JP4926445B2 - 黒鉛材料耐酸化処理炉および黒鉛材料の耐酸化処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、黒鉛材料に耐酸化性を付与する等の特殊処理を行うために用いられる黒鉛材料耐酸化処理炉および黒鉛材料の耐酸化処理方法に関する。

黒鉛材料は、耐熱性や高温下での機械的強度等に優れるため、幅広い分野で用いられている。
この場合、例えば６００℃を越える高温下で用いられる等の過酷な使用環境条件によっては、主としてポアに浸入した水蒸気によって黒鉛材料が酸化される。このため、黒鉛材料に耐酸化性を付与する等の特殊処理を施しておく必要がある。

例えば、黒鉛材料に耐酸化性を付与する技術としては、ホウ素系やリン酸系の薬剤を黒鉛材料に含浸させあるいは塗布して、不活性ガス雰囲気下の熱処理炉で、黒鉛材料の使用温度に近い温度で熱処理する方法が一般的に用いられている。

このような特殊な熱処理を行う方法として、加熱源として電気ヒータや高周波誘導加熱装置等を用いて加熱する方法や、黒鉛材料を金属製容器等に入れてその金属製容器の周囲に黒鉛粉等のブリーズを詰め、大気圧下で油等を燃焼して加熱する方法が広く採用されている（例えば特許文献１，２参照。）。
特開昭５３−８６０８号公報 特開平６−２４８４７号公報

しかしながら、上記従来の熱処理炉は、いずれも、高周波コイルや電源設備等の加熱源としての装置の大型化が避けられず、あるいは大型化を十分に改善したものではない。このため、設備費や装置設置スペースの負担が大きい。
また、これらの従来技術では、劣化したヒータを交換するための作業負荷と費用が大きい。
また、これらの従来技術では、熱処理に多大な時間を必要とし、処理能力が制限される。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、小型化された黒鉛材料耐酸化処理炉、および、そのような黒鉛材料耐酸化処理炉を実現することができる黒鉛材料の耐酸化処理方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、加熱源の交換に伴う作業負荷や費用を低減することができる黒鉛材料耐酸化処理炉、および、そのような黒鉛材料耐酸化処理炉を実現することができる黒鉛材料の耐酸化処理方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、処理能力の高い黒鉛材料耐酸化処理炉、および、そのような黒鉛材料耐酸化処理炉を実現することができる黒鉛材料の耐酸化処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉は、処理容器と、該処理容器に接続して設けられ、不活性ガスを該処理容器に導入する導入路と排出路を備える不活性ガス導入排出部と、該処理容器内に配置され、被処理用黒鉛材料を覆うように設けられ、炭素系フェルトで形成されてなる箱体又は炭素系フェルトからなる内張りとセラミックファイバーフェルトからなる外張りの２層構造の箱体からなり、該箱体の各面にマイクロ波を通過させるスリットが形成された断熱部材と、該処理容器の該断熱部材を臨む位置に設けられ、マイクロ波を照射するマイクロ波導波管を備えるマイクロ波照射装置とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉は、前記被処理用黒鉛材料が配置される材料配置部を有することを特徴とする。

また、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉は、前記材料配置部が、駆動源によって回転する回転テーブルであることを特徴とする。

また、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉は、前記被処理用黒鉛材料が、耐酸化性を高めるための薬剤を含浸または塗布されたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉は、前記マイクロ波導波管が、異なる方向からマイクロ波を照射するように複数備えられてなることを特徴とする。

また、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉は、前記処理容器の少なくとも内表面が金属材料で形成されてなることを特徴とする。

また、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉は、前記不活性ガス導入排出部とは別にパージ用の不活性ガス導入排出部をさらに有することを特徴とする。

また、本発明に係る黒鉛材料の耐酸化処理方法は、
上記の黒鉛材料耐酸化処理炉を使用する黒鉛材料の耐酸化処理方法であって、
被処理用黒鉛材料を、処理容器内に配置した、マイクロ波透過性を有する断熱部材で覆う工程と、
不活性ガスを該処理容器に流通しながら、マイクロ波を該断熱部材を介して該被処理用黒鉛材料に照射する工程と、
を有することを特徴とする。

本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉および黒鉛材料の耐酸化処理方法によれば、被処理用黒鉛材料をマイクロ波で加熱するため、処理炉が小型化される。
また、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉および黒鉛材料の耐酸化処理方法によれば、加熱源の交換に伴う作業負荷や費用を低減することができる。
また、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉および黒鉛材料の耐酸化処理方法によれば、熱処理時間が短くて済むため、処理能力が高い。

本発明の実施の形態について、以下に説明する。
まず、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉について、装置の概略構成を示す図１を参照して説明する。
黒鉛材料耐酸化処理炉１０は、図１に示すように、処理容器１２と、不活性ガス導入排出部１４と、材料配置部１６と、断熱箱（断熱部材）１８と、マイクロ波照射装置２０とを備える。また、黒鉛材料耐酸化処理炉１０には、圧力調整用排気ライン２２ならびにパージ用不活性ガス導入路２４ａおよびパージ用不活性ガス排出路２４ｂからなるパージ用不活性ガス導入排出部が設けられる。

処理容器１２は、例えば、使用温度に応じて、耐火煉瓦、キャスタブルあるいは黒鉛材料を内張りした金属製容器であってもよいが、好ましくは、外壁を冷却する機構を備えた金属壁で処理容器１２を構成する。後者の場合、必要に応じて、処理容器１２の最外壁に断熱材を配設する。
不活性ガス導入排出部１４は、例えば窒素等の不活性ガスを処理容器１２に導入する導入路２６と、炉内の雰囲気ガスを排出する排出路２８を備える。

