JP2837681B2 - セラミックス製造用多相・多電極アーク炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はセラミックス部材の製造、例えばセラミック
ス部材の溶融法による製造およびセラミックス焼結素地
の表面改質を行うためのセラミックス製造用多相・多電
極アーク炉に関する。

［従来の技術］ 現在、セラミックス部材の製造は、主として調合原料
を加圧、加塑又は鋳込み方法で成形後、焼結する焼結法
と、原料を溶融して成形する溶融法によるが、使用する
窯炉は、焼結法では焼成炉、溶融法では溶融窯で、これ
らはいずれも公知の技術である。また、これらによって
製造されるセラミックス部材は焼結体、または溶融固化
成形体のいずれかである。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のセラミックスを用いて部材を製造する炉は上述
の通りであるが、その炉により製造されたセラミックス
製品は、焼結体では粒子間に気孔が集中しやすく透過性
があり熔化によって気孔を少なくしたいときはガラス質
が介在して強度が低下し、また施釉に基づく欠陥がしば
しば発生する。

一方、溶融法で製造した溶融固化成形体では気孔がほ
とんどなく、高密度で化学的に安定であるが熱衝撃抵抗
が小さい欠点がある。

そこで、セラミックス焼結素地の表面を溶融しこの溶
融部分の結晶化によって無気孔の緻密な改質層を作って
化学的な安定化と、機械的強度、耐熱性の向上をはか
る。

また一方、溶融法によるセラミックス部材の製造にお
いて結晶化により熱膨張を小さくして、耐熱性を強化す
ることを考えた。しかし、一般に使用されているセラミ
ックス製造用の窯炉としては焼結のための焼成炉と、溶
融のための溶融窯があるが、各々別個の構造を有し、こ
れら強度改質セラミックスの製造のためには不都合が多
く、連続的操業は不可能である。

［課題を解決するための手段］ よって、本発明は上記の事柄を解決するために焼結、
溶融および後熱処理の３つの工程を１つの炉で連続して
処理できる炉を提供した。

この炉の構造は予熱焼成部、多相・多電極アーク炎加
熱溶融部および後熱部の３つの部位から構成されてお
り、この３つの部位の機能を詳細に述べる。

（イ）予熱焼成部 予熱焼成部では個体、液体、気体燃料または電熱を発
熱源に用い、それにより発生した熱で原料を予熱焼成す
る。

（ロ）多相・多電極アーク炎加熱溶融部 予熱焼成部により予熱された原料を出願人の発明に係
る特公昭53−39377号に開示した多電極多相交流溶射装
置の多相・多電極アーク発生部を用いた多相・多電極ア
ーク炎加熱により、溶融したり焼結体表面の溶融層を形
成する。

（ハ）後熱部 後熱部では、多相・多電極アーク炎加熱溶融部で溶融
されたものをセラミックス結晶析出温度（一般には800
〜1100℃）に一旦保持し結晶化を行わせ、その上、割れ
やクラックのない良質であり、かつ健全なセラミックス
部材を得ることができる。

本発明の炉により溶融法あるいは表面改質セラミック
スの製造を行うことにより次のような製品が得られる。

（ｉ）溶融法 熱衝撃に対しては、結晶化によって低膨張性になって
いて微小な傷が結晶で止められ割れやクラックを生じな
い。そして化学的安定性も次の表面改質の場合と同様で
ある。

（ii）焼結素地の表面改質 改質セラミックスの表面層は気孔がなく、高密度で透
水、通気性がなく、結晶相はほとんど平衡状態になって
おり、また通常のセラミックスの施釉による表面の保護
や強化に比べてはるかに層が厚く化学的に極めて安定で
ある。

また、素地材質そのものの融成物であるため耐熱性は
劣化せず欠陥の発生するおそれがない。

［作用］ 本発明のセラミックス製造用多相・多電極アーク炉を
用い、セラミックス部材を製造すると、焼成、溶融およ
び後熱の３つの工程が同一炉で処理でき、そのため熱損
失が少く、その上、溶融工程をアーク照射のみで原料を
溶融するよりも、非常に短時間で溶融することができる
ので熱経済性に優れている。

すなわち、予熱焼成室で個体、気体、液体燃料および
電熱を熱源とした熱を用い、あらかじめ型に入った原料
を予熱し直後、多相・多電極アーク炎で加熱溶融するの
で、多相・多電極アーク照射時間が前述のアーク照射時
間の1/3以下の短時間で処理できるので、低燃費なセラ
ミックス部材の製造ができる。また、セラミックス製造
用多相・多電極アーク炉は、焼成炉と溶融炉および後熱
炉を同一炉内に組み込んであるのでセラミックス製造工
程において、従来のそれぞれの目的に応じた単独の炉を
組み合わせた場合より、製造工程を単純かつ容易にし
た。

