B2 - 連続焼成炉および製造システム - Google Patents

Description

本発明は、例えばフェライト磁石のようなセラミックス等を製造するために用いられる連続焼成炉およびこの連続焼成炉を用いた製造システムに関する。

例えば、フェライト磁石は、フェライト粒子からなる材料粉末を磁場中で金型を用いて圧縮成形して得られた成形体を焼結することで製造される。この成形体の焼結には、複数の成形体が搭載されたセッタを、炉内を所定速度で連続的に搬送させながら焼成する連続焼成炉が用いられる。例えば、特許文献１には、このような連続焼成炉に関する技術が開示されている。すなわち、焼成炉の入口側から徐々に昇温し（加熱部）、中央部（焼成に必要な最高温度部）を過ぎると、徐々に降温させる（冷却部）ように構成されている。

特開２００６−３０６７０３号公報

しかしながら、フェライト磁石のようなセラミックス等の成形体を特許文献１等に開示される連続焼成炉で焼成する場合、緩やかに冷却を行わないと、焼成後の製品に関して、割れ、変形が発生しやすく、その後の研磨加工工程においても、変形によるカケ、研磨不良、製品の強度不足による割れ等が発生しやすいため、焼成時間が長くかかり、生産効率向上の妨げとなっていた。

図６は、従来の連続焼成炉の構成例を示す概略縦断側面図であり、図７は、その一部Ａ部分を拡大して示す拡大図である。従来の連続焼成炉１００は、概略的には、断熱材からなる炉内に、搬入側から搬出側に向けて、加熱部１１０と焼成に必要な最高温度部１２０と冷却部１３０とが順に配設され、これら加熱部１１０と最高温度部１２０と冷却部１３０との中央部を通るように設定された搬送路１４０に従い、それぞれセッタ１５０に搭載された複数のフェライト磁石用の成形体１５１を連続的に搬送させて焼成するように構成されている。ここで、搬送路１４０は、例えば複数のセッタ１５０を順次受け渡し搬送可能な等間隔で配設されて、例えば、共通のモータにより回転駆動される多数の搬送ローラ１４１を備えるローラハース方式として構成されている。

搬入側に位置する加熱部１１０は、断熱材からなる複数の隔壁１１１により搬送方向に対して仕切り形成された小部屋状の複数の加熱ゾーン１１２を有する。各加熱ゾーン１１２内の上下には、個別に温度制御可能なヒータ１１３が設けられている。これにより、加熱部１１０の各ヒータ１１３は、搬入側に位置する加熱ゾーン１１２から内部側に位置する加熱ゾーン１１２に向けて徐々に昇温するように所望の加熱温度プロファイルに従って制御され、最奥部側の加熱ゾーン１１２が、成形体１５１の焼成に必要な最高温度となる最高温度部１２０とされる。最高温度部１２０の温度は、フェライト磁石用の成形体１５１の場合であれば、例えば１２５０〜１３５０℃程度となるように設定される。

一方、搬出側に位置する冷却部１３０は、断熱材からなる隔壁１３１によりバッファゾーン１３２と冷却ゾーン１３３とに二分されている。冷却ゾーン１３３内には、冷却空気を噴出させる複数の冷却ノズル１３４が設けられている。バッファゾーン１３２は、過冷却による最高温度部１２０の温度低下を避けるために最高温度部１２０と冷却ゾーン１３３との間の緩衝部屋を構成するもので、冷却ノズルは設けられていない。

