JP2002294521A - 炭素化炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】炭素化炉内の排ガスをスムーズに排出でき、排
ガスの冷却によるタール成分の凝縮固化を可及的に防止
し、フィラメント切れや糸切れがない高品質の炭素繊維
を製造できる炭素化炉を提供する。 【解決手段】耐炎化繊維(F) を不活性ガス雰囲気下にて
加熱処理し炭素繊維に変換する炭素化炉(1) において、
炉内温度が３５０〜１１００℃となる位置、即ち、炉内
の温度設定が最高温度となる位置、気化したタール成分
が炉内で凝縮しないような位置、或いは、耐炎化繊維か
らタール成分が多量に発生する温度領域となる位置にお
いて、上壁(1a)に排気口(3) が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、繊維状物質を不活
性雰囲気下で加熱して炭素化し、炭素繊維を製造するた
めの炭素化炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維は比強度、比弾性率、耐熱性、
耐薬品性に優れていることから、各種素材の強化材とし
て使用されている。炭素繊維は、プレカーサーとして例
えばポリアクリロニトリル繊維を用いた場合、以下のよ
うにして製造される。

【０００３】即ち、プレカーサーであるポリアクリロニ
トリル繊維を、先ず耐炎化工程にて空気中で２００〜３
００℃の温度に加熱し、予備酸化して耐炎化繊維を得
る。次いで、この耐炎化繊維を炭素化工程にて、不活性
雰囲気中で３００〜２０００℃の温度に加熱し、炭素化
して炭素繊維が得られる。

【０００４】この炭素化工程にて使用される従来の炭素
化炉の概略を図６に示す。従来の炭素化炉１０はその中
心に走行路１３が、その前後端部を炉壁１２から突出さ
せて全長にわたって形成されており、平行に配列された
多数の耐炎化繊維Ｆがシート状となって走行している。

【０００５】前記走行路１３の繊維入口１３ａ及び繊維
出口１３ｂの近傍には不活性ガス供給口１４が形成され
ている。更に前記繊維入口１３ａ及び繊維出口１３ｂの
近傍には炭素化炉１０内の不活性雰囲気を保持するため
のシール機構１３ｃが設けられている。

【０００６】更に、炉壁１２の上壁部１２ａには耐炎化
繊維Ｆを炭素化するときに発生する排ガスを、同炭素化
炉１０から排出するための排気口１５が形成されてい
る。この排気口から排出された排ガスは、ダクトにより
排ガス処理装置１６へと送られ、燃焼処理がなされる。

【０００７】かかる炭素化炉は、炭素化工程において必
要に応じて複数段を連結し、各炉の設定温度をそれぞれ
に変えて使用することもある。

【０００８】炭素化工程において耐炎化繊維Ｆが炭素化
される際に発生する排ガス中には、耐炎化繊維Ｆの分解
生成物であるシアン化水素、アンモニア、一酸化炭素、
二酸化炭素、メタン、気化したタール成分等が含まれて
いる。これらの成分を含む排ガスは、図６に示す炭素化
炉１０では炉壁１２の上壁１２ａに形成された排気口１
５や、シール機構１３ｃを備えた繊維入口１３ａ及び繊
維出口１３ｂから排出される。なお、前記排気口の形成
位置は上壁１２ａだけでなく、従来では炉の下壁や側壁
に形成されている場合もある。

【０００９】しかしながら、炭素化炉で発生する耐炎化
繊維からの分解生成物が排ガスとしてスムーズに炉外に
排出されず、炉内の上方に滞留した場合、分解生成物、
特に気化したタール成分が炉の上壁面において凝縮固化
し、走行している耐炎化繊維上に落下してフィラメント
切れや糸切れ等の要因となっている。

【００１０】そこで、例えば特開平１１−２９３５２６
号公報に開示されている炭素化炉では、仕切板などの内
部ガスの流れを遮るような部材を排除すると共に、炉内
の断面積を小さくして内部ガス流による内壁面の洗浄効
果を高めることにより、タールの内壁面への付着を防止
している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、依然と
して排ガスの滞留を完防止することはできず、フィラメ
ント切れや糸切れを完全に阻止するこができないのが現
状である。また、炭素化炉の排気口から排ガス処理装置
へと排ガスを導くためのダクト又は配管等では、排ガス
温度が下がると、気化したタール成分が凝縮固化してし
まう。特にダクト又は配管等では壁面の温度が冷えやす
く、固化したタール成分が内壁面に付着する。

