JP2014145566A - 処理炉および焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】脱バインダの効率を上げることにより脱バインダの処理時間を短縮する処理炉を提供する。
【解決手段】処理炉は、連続空間と、連続空間内に設けられた搬送部６とを含んでいる。連続空間は、脱バインダ空間２１と、脱バインダ空間２１に連続して設けられた本焼空間２２とを含んでおり、雰囲気ガスが本焼空間２２から脱バインダ空間２１へ流れる。連続空間における雰囲気ガスの流れ方向に垂直な縦断面積のうち、脱バインダ空間２１における縦断面積が、本焼空間２２における縦断面積よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、処理炉および焼結体の製造方法に関するものである。

予熱空間と脱バインダ空間と本焼空間と冷却空間とが連続してなる処理炉は、例えば連続焼成炉等と呼ばれ、複数のセラミックス生成形体をコンベアで各空間を順次通過させることにより、脱溶剤工程、脱バインダ工程、焼成工程、焼結体の冷却工程等を連続して処理することができるため、量産性の点で優れている。被処理物または処理目的により、大気炉の他、焼成雰囲気としてはＮ_２、Ｎ_２とＨ_２Ｏ、Ｎ_２とＣＯ_２、Ｎ_２とＨ_２等が適宜使い分けられる。各空間の温度プロファイルは被処理物または処理目的により調整されるが、例えばガラスセラミックスの場合であれば、一般的には、予熱空間は２００℃、脱バインダ空間は５００℃、本焼空間は９００℃であり、冷却空間に設けられたガス給気口と予熱空間に設けられた排気口とがあり、冷却空間から予熱空間に向かって雰囲気ガスが流れるようになっている。

特開昭６２−２９７４０３号公報 特開２０００−３２８１０３号公報

雰囲気ガスの流れは、一般に、連続焼成炉内の生成形体の搬送方向とは逆方向に設定され、高温空間から低温空間へ雰囲気ガスが流れることで各空間の温度を良好に保つのに役立っている。従来の連続焼成炉では、連続焼成炉の長手方向（雰囲気ガスの流れ方向）に直交する縦断面積（流路空間の断面積）が略一定であるため、流速は各処理空間で一定であり、特に脱バインダの処理においては工程中最も時間を要する上、十分にバインダを除去することが困難であるという問題があった。すなわち、脱バインダ工程においてバインダの分解生成物（炭素質成分）が残留し、後続の焼成工程における焼結性に問題が生じるという課題があった。

本発明の一つの態様による処理炉は、連続空間と、連続空間内に設けられた搬送部とを含んでいる。連続空間は、脱バインダ空間と、脱バインダ空間に連続して設けられた本焼空間とを含んでおり、雰囲気ガスが本焼空間から脱バインダ空間へ流れる。連続空間における雰囲気ガスの流れ方向に垂直な縦断面積のうち、脱バインダ空間における縦断面積が、本焼空間における縦断面積よりも小さい。

本発明の他の態様による処理方法は、脱バインダ空間において生成形体のバインダ成分を除去する脱バインダ工程と、本焼空間において脱バインダ後の生成形体を焼成する焼成工程とを有している。雰囲気ガスは、本焼空間から脱バインダ空間へ流され、脱バインダ空間における雰囲気ガスの流速が本焼空間における雰囲気ガスの流速よりも速い。

本発明の一つの態様による処理炉において、連続空間における雰囲気ガスの流れ方向に垂直な縦断面積のうち、脱バインダ空間における縦断面積が、本焼空間における縦断面積よりも小さいことによって、脱バインダ空間における雰囲気ガスの流速が速くなり、処理
対象物である生成形体に対する静圧が下がる。本焼空間と比べて脱バインダ空間における静圧が下がる分、生成形体のバインダ分解ガスを吸引する効果が生じて脱バインダの処理時間を短縮することができる。

また、本発明の他の態様による焼結体の製造方法において、脱バインダ空間における雰囲気ガスの流速が本焼空間における雰囲気ガスの流速よりも速いことによって、脱バインダ工程におけるバインダの除去効率を向上させることができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態における処理炉の縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された処理炉の部分拡大図である。 （ａ）は図１に示された処理炉の脱バインダ空間における雰囲気ガスの流れ方向に垂直な縦断面であり、（ｂ）は図１に示された処理炉の本焼空間における雰囲気ガスの流れ方向に垂直な縦断面である。 本発明の第１の実施形態における焼結体の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態における処理炉の部分断面図である。

以下、本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）、図１（ｂ）および図２を参照して本発明の第１の実施形態における処理炉について説明する。

