JP2007224432A - 横型熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理室内で発生した分解ガスの外気への漏出を阻止し、熱処理室内の温度を維持することが容易にでき、燃焼処理の必要なガスの量を低減できる横型熱処理装置を提供する。
【解決手段】被処理物を連続的に熱処理する横型熱処理装置であって、
前記横型熱処理装置は、熱処理室と、シール室と、バッファ室と、エアーカーテン手段と、を有し、
前記熱処理室は、第一入口と第一出口とを有し、
前記シール室は、第二入口と第二出口と排気口とを有し、かつ前記熱処理室の外側に配され、
前記バッファ室は、第三入口と第三出口とを有し、かつ前記シール室の外側に配され、
前記エアーカーテン手段は、上下方向に対向する噴出口を有し、
前記対向する噴出口から噴出される気体が、前記第三入口及び前記第三出口の外側で衝突する、
横型熱処理装置。
【選択図】図１

Description

本発明はフィルム、シート、繊維など長尺のものを連続して熱処理する横型熱処理炉及び熱処理方法に関し、更に詳しくは、炭素繊維を製造する際の耐炎化処理において、炉内のガスが外部へと漏出するのを防止できる横型熱処理炉及び熱処理方法に関するものである。

フィルム、シート、繊維など（以下これらを総称する場合は被処理物という）の長尺物の製造において、被処理物を連続的に熱処理することがある。炭素繊維の耐炎化処理を例に説明すると、ポリアクリロニトリル系繊維からなる前駆体繊維を、熱処理装置内で連続的に２００℃〜３００℃で耐炎化する耐炎化処理を施す。

この耐炎化処理においては、多量の前駆体繊維を効率良く連続的に処理するためには、熱処理室に糸条の出入口を設けて、走行する前駆体繊維を熱処理室内に連続して導入及び導出することが好ましい。この際、前駆体繊維の酸化反応によって熱処理炉内にシアン化合物、アンモニア、及び一酸化炭素等の分解ガスが発生する。

分解ガスが熱処理室の前駆体繊維の出入口から炉外に漏出することを防止するために、熱処理室の出入口に隣接してシール室を設け、更に開口部の外側で被処理物へ向かって熱処理装置外の空気を噴出させるエアーカーテン手段を設けた熱処理炉が提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら特許文献１記載の発明では、分解ガスが含まれる室の外側にエアーカーテン手段が設けられているため、気体吹き付けによるシール力と熱処理室内部の圧力により発生する外気吸込み力が、開口部の幅方向においてバランスし難くい。また熱処理室からシール室へ漏出する気体の量及び炉外からシール室へ流入する空気の量が多くなり、燃焼処理する必要があるガスの量が多くなる。

特開２０００−１３６４４１公報

本発明はかかる問題点を解決するべくなされたものであり、熱処理室内で発生した分解ガスの外気への漏出を阻止すると共に、熱処理室内の温度を維持することが容易にでき、且つ、燃焼処理の必要なガスの量を低減できる横型熱処理装置及び熱処理方法を提供することを目的とする。

すなわち本発明の第一の要旨は、被処理物を連続的に熱処理する横型熱処理装置であって、
前記横型熱処理装置は、熱処理室と、シール室と、バッファ室と、エアーカーテン手段と、を有し、
前記熱処理室は、第一入口と第一出口とを有し、
前記シール室は、第二入口と第二出口と排気口とを有し、かつ前記熱処理室の外側に配され、
前記バッファ室は、第三入口と第三出口とを有し、かつ前記シール室の外側に配され、
前記エアーカーテン手段は、上下方向に対向する噴出口を有し、
前記対向する噴出口から噴出される気体が、前記第三入口及び前記第三出口の外側で衝突する、
横型熱処理装置である。

前記エアーカーテン手段は、被処理物の上下から気体を噴出するノズルを有すると、効率的に分解ガスの漏出を防止でき好ましい。

本発明の第二の要旨は、前記横型熱処理装置に被処理物を導入し熱処理する熱処理方法である。

本発明によれば、熱処理室内で発生する分解ガスの漏出が確実に防止でき、また、熱処理装置外の空気が内部に侵入することを防止できる。したがって熱処理室の加熱に要するエネルギー量を削減できる。また処理が必要な排気ガス量を少なくできるので、エネルギー量も削減できる。さらに、熱処理室内の温度分布を均一にできるので、熱処理のムラを防止することができ、得られる製品の品質を向上することができる。

