JP5879628B2 - セラミック多孔体焼成用シャトルキルン - Google Patents

Description

本発明は、有機バインダーを含むセラミック多孔体焼成用のシャトルキルンに関するものであり、特にセラミックハニカム構造体の焼成に適したシャトルキルンに関するものである。

量産されるセラミック多孔体を焼成するための炉としては、トンネルキルン、ローラハースキルンに代表される連続炉と、シャトルキルンに代表されるバッチ炉とが広く用いられている。シャトルキルンは多孔体を乗せた台車を炉内に収納したまま焼成するバッチ式の焼成炉であり、台車が炉内と炉外との間を往復移動することから、この名称が付けられている。

有機バインダーを含むセラミック多孔体をシャトルキルンで焼成する場合、昇温初期には未焼成のセラミック多孔体から大量の有機バインダー蒸気が発生する。このとき安全を確保するために、炉内における有機バインダー蒸気の濃度を爆発限界以下に制御する必要がある。なお有機バインダーとしては、メチルセルロース、ポリビニルアルコールなどが一般的である。

一般的には、バーナを空気比ｍ＝３０〜５０の高空気比で燃焼させ、バーナ火炎のスピードを上げて炉内の攪拌を良くするとともに、炉内に大量の空気を導入することによって有機バインダー蒸気の濃度を爆発限界以下に制御している。このため当然に炉内の酸素濃度は高くなり、有機バインダー蒸気はセラミック多孔体の表面で燃焼する。ところがセラミックハニカム構造体のようなセラミック多孔体は非常に断熱性に優れるため、次のような問題が生じる。

すなわち、最初は有機バインダー蒸気の燃焼に伴ってセラミック多孔体の外周部の温度が上昇して脱バインダーが進行するが、セラミック多孔体は断熱性に優れるために内部には熱が伝わりにくい。その後、徐々に内部の温度が上昇してくると内部の有機バインダーの燃焼が進行して内部温度が上昇し始める。しかし外周部には熱が伝わりにくく、内部が外周部よりも高温になる。このため脱バインダー工程の前期にはセラミック多孔体の内部に引張り力が作用し、後期には逆に外部に引張り力が作用する。この結果、セラミック多孔体に切れと呼ばれるクラックが入って不良品となり易い。

このような問題を回避するためには、炉内の昇温速度を遅くして脱バインダー工程を緩やかに進行させればよい。しかしそれに伴って焼成サイクルが長くなるから、当然ながら生産性の低下を招くこととなる。

そこで本出願人の出願に係る特許文献１には、脱バインダー工程では炉内の酸素濃度を低下させることによって有機バインダーの燃焼を抑制し、上記したクラックの発生を防止する技術が開示されている。そのための具体的な手段としては、バーナの空気比を絞る方法と、窒素ガスを打ち込む方法とが記載されている。

セラミックハニカム構造体の場合には、上記クラックの原因となる温度差を抑制するためには酸素濃度を８％以下、望ましくは５％以下に維持することが好ましいのであるが、そのためには大量の窒素ガスを要するなどコスト的な問題がある。またバーナの空気比を絞ることにより炉内の酸素濃度を低下させようとすると、炉内ガス量が不足して攪拌不良となり、炉内の温度分布が不均一となり易いという問題がある。

また大量の低酸素ガスにより炉内の酸素濃度を下げる方法として、特許文献２に、有機バインダーガスを含む炉内ガスを吸引し、アフターバーナで完全燃焼させて、その際に生成された燃焼ガスを再び炉内へ戻す方法が記載されている。

しかしシャトルキルンに代表されるバッチ炉の場合には、炉内ガスの吸引口は脱バインダー工程の後の焼成工程で１０００℃以上の高温にさらされることになるため、完全なシール構造とするのが難しく、炉内ガスを吸引する際に少なからず外気が混入することになる。さらにシャトルキルンの場合には、炉内に台車を往復させる必要があることから、炉内吸引口が炉体下部すなわち台車にある場合には、その下部の煙道導入口との間をシールすることが非常に困難であり、炉内ガスを吸引する際に不可避的に外気が混入することになる。その結果、アフターバーナを介して生成された燃焼ガスの酸素濃度は１０％程度までしか下がらず、その燃焼ガスを再び炉内で戻したとしても炉内の酸素濃度を十分に低く保つことができないという問題がある。

特開平１−２０３２７３号公報 特表２００１−５２４４５１号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、有機バインダーを含むセラミック多孔体を、内外の温度差による切れを発生させることなく、従来よりも短時間で焼成することができるシャトル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は、有機バインダーを含むセラミック多孔体焼成用のシャトルキルンであって、炉内ガスを吸引し、アフターバーナを介して排気するガス吸引経路と、炉内ガスを炉外に吸引して有機バインダーガスを燃焼させ、再び炉内に戻す循環経路とを、互いに独立させた経路として備えたことを特徴とするものである。