【００１２】排気口が炉の上壁に形成されている場合に
は、その排気口に連結されているダクトの内壁面に付着
したタール成分が剥がれ落ち、炉内を走行している耐炎
化繊維上に落下し、フィラメント切れや糸切れ等が発生
するといった問題もあった。

【００１３】そこで本発明はかかる従来の問題点を解決
し、炭素化炉内で発生した排ガスをスムーズに炉外に排
出することができ、排ガスの冷却によるタール成分の凝
縮固化を可及的に防止し、フィラメント切れや糸切れが
ない高品質の炭素繊維を製造可能である炭素化炉を提供
することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に発明者らが鋭意検討を行ったところ、排ガスをスムー
ズに排出するためには排気口の形成位置が重要であるこ
とが判明した。更には、前記排気口を、炉内の温度設定
が最高温度となる位置、気化したタール成分が炉内で凝
縮しないような位置、或いは、耐炎化繊維からタール成
分が多量に発生する温度領域となる位置に設けることに
より、排ガスをより円滑に外部へと排気できると共に、
タール成分の滴下によるフィラメント切れや糸切れを完
全に防止できることがわかった。

【００１５】即ち、本件請求項１に係る発明によれば、
耐炎化繊維を不活性ガス雰囲気下にて加熱処理し炭素繊
維に変換する炭素化炉において、炉内温度が３５０〜１
１００℃となる位置において上壁に排気口が形成されて
なることを特徴としている。

【００１６】一般に、ポリアクリロニトリル繊維をプレ
カーサとする耐炎化繊維は、単一の炭素化炉内又は複数
の炭素化炉を多段に配して、不活性雰囲気下にて３００
〜２０００℃の温度範囲で段階的に加熱する。このと
き、炉内温度が３５０℃〜１１００℃となる位置の上壁
に排気口を設けることにより、炉内の排ガスを前記排気
口から円滑に排気できる。そのため、排ガスが炉内に滞
留することがなく、タール成分が液化更には固化して走
行する繊維に落下することもない。

【００１７】炉内の温度設定が最高温度となる位置、気
化したタール成分が炉内で凝縮しないような位置、或い
は、耐炎化繊維からタール成分が多量に発生する温度領
域となる位置に排気口が形成されている炭素化炉とし
て、具体的には、本件請求項２に係る発明によれば、前
記排気口は前記炉内温度が９００〜１１００℃となる位
置に形成されている。

【００１８】或いは、本件請求項３に係る発明によれ
ば、前記排気口は前記炉内温度が３５０℃〜４５０℃と
なる位置に形成されている。また、本件請求項４に係る
発明によれば、前記排気口は前記炉内温度が６００℃〜
８００℃となる位置に形成されている。

【００１９】なお、炉内の温度設定が最高温度となる位
置と、耐炎化繊維からタール成分が多量に発生する温度
領域となる位置とを一致させ、且つその位置に排気口を
設けることがより好ましい。

【００２０】更に本件請求項５に係る発明によれば、前
記排気口には排ガス処理装置へと排気ガスを導く排気管
が配されてなり、同排気管は前記排気ガスの温度を前記
排気口形成位置における炉内温度以上に維持する加熱手
段を有してなることを特徴としている。

【００２１】前記加熱手段としては、前記排気管の外側
に断熱材を取り付ける方法や、前記排気管を外側から加
熱する方法などが挙げられる。

【００２２】このように、排気管を通過する排ガスを少
なくとも炉内温度以上に維持することにより、排ガスが
排気管内で冷却されてタール成分が凝縮固化し、排気管
の内壁面に付着するのを防止できる。そのため、排気管
の内壁面に付着したタール成分が剥がれ落ちて炉内を走
行している耐炎化繊維上に落下し、フィラメント切れや
糸切れ等の要因となることもない。

【００２３】また、本件請求項６に係る発明によれば、
前記排気口は前記炭素化炉の繊維走行方向に直交する方
向に、全幅にわたって開口するスリット状であることを
特徴としている。一般に炭素化炉内では多数の耐炎化繊
維が幅方向にシート状に配列されて走行している。排気
口の形成位置では局部的に炉内温度が低下するが、この
排気口を炉の全幅にわたって開口するスリット状とする
ことにより、シート中央部分に配された耐炎化繊維とシ
ート端縁部分に配された耐炎化繊維との間で処理温度に
差が生じることがなく、全繊維を均一に処理することが
できる。