以下、本発明の横型熱処理装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、ポリアクリロニトリル系繊維からなる前駆体繊維を耐炎化処理する場合について説明するが、その他の被処理物について本発明の横型熱処理装置を使用することも可能である。

図１は本発明の実施形態の一例である横型熱処理装置の断面図を示す。横型熱処理装置１の熱処理室２は、図１の左右方向に対向する壁部３に、前駆体繊維Aの第１入口８、第１出口８’（以降これを第１出入口８、８’と称する）を上下方向に３段有する。

シール室４は熱処理室２の壁部３の外側に配されている。熱処理室２と同様に、シール室４は壁部５に前駆体繊維Ａの第2入口９、第２出口９’（以降これを第２出入口９、９’と称する）を上下方向に３段有する。
バッファ室６はシール室４の壁部５の外側に配されている。熱処理室２と同様に、バッファ室６は壁部７に前駆体繊維Ａの第３入口１０、第３出口１０’（以降これを第３出入口１０、１０’と称する）を上下方向に３段有する。

第１出入口８、８’、第２出入口９、９’、第３出入口１０、１０’の上下の開口寸法は、前駆体繊維Ａが接触することなく通過できる範囲で可能なかぎり狭くすることが好ましい。これは出入口を通した気体の流通が起こりにくくなるためである。従って各出入口は開口寸法が上下方向に調節可能なスリットであることが好ましい。

熱処理室２は、熱風を吹き込む熱風導入部(図示せず)と、熱風を排出する熱風排出部（図示せず）を備えている。熱風は、熱処理室２の外部に設置された熱風加熱器（図示せず）と、ファン（図示せず）と、熱風排出部及び熱風導入部の間を接続するダクト（図示せず）とにより熱処理室２内を循環する。

第３出入口１０、１０’の外側にはロール１４が配置されている。ロール１４は複数の前駆体繊維Aを平行に引き揃え、繰り返し熱処理装置１内に通糸する。前駆体繊維Ａは左側のバッファ室６の最上部に形成された第３入口１０から熱処理装置１に入る。前駆体繊維Ａはロール１４に抱き回され、バッファ室６、シール室４及び熱処理室２内を平行して３段で連続走行する。そして前駆体繊維Ａは右側のバッファ室６の最下部に形成された第３出口１０’から熱処理装置１の外部に出る。

熱処理室２は空気の吸気口（図示せず）と排気口（図示せず）を備え、排気ファン１８によってアンモニアやシアン、一酸化炭素などの分解ガスを排気し排気ガス処理装置に送る。

シール室４は少なくとも１つの排気口１９を備える。この排気口１９を通し、排気ファン２１によって排気することでシール室４内を負圧として、分解ガスが熱処理装置外に漏れることを防止する。排気ファン２１によって排気される分解ガスは、排気ガス処理装置に送られる。シール室４内の圧力を−１０〜−０．３Ｐａの圧力範囲とすることにより、分解ガスを排気ガス処理装置に確実に送ることができる。

第１出入口８、８’の近傍におけるシール室４の内部圧力は、気体温度の違いにより生ずる浮力差の影響で、高さ方向に変化する。その結果、シール室４の内部圧力が熱処理室２の内部圧力よりも高くなる箇所が生じる可能性がある。その場合、シール室４の内部で、圧力が熱処理室２の内部圧力よりも低い箇所と熱処理室２の内部圧力よりも高い箇所との間に仕切り板１６を設置することが好ましい。こうすることにより、熱処理室２への外気の流入や熱風の流出を抑制することができる。仕切り板１６は、走行する前駆体繊維の全段を区画するように各段毎に設けることも可能である。

