JP2014092354A

JP2014092354A - ロータリーキルン

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Publication number: JP2014092354A
Application number: JP2012244997A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Sugiyama; 大介杉山
Original assignee: Sugiyama Heavy Industrial Co Ltd
Current assignee: Sugiyama Heavy Industrial Co Ltd
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2014-05-19
Anticipated expiration: 2032-11-07
Also published as: JP5704659B2

Abstract

【課題】熱処理中に金属製レトルトと処理対象物が反応して製品内に汚染物質が混入することを防止できると共に、金属製レトルトとセラミックス層の熱膨張差に起因するセラミックス層のクラック発生を防止できるロータリーキルンを提供する。
【解決手段】本発明のロータリーキルン１は、一端側に処理対象物排出口２を有し他端側に処理対象物供給口３を有したレトルト４が軸心４ａを中心として回転可能に配されたロータリーキルンであって、レトルト４は、金属製シェル５と、金属製シェル５の内側において金属製シェル５に対して軸方向に摺動可能に配されたセラミックス製チューブ６とから構成されており、レトルト４の一端側にはセラミックス製チューブ６を他端側に向かって押圧する押圧機構７が設けられ、レトルト４の他端側にはレトルト４の他端側の移動を規制するためのストッパー機構８が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉体又はスラリー（以下、「処理対象物」という。）を連続的に高温で熱処理可能なロータリーキルンに関する。

例えば二次電池極材、半導体素材、触媒、蛍光材素材等新素材の製造分野で、極端にコンタミネーション（微量混入汚染物質）を嫌う製造工程において、特に製造装置そのものからコンタミネーションが発生することが大きな問題になっている。

この製造工程で最も重要な操作に焼成工程がある。処理対象物を数百度の高温で焼いて熱分解したり、二種以上の処理対象物を混合し数百度の高温で加熱して化合物を焼成する。この高温での焼成に際して、処理対象物を保持する容器が金属製であると、高温の影響で容器表面が酸化しこの酸化金属が処理対象物を汚染する。

そして、このような新素材分野の中で厳格なコンタミネーション防止が要求される場合、これをイオンレベルまで管理する必要があり、製造コストの上昇の最大の原因となっている。

この分野での現在の焼成工程は、焼成すべき処理対象物をセラミック製の容器（匣鉢：一辺が２０〜４０ｃｍ、深さ数センチ位の容器）に入れ、これらの匣鉢を高温炉（ローラーハースキルンやトンネルキルン等の連続炉、またはシャトルキルン等バッチ式炉）に入れて匣鉢ごと処理対象物を焼成することにより行われている。

しかし、上記焼成方法には以下のような大きな欠点がある。第一に、焼成すべき処理対象物を匣鉢一個に高々数キログラム詰め、焼成が終了した匣鉢から処理対象物を一々取り出さなければならず、この処理対象物の匣鉢への供給および取り出しに膨大な手間と経費を要する。第二に、工業的な規模でこの方式（匣鉢による焼成）を行うとすれば、焼成工程一系列で数百個の匣鉢が必要になると共に、この匣鉢そのものがセラミックス製品であるため、焼成中に割れやひびが発生し、一サイクルの焼成で匣鉢全数の数パーセントが破損することがあり、この補充が大きなコスト増となる。第三に、焼成工程において匣鉢の中の処理対象物が熱分解して分解ガスを放出、または周囲からガスを吸収するなどの反応が起こるが、この際、匣鉢内の処理対象物から発生または吸収される分解ガスまたは雰囲気ガスは、匣鉢上面の開口部のみから出入りし匣鉢の底部または側部はこれらのガスの出入れを阻害するため均質な製品が得難い。第四に、室温状態の匣鉢に処理対象物を入れ匣鉢毎に炉で焼成し、焼成終了後に匣鉢毎、処理対象物を冷却して、その後、匣鉢から処理対象物を取り出すことになるため、炉で加えられた熱エネルギーの多く（約５０パーセント）は匣鉢そのものの加熱に費やされてしまう。

このため、匣鉢による焼成に代えてロータリーキルンによる焼成が嘱望されているが、焼成に際して処理対象物を保持する回転容器（以下、「レトルト」という。）が金属製である限り前述したコンタミネーションが発生し不可能とされてきた。

