JP4302459B2 - 回転式連続熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は各種の粉体や粒体材料の乾燥、焼成などの熱処理に用いる回転式連続熱処理装置に関する。

一般に粉体材料を乾燥、焼成などの熱処理する方法として、材料を充填したこう鉢、坩堝などの容器を高温炉内に設置して熱処理するか、これらの容器を長いトンネル状の加熱炉の中を移動させながら必要時間熱処理するものが用いられている。さらに効率的な方法として、ロータリーキルンに代表される回転式焼成装置が用いられている。これは回転する炉心管の一端に材料を供給し、加熱した炉心管の傾斜角度と回転速度を調節することによって、その材料が所要時間の間に炉心管の他端まで順次移動して熱処理され排出されるものである。

上記焼成法のうち効率的なロータリーキルン法は、古くからセメント、肥料、ガラス、鉱物などの無機工業材料のような比較的焼成温度の管理許容幅が大きくても実用可能で、連続焼成による効率的量産を主体とする工業材料の焼成に用いられている。
これらに比べて焼成温度などの管理精度の要求が厳しいファインセラミック、蛍光体などの各種電子材料、化学材料などの分野では、温度、雰囲気などの精密管理の可能な固定炉やトンネル炉を用い、こう鉢などの容器に材料を充填して煩雑な管理をしながら長時間かけて焼成している。この場合、容器内の表面と内部の温度差を少なくするためには、容器内へ充填される材料の厚みを薄くせねばならず大量処理が難しい。さらに、容器の熱容量が大きいので、その昇温に時間を要し、必要処理時間が長くなる。その結果、生産効率が悪く、消費電力が大きいなどの問題がある。

従来のロータリーキルンをこのような高精度焼成に利用する場合の問題点は、材料供給用ホッパーの下部に設けた搬送用スクリューフィーダーに充填材料の全重力が常にかかるために、必要量よりも多量に炉心管に送り込まれ、その量が大きくばらつくことである。従来のロータリーキルンは、例えば特許文献１および２に見られるように、搬送用スクリューフィーダーから直接に材料を炉心管に供給するものであり、搬送用スクリューフィーダーによる材料の供給量の変動を改良しようとする試みはない。搬送用スクリューフィーダーから供給される材料は、前記のように必要量よりも多量になり、しかもその量のばらつきが大きい。その結果、炉内での材料の均一移動が損なわれて滞留したり、極端な場合は逆流したりして材料の分布が大きくばらつき、均一な焼成が困難になる。即ち、ロータリーキルン入口への均等な材料供給ができず、炉内の材料分布、移動が不均一になって、溜まりや逆流を生じて、高精度な焼成条件を要求される材料の安定な熱処理が困難である。

特開平１１−２８１０２６号公報 特開２００１−９１１６１号公報

本発明は、上記のようなロータリーキルン法の課題を解決し、今後一層要望の高まる高精度焼成の連続処理を可能とする生産性の高い回転式連続熱処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、ロータリーキルンの材料供給端部に常に定量の材料を均一に供給することによって、その炉心管内を移動しながら焼成される材料が常に一定の熱履歴で焼成できるような構造にするものである。すなわち、本発明の回転式連続熱処理装置は、ホッパーなどの材料供給部とロータリーキルンとの間に、前記材料供給部とロータリーキルンの炉心管とを接続する円筒体、並びに前記円筒体内において前記円筒体および前記炉心管と独立して回転する螺旋状体からなる定量送り込み機構を設け、前記円筒体を、ロータリーキルンの炉心管と独立して回転させるように構成したことを特徴とする。

定量送り込み機構としては、種々のものが応用できるが、本発明では材料供給部とロータリーキルンの炉心管とを接続する円筒体、並びに前記円筒体内において円筒体と独立して回転する螺旋状体を具備する。この定量送り込み機構によれば、材料供給部から円筒体の一端に供給される材料は、螺旋状体によって円筒体の内部を順次移動し、円筒体の他端から定量ずつロータリーキルン内に搬送される。
定量送り込み機構は、各材料の焼成目的により径、長さ、傾斜、回転速度などが決められたロータリーキルンの炉心管内を焼成されながら回転移動する処理量とのバランスが保持されるように、材料を炉心管内へ供給することが望まれる。従って、螺旋状体の螺旋形状、羽根の大きさ、角度、スクリューピッチ、円筒体の内壁との間隔などは、前記の条件を満たすように設計するのが好ましい。

