JP4281123B2 - 電気炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、黒鉛粉末等の粉体を製造するための電気炉に関し、特に、炉本体内部で原料粉末を加熱すべき領域へ適正に通電させ、生成粉末の製造を安定して実施できるようにしたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、生成粉体である黒鉛粉末を工業的に製造するには、カーボン粉末等の原料粉末を例えば不活性雰囲気下において約３０００℃〜３５００℃に加熱処理し、原料粉末を黒鉛化することにより行う。この加熱処理に用いられる装置としては、従来、特開平７−２５２７２６号公報、特公平３−３３０号公報、特許第２５７９５６１号公報などに記載のようなアチソン炉が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アチソン炉は、ケース内に原料粉末を充填した後にこれを加熱して黒鉛化し、これを冷却した後にケースから黒鉛粉末を取り出すといったバッチ式の製造プロセスを行うため、次のような問題点を有している。
▲１▼電力の原単位が大きく、電源設備も大がかりとなってコストが高い。
▲２▼黒鉛粉末の冷却に長時間を要し、生産性が悪い。
▲３▼少量生産に適さず、操業途中で中止すると損害が多大となる。
▲４▼ケースへの原料粉末の充填に時間、手間がかかり、作業中に発生する粉塵等により作業環境を悪化させる。
▲５▼ケースに充填した加熱材料を通電加熱してその熱伝導で原料粉末を加熱するため、加熱効率が悪く、ケースから原料粉末への汚染の問題がある。
【０００４】
このような問題に対処するため、炉本体の上部から原料粉末を投入するとともに原料粉末が降下する間に加熱して黒鉛化させ、黒鉛粉末を炉本体の下部から連続して取り出すといった黒鉛化電気炉が考えられる。この黒鉛化電気炉では、連続的な製造を低コストで安定して実施できることが望まれ、原料粉末を加熱すべき領域の温度を適正に維持することが望まれている。ところが、炉本体に設けられた電極に通電しても前記領域を迂回して電流が流れたのでは炉本体の前記領域に適正に通電されず、この領域を所定の温度に上げることができない。特に、炉本体に複数対の電極が設けられると、各電極が迂回路の一部となり易く、前記領域の温度上昇を阻害する場合が多い。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、電極間に通電した場合に電流が炉本体内部の加熱領域を迂回することを防止し、生成粉末の連続的な製造を安定して実施できるようにした電気炉を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、炉本体に投入された、炭素材または炭素の前駆体である原料粉末を、炉本体に設けられた複数対の電極のうちいずれか一対に通電するようにスイッチングした通電により加熱処理し、この処理後の黒鉛粉末を炉本体から取り出すようにした電気炉であって、電極のそれぞれは、同一水平レベルに配置されるとともに各対が炉本体の中心を挟んで対称に配置され、かつ任意の一対の電極間距離が他の電極を経由する炉本体内部距離の合計より短くなるように配置される技術が採用される。この電気炉では、複数対の電極が用いられる場合に任意の一対の電極間距離が他の電極を経由する炉本体内部距離の合計より短くなるようにしているため、任意の一対の電極間に通電するとき、他の電極が電流の通路となって加熱領域を迂回してしまうことを防止し、加熱領域への通電を確保して所定温度まで効率よく上げることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図１および図２を参照して説明する。
図１は、本発明に係る電気炉を示す断面図である。この電気炉は、堅型構造であって、黒鉛粉末を製造するものである。炉本体１には上部の投入口２を介して図示しない原料粉末の供給手段が接続され、下部に管状部材３を介して図示しない黒鉛粉末の回収手段が接続され、対向する側壁に２対の縦長の電極４，５および電極６，７（電極６，７は図２参照）が取り付けられる。そして、この電気炉は、炉本体１の電極４等より上方を予熱ゾーンａとし、電極４，５間の黒鉛化領域８を含む部分を加熱ゾーンｂとし、電極５等より下方を冷却兼排出ゾーンｃとしている。
【００１０】