ここで、従来のロータリーキルンの代表的な構造および作用を図３ないし図５を用いて説明する。
図３に示すように、このロータリーキルン５０では、レトルト５１の両端付近にタイヤ５２，５３がそれぞれ設けられており、電気発熱体５４によって加熱される加熱炉５５の中をレトルト５１が貫通して配置されている。タイヤ５２，５３は図３または図５に示すように、ベッド５６上に設けられた転輪５７にて支持されると共に、回転駆動装置（図示しない）による転輪５７の回転に伴って転動し、これによってレトルト５１が回転するように構成されている。通常、レトルトの温度は８００〜１１００℃の高温となるため、レトルト金属自体の高温による酸化と機械的強度の低下に対応するため、レトルトは耐熱鋼にて形成されている。

そして、図３中、レトルト５１の右端から原料供給機５８によって処理対象物がレトルト５１内に供給されると、処理対象物はレトルト５１の回転と勾配（通常、約０．５〜２°）でゆっくり左側に移動する。図４に示すように、レトルト５１全体は加熱炉５５の電気発熱体５４によって高温となっているため、レトルト５１内の処理対象物は、レトルト５１からの伝熱によって焼成される。焼成された処理対象物は左端に設けられた排出フード５９を介して外部に排出されるように構成されている。

ところで、冒頭に記した新素材の製造分野では、この金属製レトルトの内側（処理対象物が接触する部位）に、溶射によるセラミックス層の生成、セラミックスチューブの挿入、セラミックレンガのライニング等様々な手法でセラミックスの内張りが試みられたが悉く失敗してきた。その理由は、金属製レトルトと内部に設けたセラミックスの熱膨張の差によるものであった。一例を示せば、金属製レトルトを形成する耐熱鋼の線膨張係数は１５〜２０×１０^−６／℃であるのに対して、内張りするアルミナ質セラミックスの線膨張係数は７〜８×１０^−６／℃であり両者には大きな差がある。セラミックス層で内張りされた金属製レトルトは冷機状態（室温）から運転状態（８００〜１１００℃）まで短時間で昇温されるため、熱膨張差でたちまちセラミックス層が金属製レトルトから剥離する。逆に、運転状態から冷機状態に戻る時には金属製レトルトは温度降下に準じて収縮するが、セラミックス層は温度降下に準じた割合で収縮できずクラックが発生する。

引用なし

そこで、本発明の課題は、熱処理中に金属製レトルトと処理対象物が反応して製品内に汚染物質が混入することを防止できると共に、金属製レトルトとセラミックス層の熱膨張差に起因するセラミックス層のクラック発生を防止できるロータリーキルンを提供することにある。

上記課題を解決するものは、一端側に処理対象物排出口を有し他端側に処理対象物供給口を有したレトルトが軸心を中心として回転可能に配されたロータリーキルンであって、前記レトルトは、金属製シェルと、該金属製シェルの内側において該金属製シェルに対して軸方向に摺動可能に配されたセラミックス製チューブとから構成されており、前記レトルトの一端側には前記セラミックス製チューブを他端側に向かって押圧する押圧機構が設けられ、前記レトルトの他端側には該レトルトの他端側への移動を規制するためのストッパー機構が設けられていることを特徴とするロータリーキルンである。

前記押圧機構は、前記セラミックス製チューブを他端側に向かって押圧するための押圧面を備えたタイヤボスと、タイヤを前記レトルトの軸方向に移動させるためのタイヤ移動手段と、該タイヤ移動手段を前記セラミックス製チューブの他端側に向かって押圧するための錘手段とを有していることが好ましい。前記ストッパー機構は、前記セラミックス製チューブの他端側面を係止するための係止面を備えた第２タイヤボスと、第２タイヤが前記レトルトの軸方向に移動することを抑止する第２タイヤ移動抑止手段とを有していることが好ましい。前記セラミックス製チューブは、軸方向に沿って連接された複数のセラミックス製チューブから構成されていることが好ましい。

請求項１に記載した発明によれば、熱処理中に金属製レトルトと処理対象物が反応して製品内に汚染物質が混入することを防止できると共に、金属製レトルトとセラミックス層の熱膨張差に起因するセラミックス層のクラック発生を防止できる。
請求項２に記載した発明によれば、上記請求項１の効果に加え、レトルト回転機構を利用した構造で低廉に押圧機構を構成できる。
請求項３に記載した発明によれば、上記請求項１の効果に加え、レトルト回転機構を利用した構造で低廉にストッパー機構を構成できる。
請求項４に記載した発明によれば、上記請求項１の効果に加え、セラミックス製チューブを複数に分割することで製造コストを低廉化することができる。