【００２４】また、本件請求項７に係る発明によれば、
スリット状の前記排気口の開口長は、同排気口に連結さ
れた排気管の直径と略同一であることを特徴としてい
る。排気管をスリットの開口長と同一の直径をもつ円筒
管とすることにより、スリット状排気口の開口面積より
も大きな断面積をもつ排気管となるため、円滑に排気が
なされる。また、円筒状の管には角部がないため、内部
の清掃が容易である。

【００２５】或いは、本件請求項８に係る発明によれ
ば、複数の前記排気口が、前記炭素化炉の繊維走行方向
に直交する方向に配列されてなることを特徴としてい
る。このように複数の排気口を繊維走行方向に直交する
方向、すなわち、炭素化炉の幅方向に配列することによ
り、排気口の形成位置における炉内温度を幅方向で均一
にでき、シート中央部分に配された耐炎化繊維とシート
端縁部分に配された耐炎化繊維との間で処理温度に差が
生じることがなく、全繊維を均一に処理することができ
る。

【００２６】本件請求項９に係る発明によれば、前記排
気口は、少なくとも繊維走行方向の前後角部が円弧状で
あることを特徴としている。炉内ガスは耐炎化繊維の走
行方向に沿った流れが形成されているため、前記排気口
の繊維走行方向の前後角部を円弧状とすることにより、
更に円滑に炉内ガスを排気口へと導くことができる。

【００２７】本件請求項１０に係る発明によれば、前記
炭化炉は、前記排気口の形成位置において少なくとも片
側の側壁に開閉可能な扉部が形成されてなることを特徴
としている。上述したように、本発明では炉内ガスを円
滑に排気できるため、タール成分の炉内壁面への付着量
を最小限に抑制できるものの、完全には阻止できない場
合もある。特に、本発明ではタール成分が最も多量に発
生する位置に排気口を設けているため、排気口の近辺に
はタール成分が付着しやすい。そのため、排気口の形成
位置の近傍に扉部を形成し、内部の壁面を清掃可能とす
ることで、タール成分の走行繊維への落下を確実に阻止
できる。

【００２８】また、本件請求項１０に係る発明によれ
ば、前記排気管の一部に開閉可能な蓋部が形成されてな
ることを特徴としている。前記排気管も保温、加熱する
ことにより、排ガスの冷却を防止し、タール成分の凝集
固化を抑制できるが、排ガス処理装置へと至る間には、
装置の設置場所によっては排気管に曲線部分や連結部分
が生じる。かかる曲線部分や連結部分では排ガスの滞留
などによってタール成分が付着する場合があるため、か
かる部分に蓋部を設けることにより、内部を清掃可能に
し、タール成分の繊維への落下を完全に防止することが
できる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発
明の好適な実施形態による炭素化炉の一部を概略的に示
す、耐炎化繊維の走行方向に沿った断面図であり、図２
は同図１のＡ−Ａ線に沿った矢視断面図である。

【００３０】前記炭素化炉１は、その中心に耐炎化繊維
Ｆの走行路２が炉の全長にわたって形成されており、平
行に配列された多数の耐炎化繊維Ｆがシート状となって
走行している。

【００３１】前記炭素化炉１には図示せぬ不活性ガス供
給口から不活性ガスが供給され、炭素化炉１内の不活性
雰囲気が保持されている。この不活性雰囲気にある炭素
化炉内を走行する間に、前記耐炎化繊維Ｆは加熱分解さ
れて炭素化がなされるが、その際に、耐炎化繊維Ｆの分
解生成物であるシアン化水素、アンモニア、一酸化炭
素、二酸化炭素、メタン、気化したタール成分等を含む
排ガスが発生する。

【００３２】そのため、炭素化炉１にはこれら排ガスを
排気するための排気口３が形成されている。特に、本実
施例にあっては、上述した分解生成物を含む排ガスが、
炉内の上部に滞留することなくスムーズに排出される位
置に、前記排気口３が形成されている。

