JP2006125725A - 金属製マッフルとそれを使用した昇降式焼成炉 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素を含有する耐火物の熱処理あるいはタールやピッチ等を含浸した耐火物の熱処理において使用される金属製マッフルの変形を防止し、さらにそれを使用した昇降式焼成炉を提供すること。
【解決手段】金属製マッフル１を、マッフル蓋２と底板３とから構成し、マッフル蓋２を、底のない天井を有する箱型または円筒型として全面を波形金属板から構成するとともに、マッフル蓋２の下部にシール枠１１を設けた。マッフル蓋２下部のシール枠１１を底板３表面の溝１２に嵌合し、金属製マッフル１を密閉状態とする。昇降式焼成炉で使用する際は、マッフル蓋２を炉内に設置し、底板３を昇降式炉床に設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐火物等を密閉状態で熱処理するための金属製マッフルとそれを使用した昇降式焼成炉に関する。

アルミナカーボン質耐火物やマグネシアカーボン質耐火物のように炭素を含有する耐火物の熱処理、タールやピッチ等を含浸した耐火物の熱処理、あるいは焼成雰囲気を調整して耐火物を焼成する場合等には、耐火物はマッフルと呼ばれる密閉容器に入れて熱処理される。このマッフル内には、必要に応じて水素、窒素、アルゴン等のガスあるいはコークス等を導入する場合もある。そして、炉内温度が１１００から１２００℃以上の場合には、耐火物製のマッフルを使用するが、炉内温度がそれより低い場合には金属製マッフルを使用する場合がある。

この金属製マッフルは、マッフルごと着脱できるため、ハンドリングに優れ作業能率が高いメリット、さらには金属の厚みが３から５ｍｍと薄いため耐火物の積載効率が高くなるメリットなどがある。そして、金属の材料としては、耐酸化性に優れるステンレスが一般的に使用されている。しかし、炭素を含有する耐火物の熱処理あるいはタールやピッチ等を含浸した耐火物の熱処理においてはマッフル外の炉内温度が５００〜１０００℃にもなり、ステンレス製のマッフルであっても変形が著しい。変形が大きくなると、例えばマッフルの蓋が閉じなくなったりして、密閉状態が悪くなる問題がある。このため、定期的に交換しなければならない問題がある。

変形を防止するために、例えば特許文献１では、２重構造の金属容器を使用することが提案されている。しかしながら、この方法では熱効率が悪い問題、さらには、外側の金属容器は変形するために交換頻度は１重構造の場合とほとんど変わらないという問題がある。

一方、金属製マッフルは、円筒状あるいは角筒状の形をしており、特許文献１のものは、耐火物の出し入れのためにスライド式の扉と蓋を有している。このような扉や蓋は金属製のため重くハンドリングに手間を要する問題がある。

そこで、特許文献２では、昇降式焼成炉において、あらかじめ、マッフルを炉内に配置しておく方法が提案されている。しかしながら、５００〜１０００℃の温度で使用し、しかも燃焼バーナーを使うような条件で使用する場合には、マッフルの変形が大きくなり、下部シール部の密閉状態が悪くなる問題がある。
特公昭６２−１４５１１号公報 特開平１０−１４１８５９号公報

本発明が解決しようとする課題は、炭素を含有する耐火物の熱処理あるいはタールやピッチ等を含浸した耐火物の熱処理において使用される金属製マッフルの変形を防止し、さらにそれを使用した昇降式焼成炉を提供することである。

本発明者は、金属製マッフルの金属板を波形構造とすることで、変形を防止し耐用性が格段に向上し、しかもマッフル内部の温度分布も均一になる効果も得られることを知見した。

すなわち、本発明の金属製マッフルは、それを構成する金属板として波形金属板を使用していることを特徴とする。

具体的には、金属製マッフルの側壁を一体化した波形金属板で構成し、その波の稜線がほぼ鉛直方向になるように配置することができる。また、金属製マッフルを、マッフル蓋と底板とから構成し、マッフル蓋を、底のない天井を有する箱型または円筒型として全面を波形金属板から構成するとともに、マッフル蓋の下部にシール枠を設けることもできる。

本発明の昇降式焼成炉は、上記金属製マッフルを使用したもので、マッフル蓋を炉内に設置し、底板を昇降式炉床に設置したものである。また、複数のマッフル蓋を所定の間隔を置いて一列に配置し、このマッフル蓋に対応して複数の底板を有する昇降式炉床を配置し、マッフル蓋間に燃焼バーナーを上下互い違いになるように対向して設けることもできる。