この結果セラミックス部材製造の連続操業も可能とな
った。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を添付図面を参照しながらセラ
ミックス部材の製造について説明する。

第１図は、セラミックス焼結素地の表面改質を行った
セラミックス製造用多相・多電極アーク炉の全体を示
す。該炉は予熱焼成部（I）、多相・多電極アーク炎加
熱溶融部（II）および後熱部（III）を一体にした製造
からなっている。

その３部の概要を下記に部位ごとに説明する。

（Ｉ）予熱焼成部 予熱焼成部（I）は２つの部屋に分かれていて燃料燃
焼室（１）と予熱保持室（２）に分かれている。

燃料燃焼室（１）にて使用されている発生熱源は都市
ゴミを圧縮固形した非常に低燃費な可燃性廃棄物の固形
燃料（21）を用い、燃焼を助けるためにエアーダクト
（３）からエアーを吹き込み燃料燃焼室（１）にて燃焼
させる。その燃焼による温度は約1000℃に達する。

第２図は、第１図の線Ａ−Ａによる平面図で２つのベ
ルトコンベア（13），（14）、ターンテーブル（15）、
型（５）および型押し出しを装置（16）等の関係を説明
する図である。

セラミックスの原料となる粉末の入った耐火性物質を
用いた型（５）が、挿入口（４）からベルトコンベアＩ
（13）に乗せられ、燃料燃焼室（１）に移送される。そ
こで、1000℃の熱を受けながら次の予熱保持室（２）に
移送され、予熱保持室（２）では燃料燃焼室（１）で発
生した1000℃の熱を保持し続けてベルトコンベアＩ（1
3）に乗ったまま、ゆっくり移送される。

その後予熱焼成部（I）に入ってから30分後に予熱焼
成工程は終了する。その時点で型（５）に埋められてい
た原料の粉が焼結され予熱焼結素地が形成され、その
後、次の多相・多電極アーク炎加熱溶融部（II）に移送
される。（多相・多電極アーク炎加熱溶融部を以下アー
ク加熱溶融部と称す。） （II）アーク加熱溶融部 アーク加熱溶融部（II）におけるアーク発生装置の構
成は６本の電極（６），（７），（８）（８），
（６′），（７′），（８′）と三相交流電源部（12）
からなり、その６本の電極を逆円錐状に設置し、電極先
端が円形状で等間隔になるように配置し、電極（６），
（７），（８）と電極（６′），（７′），（８′）と
のグループ別にシリコン制御電流素子（サイリスタ）あ
るいはリアクトルなどにより形成されている電流調整装
置（９），（10），（11）を通して、三相交流電源部
（12）と電極接続部（22）に表示した電極番号の順に接
続され、それぞれに電圧を印加すると、各電極間で環状
にアークが発生する。その電極間に発生したアークは電
磁力の作用により、電極先端より下方向にアーク炎が噴
出される。この多相・多電極アーク炎により被照射物を
照射することができる。（多相・多電極アーク炎加熱溶
を以下アーク加熱溶融と称する。） アーク発生部はクレーン（23）を用い公知の作動技術
により上下、前後、左右の各方向に移動する。（図示せ
ず） このアーク発生装置の電極は、消耗電極（例えばカー
ボン電極）を使用しており、アーク照射時において電極
は消耗するものであり、これを補うために電極を公知の
技術により自動送りにし制御するようになっている。
（図示せず） 第２図によりアーク加熱溶融は耐火性物質を用いたタ
ーンテーブル（15）で行い、ベルトコンベアＩ（13）か
ら流れてきた型（５）をターンテーブル（15）のａの位
置に置き、その後ターンテーブル（15）が矢印（19）に
示すように時計方向に90°回転し、型（５）がｂの位置
に移送されアーク加熱溶融を受ける。

アーク加熱溶融後ｂの位置にあった型（５）は、ター
ンテーブル（15）がさらに時計方向に90°回り、ｃの位
置に移送し次の後熱部（III）に移送される。

数秒間のアーク加熱溶融を行うことにより、高温のア
ーク炎は熱電極が促進され、電磁力によりアークが噴出
することおよび電極先端における回転磁界による撹拌効
果等の影響を受け、焼結素地表面は溶融され焼結素地の
表面に溶融層が形成された。

なお、アーク発生装置の電極数および使用する交流電
極の相数は実施例に示した電極数６本、交流相数は三相
に限定されることなく、多数の電極と交流電源を用い、
いわゆる多相・多電極アークを発生することができるの
は当業者にとって明らかである。