このような従来の連続焼成炉１００の冷却部１３０の冷却性能を検討したところ、図８に示すような結果が得られたものである。まず、バッファゾーン１３２と冷却ゾーン１３３とに二分する隔壁１３１前後の温度変化が、−５５℃／ｍｉｎと急勾配となっている。この結果、成形体１５１に急峻な冷却によるヒートショックを与えてしまい、焼成後の成形体１５１に関して、割れ、変形等が発生し、その後の研磨加工工程で、製品の強度不足による割れ、変形による搬送中のカケ、研磨不良等が発生したものである。また、冷却ゾーン１３３内の冷却温度勾配は、−１０℃／ｍｉｎ程度が限界であり、なだらか過ぎて、成形体１５１の冷却処理（したがって、焼成処理全体）の時間が長くかかってしまうものである。この結果、所望の温度まで冷却させるために冷却部１３０の長さを長くする必要があり、連続焼成炉１００の炉長が極めて長くなってしまい、成形機や加工機に比べてかなり大型の設備になる。これらの原因は、冷却温度プロファイルを最適化できないためである。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、冷却温度プロファイルを最適化することができる連続焼成炉および製造システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる連続焼成炉は、搬入側から搬出側に向けて順に配設された加熱部と焼成に必要な最高温度部と冷却部とを通る搬送路に従い複数の被焼成物を連続的に搬送させて焼成する連続焼成炉であって、前記冷却部は、複数の隔壁により搬送方向に対して仕切り形成されて前記被焼成物の搬送速度に合わせて個別に冷却温度プロファイルの制御が可能な複数のゾーンを有することを特徴とする。

また、本発明にかかる連続焼成炉は、上記発明において、前記冷却部は、前記ゾーン毎に、冷却空気を噴出させる冷却ノズルを有することを特徴とする。

また、本発明にかかる連続焼成炉は、上記発明において、前記冷却ノズルは、冷却空気の噴出方向が、前記各ゾーンの搬入側に位置する前記隔壁と前記搬送路との間の隙間へ向けた方向に設定されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる連続焼成炉は、上記発明において、前記ゾーンを形成する前記隔壁は、前記搬送路を挟んで上下両方に設けられ、前記冷却ノズルは、前記ゾーン毎に前記搬送路を挟んで上下両方に設けられていることを特徴とする。

また、本発明にかかる連続焼成炉は、上記発明において、前記搬送路と該搬送路の下側に位置する前記隔壁との間に隙間があることを特徴とする。

また、本発明にかかる連続焼成炉は、上記発明において、前記各冷却ノズルは、冷却空気の噴出量が調節自在であり、搬入側のゾーン内の前記冷却ノズルほど冷却空気の噴出量が少なく、搬出側のゾーン内の前記冷却ノズルほど冷却空気の噴出量が多くなるように調節されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる連続焼成炉は、上記発明において、前記複数のゾーンのうち、搬入側に位置する２以上の一部の前記ゾーンは、バッファゾーンとして設けられていることを特徴とする。

また、本発明にかかる連続焼成炉は、上記発明において、前記冷却部は、前記加熱部および前記最高温度部に対して、搬送方向における単位長さ当りの断面積が大きく形成されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる連続焼成炉は、上記発明において、前記冷却部の搬入側寄りのゾーン内の余熱を吸引して前記加熱部内の搬入側寄り位置に供給する余熱回収部を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる製造システムは、成形機と、該成形機で成形された成形体を被焼成物として焼成する上記発明のいずれか一つに記載の連続焼成炉と、該連続焼成炉で焼成された前記成形体に対して所望の加工を施す加工機と、これら成形機と連続焼成炉と加工機との間で前記成形体を搭載したセッタを順次連続的に搬送させるセッタ搬送手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、冷却部は、複数の隔壁により搬送方向に対して仕切り形成されて被焼成物の搬送速度に合わせて個別に冷却温度プロファイルの制御が可能な複数のゾーンを有するので、急峻すぎる冷却温度勾配やなだらか過ぎる冷却温度勾配をなくして、より短時間でより均一冷却が可能となるように、冷却温度プロファイルを最適化することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる連続焼成炉の構成例を示す概略縦断側面図である。 図２は、図１の一部Ｂ部分を拡大して示す拡大図である。 図３は、本実施の形態にかかる連続焼成炉の冷却特性を示す特性図である。 図４は、従来の連続焼成炉と対比して冷却勾配の違いによる不良率の比較例を示す説明図である。 図５は、本発明の実施の形態にかかる製造システムの構成例を示す概略平面図である。 図６は、従来の連続焼成炉の構成例を示す概略縦断側面図である。 図７は、図６の一部Ａ部分を拡大して示す拡大図である。 図８は、図６の連続焼成炉の冷却特性を示す特性図である。