ガス吸引経路への炉内ガス吸引は、炉体の天井部または底部から行い、循環経路への炉内ガス吸引は、炉体の側壁から行うことが好ましい。なお循環経路は、吸引した炉内ガスを触媒燃焼させる触媒反応器を備えたものであることが好ましく、触媒反応器の前段に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管を備えたものであることが好ましく、触媒反応器の前段に吸引した炉内ガスの加熱装置を備え、触媒反応器の後段に触媒反応器を通過したガス温度を所定温度まで低下させる冷却装置を備えたものであることが好ましい。また、有機バインダーを含むセラミック多孔体を、セラミックハニカム構造体とすることができる。また、循環経路は脱バインダー時に運転され、炉内の酸素濃度を８％以下、望ましくは５％以下に維持する機能を備えたものであることが好ましい。

本発明のシャトルキルンは、炉内ガスを吸引し、アフターバーナを介して排気するガス吸引経路と、その経路とは別に、炉内ガスを炉外に吸引して有機バインダーガスを燃焼させ、再び炉内に戻す循環経路を備えたものであるから、外気を混入させることなく炉内ガスを循環させることができ、炉内ガス中の酸素は燃焼により消費され、酸素濃度を希望するレベルまで低下させることができる。また同時に有機バインダーガスも燃焼されるのでその濃度も低下させることができ、炉内の有機バインダーガス濃度を爆発限界以下に容易に制御することができる。しかも循環速度を高めることによって炉内の攪拌を促進することができるので、炉内の温度分布が不均一となることを防止することができる。

また本発明のシャトルキルンは炉内ガスを吸引し、アフターバーナを介して排気するガス吸引経路を備えているため、不可避的に侵入する外気を炉内ガスとともに吸引し、含有される有機バインダーガスを燃焼させたうえで排気することができる。

従って本発明のシャトルキルンによれば、セラミック多孔体の表面における有機バインダーガスの燃焼を抑制しながら脱バインダーを行なうことができ、セラミック多孔体の内外の温度差を小さくすることができるので、切れを発生させることがない。またこのため昇温速度を高めて脱バインダー工程を進行させることができ、焼成時間を短縮することができる。さらに窒素ガス等を用いる必要もないため、ランニングコストが高くなることもない。

また、循環経路に吸引した炉内ガスの加熱装置と、触媒反応器と、冷却装置とを設けておけば、炉内ガスを昇温して触媒燃焼を促進することができ、しかも触媒反応器を通過したガス温度を冷却装置によって所定温度まで低下させたうえで炉内に戻すので、炉内温度に変動を与えることがない。

さらに脱バインダー工程においては炉内温度を緩やかに上昇させる必要があり、炉体に設置された多数のバーナの燃焼制御は容易ではないが、本発明のシャトルキルンでは、炉体に設置された多数のバーナを停止し、循環経路に設置された加熱装置のみによる温度制御が行なえるので、炉内温度を緩やかに上昇させることが容易になる。

本発明の実施形態を示す模式図である。 焼成温度の変化を示す模式図である。 他の実施形態を示す模式図である。 他の実施形態を示す模式図である。

以下に本発明の好ましい実施形態を説明する。この実施形態では焼成対象物は有機バインダーを含むセラミック多孔体であるセラミックハニカム構造体である。未焼成のセラミック多孔体は台車に積載されて炉内に搬入され、２００℃程度で有機バインダーを蒸発させ、その後１５００℃前後にまで昇温して焼成される。

図１において、１はシャトルキルンの炉体である。図１では図面を簡略にするために３台の台車２０が炉内にある状態を示しているが、実際には炉体１は図面の左右方向に長く延びており、入口扉２１を開いて炉体１の内部に多数の台車が装入されて焼成が行なわれる。各台車２０の底面にはガス流路２が形成されている。また台車下部には、これらのガス流路２に対応する位置にガス吸引口３を備えたガス吸引経路４が設けられている。前述したようにシャトルキルンは台車２０の走行機構が必要であるから炉体下部を完全にシールすることは困難であるが、ガス吸引経路４を設けておけば、矢印で示すように多少の外気が侵入しても炉内ガスとともにガス吸引経路４に吸引され、炉体内部への侵入を防止することができる。ただし、炉の構造によっては上記のガス吸引を炉体１の天井部や後壁から行うことも可能であるから、台車下部からのガス吸引に限定されるものではない。

ガス吸引経路４はアフターバーナ５と吸引用ファン６とを備えている。昇温初期の脱バインダー工程ではセラミック多孔体に含まれている有機バインダーが蒸発するため、ガス吸引経路４に吸引される炉内ガス中にも有機バインダー蒸気が含まれる。この有機バインダー蒸気はアフターバーナ５によって完全に燃焼され、大気中に放出される。

