JPS6362677B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、誘導加熱炉に関し、特に炭素繊維の
製造に有用な誘導加熱炉に関する。

通常、炭素繊維を製造するには、ポリアクリロ
ニトリル繊維、再生セルローズ繊維、フエノール
系繊維、ピツチ系繊維等の有機重合体を先ず空気
または他の酸化性ガス雰囲気中にて、200〜300℃
で耐炎化し、次いでこれを窒素、アルゴン等の不
活性ガス雰囲気中にて800〜2000℃で炭化して製
造される。また、さらに1500〜3000℃で黒鉛化を
行ない、ヤング率が一段と高い炭素繊維を製造す
ることも行なわれる。

しかるに、上記の炭化および黒鉛化工程は、処
理温度が非常に高く、特に処理温度1500〜3000℃
が要求される誘導加熱炉では、高温下での使用に
よる炉構成材料の熱的、化学的、あるいは電気的
諸特性上の制約から、ワークコイルからの誘導電
流を受けてジユール発熱する炉芯管としては、カ
ーボン、あるいはグラフアイト材を筒状に構成し
たものを用い、その内部に上述の耐炎化糸を通過
させて高温処理することが多い。

この場合、上記のカーボンあるいはグラフアイ
ト材から成る炉芯管は高温下における酸化雰囲気
中での酸化反応が著しく、極めて短時間で減耗劣
化して使用に耐え得なくなることがよく知られて
おり、その対策として、誘導加熱炉内に窒素、ア
ルゴン等の不活性ガスを導入して大気圧よりもわ
ずかに高い内圧を維持せしめ、炉芯管の内外表面
の雰囲気制御を行なつている。

一方、上記のカーボンあるいはグラフアイトよ
り成る炉芯管を高温において効率よく安全にその
特性を発揮せしめるために、筒状に構成された当
該炉芯管の外周に何らかの断熱手段を施こすこと
が好ましい。しかるに、上記炉芯管自体1500〜
3000℃という非常に高い温度下にあるため、この
炉芯管の外周に施こす断熱材も極めて耐熱性の優
れた材質のものが要求され、実際には、粒状ある
いはフエルト状の炭素質材料しか使用に耐え得な
い。

ところが、ワークコイルからの誘導電流を用い
る誘導加熱炉においては、断熱材としての炭素質
材料、たとえば、カーボン、グラフアイト等が導
電性を有するため断熱材自体も炉芯管同様ワーク
コイルから誘導作用を受けてモジユール発熱す
る。このため余計なパワーを消費し、場合によつ
ては炉芯管以上の温度に加熱されて断熱材として
の用をなさないばかりか、下記するような炉芯管
の寿命にも大きく影響を与えていた。

すなわち、誘導加熱炉においては、カーボンあ
るいはグラフアイトから成る炉芯管自体の温度が
1500〜3000℃と非常に高いために誘導加熱炉内へ
の洩れ込み酸素との反応あるいは炭素質の蒸発等
が起こり、炉芯管が極めて短期間で減耗、劣化
し、頻繁な炉芯管交換作業を余儀なくされるとい
う本来的問題をかかえており、特に炉芯管の減耗
に関与する上記炭素質の蒸発現象が炉芯管温度
2000℃以上になつた場合急速に激しくなると考え
られ、かつ、炉芯管の減耗が、断熱材と接する炉
芯管外周面側において著しく発生するという現象
を呈していた。したがつて、少なくとも断熱材に
おけるジユール発熱による昇温を極力抑え、本来
の断熱効果を保持させることは、特に炉芯管外周
面のいたずらな上昇による上記炉芯管外周面の減
耗を防ぎ、炉芯管の交換を少なくするうえで、重
大な意義をもつものである。

本発明の目的は、叙上の如きカーボンあるいは
グラフアイトを炉芯管に、かつまた、これと同質
材料の粒状あるいはフエルト状断熱材を使用して
いる誘導加熱炉において、当該炉芯管の寿命が著
しく短く、頻繁に該炉芯管を交換する必要があ
り、操業上あるいは製造物のコスト上非常に大き
な支障をきたしている等の問題点を解消可能な誘
導加熱炉の提供にあり次の要旨からなる。