エアーカーテン手段１１は、バッファ室６の第３出入口１０、１０’の外側に、上下方向に対向する噴出口２６を有する。対向する噴出口２６から気体が外気に向かって噴出される。噴出された気体は、第３出入口１０、１０’の外側で衝突する。これにより、熱処理装置１への外気の流入を防止する。この際、第３出入口１０、１０’全体に亘って気体を噴出するために、図３に示すように噴出口２６を幅広にすると、幅方向に風速分布が発生し易い。

この際、特許文献１に記載されている、バッファ室６を有していない装置では、外気に面する出入口において、全体としては流入する外気の量のほうが多いものの、炉内の分解ガスが外気側へ漏出する箇所が局所的に生じる可能性がある。従って分解ガスの漏出を確実に防止するためには、熱処理装置外部の空気の流入量を増加させる必要がある。

これに対しバッファ室６が存在すると、バッファ室６が緩衝の役割を果たすため、第３出入口１０、１０’の外側の噴出口２６において噴出速度斑があったしても、第二出入口９、９’においては幅方向の圧力斑が小さくなる。したがって前駆体繊維の出入口の幅が広い場合であっても、熱処理装置外部の空気の流入量を増加させることなく、分解ガスの漏出を防止することができる。

処理室２の内部は煙突効果により高さ方向で圧力差を生じるため、バッファ室６内の各出入口１０、１０’付近においても高さ方向で圧力差が生じる。従って上下方向に複数の第３出入口１０、１０’とエアーカーテン手段１１を設置する場合、バッファ室６の内部を上下方向に区画する仕切り板１５を設置することが好ましい。仕切り板１５を設置すると、複数のエアーカーテン手段１１の気体噴出量をそれぞれ調整することにより、バッファ室６の内部圧力を調整することが容易となる。仕切り板１５は、上下方向に隣接する第３出入口１０、１０’同士の間に全て設置することが好ましい。

エアーカーテン手段１１は、シール室からの排気量を抑制するためには、全ての第３出入口１０、１０’の外側に設置することが最も好ましい。しかし、一部の第３出入口１０、１０’にはエアーカーテン手段１１を設置しないことも可能である。

その場合、下方に位置する第３出入口１０、１０’にはエアーカーテン手段１１を設置し、上方に位置する第３出入口１０、１０’にはエアーカーテン手段１１を設置しないことが好ましい。図１の熱処理装置は、上下方向に３箇所ある第３出入口１０、１０’の内、下側２箇所にはエアーカーテン手段１１を設置し、最も上側にはエアーカーテン手段１１を設置しない場合の一例である。

図１の例のように、第３出入口１０、１０’にエアーカーテン手段１１が設置されていない部位のバッファ室６には、少なくとも１つの排気口２２を設け、排気口２２より排気ファン２４によって排気することが好ましい。

図１の例では、エアーカーテン手段１１は、前駆体繊維Ａを挟んで上下方向に対向するノズル１３ａ、１３ｂを具備する。ノズル１３ａ、１３ｂは、支持部１２に取り付けられている。このノズル１３ａ、１３ｂが、図２に示すように、気体を繊維前駆体Ａに向かって噴出することによってエアーカーテンを形成する。

この際、噴出角θ（ノズル１３ａ、１３ｂから噴出される気体が交差する角度）は、０°より大きく９０°より小さいことが好ましく、３０°以上６０°以下が更に好ましい。噴出角θを上記範囲にすると、分解ガスの漏出を確実に防止することができると共に、熱処理室２内への外気の流入を抑制することができる。

バッファ室６の内部圧力を、シール室４の内部圧力よりも高く維持することが好ましい。圧力差は５Ｐａ以下、より好ましくは１Ｐａ以下とすると、シール室４への外気流入を効果的に抑制することができる。

シール室４、バッファ室６の、前駆体繊維Ａの走行方向の長さは３００ｍｍ以上、より好ましくは５００ｍｍ以上が好ましい。これは室内の掃除やメンテナンス作業を行いやすいからである。また、長さを１０００ｍｍ以下とすると、繊維前駆体の放熱エネルギーロスを抑制することができる。

図３に、ノズル１３ａ、１３ｂの断面図を示す。ノズル１３ａ、１３ｂは、幅方向の一端から気体が供給される。供給される気体は、熱処理装置外の空気が好ましい。多孔板２５を通って供給された気体は噴出口２６から噴出される。ノズル１３ａ、１３ｂは、多孔板２５の圧力損失により、空気を噴出口２６から均一の流量で噴出することができる。