本発明の金属製マッフルは、５００〜１０００℃の雰囲気で使用してもほとんど変形せず、従来の金属製マッフルと比較して寿命が格段に長くなるため焼成コストが低下する。また、波形構造によってマッフル内の熱輻射がより均一になるので、マッフル内の温度分布が均一になり、被焼成物の品質のバラツキが小さくなる。

また、本発明の昇降式焼成炉において、金属製マッフルのマッフル蓋は炉内に設置されるが、その全面を波形金属板で構成することにより、５００〜１０００℃でも変形することなく長期間使用することができる。

さらに、この昇降式焼成炉内に複数のマッフル蓋を配置し、マッフル蓋同士の間にバーナー口を設けると、金属製マッフル内部の温度分布が均一となり、しかも金属製マッフルの耐久性も向上する。

本発明の金属製マッフルの第１の実施例を図１、図２及び図３で説明する。図１は本発明の第１の実施例である金属製マッフルの垂直断面図を、図２はその平面図を、図３は図１のＡ−Ａ矢視図を示す。

図１に示すように、金属製マッフル１は、マッフル底板３と、マッフル底板３のサンドシール用の溝１２に下端部を嵌め込むことで密閉構造となるマッフル蓋２とからなる。マッフル蓋２は、底のない箱型をしており、側壁は４枚の側面用波形金属板４で構成され、天井は１枚の天井用波形金属板５で構成されている。そしてこの側面用波形金属板４は、波の稜線６がほぼ鉛直方向になる向きに配置され、それぞれの側面用波形金属板４が接する４つのコーナー部７を溶接固定することで箱型の一体化した側壁を形成している。また、このマッフル蓋２は、フレーム等は使用せず波形金属板のみで構造体としての強度を保持している。

波形金属板において波の稜線の上下端面には、密閉するために細長い金属板を溶接固定している。つまり側面用波形金属板４の上端面には上部シール板８が計４枚、下端面にも計４枚の下部シール板９が溶接固定されている。これらのシール板は幅が波の高さ程度である。

天井用波形金属板５において、波の稜線と平行な端面は側壁の上部シール板８に溶接固定され、稜線と垂直方向の端面は上側面シール板１０を介して側壁の上部シール板８に溶接固定されている。

側面用波形金属板４は、その下部に、四角の筒状をしたシール枠１１を有している。このシール枠１１は凹凸のない平らな長方形の平板で構成されている。このシール枠１１は、マッフル底板３の溝１２に入ってサンドシールをするために設けるものである。

一方、マッフル底板３は、その表面に、外周部を一周する連続した溝１２を有し、この溝１２は長方形の内枠１３と外枠１４とで構成されている。この溝１２には耐火粉末が入っておりサンドシールとしている。このマッフル底板３の溝１２にマッフル蓋２下部のシール枠１２が入ることで、金属製マッフル１全体がほぼ密閉状態になる。この金属製マッフル１を昇降式焼成炉に設置する場合、マッフル底板３を昇降式炉床の上に載せて、マッフル底板３の上に耐火物等を置き、上からマッフル蓋２を被せることで、外気をほぼ遮断することができる。

この実施例では、波形金属板をマッフル蓋２の全面に使用したが、焼成炉のタイプや使用温度によっては変形の大きな部位のみに設けることで十分な効果が得られる。例えば、従来の金属製マッフルにおいて直接燃焼ガスの炎と接触する部位やそれに近い範囲の鉄板を波形金属板にすることでも十分である。そして、使用温度が高温で使用時間も長くなる過酷な条件になるほど、より多くの面を波形金属板とすれば良い。

また、本発明の金属製マッフルは、その側壁を構成する側面用波形金属板を一体化した構造とすることで、より変形が少なくなり耐用性が向上する。本実施例のように角筒型のマッフルであれば、４枚の側面用波形金属板４の４つのコーナー部７を鉛直方向に溶接固定することで側壁全体が一体化する。このため、側壁で発生する歪は全体の変形で吸収されることになり、より変形が生じにくくなり、より応力吸収能力が高まる。また、側壁に加えて天井も一体化すると、より高い効果が得られる。本実施例では、一体化するために溶接固定しているが、ボルト・ナットで固定する等他の手段でも構わない。