炉本体１は断熱材２で囲まれており、マッフル３はその下に連設する台座４によって熱伝導で逃げる熱が少なくなるよう支持される。またマッフル３は連設する加熱源５で囲まれ、生成形体７はマッフル３の内部で搬送部（例えば、コンベア）６により予熱空間２０と脱バインダ空間２１と本焼空間２２と冷却空間２３を順次通過する。マッフル３には、詳細には図示していないが処理炉長手方向に直交した配管が配置され配管には複数の通気孔が設けられており、これが雰囲気ガスを供給する給気口８とガスを排出する排気口９となり、コンベアの搬送方向とは逆向きの雰囲気ガスの流れを発生している。図１において、コンベアの搬送方向は、紙面右方向（仮想のｘ軸の正方向）であり、雰囲気ガスの流れ方向は、紙面左方向（仮想のｘ軸の負方向）である。図１中の波線矢印は雰囲気ガスの流れを模式的に表したものである。また、本実施形態における上方向とは仮想のｚ軸の正方向のことである。

本実施形態において処理炉は、例えばセラミックスを材料とする生成形体７を搬送しつつ、生成形体７への加熱処理および焼成を連続して行なうための連続焼成炉である。各処理空間にはそれぞれ、生成形体７を加熱するための加熱源５が連設されている。加熱源５は、例えばヒーターの輻射加熱であり、マッフル３を介して生成形体７を加熱するようになっている。このような連続焼成炉のマッフル３は、例えばアルミナおよびＳＵＳを材料とする耐火物等によって構成されている。

予熱空間２０に続く脱バインダ空間２１は、生成形体７を加熱することによって生成形体７に含まれている有機バインダを分解してその分解された物質と雰囲気ガスを反応させることによって生成形体７から有機バインダを取り除くための空間である。例えば、有機バインダとしてアクリル系，ポリビニルブチラール系、ポリビニルアルコール系、アクリル−スチレン系、ポリプロピレンカーボネート系、セルロース系等の単独重合体または共重合体を含む生成形体７を加熱する場合であれば、２００℃〜１０００℃の温度で加熱する。

脱バインダ空間２１の雰囲気が、例えば窒素雰囲気または窒素と水素との混合雰囲気等の非酸化性雰囲気である場合には、雰囲気ガスには濃度が５〜９５体積％の水蒸気が含まれている。水蒸気は、分解された有機バインダと反応するために用いられており、水蒸気と有機バインダとが加熱された状態で化学反応することによって有機バインダが取り除かれる。

本焼空間２２は、脱バインダ空間２１における処理を行なった後、焼成を行なうための空間であり、セラミックスを材料とする生成形体７を加熱することによって焼結させる。例えば、セラミックスとしてアルミナ，シリカ，カルシアまたはマグネシア等を含む生成形体７を焼成する場合であれば、１０００℃〜１６００℃の温度で焼成する。ただしマッフルがステンレス製の場合は高温側の連続使用限界温度は約１０００℃であるため、連続して１６００℃まで焼成するような場合には本焼空間の炉壁材にはアルミナ煉瓦や耐熱ボードが使用される。また焼成温度によってはコンベア構造も例えばアルミナセラミック製のローラー等に適宜変わる。

本焼空間２２における雰囲気ガスは例えば窒素雰囲気であり、他に窒素と水素との混合雰囲気等の非酸化性雰囲気である場合には濃度が１〜４体積％の水蒸気が含まれる。

冷却空間２３は、生成形体７を本焼成して作製した基板等の焼結体を冷却し、炉の設計によって冷却空間２３はマッフル３の外まで続くこともある。

脱バインダ空間２１とその前後の空間の境界部分では温度プロファイルが徐々に変化しているため、明確に温度プロファイルが変わる境界線が存在するわけではない。すなわち本実施形態において脱バインダ空間と見なせる区域を少なくとも含んだ一連空間の上方天井部に流速調整体１０が配置され、流速調整体１０はコンベア６上方の流路空間の断面積を小さくする。

図２（ａ）に示されているように、脱バインダ空間２１における連続空間の断面積は、流速調整体１０によって、図２（ｂ）に示された本焼空間２２における連続空間の断面積よりも小さくなっている。さらに具体的には、図２（ａ）に示されているように、脱バインダ空間２１における流路空間の断面積は、流速調整体１０によって、図２（ｂ）に示された本焼空間２２における流路空間の断面積よりも小さくなっている。

コンベア６の上方に位置する流路空間の断面積が、一連空間の前後空間の流路空間の断面積より小さくなるため、一連空間における雰囲気ガスの流速が速くなる。雰囲気ガスの流速が速くなると雰囲気ガスによる生成形体７への静圧が他空間に比べ下がるので、生成形体７の表面からバインダ分解ガスを吸引する効果が生じて脱バインダの処理時間が短縮する。

コンベア６は、上述した炉本体１の全体にわたって設けられており、例えばローラー、プッシャーまたはメッシュベルト等を用いることによって、生成形体７をマッフル３内の各処理空間に順次搬送するためのものである。本実施形態においては、メッシュベルトを用いて生成形体７を搬送している。