以下、本発明にかかる連続焼成炉および製造システムを実施するための形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１は、本実施の形態にかかる連続焼成炉の構成例を示す概略縦断側面図であり、図２は、その一部Ｂ部分を拡大して示す拡大図であり、図３は、本実施の形態にかかる連続焼成炉の冷却特性を示す特性図である。

本実施の形態の連続焼成炉１は、概略的には、断熱材により細長く形成された炉内に、搬入側から搬出側に向けて、加熱部１０と製品の特性を得るために必要な最高温度部２０と冷却部３０とが順に配設され、これら加熱部１０と最高温度部２０と冷却部３０との中央部を通るように設定された搬送路４０に従い、それぞれプレート状のセッタ５０に搭載された複数のフェライト磁石用の成形体５１を被焼成物として連続的に搬送させて焼成するように構成されている。なお、本実施の形態では、被焼成物がフェライト磁石用の成形体５１の例で説明するが、被焼成物としては、このような成形体５１に限らず、これ以外のセラミックス、その他の物に関しても同様に適用可能である。

ここで、搬送路４０は、例えば複数のセッタ５０を順次受け渡し搬送可能な等間隔で配設されて、例えば、共通のモータにより回転駆動されるＳｉＣ、ムライト、金属等を使用した複数の搬送ローラ４１を備えるローラハース方式として構成されている。これにより、成形体５１は、連続焼成炉１内を所定の搬送速度で搬送される。なお、この搬送速度は、成形体５１の種類に応じて変更可能に構成されている。また、搬送路４０は、ローラハース方式に限らず、例えば油圧押出方式のプッシャ炉として構成されていてもよい。要は、複数の成形体５１が、同じ搬送条件で加熱部１０、最高温度部２０、冷却部３０内をそれぞれ搬送されるものであればよい。

搬入側に位置する加熱部１０は、断熱材からなる複数の隔壁１１により搬送方向に対して仕切り形成された小部屋状の複数の加熱ゾーン１２を有する。各加熱ゾーン１２内の上下には、個別に温度制御可能なヒータ１３が設けられている。これにより、加熱部１０の各ヒータ１３は、搬入側に位置する加熱ゾーン１２から内部側に位置する加熱ゾーン１２に向けて徐々に昇温するように所望の加熱温度プロファイルに従って制御され、最奥部側の加熱ゾーン１２が、成形体５１の焼成に必要な最高温度となる最高温度部２０とされる。最高温度部２０の温度は、フェライト磁石用の成形体５１の場合であれば、例えば１２５０〜１３５０℃程度となるように設定される。また、加熱部１０は、この加熱部１０で生ずる脱バイガスを排気させるためのガス排気部１４を備えている。

また、本実施の形態の連続焼成炉１は、炉内雰囲気の流れの制御及び省エネルギーを目的とした余熱回収部６０を備える。この余熱回収部６０は、冷却部３０の搬入側寄りのゾーン３２と加熱部１０の搬入側寄りに位置する加熱ゾーン１２とを外部で連結して、冷却部３０のゾーン３２の余熱を吸引して加熱部１０の加熱ゾーン１２内に供給するためのものである。冷却部３０内で最高温度部２０に近く比較的温度が高い搬入側寄りのゾーン３２の余剰な熱を吸引し、加熱部１０内で比較的温度の低い搬入側寄りに位置する加熱ゾーン１２内に供給することにより熱源（予熱）として使用することができ、省エネルギーになる。さらに、連続焼成炉１内では、冷却ノズル３４による冷却風により炉内雰囲気が搬出側から搬入側に流れてしまい加熱部１０の温度プロファイルが調整し難い。そのため、余熱回収部６０により加熱部１０の炉内雰囲気の流れを抑えることで、プロファイル調整が容易にできる。