（III）後熱部 後熱部（III）では熱源を設けず、予熱焼成部（I）と
アーク加熱溶融部（II）で発生した熱を利用し、アーク
照射後における析出相の晶出に適した温度（一般には80
0〜1100℃）に一旦保持することにより結晶化させ、セ
ラミックス部材の割れやクラックの発生を防止する。後
熱部（III）ではセラミックスの物性に応じ晶出に必要
な時間を公知の技術を用いて、ベルトコンベアII（14）
の速度を制御することにより変化させる事ができる。
（図示せず） つぎに、ベルトコンベアII（14）により表面改質され
た素地の入った型（５）は取り出し口まで移送されセラ
ミックスの物性に合わし必要であれば次工程の徐冷炉で
の徐冷を行う。（図示せず） 上記のセラミックス製造用多相・多電極アーク炉を用
い、セラミックス焼結素地の表面改質した部材を製造し
た場合につき第１図と第２図を用い、さらに詳細に説明
する。

セラミックス四角片の原料となる90gの粉末を外径φ1
00mm、内寸60mm角の耐火性物質を用いた型（５）に入れ
成形し、その型（５）を予熱焼成部（I）に設けられた
挿入口（４）から35秒間隔で連続的に挿入し、ベルトコ
ンベアＩ（13）に乗せると原料の入った型（５）には数
秒後に燃料燃焼室（１）に達する。ベルトコンベアＩ
（13）は毎分100mmの速度で矢印（18）の方向へ移動す
るので、原料の入った型（５）は燃料燃焼室（１）で発
生した熱をエアーダクト（３）からエアーを流すことに
よって、発生した約1000℃の熱をベルトコンベアＩ（1
3）の上に乗っている型（５）は直接当てて加熱しなが
ら次に設けた予熱保持室（２）に移送する。

予熱焼成部（I）では１つの原料につき30分間の加熱
をする。この間に原料粉末が焼結し、予熱焼結素地が形
成される。その後、次のアーク加熱溶融部（II）に移送
される。

アーク加熱溶融部（II）では型（５）に形成された予
熱焼結素地をアーク加熱溶融するための照射台として、
耐火性物質で製作したターンテーブル（15）を使用す
る。

第２図で見てみるとベルトコンベアＩ（13）で予熱焼
成部（I）から移送された焼結素地の入った型（５）
が、アーク加熱溶融部（II）に設けたターンテーブル
（15）上のａの位置に移送され設置される。設置されて
より１秒後にターンテーブル（15）は矢印（19）に示す
ように時計方向に90°を２秒間で回転し、ｂの位置で停
止する。そこで30秒間アーク炎により加熱溶融を行う。

30秒間のアーク照射直後２秒間でターンテーブル（1
5）が更に90°時計方向に回転しｃの位置に型（５）が
移送され停止すると、直ちに型押し出し装置（16）によ
り型（５）がベルトコンベアII（14）に移送される。

アーク炎で加熱溶融され表面改質を行った焼結体はコ
ージェライト組成のもので、後熱部（III）にてベルト
コンベアII（14）により矢印（20）に示す方向に移送
し、30分で後熱部（III）を通過するようにし、後熱部
（III）内を析出相の晶出温度の約1000℃に保ち30分の
間にコージェライト等の結晶を析出させる。

その後セラミックスの物性に合わせ、必要に応じて次
工程で徐冷を行う。（図示せず） そして、次の移送されている型（５）がベルトコンベ
アＩ（13）によって、ターンテーブル（15）のａの位置
に置かれ、前述と同様な過程を経てアーク加熱溶融、後
熱がくり返し行なわれる。

更に詳しくアーク加熱溶融部（II）の機構を説明する
と、ターンテーブル（15）の作動機構はターンテーブル
（15）に直結したモーター（17）により回転し、実施例
にて実施した結果、１秒停止し２秒で矢印（19）の方向
に90°回転し30秒停止、又２秒で更に90°矢印（19）の
方向に回転した直後、次の型（５）がターンテーブル
（15）に移送され１秒間停止するという動作を公知の制
御器（図示せず）により制御し、同じ周期の動作を連続
的に行うものである。

型押し出し装置（16）については公知の機械的作動を
用いているので詳細な機構は略すが、実施例に用いたこ
の装置の作動は、ターンテーブル（15）の上のｃの位置
に置いてある型（５）を型押し出し装置（16）の押し出
し腕（24）により２秒間でベルトコンベアII（14）に押
し出し、その後２秒間で押し出し腕（24）は元の位置に
戻る。

