KR20120077683A

KR20120077683A - 탄소섬유 제조용 탄화로의 배기구조

Info

Publication number: KR20120077683A
Application number: KR1020100139738A
Authority: KR
Inventors: 임세혁; 방윤혁; 김성룡
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-07-10
Also published as: KR101190349B1

Abstract

본 발명은 탄소섬유 제조용 탄화로의 배기구조에 관한 것으로, 내염화 처리된 탄소섬유를 열처리하도록 내부에 히터를 구비한 탄화로에 있어서; 상기 탄소섬유를 포함하도록 상기 탄화로 내부에 설치되고, 상부 일부만 개방된 제1챔버와; 상기 제1챔버의 외주면과 일정 간격을 두고 이격되되 상기 제1챔버를 완전히 밀폐하도록 설치된 제2챔버와; 상기 제2챔버의 하부에 연결되고, 상기 탄화로의 하부를 관통하여 외부로 배관된 배기라인을 포함하고, 상기 제1챔버로부터 상승 배기된 배출가스를 제2챔버의 하부로 배기시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조용 탄화로의 배기구조를 제공한다.
본 발명에 따르면, 탄화로에서 발생한 타르가 탄소섬유 표면에 떨어져 고착되는 것을 방지하고, 탄소섬유 제조시 발생할 수 있는 결점 요인을 제거함으로써 품질 및 품위가 개선된 탄소섬유를 제조할 수 있고, 또한 탄화로 배기라인에 집적된 탄소섬유 모우를 열의 부하를 이용하여 고온에서도 제거 가능하여 장기간 탄소섬유 생산시 배기가스 제거가 용이하며, 아울러 탄화로 내부의 열순환이 유동적이어서 탄화로 상부와 하부의 온도구배 최소화가 가능한 효과를 얻을 수 있다.

Description

탄소섬유 제조용 탄화로의 배기구조{EXHAUSTING STRUCTURE OF CARBONIZATION FURNACE FOR MANUFACTURING CARBON FIBER}

본 발명은 탄소섬유 제조용 탄화로의 배기구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방출 기체에 작용하는 열의 부력에 착안하여 탄화로의 방출 기체 방향을 상방에서 하방으로 개선함으로써 배기라인 표면에 액화되는 타르가 탄소섬유 표면에 고착되는 것을 방지하여 보다 고품질의 탄소섬유를 제조할 수 있도록 한 탄소섬유 제조용 탄화로의 배기구조에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 아크릴로니트릴(acrylonitrile)계 중합체로부터 제조되는 탄소섬유, 소위 PAN(polyacrylonitrile)계 탄소섬유는 강도 특성이 특히 우수하여 널리 사용되고 있으며, 최근에는 전체 탄소섬유의 90% 이상이 PAN계 탄소섬유이다.

PAN계 탄소섬유는 2차 전지용 탄소 전극 재료, 탄소 필름 등으로 개발되고 있어 그 적용분야도 확장되고 있다.

이와 같은 탄소섬유는 탄소원소의 질량 함유율이 92% 이상으로 이루어진 섬유장의 탄소재료를 일컬으며, 실용적으로는 유기물질의 열분해에 의하여 만들어지는 것으로 직경 5?15 ㎛의 섬유장인 것을 지칭한다.

특히, PAN계 탄소섬유는 AN(Acrylonitrile)을 90% 이상 함유하는 단량체를 중합한 공중합체를 방사하여 얻어지는 아크릴계 섬유를 공기 또는 산화성 가스 분위기에서 200~400℃의 온도에서 내염화 처리한 후 300~800℃의 불활성 분위기하에서 100~120% 인장처리하고, 800~2000℃ 불활성 분위기하에서 무장력으로 열처리하여 아크릴계 탄소섬유를 제조하게 된다.

이러한 탄소섬유는 기계적 강도 및 탄성율이 높고 내열성이나 내약품성 등의 성질이 우수하여 항공?우주산업 및 토목?건축재료, 자동차, 선박, 전기?전자재료, 스포츠?레저용품 분야 등 고성능 복합재의 보강섬유 소재로서 이용되고 있다.

이와 같이, PAN계 섬유를 탄소섬유로 제조하기 위해서는 내염화 처리후 열처리하는 것에 따라 탄소섬유가 얻어지는데, 이때, 탄화공정의 제어를 통해 N₂, HCN, NH₃ 등의 형태로 질소를 제거해야만 하는데 300~2000℃의 온도로 가열하면 HCN 기체가 많이 발생하고, N₂ 기체의 증가도 현저히 일어나면서 CH₄, CO₂, CO가 발생하며, 섬유 내의 축합고리의 구조가 늘어나게 되어 불완전한 흑연 결정 망면의 난층구조가 생성되어 탄화함으로써 고강도 탄소섬유가 만들어진다.

하지만 탄화 공정에는 다량의 유기가스 및 타르가 방출하여 탄소섬유에 결점(defect)으로 작용하기 때문에 고강도 탄소섬유 개발에 저해요인이 되고 있다.