炉本体１は、図１に示すように、下部にいくに従い絞るような形状に形成されており、これにより冷却効率を高めているが、このように下部を絞るか否かは任意である。また、炉本体１は、水平断面が円形または角形のいずれであってもよく、さらに予熱ゾーンａ、加熱ゾーンｂ、冷却兼排出ゾーンｃのいずれかに対応して水冷（液冷）または空冷（ガス冷）等の冷却手段を設けてもよい。
【００１１】
投入口２から投入される原料粉末の供給手段としては、原料粉末を所定流量で連続的に投入するスクリューコンベアやベルトコンベア、ターンテーブル等が用いられ、これらの駆動速度によって原料粉末の単位時間あたりの投入量が設定される。また、投入される原料粉末としては、粉状体および粒状体を含むものであって、高温度で加熱すれば黒鉛化でき、加熱温度域で導電性を有するような、例えば炭素材、炭素の前駆体等が用いられる。
【００１２】
回収手段としては、管状部材３から送られる黒鉛粉末を連続的に切り出すターンテーブルやスクリューコンベア、ベルトコンベアが用いられ、これらの駆動速度によって黒鉛粉末の時間あたりの取り出し量が設定され、これにより原料粉末（黒鉛粉末）の炉本体１内部の滞留時間を調節している。
【００１３】
電極４，５，６，７は、図２に示すように、加熱部ｂの黒鉛化領域８に対応して炉本体１の対向する側壁に絶縁材９，１０，１１，１２を介して取り付けられ、制御部１３を介して直流または交流の電源１４に接続される。制御部１３は、電極４，５または電極６，７のいずれか一対に通電するよう、所定の時間間隔でスイッチングする。また、電極４，６間の炉本体１内壁に湾曲板状の絶縁材１５が、電極４，７間の炉本体１内壁に同じく絶縁材１６が、電極５，６間の炉本体１内壁に絶縁材１７が、電極５，７間の炉本体１内壁に絶縁材１８がそれぞれ設けられる。
【００１４】
これら絶縁材９〜１２および板状の絶縁材１５〜１８により、各電極からの電流が炉本体１を介してショートパスするのを防止している。さらに、絶縁材１５〜１８は断熱材としても機能するため、炉本体１の構造がシンプルとなり、イニシャルコストを低減できる。また、絶縁材９〜１２によって電極４〜７が炉本体１から絶縁されるため、電極間に通電した場合に炉本体１を介して電流が流れることを防止し、原料粉末を黒鉛化領域８（加熱領域）に適正に通電させることによりこの黒鉛化領域８をムラなく加熱でき、黒鉛化領域８を所定温度まで効率よく上げることができる。さらに、絶縁材１５〜１８が電極間にわたって設けられるため、炉本体１内の電流が炉本体１の一部を介して流れることを防止し、黒鉛化領域８（加熱領域）への通電を確保することにより所定温度までより一層効率よく上げることができる。
【００１５】
続いて、各電極４，５，６，７の配置は、次のように決定される。先ず、電極４，５間の距離をＬ、電極４，６間の距離をＸ１、電極５，６間の距離をＸ２、電極４，７間の距離をＹ１、電極５，７間の距離をＹ２とすると、
Ｌ＜ｍｉｎ｛Ｘ１＋Ｘ２，Ｙ１＋Ｙ２｝
となるように各電極が配置される。要するに、一対の電極４，５に着目したとき、その間の距離Ｌが、他の電極６，７を用いた迂回経路である炉本体１内部の合計距離Ｘ１＋Ｘ２またはＹ１＋Ｙ２のいずれか短いものよりも短くなるように、各電極が配置される。なお、電極６，７に着目する場合も同様である。なお、これら距離Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２は、各電極の幅Ｗも影響するため、この幅Ｗも考慮する。
【００１６】
なお、３対以上の電極を用いる場合も同様に考える。すなわち、ｎ対の電極を用いる場合、通電する一対の電極間距離をＬとし、炉本体の一方の側壁に沿って隣り合う電極間の各距離をＸ１，Ｘ２・・・Ｘｎ、他方の側壁に沿って他の電極間の各距離をＹ１，Ｙ２・・・Ｙｎとすると、
【数１】

となるように各電極を配置する。ただし、電極の幅Ｗを考慮することは上記のとおりである。
【００１７】
そして、図２において、電極４，５間に通電した場合（例えば５０Ｖ，１０００Ａ）、電流が電極６，７を介してショートパスしないため、原料粉末（黒鉛粉末）は固有抵抗に応じたジュール熱で自ら発熱し、約２５００℃〜３５００℃となる黒鉛化領域（加熱領域）８を形成してこの領域で黒鉛化する。さらに、制御部１３によるスイッチングにより、電極４，５に代えて電極６，７間に通電した場合であっても電流が他の電極４，５を介してショートパスしないため、黒鉛化領域８へ適正に通電することになる。
【００１８】