波形金属板を側壁に設ける場合には、波の稜線がほぼ鉛直方向に向くように波形金属板を配置すると、構造体としての強度が高くなるので熱応力による変形もより少なくなる効果がある。金属製マッフルの形状については特に制約がなく、箱型や円筒形など自由な形状に設計することができる。

本発明で使用する波形金属板とは、断面が波形をしたもので、例えば図４に示す波の頂点が尖ったタイプ、図５のように波の頂点が滑らかなタイプ、あるいは図６のように波の頂点が平らなタイプ等を使用することができる。波の大きさは、マッフルの大きさや使用条件によって決めれば良いが、波の高さＨが１０〜１００ｍｍ、波の長さＬが１０〜１５０ｍｍがより好ましい。波の高さＨが１０ｍｍ未満では応力吸収効果が小さく変形しやすくなり、１００ｍｍを超えると被焼成物の積載効率が悪く実用的でない。波の長さＬが１０ｍｍ未満では金属板の製造に手間を要するためコスト高となり、１５０ｍｍを超えると応力吸収効果が小さく変形しやすくなる。波形金属板の厚みは、このような波形構造とすることで比較的薄いものでも大きな変形は発生しにくく、０．５〜５ｍｍの範囲がより好ましい。０．５ｍｍ未満では耐用性に問題があり、５ｍｍを超えると重くなり実用的でない。波形金属板の材質は、耐久性の面からステンレス等を使用することが好ましい。

先に図１〜図３で説明したとおり、側面用波形金属板４の下部は、一般的に使用されているサンドシール構造とするために表面が平らな筒状のシール枠１１を有している。波形金属板でサンドシール構造にするためには、変形代を考慮すると溝１２の幅が広くなるために、被焼成物の積載効率が悪くなるためである。また、シール枠１１のみを厚い金属板で形成する等頑丈な構造とすることで、波形金属板が多少変形してもシール枠１１への影響を抑制することができる。このためシール枠１１は、被焼成物の積載効率に悪影響を与えない程度に厚く、高さは溝１２の深さプラスα程度の必要最小限の高さであれば問題ない。そして、その大きさはマッフルの大きさに応じて決まるものであるが、高さはマッフルの高さの３〜２０％であることがより好ましい。３％未満では、短すぎてサンドシールの効果が得られにくく、２０％を超えると変形しやすくなり、マッフル蓋を置いたときにバランスを崩したり、溝１２に入りにくくなったりする。また、厚みは、２〜２０ｍｍがより好ましい。２ｍｍ未満では、変形しやすくなり、２０ｍｍを超えるとサンドシールとして耐火物粉末中に深く入らずにシール性が低下する。

次に本発明の金属製マッフルを実際に使用した昇降式焼成炉を示す。

図７は、金属製マッフルを使用した昇降式焼成炉の垂直断面図を、図８は図７のＢ−Ｂ矢視図を示す。昇降式焼成炉２０は、炉本体２１と４つの昇降式炉床２２とからなる。炉本体２１は、箱型をしており炉壁２３の外側は鉄皮、内側は耐火物でライニングされている。この炉本体２１は、図示しない複数の支柱によって床に固定されている。炉本体２１の下にはレール２４上を走行する走行台車２５があり、走行台車２５の上には昇降機２６を有している。昇降機２６としては、モーターあるいは油圧を利用した一般的な昇降機を使用することができる。

炉内には金属製マッフル１のマッフル蓋２がほぼ等間隔で４つ天井から吊り下げられている。このマッフル蓋２の下には昇降式炉床２２が昇降機２６によって昇降することで着脱できるようになっている。昇降式炉床２２の上にはマッフル底板３を設置している。昇降式炉床２２は上昇すると図示しないストッパーで下降しないように固定されている。

炉内のそれぞれマッフル蓋２の間には、長手側の炉壁においてそれぞれバーナー口２７を上部に１ヵ所、下部に１ヶ所の計２個有している。このため燃焼ガスのフレームが直接金属製マッフル１に当らないため金属製マッフル１の変形を抑制することができる。

このバーナー口２７は上下左右が互い違いになるように設けている。例えば図７及び図８においてバーナー口２７ａは奥の上方の炉壁に、バーナー口２７ｂは手前の下方の炉壁に、バーナー口２７ｃは奥の下方の炉壁に、バーナー口２７ｄは手前の上方の炉壁となっている。端の金属製マッフル１と短辺側の炉壁２８との間にも同様にバーナー口２７を２ヵ所有している。バーナー口２７をこのように配置することで、マッフル蓋２間の燃焼ガスは渦巻を形成し炉内の温度分布がより均一になる。マッフル蓋２は吊り金具２９で吊られているが、図示していないが着脱できる構造となっている。また金属製マッフル１としては図１〜３に示したものと同じものを使用している。