すなわち、本発明に係る誘導加熱炉は、誘導加
熱される炉芯管と、誘導電流発生手段との間に介
在される炭素質断熱材の少なくとも１個所に誘導
電流を抑制する不連続部を設けるとともに、該不
連続部に炭素質材料を埋設したことを特徴とす
る。

次に本発明を図面および実施例を用いて詳細に
説明する。

第１図は、炭化または黒鉛化工程に従来から一
般に用いられる誘導加熱炉の一例を示す概略断面
図である。第１図に示す装置を特に黒鉛化炉に見
たてて説明すれば、炭化糸１をニツプローラ２に
よつて黒鉛化炉１１にその一端から連続的に導入
し、黒鉛化炉１１内で黒鉛化処理した後、ニツプ
ローラ３によつて他端から黒鉛化繊維１′として
連続的に導出できるようになつている。本炉１１
において、円筒状に構成された炉芯管４は、その
外周を耐熱性の断熱材６で覆われ、その外周にさ
らに別の材質の断熱材７が被覆されている。

炉芯管４の材質はカーボンあるいはグラフアイ
トが用いられる。断熱材６は炉芯管４を支持する
と共にシエル８を保護するためのもので、材料は
カーボンパウダ、グラフアイトフエルト等炭素質
のものに限定される。特に、断熱材６にカーボン
パウダを用いるときは、断熱材７はその収納部を
構成する必要上、アルミナ等の成形品で構成する
のがよい。断熱材６がグラフアイトフエルトの場
合には、断熱材７はたとえばアルミナフアイバー
のマツト、フエルトなどがよく用いられるが、保
温・断熱をそれほど要求されない場合は無くても
よい。シエル８には通常非導電性物質、たとえば
石英ガラスが使用される。

ワークコイル９は、炉芯管４にその誘導作用で
誘導電流を誘起し、I²R損失で発熱させて、温度
1500〜3000℃の高温を得るように設置する。当該
コイル９は水冷するのが好ましく、その端子は通
常２〜400KHzの交番電流を発生する発振機に接
続されている。

黒鉛化炉１１内は、あらかじめ窒素、アルゴン
等の不活性ガスによつて置換されており、運転時
においても、ジエル８に設けられた当該ガスの流
入口１０から連続的に当該ガスをシエル８内に通
気させ、シエル８内を大気圧よりわずかに高い内
圧に維持せしめて空気の洩れ込みを防止するよう
に構成されている。

第２図は、第１図に示した誘導加熱炉を本発明
に従がつて改造した一実施態様であり、炉中央部
の概略横断面図として示したものである。

すなわち、グラフアイトフエルトからなる断熱
材６の円周上の同一個所８個所に円周方向に不連
続部１２を設けて、グラフアイトにより筒状に構
成される炉芯管４外周に何層か巻き付け、さらに
その外周をアルミナフアイバーマツトからなる断
熱材７で覆つている。不連続部１２は、炉芯管４
からのふく射熱を遮断するため炭素質材料を充填
するのが好ましいが、円周方向に流れる誘導電流
を抑制する必要上、たとえばグラフアイトフエル
ト層をこの不連続部１２に沿つて放射状にさし込
んで埋めたり、カーボンパウダーを埋設したりす
るのがよい。このようにすることにより、炭素質
断熱材中に発生する誘導電流を抑制することがで
きるとともに、上記不連続部からのふく射熱の遮
断が可能となる。

次に、上記態様の本発明に係る誘導加熱炉を用
いた場合の効果を次の具体的実施例を用いて説明
する。

実施例 第１図に示した黒鉛化炉１１を本発明に従つて
改造した第２図の実施態様において、炉芯管４の
中心の最高温度部が2000℃になるようワークコイ
ル９にパワーを投入し、純度99.999％の窒素を流
量150／分に設定して、本炉内の各層境界面最
高温度部で測定したところ第３図に示す温度分布
を得た。この本発明による効果は、本図との比較
のために第４図として後記する断熱材６と不連続
部を設けない従来の誘導加熱炉の炉内各層の温度
分布とを比較してみれば明瞭である。すなわち、
第３図に示すとおり、本発明に係る実施態様の装
置においてはグラフアイトフエルトからなる断熱
材６の誘導発熱が抑制されたため、当該フエルト
６の内外周面温度が、第４図で示した断熱材６に
不連続部を設けていない従来の実施態様のものよ
り大幅に低下せしめられている。