多孔板の開口率及び設置数は、支持部の幅と高さの比や噴出口２６からの噴出風速等に従って適宜決定する。この際、開口率の大きい多孔板を複数枚設置することが、開口率が小さい多孔板を１枚設置する場合と比べて圧力損失を低く抑制しつつ、吹出し斑を抑制できるため好ましい。また、多孔板の他に、金網、オリフィス等の整流効果のあるものを使用することができる。

対向するノズル１３ａ、１３ｂから噴出する気体の風速差が大きくなると、第３出入口１０、１０’から局所的に分解ガスが漏出する可能性が増加する。従って対向するノズル１３ａ、１３ｂから噴出する気体の風速は実質的に等しくすることが好ましい。なお、ノズル１３ａ、１３ｂより吹出す風速を実質的に等しくすることが可能であれば、その機構は特に制限されるものではなく、例えばノズル１３ａ、１３ｂそれぞれに流量調節機構２８を設ける、ノズル１３ａ、１３ｂの空気供給口を共通とする等が好ましく用いられる。

対向するノズル１３ａ、１３ｂの間隔は、４〜６０ｍｍ、より好ましくは１５〜４０ｍｍであることが好ましい。この間隔が４ｍｍ以上であれば、前駆体繊維Ａがエアーカーテン手段１１に接触することがなく、製品の品質低下を招くことがない。一方６０ｍｍ以下であれば、シールに必要な気体の噴出風速が小さくて済むため、多孔板２５、２６での圧損が増大して給気ファン(図示せず)等の空気供給設備の負荷が大きくなることがない。

吹出し風速を調整、管理を容易とするために、エアーカーテン手段１１に、ノズル１３ａ、１３ｂに供給された空気の圧力を測定する圧力計２９を設けるのが好ましい。

エアーカーテン手段１３によって形成されるエアーカーテンの風速は、１〜５０ｍ／秒であると、分解ガスの漏出と熱処理室２内部への外気の侵入をより確実に防止できるため好ましい。エアーカーテン風速が１ｍ／秒以上であると、外気が熱処理室２内に侵入することがない。また風速が５０ｍ／秒以下であれば、エアーカーテンの気流によって熱処理室２内の分解ガスが漏出することがない。

排気ファン１８、２１、２４による排気量の調整は、公知のダンパー、バルブ等、流量調節機構１７、２０、２３によりそれぞれ個別に行われる。

上述した実施の形態では、前駆体繊維Ａを上下方向に３段で走行させているが、状況に応じて１段〜数十段で走行させることができる。

以下実施例により本発明を更に説明する。

図４に示すように、模擬的な熱処理室２として、一方の側壁を開放した箱を用い、開放側と反対の側壁にシール室４、バッファ室６、エアーカーテン手段１１を設けた。第一入口８、第二入口９、第3入口１０、はそれぞれ開口長さ２０００ｍｍ、開口高さ４０ｍｍとした。エアーカーテン手段１１のノズル１３ａ、１３ｂの開口部は開口長さ２０００ｍｍ、開口幅２ｍｍとした。ノズル１３ａ、１３ｂの対向する間隔は４０mmとした。

エアーカーテン手段のノズル１３ａ、１３ｂは、開口率３．８％の多孔板（図示せず）２枚を備え、それぞれ給気口（図示せず）を異にし、流量調節ダンパー（図示せず）を備えている。シール室４の側壁には排気口１９が１箇所設けられ、流量調節機構２０を介して排気ファン２１と接続されている。

熱処理室２、シール室４、大気の温度はそれぞれ３０℃とした。幅方向２１点でのノズル１３ａ、１３ｂからの気体の平均噴出風速はそれぞれ５ｍ／ｓ、噴出斑は１３ａ、１３ｂ合わせて平均値の±６％であった。

排気ファン、流量調節機構２０によって排気量の調整を行い、熱処理室２に相当する部位の圧力を０Ｐａ(大気圧)、シール室４内の圧力を−１Ｐａとした。このとき、第3入口１０では局所的にバッファ室６の気体が外部に流出する箇所があったが、第２入口９では全ての箇所でバッファ室６からシール室４に向かって気体が流入し、平均流入速度は０．２ｍ／ｓであった。