【００３３】即ち、前記排気口３は炉の上壁１ａに形成
されている。更に、前記排気口３は、炉内の温度設定が
最高温度となる位置、気化したタール成分が炉内で凝縮
しないような位置、或いは、耐炎化繊維からタール成分
が多量に発生する温度領域となる位置に設けられてい
る。更には、炉内の温度設定が最高温度となる位置と、
耐炎化繊維からタール成分が多量に発生する温度領域と
なる位置とを一致させ、且つその位置に排気口を設ける
ことがより好ましい。

【００３４】上記位置を具体的に炉内温度で示すと、炉
内温度が３５０〜４５０℃、６００℃〜８００℃、及び
９００℃〜１１００℃となる位置であり、かかる位置に
排気口３を形成することが望ましい。

【００３５】本実施例にあっては、円形の前記排気口３
が上記温度範囲となる位置にそれぞれ２つづつ、耐炎化
繊維Ｆの走行方向と直交する並列して形成されている。
更に前記排気口３には同排気口３と同一径の円形断面を
もつ排気管４が接続されている。本実施例にあっては、
２本の前記排気管４をＬ字状に連結して、前記排気口３
からの排ガスを排ガス処理装置５へと導いている。

【００３６】前記排気口３は排ガスが炭素化炉１内に滞
留しないような形状としている。本実施例では、図３に
示すように、排気口３の繊維走行方向に沿った前後の角
部３ａをＲの曲面としている。

【００３７】或いは、図４及び図５に示す炭素化炉１′
のように、前記排気口を炭素化炉１０の繊維走行方向に
直交する全幅にわたって形成されたスリット状排気口
３′とすることが好ましい。このとき、スリット状排気
口３′に接続する排気管４′は前記スリット状排気口
３′の開口長さと略同一の直径をもつ円筒管とすること
が好ましい。また、この場合も、排気口３′の少なくと
も繊維走行方向に沿った前後の角部３ａ′は曲面形状と
することが好ましい。

【００３８】更に、本実施例にあっては、炭素化炉１の
排気口３と排ガス処理装置５とを連結する前記排気管４
の周囲に電気ヒーター４ａを巻きつけ、更にその外側に
断熱材４ｂを巻きつけている。これにより、前記排気管
４の内部を通過する排ガスが加熱、保温され、排ガスの
温度は少なくとも炭素化炉１から排出時の温度に維持さ
れる。そのため、排ガスが冷却されてタール等が液化す
ることがなく、タール等の滴下により処理されている耐
炎化繊維のフィラメント切れや糸切れが生じることもな
い。なお、排ガスの温度は炭素化炉からの排出時の温度
よりも高い温度となるように加熱しても良い。

【００３９】上述した構成を備えた炭素化炉１であって
も、排気口３及び排気管４に付着するタール成分がゼロ
ではない。そのため、定期的に排気口３及び排気管４の
内壁面を点検、掃除できるよう、前記排気口３の形成さ
れている位置において、炉の側壁１ｂに開閉可能な扉１
ｃを設けると共に、排気管４の一部、例えば本実施例の
ように直角に屈曲している連結部分に蓋部４ｃを設ける
ことがより望ましい。

【００４０】以下、本発明の実施例について説明する。
温度設定が最高８００℃である炭素化炉において、炉内
で発生する排ガスを取り出す排気口を、炉内温度が６０
０〜８００℃となる位置に、炉の上壁に形成した。この
排気口の形状は、繊維の走行方向に直交する幅方向の、
全幅にわたるスリット形状としている。また、この排気
口の線に走行方向の前後角部を半径１３４ｍｍの曲面形
状としている。スリットの開口長は２５０ｍｍとし、こ
の排気口の上部には直径が２５０ｍｍの排気管を接続し
た。更に排気管の外側には最高温度が８００℃に達する
電気ヒーターを取り付け、更にその外側に２００ｍｍの
保温材を巻き付けた。また、排気口近傍の炉の側壁には
扉を、排気管の屈曲部分には蓋部を形成し、内部を定期
的に点検、掃除可能とした。