なお、電極４〜７の配置は、図１に示すように同一水平レベルに配置することや、図２に示すように炉本体１の中心を挟んで対称に配置することに限定されず、それぞれズレた状態で配置するものであってもよい。さらには、各電極４〜７を炉本体１の内方に突出させた状態で配置してもよい。これらの場合のいずれも、前記した式を満足するように各電極を配置する点は勿論である。また、図示のものに代えて一対の電極を用いてもよく、この場合は、電極ごとに炉本体と絶縁する絶縁材を設けたり、電極間の炉本体１内壁に沿って板状の絶縁材を取り付ける。
【００１９】
図１に戻り、管状部材３の取り入れ口３ａは、黒鉛化領域８の直下に配置される。この取り入れ口３ａの位置は、黒鉛化領域８において適正に黒鉛化された原料粉末、すなわち希望する温度領域で加熱処理された黒鉛粉末を効率よく取り出すために、図１点線で示す炉本体１内での原料粉末（黒鉛粉末）の安息角を考慮して決定される。ただし、取り入れ口３ａの位置は任意に設定可能であり、例えば炉本体１の下端底面部分など冷却兼排出ゾーンｃに配置してもよい。
【００２０】
また、この電気炉には、炉本体１内部に所定のガスを吹き込んで粉体の流動化および冷却化等を図るためのガス供給手段を設けることもできる。ガス供給手段としては、管状部材３を介して炉本体１内の黒鉛化領域８に所定のガスを吹き込むタイプや、ガス吹き込み用のノズルを炉本体１の下部等に設けるタイプなどがある。この場合、ガス排出用のノズルが炉本体１の側壁に適宜設けられる。このように、炉本体１にガスを吹き込むことにより、炉本体１内部へ空気が浸入しないように所定圧力に設定することが可能となる。なお、供給するガスとしては、原料粉末の黒鉛化に支障のないガス、例えば酸素を含まない窒素ガスやアルゴンガスなどが使用される。
【００２１】
ところで、予熱ゾーンａで原料粉末を予熱する過程で、熱分解等により原料粉末から不純ガス（例えばＣｍＨｎガス等）が発生し、このＣｍＨｎガスは、温度が低下すると凝縮して液化し、予熱部ａでの原料粉末の棚吊りを生じさせる原因となる。しかし、炉本体１に吹き込んだガスが黒鉛化領域８により加熱されて高温のまま予熱ゾーンａを通過することにより、不純ガスを凝縮させることなくキャリアガスとなって不純ガスを炉本体１外に排出できるようにしている。これにより、不純ガスの凝縮によるタール状物や固形物の形成を防止し、棚吊りを効果的に抑制して加熱ゾーンｂへの原料粉末の降下をスムーズにできる。なお、排出されたガスは、燃焼等により処理される。
【００２２】
続いて、以上のように構成された電気炉の動作について説明する。本発明に係る電気炉では、前工程で準備される原料粉末を多量に貯留することなく、連続的に黒鉛化処理する。先ず、供給手段から所定流量で送られる原料粉末を投入口２から炉本体１の予熱ゾーンａに投入し、合わせて回収手段を駆動して管状部材４から黒鉛粉末を所定流量切り出すことにより炉本体１内で原料粉末を降下させる。なお、投入時の原料粉末の温度は室温であるが、これに限定されず、供給手段において原料粉末を加熱してもよい。ちなみに、予熱ゾーンａの熱源は加熱ゾーンｂからの熱伝導によって得られる。ただし、予熱ゾーンａの原料粉末は加熱ゾーンｂからの熱放散を制限する断熱層としても機能する。
【００２３】
そして、制御部１３が電極４，５間または電極６，７間を所定時間間隔でスイッチングしつつ、いずれかの電極に所定電流および電圧で通電することにより、加熱ゾーンｂにおいて原料粉末の固有抵抗に応じたジュール熱により原料粉末自体が加熱される。この場合、例えば電極４，５間に通電するときであっても、他の電極６，７を介して電流がショートパスしないので主として黒鉛化領域８に電流を流すことができ、黒鉛化領域８を所定温度に上げることが可能となる。なお、投入された原料粉末は予熱ゾーンａにおいて加熱ゾーンｂからの熱伝導により予熱されるため、投入段階で非導電性であっても、予熱により導電性となるものが使用可能である。
【００２４】
また、粉粒体は一般的に熱伝導率が小さい。従って、原料粉末自体が断熱機能を果たすため、外部の熱は炉本体１外側に放散する一方、内部の熱は逃げにくくなり、その結果、黒鉛化領域８が２５００℃〜３５００℃の温度に保持されることになる。ただし、黒鉛化領域８の温度は、炉本体１の寸法、電極４，５間または電極６，７間の電流や電圧変化、炉本体１内での原料粉末の移動速度によって適宜設定可能であり、さらに黒鉛化領域８の範囲も同様に設定できる。
【００２５】
予熱ゾーンａに投入された原料粉末は、予熱ゾーンａで予熱されながら、回収手段による黒鉛粉末の切り出し量に応じて時間経過とともに降下し、加熱ゾーンｂの黒鉛化領域８を通過する間に加熱処理されて黒鉛化する。その後、黒鉛粉末は、取り入れ口３ａから管状部材３に取り込まれ、この管状部材３を通過する間に冷却されるとともに回収手段により切り出されて他の装置等へ送られる。