本発明のシャトルキルンはガス吸引経路４の他に、循環径路７を、互いに独立させた経路として備えている。この循環径路７は炉体１の側壁に形成された循環用吸引口１３から炉内ガスを炉外に吸引して有機バインダーガスを燃焼させ、循環用戻し口１４から再び炉内に戻すためのものである。このように、ガス吸引経路４の他に循環径路７を備えることにより、例えば、ガス吸引経路４のみを備えて有機バインダーガスを含む炉内ガスの全量をガス吸引経路４に吸引し、アフターバーナで完全燃焼させ、その際に生成された燃焼ガスを再び炉内へ戻す方法に比べ、アフターバーナへの負荷を軽減し、アフターバーナの小型化を図ることができる。

循環用吸引口１３と循環用戻し口１４は、炉内ガスの流れを乱さない位置に配置することが好ましい。この実施形態では、炉体１の側壁下部の複数位置に形成された循環用吸引口１３から循環ファン８によって炉内ガスを吸引し、上部の複数位置に形成された循環用戻し口１４から炉内に戻すようになっている。一般に炉内の温度分布や熱効率の観点から、炉内に下向きの流れを形成することが好ましく、そのためにこの実施形態では側壁下部から吸引し、側壁上部から戻している。しかし必ずしもこのような配置に限定されるものではなく、場合によっては側壁上部や天井部から吸引し、側壁下部から戻すことも可能である。

循環径路７には、吸引された炉内ガス中の有機バインダーガスを燃焼させる燃焼装置９が設けられている。燃焼装置９は炉内ガス中の有機バインダーガスを燃焼させる役割と、その燃焼により炉内ガス中の酸素を消費して酸素濃度を低下させる役割とを持つもので、好ましくは触媒反応器である。触媒反応器は例えばセラミックハニカム構造体に白金やパラジウムなどの貴金属酸化触媒を担持させたものであり、有機バインダーガスの濃度が低い場合にも、また酸素濃度が低い条件下においても触媒燃焼を進行させることができる。しかし触媒反応器の種類はこれに限定されるものではない。

触媒反応器の触媒活性は温度の影響を受けるので、触媒反応器の前段に加熱装置１０を設けて吸引された炉内ガスの温度を例えば３００℃程度にまで高めている。また、触媒燃焼により炉内ガスの温度は高まることとなるため、そのまま炉体１内に戻すと炉内温度が乱される。このため触媒反応器の後段に触媒反応器を通過したガス温度を炉内所定温度付近まで低下させる冷却装置１１を設けておくことが好ましい。加熱装置１０はガスバーナまたは電気ヒータであり、冷却装置１１は熱交換器である。この循環径路７は昇温初期の脱バインダー工程において用いられるものであり、より高温の焼成が行なわれる焼成工程においては停止される。

なお、炉内ガス中の有機バインダーガス濃度が低く、その燃焼だけでは、十分に炉内ガス中の酸素を消費して酸素濃度を低下させることができない場合には、図３に示すように、触媒反応器の前段に燃料ガス供給管１５を配置して、この燃料ガス供給管１５から供給される燃料ガスを触媒反応器で燃焼させることにより、炉内ガス中の酸素を消費して酸素濃度を低下させることができる。

図３に示す実施形態では、触媒反応器の前段に加熱装置１０を設けて吸引された炉内ガスの温度を触媒活性温度にまで昇温させて、より触媒の活性を高めた条件下で燃焼が可能な構成としているが、図４に示すように、加熱装置１０を省略して触媒反応器の前段に燃料ガス供給管１５のみを配置した簡易な構成によっても、炉内ガス中の有機バインダーガス濃度が低く、その燃焼だけでは、十分に炉内ガス中の酸素を消費して酸素濃度を低下させることができない場合において、炉内ガス中の酸素を消費して酸素濃度を低下させるという効果は奏することができる。

このように構成された本発明のシャトルキルンは、従来と同様に有機バインダーを含む未焼成のセラミック多孔体、例えばセラミックハニカム構造体の焼成に使用されるものである。昇温初期の脱バインダー工程において、ガス吸引経路４に炉内ガス及び炉体１の下部から侵入する外気を吸引し、含有される有機バインダーガスをアフターバーナ５によって燃焼・脱臭するとともに、循環径路７に炉体１の側壁に形成された循環用吸引口１３から炉内ガスを吸引する。循環径路７に吸引された炉内ガスは、加熱装置１０により酸化触媒の活性温度領域まで昇温されたうえ、触媒反応器を通過する。このとき含有される有機バインダーガスが触媒燃焼されるので、触媒反応器を通過したガスは有機バインダーガス濃度のみならず、酸素濃度も低下したガスとなり、冷却装置１１によって炉内所定温度まで冷却されて循環用戻し口１４から炉体１の内部に戻される。