この定量送り込み機構は、ロータリーキルン本体の回転とは異なった速度で独自に回転させることができる。このため、処理材料の種類、材質、性状、形状、処理量などが変わってもロータリーキルンの諸条件を変更することなく、この送り込み機構の回転数などの条件を調整するのみで、簡単に対応できる。従って、多品種、多種多様な焼成条件の生産管理も容易にできる。

定量送り込み機構の円筒体は、供給材料が円筒体底部に堆積するのを防止するためにその内部の螺旋状体の回転と独立に回転される。また、円筒体の回転がロータリーキルンの回転とも独立して行われることにより、供給条件と焼成条件の選択組み合わせの自由度が大きくなる。

また、材料供給用ホッパー、ホッパー内の材料を定量送り込み機構に供給する供給管、並びに供給管内に配されたスクリューフィーダーから材料供給部は構成される。定量送り込み機構の螺旋状体と、材料供給部のスクリューフィーダーとを同軸に配し、且つそれらが互いに独立して回転されるように設ける。螺旋状体は、軸方向の材料供給部側の一端に中空の回転軸部を有している。その回転軸部の中空部には、材料供給部の供給管が遊嵌される。

本発明の効果を一層確実にするため、この定量送り込み機構に搬送される材料の供給量変動の軽減手段を付加することも有効である。すなわち、材料供給部を、材料供給用ホッパー、前記ホッパーの中間部に設けられたスリット状または網状のシャッター機構、および前記シャッター機構を振動させる駆動機構により構成する。このシャッター機構によって、供給用ホッパー下部のスクリューフィーダーに投入材料の全重量が直接加わるのを避けることができ、フィーダーの正常回転動作を妨げない加重状態を常に維持することができる。また、このシャッター機構に適当な振動を加えることによって、材料のぼた落ち、塊状化を避けることができる。この場合の振動源は、超音波、電磁力などが適用できるが、材料の性状に応じて造粒などの逆効果が生じない条件を選べばよい。微粉末の場合は、バイブレターなどの電磁振動が有効であるが、処理材料の性状に最適なスリットの形状、大きさと振動条件を選択組合わせることで優れた効果が得られる。

これら材料供給部および定量送り込み機構を構成する装置の本体、および部品の材料は、ステンレス鋼、チタン、メッキ鋼、セラミックなど高温に耐えて処理材料と接しても反応、変質したり付着することのないものであれば何れでも使用できる。また、これら材質と同等の機能を有する材質でコーティングしたものも適用可能である。

本発明によれば、従来のロータリーキルンによる粉体、粒体などの焼成処理において、材料供給ホッパーとロータリーキルンの中間に定量送り込み機構を介入させるだけの簡単な改良で、均質、かつ効率的な熱処理ができ、しかも安定した焼成条件の調整、管理が容易にできる。
また、本発明により、常に少量ずつの材料に均等に熱がかかるロータリーキルン法によって精度の高い均質な熱処理が可能になったために、従来のこう鉢などの容器に材料を充填してバッチ炉、トンネル炉で焼成した場合に生じる材料の表面と内部との温度や雰囲気の差に起因する熱処理のばらつきが無くなり、常に同一条件で連続的、効率的な熱処理が可能になる。
その結果、従来ロータリーキルンによる焼成処理が適応し難かった高精度の温度管理による均質焼成が要求される電子材料、高純度材料、医薬品材料など多くの分野での活用が可能になる。