【００２６】
以上のように、供給手段によって原料粉末を投入口２から炉本体１に連続的に投入しつつ、黒鉛化領域８において形成された黒鉛粉末を管状部材３を介して回収手段により連続的に取り出している。なお、炉本体１内において、管状部材３の外側にある黒鉛粉末はそのまま排出されずに滞留することになるが、この滞留する黒鉛粉末によって、黒鉛粉末の異材との汚染を防止するとともに断熱材としても機能する。
【００２７】
また、この電気炉にあっては、原料粉末が炉本体１内部を降下する間に黒鉛化領域８で黒鉛粉末となって炉本体から取り出されるため、供給手段により原料粉末を連続的に投入しながら回収手段によって良質な黒鉛粉末を効率よく連続的に取り出すことができ、原料粉末を長期間貯留させることなく生産性の高い黒鉛粉末の連続式の製造プロセスを実現できる。さらに、連続式の製造プロセスのため電力の原単位が小さく（従来炉の約３分の１程度）、電源設備も小型となりコストを低減できる。
【００２８】
また、装置全体がコンパクトであり、少量生産にも容易に適応でき、仮に操業途中の不具合により操業を中止しても損害は少なく、操業再開も早くできる。アチソン炉のように原料粉末を充填するケースが不要となり、ケースからの汚染の問題がないだけでなく、ケースへの充填および排出時の粉塵の発生も少なくなって良好な作業環境を維持できる。炉本体１への原料粉末の投入および黒鉛粉末の取り出しを機械化することができ、装置の自動化を容易に実施できる。
【００２９】
さらに、黒鉛化領域８における原料粉末の滞留時間が原料粉末供給量および黒鉛粉末回収量の調整により設定されるので、黒鉛化に必要な滞留時間を原料粉末供給量等で容易に設定でき、連続式製造プロセスにおける生産効率の最適化を簡単な制御で確実に行うことができる。
【００３０】
また、管状部材３の取り入れ口３ａが黒鉛化領域８の近傍に配置されるため、黒鉛化領域８、すなわち希望する温度領域で加熱処理された黒鉛粉末を効率よく管状部材３に取り込んで炉本体１の外側に取り出すことにより品質の均一化を図ることができ、しかも黒鉛粉末が管状部材３を通過する間に適宜冷却され、炉本体１から取り出された黒鉛粉末のその後の処理が容易となる。
【００３１】
前記実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。図示のものでは原料粉末を炉本体１の上部から投入し、かつ炉本体１の下部から取り出しているが、例えば原料粉末（黒鉛粉末）をガス圧等によって強制的に移動させる場合には、炉本体１の左方から原料粉末を投入し、炉本体１の右方に黒鉛粉末を取り出すような構成であってもよい。さらに、この電気炉は、黒鉛粉末の製造のみでなく、金属や導電性セラミックスの粉体焼成炉にも適用できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る電気炉は、 複数対の電極が用いられる場合に任意の一対の電極間距離が他の電極を経由する炉本体内部距離の合計より短くなるようにしているため、任意の一対の電極間に通電するとき、他の電極が電流の通路となって加熱領域を迂回してしまうことを防止し、加熱領域への通電を確保して加熱領域をムラなく加熱することにより所定温度まで効率よく上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る黒鉛化電気炉の実施形態を示す断面図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１ 炉本体
４，５，６，７ 電極
８ 黒鉛化領域（加熱領域）
９，１０，１１，１２，１５，１６，１７，１８ 絶縁材

Claims (1)

1. 炉本体に投入された、炭素材または炭素の前駆体である原料粉末を、前記炉本体に設けられた複数対の電極のうちいずれか一対に通電するようにスイッチングした通電により加熱処理し、この処理後の黒鉛粉末を前記炉本体から取り出すようにした電気炉であって、
   前記電極のそれぞれは、同一水平レベルに配置されるとともに各対が前記炉本体の中心を挟んで対称に配置され、かつ任意の一対の電極間距離が他の電極を経由する炉本体内部距離の合計より短くなるように配置されることを特徴とする電気炉。

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