本発明のロータリーキルンの一実施例の縦断面概略図である。図１に示したロータリーキルンの斜視断面概略図である。従来のロータリーキルンの縦断面概略図である。図３のＡ−Ａ線断面図である。図３のＢ−Ｂ線断面図である。

本発明では、レトルト４が、金属製シェル５と、金属製シェル５の内側において金属製シェル５に対して軸方向に摺動可能に配されたセラミックス製チューブ６とから構成されていることで、処理対象物はセラミックス製チューブ６と接触し金属製シェル５とは接触しないため、熱処理中に金属製レトルト（金属製シェル５）と処理対象物が反応して製品内に汚染物質が混入することが防止される。また、レトルト４の一端側にはセラミックス製チューブ６を他端側に向かって押圧する押圧機構７が設けられ、レトルト４の他端側にはレトルト４の他端側への移動を規制するためのストッパー機構８が設けられていることで、セラミックス製チューブ６の収縮に要する応力が予圧され、金属製レトルト（金属製シェル５）とセラミックス層（セラミックス製チューブ６）の熱膨張差に起因するセラミックス層のクラック発生を防止できるロータリーキルンを実現した。

本発明のローターキルンを図１または図２に示した一実施例を用いて説明する。
この実施例のロータリーキルン１は、一端側に処理対象物排出口２を有し他端側に処理対象物供給口３を有したレトルト４が軸心４ａを中心として回転可能に配されたロータリーキルンであって、レトルト４は、金属製シェル５と、金属製シェル５の内側において金属製シェル５に対して軸方向に摺動可能に配されたセラミックス製チューブ６とから構成されており、レトルト４の一端側にはセラミックス製チューブ６を他端側に向かって押圧する押圧機構７が設けられ、レトルト４の他端側にはレトルト４の他端側への移動を規制するためのストッパー機構８が設けられている。以下、各構成について順次詳述する。

このロータリーキルン１は、図３ないし図５に示した従来のロータリーキルン５０と同様、転輪９を回転させるための回転駆動装置、図１または図２中、右端に設けられた原料供給機および同左端に設けられた排出フードを備えているが図１または図２では省略されている。

ロータリーキルン１では、レトルト４の一端側（処理対象物排出口２側）が一端側（処理対象物供給口３側）より若干低くなるように、レトルト４が転輪９上に転動可能に載置されている。回転駆動装置により転輪９を回転させレトルト４を回転させながら処理対象物をレトルト４の処理対象物供給口２から投入すると、加熱炉１０の内側に配設された電気発熱体１１からの伝熱により加熱処理（焼成）が行われる。処理対象物はレトルト４の処理対象物排出口３に順次移動し排出フードを経て外部に排出されるように構成されている。

レトルト４は、金属製シェル５と、金属製シェル５の内側において金属製シェル５に対して軸方向に摺動可能に配されたセラミックス製チューブ６とから構成されている。
金属製シェル５およびセラミックス製チューブ６は共に円筒形に構成されており、金属製シェル５は耐熱鋼にて形成されてセラミックス製チューブ６の自重による曲げ応力、回転のための応力を担保している。他方、セラミックス製チューブ６はアルミナ、ジルコニアなどの焼結体（処理対象物と反応しない材料）にて形成されている。

セラミックス製チューブ６は、軸方向に沿って連接された３本のセラミックス製チューブ５Ａ，５Ｂ，５Ｃから構成されており、それらの連接部においてセラミックス製チューブの端面同士が面接合されている。

セラミックス製チューブ６は、金属製シェル５の内側において金属製シェル５に対して軸方向に摺動可能に配されており、これにより、両者の熱膨張差でそれぞれが干渉し合うことなく膨張できるように構成されている。

そして、レトルト４の一端側にはセラミックス製チューブ６を他端側に向かって押圧する押圧機構７が設けられている。具体的には、この実施例の押圧機構７は、セラミックス製チューブ６を他端側に向かって押圧するための押圧面１２ａを備えたタイヤボス１２と、タイヤ１３をレトルト４の軸方向に移動させるためのタイヤ移動手段１４と、タイヤ移動手段１４をセラミックス製チューブ６の他端側に向かって押圧するための錘手段１５とを有している。これにより、レトルト回転機構を利用した構造で低廉に押圧機構を構成できる。