一方、搬出側に位置する冷却部３０は、全体的には、加熱部１０（最高温度部２０を含む）に対して、搬送方向における単位長さ当りの断面積が大きくなるように形成されている。すなわち、加熱部１０（最高温度部２０を含む）では、ヒータ１３により発生した熱が逃げにくくて消費電力を抑えるために単位長さ当りの断面積を相対的に小さくするが、冷却部３０にあっては、放熱空間を確保することで放熱しやすくするために単位長さ当りの断面積が相対的に大きく設定されている。また、冷却部３０は、断熱材からなる複数の隔壁３１により搬送方向に対して仕切り形成された小部屋状の複数のゾーン３２を有する。各隔壁３１は、搬送路４０を挟んで上下両側に設けられている。そして、上側に位置する隔壁３１の下端と搬送路４０の上端（成形体５１）との間に隙間３３が設けられているとともに、下側に位置する隔壁３１の上端と搬送路４０の下端（搬送ローラ４１）との間にも隙間３３が設けられている。

ここで、本実施の形態においては、各ゾーン３２は、ほぼ等間隔に形成されている。また、最高温度部２０に隣接するゾーン３２を除く、各ゾーン３２内には図示しない冷却ファンにより吸い込まれた外気を冷却空気として噴出させる冷却ノズル３４が設けられている。これら冷却ノズル３４は、搬送路４０を挟んで上下両方に設けられている。また、これら冷却ノズル３４は、冷却空気の噴出方向に指向性を有するもので、各ゾーン３２内において、搬入側に位置する隔壁３１および搬送路４０寄りの位置に配置されているとともに、搬入側に位置する隔壁３１と搬送路４０との間の隙間３３に向けて冷却空気を噴出させるように噴出方向が設定されている。

また、各冷却ノズル３４より噴出される冷却空気量は、冷却ファンのインバーター又は各冷却ノズル３４と冷却ファンとの間に設けられた図示しない調節バルブにより、調節自在に構成されている。そして、搬入側（最高温度部２０側）に位置するゾーン３２内の冷却ノズル３４ほど冷却空気の噴出量が少なく、搬出側に位置するゾーン３２内の冷却ノズル３４ほど冷却空気の噴出量が多くなるように、冷却空気の噴出量が調節されている。また、冷却部３０を構成する複数のゾーン３２のうち、搬入側（最高温度部２０側）に位置する一部のゾーン、例えば２つのゾーン３２ａ，３２ｂは、バッファゾーンとして設けられている。最高温度部２０直後のバッファゾーン３２ａは、過冷却による最高温度部２０の温度低下を避けるために最高温度部２０と冷却部３０との間の緩衝部屋を構成するもので、冷却ノズルは設けられていない。また、次のバッファゾーン３２ｂは、バッファゾーン３２ａの搬出側に位置する隔壁３１前後での急峻な冷却温度勾配を緩和してなだらかにするための緩衝部屋を構成するもので、冷却ノズル３４による冷却空気の噴出量が少なくなるように調節されている。

このようにして、本実施の形態では、細分化されたこれら複数のゾーン３２は、冷却部３０内を順次搬送される成形体５１の搬送速度に合わせて個別に冷却温度プロファイルの制御が可能に構成されている。すなわち、本実施の形態の連続焼成炉１の冷却部３０の冷却性能を検討したところ、図３に示すように全体的に約−２５℃／ｍｉｎなる略均一勾配で冷却を行うように冷却温度プロファイルを最適化することができたものである。これにより、急峻すぎる冷却温度勾配やなだらか過ぎる冷却温度勾配がなくなり、より短時間でより均一な冷却が可能となったものである。