そして、この高精度連続熱処理の効果によって、従来のこう鉢などの容器に充填してトンネル炉で焼成する場合に比較して数倍から数十倍のスピード処理が可能になる。これは、従来法では熱容量が大きいこう鉢などの容器の昇温、冷却に長時間を要するのに対し、本発明では材料のみを少量ずつ直接、連続的に熱処理できるためである。また、この効果に伴って加熱源である炉の電力消費量も当然削減され、使用材料、要求熱処理条件などによって差異はあるが、従来法の約１／５程度までに大幅節減できる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は第一の実施の形態における回転式連続熱処理装置の構成を示す縦断面略図である。
１は熱処理をしようとする粉体の原材料を供給するホッパーを表し、６はロータリーキルンの炉心管を表す。ホッパー１は、その下部に原材料ａを炉心管側へ供給するための供給管２を有し、スクリューフィーダー３を回転させることにより、原材料を供給管２の先端から吐出する。スクリューフィーダー３は、その軸に設けられたギアなどの回転伝達部４がチェーンなどの回転伝達機構によりモータなどの駆動部５からの動力を受けて回転する。
炉心管６は、図示しない支持装置により回転自在に支持されて、発熱体８を有する加熱炉７内で回転する。１０は炉心管６の回転伝達部９に動力を伝達して炉心管６を回転する駆動部である。

従来のこの種の回転式連続熱処理装置は、図４に示すように、ホッパー１から直接に炉心管６へ材料を供給するように構成されていた。図矢印Ａ１で示すように材料供給ホッパー１の内部に充填された原材料ａは、スクリューフィーダー３などの直線フィーダーによってロータリーキルンの炉心管６の端部に供給され、電熱線やセラミックヒータなどの発熱体８によって加熱された加熱炉７内で炉心管６の回転によってその内部を移動しながら熱処理され、炉心管の他端から熱処理済み材料として矢印Ａ２に示すように取り出されていた。この装置によると、搬送用スクリューフィーダーに充填材料の全重力が常にかかるために、材料は必要量よりも多量に炉心管に送り込まれ、その量が大きくばらつく不都合があった。そのため、高精度な焼成条件を要求される材料の安定な熱処理が困難であった。

本実施の形態に係る回転式連続熱処理装置は、ホッパー１と炉心管６との間に、定量送り込み機構１１を設けたことを特徴とする。この定量送り込み機構１１は、円筒体１２と円筒体１２内で回転する螺旋状回転体１３からなる。円筒体１２は、その回転伝達部１７がチェーンなどの回転伝達機構により駆動部１８からの動力を受けて回転する。また、螺旋状回転体１３は、その軸がベアリングを介して軸受１４により支持され、回転伝達部１５がチェーンなどの回転伝達機構により駆動部１６から動力を受けて回転する。
この定量送り込み機構によれば、材料供給ホッパー１から円筒体１２の一端に供給される材料は、螺旋状回転体１３によって円筒体１２の内部を順次移動し、円筒体１２の他端から定量ずつロータリーキルンの炉心管６内に搬送される。

次に、具体例を説明する。
図１に示すように、内径９５ｍｍの炉心管６の手前に、内径８５ｍｍのステンレス鋼製円筒体１２を設け、その内部に直径７５ｍｍ、ピッチ４５ｍｍの螺旋状羽根を有するステンレス鋼製螺旋状回転体１３を装着し、それを円筒体１２とは独立して回転するようにした定量送り込み機構１１を設けた。円筒体１２の一端は、平均粒径０．８μｍの電子材料用セラミック粉体ａを入れた容量１０リットルの材料供給ホッパー１の供給管２と連接した。そして、送り込み機構１１の円筒体１２を３回／分の速度で回転しながら螺旋状回転体１３を同じ方向に約５回／分の速度で回転することにより、スクリュー回転効果で材料を円筒体１２内を均質に搬送することができた。そして、ロータリーキルンの炉心管６の端部の材料投入部に１５０ｇ／分の割合で材料が均等に投入され、加熱炉７内で１１００℃に加熱され、３回／分の速度で回転する長さ１６０ｃｍのロータリーキルン炉心管６の内部を均等に移動し、約２５分で焼成むらの少ない均質なファインセラミック熱処理材料が得られた。

次に、第二の実施の形態における回転式連続熱処理装置の構成を図２を参照して説明する。本実施の形態は、各種のガス雰囲気中で熱処理するのに適したものである。
定量送り込み機構２１は、円筒体２２と円筒体２２内で回転する螺旋状回転体２３からなり、円筒体２２は連結機構２７により炉心管６と一体に結合されている。炉心管６および円筒体２２は、回転伝達部２８がチェーンなどの回転伝達機構部により駆動部２９からの動力を受けて回転する。また、螺旋状回転体２３は、その軸がベアリングを介して軸受２４により支持され、回転伝達部２５がチェーンなどの回転伝達機構部により駆動部２６から動力を受けて回転する。本実施の形態は、図１の構造でガス雰囲気を保持し、熱効率を高めるための構造の複雑化とコストアップを解決するものである。