タイヤボス１２は、図２に示すように、他端側面がセラミックス製チューブ６の一端側面を押圧するための押圧面１２ａとなる環状体１２ｂを備えており、押圧面１２ａがセラミックス製チューブ６の一端側面と面当接するように構成されている。また、タイヤボス１２は、金属製シェル５およびセラミックス製チューブ６からなるレトルト４の一端側の外面（外周面）を包囲するように配されると共に、熱膨張によって金属製シェル５が軸方向に伸長しても、少なくとも金属製シェル５の一端側面が押圧面１２ａに面当接しない距離だけ、金属製シェル５の一端側面と押圧面１２ａとの離間距離（間隙３０）を保った位置に配されている。換言すれば、金属製シェル５はセラミックス製チューブ６より軸方向の長さが短く形成されており、金属製シェル５が熱膨張により軸方向に伸長しても金属製シェル５の一端側面が押圧面１２ａに面当接しない長さに形成されることで、金属製シェル５が熱膨張により軸方向に伸長しても、金属製シェル５の一端側面は押圧面１２ａに面当接せず、タイヤ１３の軸方向の位置に変位を与えないように構成されている。

タイヤ移動手段１４は、タイヤ１３の軸方向の両側に配された一対のスラストローラー１６と、スラストローラー１６を回転可能に載置しキャスター１７を備えた台座１８とを有し、台座１８はキャスター１７によりタイヤ１３の軸方向に沿って移動可能に構成されている。

錘手段１５は、重錘１９と、台座１８と重錘１９とを連結するワイヤーロープ２０と、滑車２１とから構成されており、タイヤ移動手段１４を他端側に向かって付勢することでセラミックス製チューブ６を他端側に向かって押圧し続けるように作用している。

他方、レトルト４の他端側にはレトルト４の他端側への移動を規制するためのストッパー機構８が設けられている。具体的には、ストッパー機構８は、セラミックス製チューブ６の他端側面を係止するための係止面２２ａを備えた第２タイヤボス２２と、第２タイヤ２３がレトルト４の軸方向に移動することを抑止する第２タイヤ移動抑止手段２４とを有している。これにより、レトルト回転機構を利用した構造で低廉にストッパー機構を構成できる。

第２タイヤボス２２は、図１に示すように、一端側面が金属製シェル５およびセラミックス製チューブ６の他端側面を係止するための係止面２２ａとなる環状体２２ｂを備えており、係止面２２ａが金属製シェル５およびセラミックス製チューブ６の一端側面と面当接するように構成されている。また、第２タイヤボス２２は、金属製シェル５およびセラミックス製チューブ６からなるレトルト４の他端側の外面（外周面）を包囲するように配されている。

第２タイヤ移動抑止手段２４は、第２タイヤ２３の軸方向の両側に配された一対のスラストローラー２５と、スラストローラー２５を回転可能に載置した台座２６とを有し、台座２６は基台に移動不能に固定設置されている。

つぎに、本発明のロータリーキルン１の特徴的作用について説明する。
運転開始によって、加熱炉１０の電気発熱体１１に電力が印加されると、加熱炉１０内の温度が上昇して、加熱炉１０内を貫通して配されているレトルト４が加熱される。具体的には、電気発熱体１１からの熱が、外側に配された金属シェル５および金属シェル５の内側に配されたセラミックチューブ６の双方に伝熱しそれぞれ加熱される。

金属シェル５は、他端側に配されたストッパー機構８により他端側への膨張が規制されているため、図１中のＬ１寸法だけ一端側に伸長する。この時、タイヤボス１２の押圧面１２ａと金属シェル５の一端側面との間には、金属シェル５の熱膨張を考慮して設定された間隙３０が存在するため、金属シェル５の一端側面がタイヤボス１２の押圧面１２ａとが面当接することはなく、タイヤボス１２の位置的変位に影響を与えない。

