JP2006199521A - 焼成台およびそれを用いた焼成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック成形体の焼成において、収縮不均一、反りや変形、焼結状態不均一の課題を同時に解決し、かつ低コストで大規模な焼成を容易に可能にする焼成台及びそれを用いた焼成方法を提供する。
【解決手段】セラミック成形体の焼成台であって、前記セラミック成形体が載置される載置台が可動する可動載置台を備えることを特徴とするセラミック成形体の焼成台。また、前記可動載置台が可動促進部を備えることを特徴とする焼成台。また前記可動促進部を１つの前記載置台に複数備えることを特徴とする焼成台を提供する。
【選択図】なし

Description

本発明は、セラミック成形体の焼成に好適な焼成台及びそれを用いた焼成方法に関する。特には長尺のセラミック成形体の焼成に好適な焼成台に関する発明である。

従来、セラミック成形体の高温焼成において、吊り焼成が出来ない場合は、焼成台に載置して焼成する方法が採用されている。前記焼成方法の課題には反りと収縮不均一がある。反りは、長尺の両端が反り上がるという問題を指している。焼成収縮過程において、長尺セラミック成形体の焼成台非接触面側に比較して接触面側は輻射熱を受けにくいことから発生すると考えられている。収縮不均一とは、成形体断面における載置時の上下左右方向および長尺方向それぞれの部位ごとに焼成収縮率が異なることを指している。

反りの課題に対して、焼成中に反り上がるセラミック成形体の、長尺方向における両端を押さえつける治具を備えた焼成台が従来から報告されている。その内容は特許文献１と特許文献２に示されている。前記焼成台を用いることで両端部の反り上がりは抑制される。しかし、収縮不均一については対策がなされていないので、課題は残されている。

また、従来報告されている特許文献の中で、焼成方法に可動部がある技術報告例として、特許文献３と特許文献４がある。焼成炉自体が回転するケースと、炉床が移動するケースとがあるが、いずれも円筒セラミックが円筒中心線を軸として回転するものであった。これにより前記課題のうち、反り及び成形体断面における上下左右方向の収縮不均一に関しては効果が報告されている。しかし、長尺方向の収縮不均一に関しては効果が明確ではない。更に、焼成炉自体やその一部の回転部を設けるために、焼成設備の規模が大きくなる。したがって、低コスト大量焼成に向かないという課題があった。

特開２００２−３４８１７９号公報（第５頁、第４−７図） 特開２００２−２８４５８１号公報（第６頁、第６図） 特開平５−１７０５５４号公報（第４−５頁、第１−５図） 特開２０００−３２０９７６号公報（第４頁、第２図）

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。加えて、燃料電池の電極など多孔体を所望する場合においては、焼結状態不均一も本発明で解決する課題である。ここで言う焼結状態不均一とは、セラミック成形体を焼成台に載置して焼成する場合、焼成台接触表面と非接触表面や長尺長さ方向において、部位別の開口気孔率に違いが生じることを指している。本発明の目的は、セラミック成形体の焼成において、収縮不均一、焼結状態不均一、反りや変形といった課題を抑制し、かつ低コストで大量焼成を容易に可能にすることにある。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明によれば、セラミック成形体が戴置される戴置台が可動する可動戴置台を備えることを特徴とするセラミック成形体の焼成台を提供する。

また、請求項２記載の発明によれば、前記可動戴置台が可動促進部を備えることを特徴とする請求項１記載の焼成台を提供する。

また、請求項３記載の発明によれば、前記可動促進部を１つの前記戴置台に複数備えることを特徴とする請求項２に記載の焼成台を提供する。

また、請求項４記載の発明によれば、前記可動戴置台が対向して形成され、対向している前記可動戴置台の間に第２戴置部を備えることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の焼成台を提供する。

本発明によれば、セラミック成形体の焼成において、第１に収縮不均一が抑制できる。第２に収縮不均一の抑制により、反りや変形の低減が図れる。第３に焼結状態不均一の抑制ができる。以上のように３件の課題解決を同時に対策でき、しかも低コスト大量焼成に向く焼成台とそれを用いた焼成方法を提供する。