この構造によると、例えば、炉心管６および円筒体２２の回転速度を４回／分、螺旋状回転体２３の回転速度を６回／分とすると、前記の具体例と同等の効果が得られた。また、従来のトンネル炉では１０００℃まで昇温して熱処理するのに２時間以上必要としたのに対し、本発明によると、材料のみが少量ずつ直接加熱されるので、２５分程度で済み大幅に短縮された。その結果、材料１ｋｇ当たりの熱処理に要する消費電力量も６ｋｗｈから１．５ｋｗｈに大幅に削減できた。

次に、改良された材料供給部の実施の形態を図３により説明する。
材料供給ホッパー１は、その内部中間に、３ｍｍ幅のスリットを多数設けた複数のシャッター板とその下側に配した２００メッシュのステンレス鋼ＳＵＳ製金網からなるシャッター機構３０が設置されている。複数のシャッター板は相対的にスライドさせることにより、材料に応じて適切なスリット幅に調整することができる。シャッター機構３０には、これに振動を加えるための駆動部３１として電磁石が連結されている。必要とされる材料の供給量に応じてシャッター板のスリット幅と振動の強さを調節すればよい。これにより３００〜４００ｇ／分の割合で材料を供給できるので、従来のように材料供給ホッパー１の下部のスクリューフィーダー３に数キログラムから十数キログラムの重量がかかることなく材料供給が安定化し、しかも粉体の塊状化、造粒化などの課題も解決できる。

本発明によれば、高精度の温度設定で、定量ずつの材料を直接均等に加熱しながら連続的に熱処理できるので、品質向上とともに生産性向上、省エネルギー効果など産業上の貢献度が極めて大である。その結果、従来ロータリーキルンによる焼成処理が適応し難かった高精度の温度管理による均質焼成が要求される電子材料、高純度材料、医薬品材料など多くの分野での活用が可能となる。

本発明の第一の実施の形態における回転式連続熱処理装置の構成を示す縦断面略図である。 本発明の第二の実施の形態における回転式連続熱処理装置の構成を示す縦断面略図である。 本発明の第三の実施の形態における材料供給部の縦断面略図である。 従来の回転式連続熱処理装置の構成を示す縦断面略図である。

符号の説明

ａ 原材料
１ 材料供給ホッパー
２ 供給管
３ スクリューフィーダー
６ ロータリーキルンの炉心管
７ 加熱炉
８ 発熱体
１１、２１ 定量送り込み機構
１２、２２ 円筒体
１３、２３ 螺旋状回転体
４、９、１５、１７、２５、２８ 回転伝達部
５、１０、１６、１８、２６、２９、３１ 駆動部
１４、２４ 軸受
３０ シャッター機構

Claims (2)

1. 材料供給部とロータリーキルンとの間に、前記材料供給部とロータリーキルンの炉心管とを接続する円筒体、並びに前記円筒体内において前記円筒体および前記炉心管と独立して回転する螺旋状体からなる定量送り込み機構を設け、
   前記円筒体は、ロータリーキルンの炉心管と独立して回転するように構成され、
   前記材料供給部は、材料供給用ホッパー、前記ホッパー内の材料を前記定量送り込み機構に供給する供給管、並びに前記供給管内に配されたスクリューフィーダーを含み、
   前記定量送り込み機構の螺旋状体と、前記材料供給部のスクリューフィーダーとは同軸に配され、且つ互いに独立して回転され、
   前記螺旋状体は、軸方向の前記材料供給部側の一端に中空の回転軸部を有するとともに、その回転軸部の中空部に、前記材料供給部の供給管が遊嵌されている回転式連続熱処理装置。
2. 前記材料供給部が、材料供給用ホッパー、前記ホッパーの中間部に設けられたスリット状または網状のシャッター機構、および前記シャッター機構を振動させる駆動機構を具備する請求項１記載の回転式連続熱処理装置。

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