特に、本実施の形態では、冷却部３０を隔壁３１により仕切り形成された小部屋状の複数のゾーン３２により細分化し、必要なゾーン３２に冷却ノズル３４を設けているので、冷却を適宜促進させることができる。さらには、これら冷却ノズル３４による冷却空気の噴出量を調節自在として搬出側ほど噴出量が多くなるように調節しているので、最高温度部２０に近いゾーン３２ｂではバッファゾーンとして急冷却を防ぐとともに搬出側に近いゾーン３２では冷却を一層促進させることができる。また、冷却ノズル３４による冷却空気の噴出方向を各ゾーン３２の搬入側に位置する隙間３３に向けて設定しているので、各ゾーン３２間の隙間３３に高温側空気の入り込みを防止するエアーカーテンを形成することができ、冷却温度プロファイルを適正に維持しやすくなる。特に、各ゾーン３２において搬送路４０を挟んで上下両方に冷却ノズル３４を設けるとともに、下側の隔壁３１の上端と搬送路４０との間にも隙間３３を形成して冷却空気の流れを可能としているので、ゾーン３２毎に冷却空気の噴出量を適正に調節しやすくなるとともに、各ゾーン３２間でのエアーカーテンの役割も果たしやすくなる。

この結果、本実施の形態の連続焼成炉１によれば、成形体５１に急峻な冷却によるヒートショックを与えることがなく、焼成後の成形体５１に関して、割れ、変形等の発生が激減し、その後の研磨加工工程で、製品の強度不足による割れ、変形によるカケ、研磨不良等の発生も激減させることができたものである。図４は、図６等に示した従来の連続焼成炉と対比して冷却勾配（従来例は、−５５℃／ｍｉｎ、本実施の形態は、−２５℃／ｍｉｎ）の違いによる不良率の比較例を示す説明図である。

また、冷却部３０内の冷却温度勾配を全体に亘って−２５℃／ｍｉｎで略均一化することができ、なだらか過ぎることがないので、成形体５１の冷却処理（したがって、焼成処理全体）の時間を、例えば１〜２時間程度に短縮させることも可能となる。この結果、所望の温度まで冷却させるために冷却部３０の長さを従来に比して短くすることができ、連続焼成炉１を小型化することができる（例えば、炉長が４〜１２ｍ程度）。冷却部３０の単位長さ当りの断面積が相対的に大きいことも、連続焼成炉１の小型化に寄与している。

このように小型化された連続焼成炉１を用いることで、例えばフェライト磁石を製造するための製造システムとしては、図５に示すような生産効率の向上する一貫ラインとして構築することができる。この製造システムは、成形機２と、この成形機２で成形された成形体５１を被焼成物として焼成する連続焼成炉１と、この連続焼成炉１で焼成された成形体５１に対して所望の加工、例えば研磨加工を施す加工機３と、これら成形機２と連続焼成炉１と加工機３との間で成形体５１を搭載したセッタ５０を順次連続的に搬送させる環状のセッタ搬送手段４とからなる。

成形機２は、搬入されたフェライト粒子からなる材料粉末を磁場中で金型を用いて圧縮成形することで成形体５１を形成するもので、上記のように小型化された連続焼成炉１に合わせた成形能力を持つものが用いられている。なお、この成形機２による磁場成形工程が、材料粉末をスラリー状にして成形を行う湿式の場合には、成形機２と連続焼成炉１との間のセッタ搬送手段４上に、特許文献１中に示されるような乾燥炉５を配置し、成形された成形体５１を乾燥炉５で乾燥させてから連続焼成炉１内に搬入させるようにすればよい。

前述したように、従来の連続焼成炉１００にあっては、所望の温度まで冷却させるために冷却部１３０の長さを長くする必要があり、連続焼成炉１００の炉長が極めて長くなってしまい、成形機や加工機に比べてかなり大型の設備になる。この場合、実際の量産においては、エネルギーコストを考慮すると、一度になるべくたくさんの成形体を入れて焼成を行うほうが低コストであると考えられるため、必然的に複数の成形機で成形された成形体を焼成炉に入れて一度に焼成を行うことになる。またこれに伴い、焼成後の成形体を再び複数の加工機に振り分けて加工を行うことにもなる。このため、成形体の成形機から焼成炉への移動、焼成炉から加工機への移動に時間がかかり、このことも生産効率向上の妨げとなっていた。この点、本実施の形態によれば、冷却温度プロファイルを最適化することにより、連続焼成炉１の炉長を短くして、小型化することが可能となり、図５に示したように一貫ラインとして生産効率を向上させる製造システムを構築することができる。