この循環を繰り返すことにより炉内の酸素は消費されて行き、併せて炉体下部から炉内への侵入も防止されるので、炉内酸素濃度を目標とする８％以下、さらにはより望ましい５％以下にまで低下させることができる。またセラミック多孔体から発生する有機バインダーガスも触媒燃焼により除去され、爆発限界値の1/4程度の低いレベルに維持することができる。なお、昇温初期の脱バインダー工程においては図２に示すように炉内温度を緩やかに上昇させて行くことが必要であるが、炉体１に設置されている多数のバーナ１２の燃焼制御は必ずしも容易ではない。しかし本発明では、炉体１に設置されている多数のバーナ１２を脱バインダー工程においては燃焼させず、循環径路７に設けた加熱装置１０のみを制御することによって炉内温度を容易かつ正確に制御することができる。

また本発明のシャトルキルンにおいては、循環径路７におけるガス循環速度（ガス循環量）を炉内温度に影響を与えることなく自由に制御することができる。循環径路７のない従来型のシャトルキルンにおいては、酸素濃度を８％以下、さらにはより望ましい５％以下に抑制しようとすると炉内に打ち込める空気量が制約され、炉内の撹拌が不十分となったり、有機バインダーガス濃度が高くなったりする問題があったが、本発明によれば循環径路７におけるガス循環速度（ガス循環量）を自由に増加させ、繰り返して触媒燃焼させることができるので、炉内の撹拌を充分に行いながら、有機バインダーガス濃度を自由に制御することができる。

前記したように、従来は脱バインダー工程における切れを防止するために、長時間を掛けて脱バインダーを行っていた。その様子は図２に点線で示される通りである。これに対して本発明のシャトルキルンを用いれば、酸素濃度および有機バインダーガス濃度を自由に制御することができるので、図２に実線で示すように脱バインダー時間を従来の1/5程度にまで大幅に短縮することができ、しかも切れの発生を確実に防止することができる。なお、脱バインダー工程の終了後は循環径路７の運転は停止され、炉体１に設置されている多数のバーナ１２による高温焼成が行なわれる。

以上に説明したように、本発明によれば酸素濃度を低くして有機バインダーの急激な燃焼を抑制することにより、セラミック多孔体の切れを防止しつつ脱バインダー工程を能率的に進行させることができ、全焼成時間を従来の2/3程度にまで短縮することができる。従って同一容量の炉であれば、生産性を約1.5倍に高めることが可能となる。しかも炉内の有機バインダーガス濃度も爆発限界よりはるかに低いレベルに制御できるので、安全性にも優れる利点がある。

１ 炉体
２ ガス流路
３ ガス吸引口
４ ガス吸引経路
５ アフターバーナ
６ 吸引用ファン
７ 循環径路
８ 循環ファン
９ 燃焼装置
１０ 加熱装置
１１ 冷却装置
１２ バーナ
１３ 循環用吸引口
１４ 循環用戻し口
１５ 燃料ガス供給管
２０ 台車
２１ 入口扉

Claims (7)

1. 有機バインダーを含むセラミック多孔体焼成用のシャトルキルンであって、炉内ガスを吸引し、アフターバーナを介して排気するガス吸引経路と、炉内ガスを炉外に吸引して有機バインダーガスを燃焼させ、再び炉内に戻す循環経路とを、互いに独立させた経路として備えたことを特徴とするセラミック多孔体焼成用シャトルキルン。
2. ガス吸引経路への炉内ガス吸引は、炉体の天井部または底部から行い、循環経路への炉内ガス吸引は、炉体の側壁から行うことを特徴とする請求項１に記載のセラミック多孔体焼成用シャトルキルン。
3. 循環経路は、吸引した炉内ガスを触媒燃焼させる触媒反応器を備えたものであることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック多孔体焼成用シャトルキルン。
4. 触媒反応器の前段に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管を備えたものであることを特徴とする請求項３記載のセラミック多孔体焼成用シャトルキルン。
5. 循環経路は、触媒反応器の前段に吸引した炉内ガスの加熱装置を備え、触媒反応器の後段に触媒反応器を通過したガス温度を所定温度まで低下させる冷却装置を備えたものであることを特徴とする請求項３または４に記載のセラミック多孔体焼成用シャトルキルン。
6. 有機バインダーを含むセラミック多孔体が、セラミックハニカム構造体であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のセラミック多孔体焼成用シャトルキルン。
7. 循環経路は、脱バインダー時に運転され、炉内の酸素濃度を８％以下に維持する機能を備えたものであることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のセラミック多孔体焼成用シャトルキルン。

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