【００４１】かかる炭素化炉を用いて、ポリアクリロニ
トリル系のプレカーサーを耐炎化したフィラメントの繊
維束からなる耐炎化繊維を用い、３００〜８００℃の範
囲の炭素化炉で加熱処理した。このとき、炭素化炉から
排出される排ガスの温度を約８００℃に維持した。２０
日間連続して加熱処理を行ったところ、固化したタール
成分の落下は無く、また、運転停止後に炉内上部、排気
口、排気管を点検したところ、それらの内壁面には殆ど
固化したタール成分の付着がなかった。

【００４２】以上、本発明の炭素化炉では、炉内の排ガ
スが炉内上方に滞留することなく、排気口から炉外にス
ムーズに排出することが可能である。また、排気口から
排ガス処理装置への排気管においても、気化したタール
成分の凝縮固化は認められず、炉内上部、排気口、排気
管内面へのタール成分の付着を効果的に抑制できる。そ
の結果、凝縮固化したタール成分の処理繊維への落下が
激減し、フィラメント切れや糸切れも抑制され、歩留り
が向上すると共に毛羽等の発生もなく品質が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な実施形態による炭素化炉の概略
を示す繊維走行方向に沿った断面図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ線に沿った矢視断面図であ
る。

【図３】上記炭素化炉の排気口の説明図である。

【図４】上記炭素化炉の変形例による炭素化炉の概略を
示す繊維走行方向に沿った断面図である。

【図５】図４におけるＢ−Ｂ線に沿った矢視断面図であ
る。

【図６】炭素化工程にて使用される従来の炭素化炉の概
略図である。

【符号の説明】

１，１′ 炭素化炉 １ａ 上壁 １ｂ 側壁 １ｃ 扉 ２ 走行路 ３ 排気口 ３ａ 角部 ３′ スリット状排気口 ３ａ′ 角部 ４，４′ 排気管 ４ａ 電気ヒーター ４ｂ 断熱材 ４ｃ 蓋部 ５ 排ガス処理装置 １０ 炭素化炉 １２ 炉壁 １３ 走行路 １３ａ 繊維入口 １３ｂ 繊維出口 １３ｃ シール機構 １４ 不活性ガス供給口 １５ 排気口 １６ 排ガス処理装置 Ｆ 耐炎化繊維

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4L037 CS03 CT09 CT13 FA01 PA53 PC11 PC20

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐炎化繊維を不活性ガス雰囲気下にて加
   熱処理し炭素繊維に変換する炭素化炉において、 炉内温度が３５０℃〜１１００℃となる位置において上
   壁に排気口が形成されてなることを特徴とする炭素化
   炉。
2. 【請求項２】 前記排気口は前記炉内温度が９００〜１
   １００℃となる位置に形成されてなることを特徴とする
   請求項１記載の炭素化炉。
3. 【請求項３】 前記炉内温度が３５０℃〜４５０℃とな
   る位置に排気口が形成されてなることを特徴とする請求
   項１又は２記載の炭素化炉。
4. 【請求項４】 前記炉内温度が６００℃〜８００℃とな
   る位置に排気口が形成されてな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化炉。
5. 【請求項５】 前記排気口には排ガス処理装置へと排気
   ガスを導く排気管が配されてなり、同排気管は前記排気
   ガスの温度を前記排気口形成位置における炉内温度以上
   に維持する加熱手段を有してなることを特徴とする請求
   項１〜４のいずれかに記載の炭素化炉。
6. 【請求項６】 前記排気口は前記炭素化炉の繊維走行方
   向に直交する方向に、全幅にわたって開口するスリット
   状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記
   載の炭素化炉。
7. 【請求項７】 スリット状の前記排気口の開口長は、同
   排気口に連結された排気管の直径と略同一であることを
   特徴とする請求項６記載の炭素化炉。
8. 【請求項８】 複数の前記排気口が、前記炭素化炉の繊
   維走行方向に直交する方向に配列されてなることを特徴
   とする請求項１〜５のいずれかに記載の炭素化炉。
9. 【請求項９】 前記排気口の少なくとも繊維走行方向の
   前後角部が円弧状に形成されてなることを特徴とする請
   求項１〜８のいずれかに記載の炭素化炉。
10. 【請求項１０】 前記炭化炉は、前記排気口の形成位置
    において少なくとも片側の側壁に開閉可能な扉部が形成
    されてなることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに
    記載の炭素化炉。
11. 【請求項１１】 前記排気管の一部に開閉可能な蓋部が
    形成されてなることを特徴とする請求項５記載の炭素化
    炉。