따라서, 최근 탄소섬유 제조시 방출하는 유기가스의 효율적인 제거를 위한 관심이 집중되고 있다.

종래에는 탄화로의 상부에 가스배기라인을 설치하여 내부에서 발생하는 유기가스 및 타르를 제거하였는데, 장시간 운전시 탄화로 내부에서 발생한 타르가 배기라인 표면에서 액화되어 떨어져 탄소섬유에 고착되는 현상 및 점착력이 강한 타르에 탄소섬유 모우가 집적되어 배기라인을 막아 배기능력을 저하시키고 이로 인해 탄소섬유의 물성을 떨어뜨리는 문제를 야기시켰다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 탄소섬유 제조시 탄화로 내부에서 발생한 배기가스를 하방 배기구조로 전환함으로써 타르의 배출 제거를 용이하게 하고, 배기가스의 흐름을 원활하게 하여 고강도 탄소섬유를 제조할 수 있도록 한 탄소섬유 제조용 탄화로의 배기구조를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 내염화 처리된 탄소섬유를 열처리하도록 내부에 히터를 구비한 탄화로에 있어서; 상기 탄소섬유를 포함하도록 상기 탄화로 내부에 설치되고, 상부 일부만 개방된 제1챔버와; 상기 제1챔버의 외주면과 일정 간격을 두고 이격되되 상기 제1챔버를 완전히 밀폐하도록 설치된 제2챔버와; 상기 제2챔버의 하부에 연결되고, 상기 탄화로의 하부를 관통하여 외부로 배관된 배기라인을 포함하고, 상기 제1챔버로부터 상승 배기된 배출가스를 제2챔버의 하부로 배기시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조용 탄화로의 배기구조를 제공한다.

이때, 상기 제1챔버와 제2챔버는 돔 형상으로 형성된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 배기라인에는 배출팬이 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 탄화로에서 발생한 타르가 탄소섬유 표면에 떨어져 고착되는 것을 방지하고, 탄소섬유 제조시 발생할 수 있는 결점 요인을 제거함으로써 품질 및 품위가 개선된 탄소섬유를 제조할 수 있다.

둘째, 탄화로 배기라인에 집적된 탄소섬유 모우를 열의 부하를 이용하여 고온에서도 제거 가능하여 장기간 탄소섬유 생산시 배기가스 제거가 용이하다.

세째, 탄화로 내부의 열순환이 유동적이어서 탄화로 상부와 하부의 온도구배 최소화가 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유 제조용 열처리로인 탄화로의 배기구조를 보인 예시적인 모식도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

잘 알려진 바와 같이, 탄소섬유 제조용 탄화로는 내염화 처리된 아크릴계 섬유를 불활성가스 분위기 하에서 열처리할 때 사용되는 로이다.

도 1은 이와 같은 열처리를 위한 본 발명에 따른 탄화로(100)를 보인 것으로, 상기 탄화로(100)의 내부 중앙에는 열처리 대상물인 탄소섬유(200)가 안착된다.

이때, 상기 탄소섬유(200)는 구체적으로 도시하지 않았으나 안착대(미도시)에 안착된 상태로 유지되며, 상기 안착대를 포함하는 형태로 제1챔버(300)가 마련된다.

상기 제1챔버(300)는 상측 일부가 개방된 돔 형상으로 형성됨이 바람직하다.

뿐만 아니라, 상기 탄화로(100) 내부는 앞서 설명하였듯이, 불활성가스로 충진된 상태, 즉 불활성가스 분위기로 유지된다.

그리고, 상기 탄화섬유(200)를 적정 온도로 열처리하기 위해 상기 탄화로(100)의 상,하 양측에는 히터(600)가 설치된다.

또한, 상기 제1챔버(300)는 이를 포함하는 제2챔버(400) 내부에 배치되게 되는데, 이를 위해 상기 제2챔버(400)는 상기 제2챔버(300) 보다 큰 용적을 갖고 이를 포함하되 제1챔버(300)의 외표면과 일정간격을 두고 이를 포함하도록 설치된다.

이 경우, 상기 제2챔버(400)도 돔 형상으로 형성되는 것이 바람직하며, 상부가 아닌 하부가 개방된 형태로서, 앞서 설명한 제1챔버(300)와는 구조가 약간 상이하다.

아울러, 상기 제2챔버(400)의 개방된 하부에는 배기라인(500)이 접속된다.

상기 배기라인(500)은 상기 탄소섬유(200)를 열처리하는 과정에서 발생된 유기 및 타르 등을 배기시키기 위한 배관이다.

이때, 필요한 경우 상기 배기라인(500)에는 배기를 원활하게 유도하기 위한 배출팬(미도시)이 설치될 수 있다.

특히, 상기 제2챔버(400)는 외주면 전체 각 부위가 상기 제1챔버(300)의 대향 부위와 각각 일정 간격을 두고 완전히 이격된 상태로 유지되기 때문에 연통되는 제1챔버(300)의 상부만을 제외한 나머지는 모두 밀폐된 상태이다.