本発明の第１実施例について、図１〜図４を用いて説明する。
図１は第１実施例の概略図、図２は焼成台組立図、図３は複数成形体焼成台図、図４は焼成時の成形体を表した模式図である。なお図では一部透視表示した。
本実施例で使用されたセラミック成形体は、固体酸化物燃料電池の空気極原料として一般的に使用されているランタンマンガナイトからなり、全長200mm以上の長尺円筒成形体である。
図１の焼成台は下部に基台１を備え、その基台１の上面にボール１１を複数個備える複数の基台溝１３を有している。各基台溝１３に配置されたボール１１はその上部にボール１１を挟み込む形で可動戴置台２〜７の下面側の可動載置台溝１２との間に位置する。本明細書の実施例では、載置台は全て可動載置台であり、以下は単に載置台と表記する。
本実施例の載置台形状は台形の断面を持つ６面体であり、下面には溝を２本備えている。載置台側面の斜面部分は成形体を載置する面になっている。成形体１５は白抜き矢印の方向に載置される。
ここで載置台の配置を詳しく述べると、各載置台ごとに２本の平行な溝の組み合わせを備えている。言い換えると１つの載置台につき、下部に２つの可動促進部を備えている。可動促進部は対向する２本の溝と複数のボールからなる構造をしている。例えば、載置台２で説明をすると、載置台２の下面に２本の平行な載置台溝１２と基台溝１３の間にボール１１を挟むことで可動促進部１４を構成している。
次に第１実施例の使用方法を図２、図３を用いて説明する。
図２の基台１に備えた基台溝１３にボール１１を複数個配置する。そのボールの位置に載置台下部の載置台溝１２を合わせて、ボール１１を挟み込むように対向する載置台２、５を白抜き矢印の方向に配置する。同様に載置台３、４、６、７も配置する。計６個の載置台を配置する。対向する載置台２、３、４と載置台５、６、７の間にセラミック成形体１５を載置して焼成炉で焼成する。この時、対向する載置台２と５、載置台３と６、載置台４と７の間に挟まれた基台上面の部分が第２載置部１ａである。図４のようにセラミック成形体載置下面１６と第２載置部１ａの間には空隙がある状態で、セラミック成形体１５が載置される。
図３は基台上に複数のセラミック成形体１５を載置する場合の説明図（一部透視表示）である。載置台２、３、４からなる載置台の列と、載置台５、６、７からなる載置台の列との間にセラミック成形体１５を載置する。載値の際は、セラミック成形体１５が載置台側面の斜面２ａ、５ａと線接触するように載置する。同様に載置台５、６、７からなる載置台の列と載置台８、９、１０からなる載置台の列との間にもう１本のセラミック成形体１５を載置する。その状態で焼成炉にて焼成される。
本実施例の効果について説明する。
初めに、収縮不均一の抑制について説明する。図３のように載置されたセラミック成形体１５は焼成が進行するにつれて徐々に収縮する。その収縮に伴ない、載置台２、５、８は図面奥側に、載置台４、７、１０は図面手前側に可動する。すなわち内側に向かって中央方向に移動する。焼成開始時は図３の位置に載置台があるが、焼成終了後の載置台２、５、８は図面奥側に、載置台４、７、１０は図面手前側に移動している。このように収縮と共に載置台が可動するので、セラミック成形体１５と載置台２から１０との摩擦抵抗が大幅に削減でき、セラミック成形体１５は収縮不均一の抑制が図れる。また、ボール１１と載置台溝１２、基台溝１３の組み合わせからなる可動促進部１４を設けることで、基台１と載置台２から１０が点接触で連結される状態となるので、載置台２から１０の可動が容易になる。その結果として載置台が可動することによる焼成収縮不均一の抑制効果を確実なものと出来る。また、可動推進部１４を一つの載置台に平行に複数備えることで、載置台の位置精度が確保される。言いかえると可動中も載置台側面の斜面２ａ、５ａ、第２載置部１ａの相対位置が確保され、成形体の変形を防ぐ。一例として、載置台２の下部に備えられた平行な載置台溝１２の２本と基台溝１３の２本の間にボール１１を複数挟み込んだ状態について説明する。特に本実施例では、溝の本数を２本とすることで載置台を支持する点接触数も増加し、基台１と載置台２との相対位置が変化しにくい構造が形成される。その結果、焼成台としての形状安定性も保持される。したがって、焼成後の変形も低減できる。
次に図４を使用して、焼結状態不均一の抑制について説明する。焼成開始時はセラミック成形体載置下面１６と基台１の間には空隙がある。この部分が焼成中に脱離するバインダーの排出経路となると共に、対流伝熱の経路にもなるので、上下左右方向ごとの焼結状態不均一の抑制が図れる。
最後に図４を使用して反りに対する第２載置部の効果について説明する。第２載置部は対向している前記可動戴置台の間にある。焼成が進行するとともに、セラミック成形体は１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの順に移動する。その過程でセラミック成形体と載置台２、５の接触部は載置台側面の斜面２ａ、５ａを下の方向に徐々に移動していく。更に焼成が進行すると、最終的にセラミック成形体は１５ｄの位置となり、第２載置部１ａに到達する。これにより、セラミック円筒体１５は第２載置部、対向する載置台側面の斜面２ａ、５ａとの合わせて３ヶ所の線接触で支持されることになる。この構造により、反りや変形を低減することができる。