本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。例えば、本実施の形態では、数個の隔壁３１により数個のゾーン３２を形成するようにしたが、形成するゾーン３２の数は、焼成する被焼成物やその搬送速度等に応じて適宜設定すればよく、さらに細分化してもよい。

また、本実施の形態では、各ゾーン３２を適宜大きさで略均等に形成し、冷却ノズル３４から噴出させる冷却空気の噴出量等によって、各ゾーン３２を被焼成物の搬送速度に合わせて個別に冷却温度プロファイルの制御を可能としたが、このような形態に限らない。例えば、冷却ノズル３４から噴出させる冷却空気の噴出量を略均等とし、各ゾーン３２の大きさ（長さ）を例えば搬入側から搬出側に向けて段階的に小さくなるようにしてもよい。或いは、各ゾーン３２の大きさと冷却ノズル３４から噴出させる冷却空気の噴出量との組合せによって個別に冷却温度プロファイルの制御を可能としてもよい。さらには、細分化される各ゾーン３２の大きさのみを適宜変えるようにしてもよい。

また、本実施の形態の連続焼成炉１は、ヒータ１３を用いた電気炉の例で説明したが、ガス炉であっても同様に適用可能である。

１ 連続焼成炉
２ 成形機
３ 加工機
４ セッタ搬送手段
１０ 加熱部
２０ 最高温度部
３０ 冷却部
３１ 隔壁
３２ ゾーン
３２ａ，３２ｂ バッファゾーン
３３ 隙間
３４ 冷却ノズル
４０ 搬送路
５０ セッタ
５１ 成形体
６０ 余熱回収部

Claims (8)

1. 搬入側から搬出側に向けて順に配設された加熱部と焼成に必要な最高温度部と冷却部とを通る搬送路に従い複数の被焼成物を連続的に搬送させて焼成する連続焼成炉であって、
   前記冷却部は、複数の隔壁により搬送方向に対して仕切り形成されて前記被焼成物の搬送速度に合わせて個別に冷却温度プロファイルの制御が可能な複数のゾーンを有し、
   前記冷却部は、前記ゾーン毎に、冷却空気を噴出させる冷却ノズルを有し、
   前記各冷却ノズルは、冷却空気の噴出量が調節自在であり、搬入側のゾーン内の前記冷却ノズルほど冷却空気の噴出量が少なく、搬出側のゾーン内の前記冷却ノズルほど冷却空気の噴出量が多くなるように調節されていることを特徴とする連続焼成炉。
2. 前記冷却ノズルは、冷却空気の噴出方向が、前記各ゾーンの搬入側に位置する前記隔壁と前記搬送路との間の隙間へ向けた方向に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の連続焼成炉。
3. 前記ゾーンを形成する前記隔壁は、前記搬送路を挟んで上下両方に設けられ、
   前記冷却ノズルは、前記ゾーン毎に前記搬送路を挟んで上下両方に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の連続焼成炉。
4. 前記搬送路と該搬送路の下側に位置する前記隔壁との間に隙間があることを特徴とする請求項３に記載の連続焼成炉。
5. 前記複数のゾーンのうち、搬入側に位置する２以上の一部の前記ゾーンは、バッファゾーンとして設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の連続焼成炉。
6. 前記冷却部は、前記加熱部および前記最高温度部に対して、搬送方向と直交する断面積が大きく形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の連続焼成炉。
7. 前記冷却部の搬入側寄りのゾーン内の余熱を吸引して前記加熱部内の搬入側寄り位置に供給する余熱回収部を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の連続焼成炉。
8. 成形機と、
   該成形機で成形された成形体を被焼成物として焼成する請求項１〜７のいずれか一つに記載の連続焼成炉と、
   該連続焼成炉で焼成された前記成形体に対して所望の加工を施す加工機と、
   これら成形機と連続焼成炉と加工機との間で前記成形体を搭載したセッタを順次連続的に搬送させるセッタ搬送手段と、
   を備えることを特徴とする製造システム。

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