他方、セラミックチューブ６は、他端側に配されたストッパー機構８により他端側への膨張が規制されている点は金属シェル５と同様であるため、図１中のＬ２寸法だけ一端側に伸長する。一端側には、タイヤ１３をレトルト４の軸方向に移動させるためのタイヤ移動手段１４を備えた押圧機構７が設けられているため、錘手段１５の他端側への付勢力に抗して押圧面１２ａを備えたタイヤボス１２およびタイヤ１３がセラミックチューブ６の一端側面に押圧されてＬ２寸法だけ一端側に移動する。

運転が終了し、加熱炉１０の温度が下がると、金属シェル５とセラミックチューブ６は共に軸方向の他端側に向かって収縮する。この時、セラミックチューブ６には、押圧機構７の錘手段１５の作用（重錘１９の荷重）によってセラミックチューブ６の収縮に必要な応力が予圧されているため、クラックが発生することなく冷機状態に戻ることができる。

以上のように、本発明のロータリーキルンでは、レトルト４が、金属製シェル５と、金属製シェル５の内側において金属製シェル５に対して軸方向に摺動可能に配されたセラミックス製チューブ６とから構成されていることで、処理対象物はセラミックス製チューブ６と接触し金属製シェル５とは接触しないため、熱処理中に金属製レトルト（金属製シェル５）と処理対象物が反応して製品内に汚染物質が混入することがない。また、レトルト４の一端側にはセラミックス製チューブ６を他端側に向かって押圧する押圧機構７が設けられ、レトルト４の他端側にはレトルト４の他端側への移動を規制するためのストッパー機構８が設けられていることで、セラミックス製チューブ６の収縮に要する応力が予圧されているため、金属製レトルト（金属製シェル５）とセラミックス層（セラミックス製チューブ６）の熱膨張差に起因するセラミックス層のクラック発生が防止される。

なお、前述した実施例のロータリーキルン１のレトルト４は円筒形に形成されているが、これに限定されるものではなく、多角筒状体に形成されたものも本発明の範疇に包含される。ロータリーキルン１のレトルト４は、軸方向に沿って連接された３本のセラミックス製チューブ５Ａ，５Ｂ，５Ｃから構成されているが、３本に限定されるものではなく、複数のセラミックス製チューブから構成されたものは広く本発明の範疇に包含される。さらに、ロータリーキルン１の押圧機構７は錘手段により構成されているが、例えばバネ部材などの他の押圧手段により押圧機構を構成したものも、広く本発明の範疇に包含される。

１ロータリーキルン
２処理対象物排出口
３処理対象物供給口
４レトルト
４ａ軸心
５金属製シェル
６セラミックス製チューブ
７押圧機構
８ストッパー機構
９転輪
１０加熱炉
１１電気発熱体
１２ａ押圧面
１２ｂ環状体
１２タイヤボス
１３タイヤ
１４タイヤ移動手段
１５錘手段
１６スラストローラー
１７キャスター
１８台座
１９重錘
２０ワイヤーロープ
２１滑車
２２ａ係止面
２２ｂ環状体
２２第２タイヤボス
２３第２タイヤ
２４第２タイヤ移動抑止手段
２５スラストローラー
２６台座
３０間隙

Claims

一端側に処理対象物排出口を有し他端側に処理対象物供給口を有したレトルトが軸心を中心として回転可能に配されたロータリーキルンであって、前記レトルトは、金属製シェルと、該金属製シェルの内側において該金属製シェルに対して軸方向に摺動可能に配されたセラミックス製チューブとから構成されており、前記レトルトの一端側には前記セラミックス製チューブを他端側に向かって押圧する押圧機構が設けられ、前記レトルトの他端側には該レトルトの他端側への移動を規制するためのストッパー機構が設けられていることを特徴とするロータリーキルン。
前記押圧機構は、前記セラミックス製チューブを他端側に向かって押圧するための押圧面を備えたタイヤボスと、タイヤを前記レトルトの軸方向に移動させるためのタイヤ移動手段と、該タイヤ移動手段を前記セラミックス製チューブの他端側に向かって押圧するための錘手段とを有している請求項１に記載のロータリーキルン。
前記ストッパー機構は、前記セラミックス製チューブの他端側面を係止するための係止面を備えた第２タイヤボスと、第２タイヤが前記レトルトの軸方向に移動することを抑止する第２タイヤ移動抑止手段とを有している請求項１または２に記載のロータリーキルン。
前記セラミックス製チューブは、軸方向に沿って連接された複数のセラミックス製チューブから構成されている請求項１ないし３のいずれかに記載のロータリーキルン。