本発明の第２実施例について、図５〜図７を用いて説明する。
第２実施例は、第１実施例の可動促進部を含まない例である。この実施例は焼成台の作製コストや、容易さにおいて優位な特徴を有している。
図５は第２実施例の概略図、図６は焼成台組立図、図７は円筒載置図である。
本実施例に使用したセラミック成形体はアルミナの長尺成形体を使用している。
図６の焼成台は基台レール３０、３１を有する基台２１を下部に備え、その上部に白抜き矢印の方向に載置台２２〜２７が位置する。本実施例の載置台は図６に示すように円筒パイプを半分に切断したような形状をしている。載置台２２、２３、２４と載置台２５、２６、２７の間にセラミック円筒体３４を載置して焼成炉で焼成する。
本実施例の効果について説明する。
初めに、収縮不均一の抑制について説明する。実施例１と同様に載置台２２〜２７が可動することで収縮不均一の抑制が図れる。焼成時の成形体収縮に伴ない、載置台２２、２５は図面奥側に、載置台２４、２７は図面手前側に可動する。すなわち内側に向かって中央方向に移動する。焼成開始時は図７の位置に載置台２２〜２７があるが、載置台２２、２５は図面奥側に、載置台２４、２７は図面手前側に移動している。このように収縮と共に載置台が可動するので、セラミック成形体３４と載置台２２から２７との摩擦抵抗が大幅に削減でき、セラミック成形体３４は収縮不均一の抑制が図れる。
次に焼結状態不均一の抑制について説明する。第１実施例と同様に、焼成開始時は成形体下部と基台の間には空隙がある。この部分が焼成中に脱離するバインダーの排出経路となると共に、対流伝熱の経路にもなるので、上下左右方向ごとの焼結状態不均一の抑制が図れる。
最後に反りに対する第２載置部の効果について説明する。第１実施例と同様に焼成が進行すると円筒径方向の収縮も進行するので、載置台側面の側面を下の方向に徐々に移動していく。更に焼成が進行すると、ついには円筒下部が第２載置部に到達する。これにより、対向する載置台側面の２つと合わせて３ヶ所の線接触でセラミック成形体を支持することになるので、反りや変形を低減することができる。

本発明の第３実施例について、図８および図９を用いて説明する。
第３実施例は、第２実施例の第２載置部を含まない例である。図８は第３実施例の概略図、図９は円筒載置図である。本実施例に使用したセラミック成形体は第一実施例と同様のランタンマンガナイトからなる長尺円筒成形体である。
図８の焼成台は下部に溝を複数有した基台４１、４２を備え、その基台溝に円柱５３、５４を載置する。その円柱５３、５４外周に円筒パイプ形状の載置台４３〜５２を、間隔を空けて配置する。１本の円柱に５本ずつの載置台を差し込む形で配置する。載置台４３〜４７と載置台４８〜５２の間にセラミック円筒体５５を載置して焼成炉で焼成する。
本実施例の効果について説明する。
初めに、収縮均一化について説明する。実施例１と同様に載置台が可動することで収縮の均一化が図れる。焼成時の成形体収縮に伴ない、載置台４３、４４、４８、４９は図面奥側に、載置台４６、４７、５１、５２は図面手前側に可動する。焼成開始時は図９の位置に載置台があるが、載置台４３、４４、４８、４９は図面奥側に、載置台４６、４７、５１、５２は図面手前側に移動している。このように収縮と共に載置台が可動するので、セラミック成形体５５と載置台４３から５２との摩擦抵抗が大幅に削減でき、セラミック成形体５５は均一に収縮可能となる。

本発明におけるセラミック成形体は、全長200mm以上を有するものが好ましい。また、形状については、前記の実施例で円筒形状を用いて説明したが、この限りではない。例えば、楕円円筒、フラットチューブ、直方体などであっても良く、さらに、ムク状のものであっても良い。特に全長200mm以上を有する長尺の成形体であれば円筒形状と同様な効果を得ることができるので好ましい。

本発明の焼成台を用いて得られたセラミック焼成体は、収縮の均一性、直進性、焼結状態の均一性などの特徴を有している。この観点から固体酸化物形燃料電池の空気極支持体、燃料極支持体、ローラーハースキルン用のローラー、アルコール分離用セラミックフィルター用の支持体などに好適である。

ここで固体酸化物形燃料電池について説明する。固体酸化物燃料電池はセラミックから構成される燃料電池の種類である。その空気極材料には一般的にランタンマンガナイトやランタンコバルタイト等が使用される。空気極は酸素との反応場となるために気体の透過性が要求されるので、多孔体である必要がある。しかも均一な酸素の拡散を図るためには均一な気孔率が理想とされる。