次に昇降式焼成炉２０の操作方法について説明する。まず走行台車２５上の昇降機２６によって昇降式炉床２２を下ろして別の場所である積み降ろし場へ移動する。積み降ろし場では走行台車２５に昇降式炉床２２が載った状態で、マッフル底板３上に被焼成物である耐火物３０を積載する。積載後、走行台車２５が炉本体２１の下へ移動し、昇降機２６により昇降式炉床２２を上昇させて炉本体２１の炉口３１に嵌合させることで、マッフル底板３の溝１２（図１参照）にマッフル蓋２の下部を嵌合させる。その後、ストッパーを掛けて落下を防止することで昇降式炉床２２の挿入作業を終える。４つの昇降式炉床２２を順番に入れてゆき、挿入を終えると、焼成を開始する。焼成後は、１つずつ昇降式炉床２２を昇降台車２５に載せて積み降ろし場に移動し、焼成物を降ろした後、次に熱処理する耐火物３０を積載する。

このように、昇降式焼成炉の場合には台車が炉内で移動しないため、トンネル式焼成炉とは異なりマッフルに燃焼ガスのフレームが直接触れない設計とすることができるので、マッフルの寿命の点からは優れている。さらに、炉床の着脱とマッフルの着脱を同時に行えるので作業能率が高いメリットがある。したがって、本発明の金属製マッフルを適用することで、その変形しにくいメリットを最大に引き出せる焼成炉となる。

そして、複数の金属製マッフルを使用した昇降式炉床とすることで、同じ容積の金属製マッフル炉と比べてマッフル内の温度分布が均一になるメリットがある。そして、金属製マッフル間に燃焼ガスを通す構造とするために金属製マッフルの耐久性が向上する。

本発明は、炭素含有耐火物の熱処理、耐火物の雰囲気焼成等に利用できるが、特に、タールやピッチで含浸した耐火物を熱処理する場合には、炉内温度が５００〜１０００℃となり、炉も大きくなるためバーナーを使用し、さらに金属製マッフル自体も大きくなるために、本発明の金属製マッフルを使用すると耐用性が格段に向上するので好適である。

本発明の第１の実施例である金属製マッフルの垂直断面図である。 本発明の第１の実施例である金属製マッフルの平面図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 波形金属板の断面図である（波の頂点が尖ったタイプ）。 波形金属板の断面図である（波の頂点が滑らかなタイプ）。 波形金属板の断面図である（波の頂点が平らなタイプ）。 本発明の金属製マッフルを使用した昇降式焼成炉の垂直断面図である。 図７のＢ−Ｂ矢視図である。

符号の説明

１ 金属製マッフル
２ マッフル蓋
３ マッフル底板
４ 側面用波形金属板
５ 天井用波形金属板
６ 波の稜線
７ コーナー部
８ 上部シール板
９ 下部シール板
１０ 上側面シール板
１１ シール枠
１２ 溝
１３ 内枠
１４ 外枠
２０ 昇降式焼成炉
２１ 炉本体
２２ 昇降式炉床
２３ 炉壁
２４ レール
２５ 走行台車
２６ 昇降機
２７ バーナー口
２８ 短辺側の炉壁
２９ 吊り金具
３０ 耐火物
３１ 炉口

Claims (5)

1. 金属製マッフルを構成する金属板として波形金属板を使用している金属製マッフル。
2. 金属製マッフルの側壁が一体化した波形金属板で構成され、しかもその波の稜線がほぼ鉛直方向になるように配置している金属製マッフル。
3. 金属製マッフルが、マッフル蓋と底板とからなり、マッフル蓋が底のない天井を有する箱型または円筒型をなし、しかも全面が波形金属板からなり、さらにマッフル蓋は、その下部にシール枠を有する金属製マッフル。
4. 請求項３記載の金属製マッフルを使用した昇降式焼成炉であって、マッフル蓋を炉内に設置し、底板を昇降式炉床に設置した昇降式焼成炉。
5. 複数のマッフル蓋を所定の間隔を置いて一列に配置し、このマッフル蓋に対応して複数の底板を有する昇降式炉床を配置し、マッフル蓋間に燃焼バーナーを上下互い違いになるように対向して設けた請求項４記載の昇降式焼成炉。

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