なお、気体の流れる向きは、ガステック社製スモークテスタを用い、煙の流れを観察して計測した。また、エアーカーテン噴出風速はカノマックス社製アネモマスター６０７１風速計を用いて測定した。第２入口９での平均流入速度は、カノマックス社製アネモマスター６１４１風速計を用いて、第１入口８における流入速度及び排気口１９からの排気量を測定することにより算出した。シール室４内の圧力は山本電機製作所社製マノスターゲージ微差圧計を用いて測定した。

（比較例１）
図４において、バッファ室６を設けず、シール室４の外側にエアーカーテン手段を設けた以外は実施例１と同様にしたところ、第２入口９においてシール室４の気体が外部に流出する箇所が局所的にあった。

（比較例２）
比較例１において、排気口１９からの排気量を増やし、シール室内圧力を−１．５Ｐａとしたところ、第２入口９では全ての箇所で外部からシール室４に向かって気体が流入したが、平均流入速度は０．６ｍ／ｓであった。

(実施例２)
エアーカーテン手段のノズル１３ａ、１３ｂを、開口率２．５％の多孔板２枚を用い、給気口及び流量調節ダンパーを共通とし、ノズル１３ａ、１３ｂからの気体の平均噴出風速をそれぞれ１６ｍ／ｓ、噴出斑を１３ａ、１３ｂ合わせて平均値の±５％、シール室４内圧力を−６Ｐａとした以外は実施例１と同様にした。第２入口９では全ての箇所でバッファ室６からシール室４に向かって気体が流入し、平均流入速度は０．２ｍ／ｓであった。

（比較例３）
図５に示すように、エアーカーテン手段を設けず、バッファ室６の側壁に排気口２２を１箇所設け、バッファ室６内の圧力を−５．９Ｐａとなるよう、各排気ファン２１、２４及び流量調節機構２０、２３によって調整を行ったこと以外は実施例２と同様にした。第２入口９においてシール室４からバッファ室６に向かって局所的に気体が流出する箇所があった。平均流入速度は０．４ｍ／ｓであった。

本発明の実施形態の一例である横型熱処理装置の側面図である。 図１に示すエアーカーテン手段の要部を拡大した断面図である。 図１に示すエアーカーテン手段のノズルの断面図である。 実施例の模擬的横型熱処理装置の側面図である。 比較例の模擬的横型熱処理装置の側面図である。

符号の説明

１ 熱処理装置
２ 熱処理室
３ 熱処理室壁部
４ シール室
５ シール室壁部
６ バッファ室
７ バッファ室壁部
８、８’ 第１出入口
９、９’ 第２出入口
１０、１０’ 第３出入口
１１ エアーカーテン手段
１２ 支持部
１３ａ，１３ｂ ノズル
１４ ロール
１５、１６ 仕切り板
１７、２０、２３、２７ 流量調節機構（流量調節ダンパー）
１８、２１、２４ 排気ファン
１９、２２ 排気口
２５ 多孔板
２６ 噴出口
２８ 圧力計

Claims (3)

1. 被処理物を連続的に熱処理する横型熱処理装置であって、
   前記横型熱処理装置は、熱処理室と、シール室と、バッファ室と、エアーカーテン手段と、を有し、
   前記熱処理室は、第一入口と第一出口とを有し、
   前記シール室は、第二入口と第二出口と排気口とを有し、かつ前記熱処理室の外側に配され、
   前記バッファ室は、第三入口と第三出口とを有し、かつ前記シール室の外側に配され、
   前記エアーカーテン手段は、上下方向に対向する噴出口を有し、
   前記対向する噴出口から噴出される気体が、前記第三入口及び前記第三出口の外側で衝突する、
   横型熱処理装置。
2. 前記エアーカーテン手段は、被処理物の上下から気体を噴出するノズルを有する請求項１に記載の横型熱処理装置。
3. 請求項１又は２に記載の横型熱処理装置に被処理物を導入し熱処理する熱処理方法。

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