（実施例）
原料に、(La_0.8Sr_0.2)MnO₃組成からなるランタンマンガナイトを用い、熱処理・造粒・粉砕後、分級して平均粒径３０μmにしたものを用いた。前記原料粉末100重量部に対して、セルロース系のバインダー１０重量部と適量の水を加え、はい土とした。前記はい土を用いて、押し出し成形法で片端を封止した成形体を作製した。前記成形体を第３実施例の焼成台を用いて１４６０℃、１０ｈｒキープの条件で焼成した。

（比較例）
焼成台として図１０に示すような、可動部の無いＲ溝焼成台を使用した。焼成台以外の因子である円筒成形体の製造条件、形状、焼成条件などは実施例と全く同条件した。

焼成後の評価は、図１１に示すように焼成前に長さ５０ｍｍごとに印をつけておき、焼成後に前記印間の長さを測定して行った。図のＰ側が封止部であり、反対側のＡ側が開放部である。なお、測定部位の上下左右は開放側から見ての上下左右である。焼成後の評価項目は、焼成収縮率と、焼成後の開口気孔率とした。
焼成収縮率は（焼成前５０ｍｍ−焼成後長さｍｍ）／５０ｍｍ×１００で計算され、単位は％である。実施例と比較例の焼成収縮率の一覧表を表１に示す。表１によると、比較例の各部位ごとの収縮率の最大値と最小値の差は １１．１％（Ｐの上部とＨの下部）に対して、第３実施例の各部位ごとの収縮率の最大値と最小値の差は６．１％（Ｐの上部とＨの上部）になっており、収縮不均一の抑制が図れている。
開口気孔率は見かけ密度とも呼ばれる数値で、オープンポアのみを考慮した気孔率である。測定はアルキメデス法によって実施された。実施例と比較例の開口気孔率の一覧表を表２に示す。表２によると、比較例の各部位ごとの開口気孔率の最大値と最小値の差は５．１％（Ｈの下部とＯの上部）に対して、第３実施例の各部位ごとの開口気孔率の最大値と最小値の差は２．４％（Ｈの下部とＯの上部）と開口気孔率に見られる焼結状態不均一が抑制されている。

本発明の第１実施例を示す概略図である。 本発明の第１実施例を示す焼成台組立図である。 本発明の第１実施例を示す複数成形体焼成台図である。 本発明の第１実施例を示す焼成時の成形体を表した模式図である。 本発明の第２実施例を示す概略図である。 本発明の第２実施例を示す焼成台組立図である。 本発明の第２実施例を示す円筒載置図である。 本発明の第３実施例を示す概略図である。 本発明の第３実施例を示す円筒載置図である。 本発明の比較例を示す円筒載置図である。 本発明の評価時の部位名を示す概略図である。

符号の説明

１：基台
１ａ：第２載置部
２：載置台
２ａ：載置台側面の斜面
３：載置台
４：載置台
５：載置台
５ａ：載置台側面の斜面
６：載置台
７：載置台
８：載置台
９：載置台
１０：載置台
１１：ボール
１２：載置台溝
１３：基台溝
１４：可動促進部
１５：セラミック成形体
１５ａ：セラミック成形体焼成過程の変化１
１５ｂ：セラミック成形体焼成過程の変化２
１５ｃ：セラミック成形体焼成過程の変化３
１５ｄ：セラミック成形体焼成過程の変化４
１６：セラミック成形体載置下面
２１：基台
２２：載置台
２３：載置台
２４：載置台
２５：載置台
２６：載置台
２７：載置台
３０：基台レール
３１：基台レール
３４：セラミック成形体
４１：基台
４２：基台
４３：載置台
４４：載置台
４５：載置台
４６：載置台
４７：載置台
４８：載置台
４９：載置台
５０：載置台
５１：載置台
５２：載置台
５３：円柱
５４：円柱
５５：セラミック成形体
７１：Ｒ溝焼成台
７２：セラミック成形体

Claims (5)

1. セラミック成形体の焼成台であって、前記セラミック成形体が載置される載置台が可動する可動載置台を備えることを特徴とするセラミック成形体の焼成台。
2. 前記可動載置台が可動促進部を備えることを特徴とする請求項１記載の焼成台。
3. 前記可動促進部を１つの前記載置台に複数備えることを特徴とする請求項２に記載の焼成台。
4. 前記可動載置台が対向して形成され、対向している前記可動載置台の間に第２載置部を備えることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の焼成台。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の焼成台にセラミック成形体を載せ、焼成炉で焼成するセラミック成形体の焼成方法。
   
   

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