さらにまた、上述の条件に設定して昼夜連続運
転したところ、驚くべきことに90日を経ても炉芯
管４は減耗等の損傷を全く受けておらず、当該炉
芯管４の寿命が著しく延長されていることが判明
した。

また、本発明によればグラフアイトフエルトか
らなる断熱材６の外周温度が第３図に示す如く大
幅に低下せしめられ、グラフアイトフエルト６の
外周に接するアルミナフアイバーマツトからなる
断熱材７もその耐熱温度以下になつたため、連続
運転後の損傷は何ら認められなかつた。

ちなみに、第４図で示した断熱材６に不連続部
を設けない従来の誘導加熱炉を上述の条件で昼夜
連続運転したところ、僅か20日間で炉芯管外周面
に使用に耐え得ないほどの減耗が見られた。ま
た、さらに、第４図に示す従来の炉内の各層境界
面最高温度部で測定した温度分布から分るよう
に、断熱材６の誘導発熱による昇温がみられ断熱
材６の外周部温度は1800℃にも達している。その
ためアルミナフアイバーマツトからなる断熱材７
の内面は耐熱温度以上になり、損傷を受けてい
た。

以上は第２図および第３図に示すようなグラフ
アイトにより筒状に構成される炉芯管４の外周に
グラフアイトフエルトからなる断熱材６の円周上
の同一個所８個所に周方向に不連続部１２を設け
た本発明に係る実施態様の効果を炉内の各層境界
面最高温度部で測定した温度分布から説明した
が、次に本発明の上記効果の裏付けデータとし
て、当該断熱材６に設けた不連続部の個数とグラ
フアイトフエルトからなる断熱材６の受ける誘導
発熱量との関係を第５図に示す。すなわち、第５
図は、第１図に示した誘導加熱炉において、グラ
フアイトフエルトからなる断熱材６だけの誘導発
熱量を見るため、グラフアイト炉芯管４を非誘電
材であるアルミナコアに置き替えて、第２図の実
施例に示すようにその外周の同一個所に不連続部
１２を設けて厚み５mmのグラフアイトフエルトを
６層巻き、発熱量を示す量として一定のパワーを
ワークコイル９から加えたときのグラフアイトフ
エルトからなる断熱材６の炉高中央部位での飽和
温度の測定結果を示したものである。図中の×印
は不連続部１２が空間の場合、△印は不連続部１
２に既述の如くグラフアイトフエルト層を放射状
にさし込んで埋めた場合である。図に示す如く、
グラフアイトフエルトは確かに誘導を受けて発熱
することが解る。また、その発熱量は、当該不連
続部１２の数が多いほど抑制されることを示して
いる。さらにまた、ふく射熱遮断のため当該不連
続部１２にグラフアイトフエルト層を放射状にさ
し込んで埋めても、十分当該グラフアイトフエル
ト６の誘導発熱抑制上の効果があることが解る。

上記本発明に係る実施例においては、第２図に
示す如く、グラフアイトフエルトからなる断熱材
６に設けられる円周方向の不連続部１２を、円周
上の各フエルト層の同一個所に設けた例で示した
が、第６図に概略横断面で示す実施例の如く必ず
しも不連続部１２の円周上の位置を限定するもの
ではない。しかしながら、当該不連続部１２は、
第２図に示す如く円周上の同一個所に設けるほう
がグラフアイトフエルト６の誘導発熱抑制上効果
が大きい。また、当該不連続部１２の円周上の個
数についても限定されるべきものではないが、そ
の個数が多いほど該フエルト６の発熱抑制上の効
果が大きいことは、第５図において既に説明した
ところである。さらにまた、当該不連続部１２の
軸方向の必要長さは、第１図に示すグラフアイト
フエルト６の全長に設ける必要はなく、ワークコ
イル９の誘導作用が及ぶ範囲の長さであればよ
い。