また、以下において本実施形態の処理炉を用いた焼結体の製造方法について図３を参照しつつ説明する。

本実施形態における焼成方法は、図３に示されたフローのように、脱バインダ工程の前に予熱空間における生成形体の脱溶剤工程を有しており、本焼空間における焼成工程の後
には冷却空間における焼結体の冷却工程を有している。すなわち、本実施形態の焼成方法は、脱溶剤工程、脱バインダ工程、焼成工程、冷却工程の順に熱処理を行うことによって焼結体を作製する処理方法である。

本実施形態における処理方法は、予熱空間と脱バインダ空間と本焼空間と冷却空間とが連続してなる処理炉において、少なくとも前記脱バインダ空間の一部を含む一連空間は、本焼空間から一連空間にかけてコンベア上方の流路空間断面積が連続的に小さくなるとともに、一連空間から予熱空間にかけてコンベア上方の流路空間断面積が不連続的に大きくなる空間を有し、被処理物の一例である生成形体が処理炉を順次通過する。このような本実施形態の焼結体の製造方法を用いることにより、脱バインダ空間におけるガス流速が速くなる結果、生成形体への静圧が下がる。すなわち生成形体のバインダ分解ガスを吸引する効果が生じて脱バインダの処理時間が短縮する効果がある。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による処理炉について、図４を参照しつつ説明する。

本発明の第２の実施形態における処理炉において、上記した第１の実施形態の処理炉と異なる点は、図４に示された例のように、本焼空間２３から一連空間にかけてコンベア６の上方の流路空間の断面積が連続的に小さくなるとともに、一連空間から予熱空間２０にかけてコンベア６の上方の流路空間の断面積が不連続的に大きくなる空間を有すること空間を有する点にある。また、本焼空間から一連空間にかけて、コンベア６の上方の流路空間の断面積が連続的に小さくなる空間を有することで、雰囲気ガスをスムーズに脱バインダ空間２１へ導入することができるとともに、圧力勾配を設けることで流速を徐々に上げていく効果がある。流速が急峻に上げないことで、脱バインダ空間２１内の風上から風下に至るまで一定のガス流速を保つことが可能となる。

また、一連空間から予熱空間２０にかけて、コンベア６の上方の流路空間の断面積が不連続的に大きくなる空間を有することで、一連空間から予熱空間２０へ流出する雰囲気ガスが乱流となる結果、予熱空間２０の圧力が一連空間より低くなることから予熱空間２０の雰囲気ガスを予熱空間２０へと吸引する効果が生じバインダ分解ガスの排出効率が向上する。さらに雰囲気ガスは予熱空間２０で乱流状態であるため、予熱空間２０の温度分布が均一となり効率的に予熱処理を行うことができる。

なお、本発明の実施形態は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、種々の変更は可能である。例えば、コンベア６側方の流路空間がマッフル炉全体の流路空間の断面積に比べ無視できない大きさであるなら流速調整体はマッフル炉の側壁にも設けると効果が向上する。また、流速調整体はソリッドな構造体である必要はなく、雰囲気ガスに対して流れ方向を変える効果が得られれば、流速調整体の表面はメッシュ状であってもよい。

１・・・・炉本体
２・・・・断熱材
３・・・・マッフル
４・・・・台座
５・・・・加熱源
６・・・・コンベア
７・・・・生成形体
８・・・・給気口
９・・・・排気口
10・・・・調整構造体
20・・・・予熱空間
21・・・・脱バインダ空間
22・・・・本焼空間
23・・・・冷却空間

Claims (4)

1. 脱バインダ空間と該脱バインダ空間に連続して設けられた本焼空間とを含んでおり、該本焼空間から前記脱バインダ空間へ雰囲気ガスが流れる連続空間と、
   該連続空間内に設けられた搬送部とを備えており、
   前記連続空間における前記雰囲気ガスの流れ方向に垂直な縦断面積のうち、前記脱バインダ空間における縦断面積が、前記本焼空間における縦断面積よりも小さいことを特徴とする処理炉。
2. 前記脱バインダ空間における前記連続空間の縦断面積のうち、前記雰囲気ガスの流れ方向における上流部の縦断面積が、前記雰囲気ガスの流れ方向において連続的に小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の処理炉。
3. 前記脱バインダ空間における前記連続空間の縦断面積のうち、前記雰囲気ガスの流れ方向における下流部の縦断面積が、不連続的に大きくなっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の処理炉。
4. 脱バインダ空間において生成形体のバインダ成分を除去する脱バインダ工程と、
   本焼空間において脱バインダ後の生成形体を焼成する焼成工程とを有しており、
   雰囲気ガスが、前記本焼空間から前記脱バインダ空間へ流され、前記脱バインダ空間における前記雰囲気ガスの流速が前記本焼空間における前記雰囲気ガスの流速よりも速いことを特徴とする焼結体の製造方法。

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