次に、31秒間型押し出し装置（16）の作動は停止し、
更に次の新しい型（５）がターンテーブル（15）のｃの
位置に来たときは前述の作動が繰返し、かつ連続的に行
われる機構となっている。なお、この時間間隔の制御は
型押し出し装置（16）の制御器（図示せず）により行う
事ができる。

ベルトコンベアＩ（13），ベルトコンベアII（14），
ターンテーブル（15）および型押し出し装置（16）の作
動機構は、あくまでも実施例であり製造するセラミック
ス部材の特性、物性に応じて変化させる事ができる。

また、予熱焼成部（I）の燃料燃焼室（１）で発生す
る熱源の発熱体は、可燃性廃棄物の固形燃料（21）を使
用しており、これは都市ゴミの圧縮固形化したもので、
この廃棄物が高カロリーであるため燃却した時に発生す
る熱はかなりの高温で、その上持続性があるので低燃費
で大きな熱エネルギーが得られる。

なお、予熱熱源としては都市ゴミを圧縮固形した可燃
性廃棄物の固形燃料（21）に限定されず、気体燃料、液
体燃料、電熱等も用いられるのは自明での利である。

以上のように予熱焼成部（I）で1000℃の温度を与え
焼結素地を製造し、その表面に短時間のアーク加熱溶融
を行うことによりセラミックス粒子の低熱伝導度と相ま
って表層部分に溶融層を形成させ、その後徐冷して析出
相の晶出に適した温度に一定保持することにより結晶化
させ、気孔のない高密度で不透過性かつ熱衝撃抵抗を高
めて美観を与える表層を有する表面改質セラミックスを
得ることができる。

本発明は、上記実施例で使用した組成のセラミックス
に限定するものではなく、製造セラミックスの特性、物
性に応じた条件を適宜選定するのは当業者にとって明ら
かである。

［発明の効果］ 現在までのセラミックス製造用の焼成炉と溶融窯は個
別の機能しか持たず同時に処理することが困難であっ
た。

そこで本発明のセラミックス製造用多相・多電極アー
ク炉は焼結と溶融及び後熱処理を一つの炉を用いて連続
的に作業を実施できるので、作業性が良好でかつ全工程
を通じて熱の損失が少ないので熱経済的に有利である。

また、予熱熱源として都市ゴミを圧縮固形化した非常
に低燃費な可燃性廃棄物の固形燃料を使用すると高カロ
リーの熱量が得られるので、低燃費で大きな熱エネルギ
ーが得られる。

次に、本発明のセラミックス製造用多相・多電極アー
ク炉を用いセラミックス部材を製造すると次の様な効果
がえられる。

溶融法で製造したセラミックスは無気孔、高密度で化
学的に安定し、低膨張性で耐熱性にすぐれる他、絶縁
性、機械的強度も高い。さらに結晶析出に伴う美観を与
える等の効果がある。

また、焼結素地の表面改質セラミックスの表面溶融層
は溶融法で製造したセラミックスと同じ様な効果を有
し、その溶融層と焼結素地が複層構造になっており破断
面の観察では、その間の境界は相互に入り組み凹凸があ
るので層間剥離のおそれがなく、総合物性として効果が
期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のセラミックス焼結素地の表面改質を
行ったセラミックス製造用多相・多電極アーク炉の全体
図，第２図は、本発明の炉で原料の入った型の移送過程
を説明するための第１図線Ａ−Ａにより得られた平面図
を示す。I ……予熱焼成部、II……アーク加熱溶融部、III……後
熱部、１……燃料燃焼室、２……予熱保持室、３……エ
アーダクト、４……挿入口、５……型、6,7,8,6′,7′,
8′……電極、9,10,11……電流調整装置、12……三相交
流電源部、13……ベルトコンベアＩ、14……ベルトコン
ベアII、15……ターンテーブル、16……型押し出し装
置、17……モーター、18……ベルトコンベアＩの移送方
向、19……ターンテーブル回転方向、20……ベルトコン
ベアIIの移送方向、21……可燃性廃棄物の固形燃料、22
……電極接続部、23……クレーン、24……押し出し腕。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス部材の製造用炉において予熱
   焼成部、アーク加熱溶融部および後熱部を具備し、アー
   ク加熱溶融部に多相・多電極アークを用いることを特徴
   とする、セラミックス製造用多相・多電極アーク炉。
2. 【請求項２】予熱焼成部の熱源として可燃性廃棄物を圧
   縮固形した固形燃料を用いることを特徴とする請求項１
   記載のセラミックス製造用多相・多電極アーク炉。