またさらに、上記誘導加熱炉においては、断熱
材６と断熱材７とを密接して設ける態様について
説明したが、必ずしもこの態様に限定されるもの
ではなく、たとえばグラフアイトフエルトからな
る断熱材６に設けた不連続部１２の断熱材７と接
する側の先端を僅かな空間として残し、この空間
部にも窒素、アルゴン等の不活性ガスを流入する
態様にしてもよく、あるいは、上記空間は、第７
図に示す如く断熱材６の不連続部１２とは別の位
置に設けても勿論かまわない。これらの態様のも
のは、断熱材７の内面が比較的高温の断熱材６の
外面と空間１３を介して部分的に接する如く形成
されており、かつ、この空間１３に、前記純度が
99.999％でほぼ常温の窒素ガスが常時流されてい
ることから上記断熱材６の高温が断熱材７に直接
には伝わりにくく、さらに、断熱材６の外層に設
けた空間１３を形成するグラフアイトフエルト柱
１４が前述の誘導電流を抑制する不連続部１２と
同様の効果を奏することから、断熱材７の内面温
度をより低く保つことができる。

以上第２図、第６図および第７図を用いて説明
した本発明に係る誘導加熱炉においては、黒鉛化
繊維を製造する竪型黒鉛化炉の場合について説明
したが、高温誘導加熱炉のその目的とするところ
は必ずしも限定されるべきものではなく本発明の
主旨は広く適応できる。また本実施例において
は、竪型誘導炉を例にとり説明したが、炉型式に
ついては限定されるものではなく、たとえば横型
誘導炉であつても何ら不都合はなく、粒状あるい
はフエルト状の炭素・黒鉛材料を耐熱・断熱材と
して用いる誘導加熱装置に広く応用できる。ある
いはまた、装置内に流通させるべき不活性ガスに
ついても窒素に限定するものではなく、目的に応
じて選択できる。

以上説明したように、炭素繊維の製造に特に有
用な本発明の誘導加熱炉は、誘導加熱される炉芯
管と、誘導電流発生手段との間に介在される炭素
質断熱材の少なくとも１個所に誘導電流を抑制す
る不連続部を設けるとともに、この不連続部に炭
素質材料を埋設することによつて粒状の、あるい
はシート状の断熱材に円周方向に誘起される誘導
電流を抑制するものであるから、該断熱材の誘導
発熱による温度上昇を抑えその断熱材としての機
能を全とうせしめることができ、該断熱材の誘導
発熱によつて消費される余計なパワーを節減でき
るうえ、この不連続部からのふく射熱の遮断が可
能である。したがつて、本発明によれば、従来短
命であつた炉芯管寿命を著しく延長せしめ、当該
誘導加熱炉の操業上その目的とする生産効率の向
上、さらにはその目的とする生産品目のコスト低
減に大きく寄与し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の炭化または黒鉛化繊維製造用
誘導加熱炉の概略縦断面図。第２図は、第１図に
示す従来の誘導加熱炉を本発明に従つて改造した
一実施態様であり、炉中央部の概略横断面図。第
３図は、第２図に示した本発明に係る誘導加熱炉
の炉内各層境界面最高温度部で測定した温度分
布。第４図は、第１図に示す従来の誘導加熱炉に
おいて炉内各層境界面最高温度部で測定した温度
分布。第５図は、断熱材に設けた不連続部の個数
と断熱材の受ける誘導発熱量との関係図。第６図
は、第１図に示す従来の誘導加熱炉を本発明に従
つて改造した別の実施態様であり、炉中央部の概
略横断面図。第７図は、第１図に示す従来の誘導
加熱炉を本発明に従つて改造したさらに別の実施
態様であり、炉中央部の概略横断面図である。 符号の説明、１：炭化系、１′：黒鉛化糸、
２：ニツプローラ、３：ニツプローラ、４：炉芯
管、５：耐熱レンガ、６，７：断熱材、８：シエ
ル、９：ワークコイル、１０：窒素流入口、１
１：黒鉛化炉、１２：不連続部、１３：空間。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 誘導加熱される炉芯管と、誘導電流発生手段
   との間に介在される炭素質断熱材の少なくとも１
   個所に誘導電流を抑制する不連続部を設けると共
   に、該不連続部に炭素質材料を埋設したことを特
   徴とする誘導加熱炉。