따라서, 상기 제1챔버(300)로부터 배출된 배기가스는 그 외측을 밀폐하고 있는 제2챔버(400)와의 사이에 형성된 공간(S) 만을 통해 유동될 수 밖에 없는 구조를 갖게 된다.

무엇보다도, 제1,2챔버(300,400)가 돔 형상으로 형성되어 있기 때문에 고온의 배출가스가 상승되면서 개방된 부위로 모여 배출되는 형태의 열적 유동이 용이한 장점이 있다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 다음과 같은 작동관계를 갖는다.

불활성가스 분위기로 유지되는 탄화로(100) 내부에서 히터(600)가 가동되면서 고열이 발생되면 히터(600)로부터 방사된 열은 탄화로(100) 내부를 가열하게 된다.

이와 같은 히터(600)의 열에 의해 탄소섬유(200)는 설정된 온도 범위 내에서 열처리되게 된다.

이때, 상기 탄소섬유(200)가 열처리되면서 발생된 유해가스(유기가스) 또는 타르 등은 열순환의 원리에 따라 상승된다.

이 경우, 상기 탄소섬유(200)는 제1챔버(300)에 갇혀 있고, 또 상기 제1챔버(300)는 제2챔버(400)에 의해 갇혀 있는 상태이므로 상승된 배출가스는 제1챔버(300)의 개방된 상부를 통해 상승하고, 상승된 후 더 이상 유동될 곳이 없기 때문에 지속적으로 밀려 올라오는 배출가스의 압력에 의해 개방된 지점을 기점으로 방사상으로 퍼지게 된다.

이렇게 퍼진 배출가스는 제1챔버(300)와 제2챔버(400)가 이루는 사이의 공간(S)을 따라 플로우되다가 제2챔버(400)의 하부에 접속된 배기라인(500)을 타고 배출되게 된다.

이러한 과정을 거칠 때 배출가스는 상승과 하강을 반복하게 됨과 동시에 제1,2챔버(300,400)를 중심으로 방사상으로 유동되기 때문에 탄화로(100) 전체에 걸쳐 온도 균일화를 유도하게 된다.

즉, 이와 같은 배출가스의 열적 유동은 탄화로(100) 내부의 온도 구배, 이를 테면 탄화로(100)의 상부와 하부 간 온도차 혹은 좌측과 우측 간 온도차 등의 온도 구배를 자연스럽게 최소화시키게 되는 것이다.

아울러, 배출가스는 탄소섬유(200)의 직상방으로 한번 상승한 후에는 다시 그 방향으로 하강하지 못하도록 된 구조이기 때문에 배출가스에 포함된 타르 등이 냉각되면서 액화될 때 상기 탄소섬유(200)로 떨어지거나 혹은 간접적으로라도 탄소섬유(200)에 영향을 끼칠 수는 없게 된다.

다시 말해, 배출가스에 함유된 타르나 유기성분 등은 배출가스의 유동을 따라 자연스럽게 열적 순환을 이루게 되며, 그 경로의 단부에 접속된 배기라인(500)을 타고 자연스럽게 배출처리되게 된다.

뿐만 아니라, 타르 등이 액화될 경우 대부분 배기라인(500)의 초입 부분에서 발생할 것이므로 이 부분에서 타르의 제거는 쉽고, 특히 탄화로(100) 내부의 열을 그대로 활용하여 타르가 고착되지 않은 상태에서 제거할 수 있으므로 제거효율도 향상되게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 탄화로의 배기구조는 배출가스를 상방이 아닌 하방으로 우회 유도시켜 배출되게 구성함으로써 기존에 발생하던 탄소섬유의 결함 발생요인을 제거하고, 열처리 효과를 높여 보다 고품질의 고강도 탄소섬유를 제조할 수 있게 된다.

100 : 탄화로 200 : 탄소섬유
300 : 제1챔버 400 : 제2챔버
500 : 배기라인 600 : 히터

Claims

내염화 처리된 탄소섬유(200)를 열처리하도록 내부에 히터(600)를 구비한 탄화로(100)에 있어서;
상기 탄소섬유(200)를 포함하도록 상기 탄화로(100) 내부에 설치되고, 상부 일부만 개방된 제1챔버(300)와;
상기 제1챔버(300)의 외주면과 일정 간격을 두고 이격되되 상기 제1챔버(300)를 완전히 밀폐하도록 설치된 제2챔버(400)와;
상기 제2챔버(400)의 하부에 연결되고, 상기 탄화로(100)의 하부를 관통하여 외부로 배관된 배기라인(500)을 포함하고, 상기 제1챔버(300)로부터 상승 배기된 배출가스를 제2챔버(400)의 하부로 배기시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조용 탄화로의 배기구조.
청구항 1에 있어서;
상기 제1챔버(300)와 제2챔버(400)는 돔 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조용 탄화로의 배기구조.
청구항 1에 있어서;
상기 배기라인(500)에는 배출팬이 더 설치된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조용 탄화로의 배기구조.