材料配置部１６は、被処理用黒鉛材料（図中、矢印Ｗで示す。）を配置するためのものであり、例えば、黒鉛製目皿３０および黒鉛製目皿３０を炉床から離れた位置に支持する黒鉛製目皿支え足３２で構成される。なお、これに変えて、被処理用黒鉛材料Ｗをその底面を略露出した状態で支持する支持具を用いるとより好ましい。

断熱箱１８は、被処理用黒鉛材料（図１中、矢印Ｗで示す。）を覆って収容し、配置するためのものである。断熱箱１８は、十分な断熱性と形状を維持しうる適度の剛性とを確保できる適宜の厚みに形成される。
断熱箱１８は、例えば、耐熱フェルトである、炭素系フェルトからなる内張り（内層）３４ａとセラミックファイバーフェルトからなる外張り（外層）３４ｂの２層構造とすることができる。炭素系フェルトは、例えばカーボンファイバーを用いることができ、セラミックファイバーフェルトは、例えば１５００℃程度の温度で使用できるＳｉ−Ａｌ系耐熱性品を用いることができる。
この場合、使用温度や被処理用黒鉛材料Ｗ中の不純物含有量の許容値等の条件に応じて、断熱箱１８を炭素系フェルトの単層で構成してもよく、あるいはまた、セラミックファイバーフェルトの単層で構成してもよい。前者では、被処理用黒鉛材料Ｗ中に断熱箱１８に起因する不純物が混入するおそれがなく、一方、後者では、断熱箱１８を安価に得ることができる。
断熱箱１８を耐熱フェルトで構成することで、照射するマイクロ波を一定程度透過させて、被処理用黒鉛材料Ｗの少なくとも表面およびその近傍を十分に加熱して熱処理することができるとともに、耐酸化性を高めるための薬剤を含浸または塗布した場合において加熱による薬剤の揮散を軽減することができる。
また、断熱箱１８の各面に、それぞれ適度の数のスリット３６を形成してもよい。この場合、断熱箱１８をＣ／Ｃコンポジット品で構成してもよい。マイクロ波は、このスリット３６を通過して被処理用黒鉛材料Ｗに照射される。スリット３６の数は、被処理用黒鉛材料Ｗの各部にマイクロ波を均一に照射するのに必要な程度および焼成時に被処理用黒鉛材料Ｗから発生する水蒸気等が容易に抜け出る程度であってかつこのスリット３６を介して断熱箱３２の外部に過剰に放熱しない程度に適宜設定される。スリット３６の長さは、照射するマイクロ波の１波長分程度が適当であるが、これに限定するものではない。スリット３６の幅は、上記した放熱等の不具合のない範囲で適宜設定される。
なお、必要に応じて、材料配置部１６の黒鉛製目皿３０および黒鉛製目皿支え足３２を断熱箱１８の外に配置してもよく、あるいはこれらを省いて、断熱箱１８の内部に被処理用黒鉛材料Ｗを直接配置してもよい。
また、断熱箱１８を設ける代わりに、被処理用黒鉛材料Ｗを断熱部材で巻いてもよい。

マイクロ波照射装置２０は、マイクロ波発信器３８と、マイクロ波発信器３８から発せられるマイクロ波を処理容器１２に導く導波管４０を備える。処理容器１２内の黒鉛製目皿３０の真上に位置するように設けられる導波管４０の開口部の手前には、導波管３８を保護するための耐熱ガラス板４２が配置される。
なお、マイクロ波照射装置２０は、マイクロ波発信器３８を含めて２系統設け、２つの導波管４０を処理容器１２の上部に断熱箱１８を挟んで並置したものであってもよい。

真空排気ライン２２は、被処理用黒鉛材料Ｗを加熱する前に処理容器１２の内部に残存する空気を除去するためのものであり、図示しない真空源に接続される。
パージ用不活性ガス導入排出部は、焼成時に被処理用黒鉛材料Ｗから発生する水蒸気等を強制的に炉外に排出させるためのものであるが、必要に応じてこれを省略し、不活性ガス導入排出部１４にパージ機能を兼ねさせてもよい。また、パージ用不活性ガスを加熱した状態で処理容器１２内に導入すると、被処理用黒鉛材料Ｗからの放熱を軽減することができて好ましい。
なお、黒鉛材料耐酸化処理炉１０において、例えば、処理容器１２の上部にスターラを設け、処理容器内の雰囲気ガスを撹拌するようにすると、より好適である。

つぎに、本発明に係る黒鉛材料の耐酸化処理方法について説明する。
本発明に係る黒鉛材料の耐酸化処理方法は、例えば上記のように構成される黒鉛材料耐酸化処理炉１０を用い、被処理用黒鉛材料を、処理容器内に配置した、マイクロ波透過性を有する断熱部材で覆い、不活性ガスを処理容器に流通しながら、マイクロ波を断熱部材を介して被処理用黒鉛材料に照射する。
以下、黒鉛材料の耐酸化処理方法について、詳細に説明する。

例えば、黒鉛ブロックを被処理用黒鉛材料Ｗとして、これに、例えば、耐酸化性を付与することができるホウ素系や燐酸系の薬品を含浸あるいは塗布する。

ついで、この薬品を含浸あるいは塗布した被処理用黒鉛材料Ｗを処理容器１２の図示しない装入口から処理容器１２内に装入し、断熱箱１８内の黒鉛製目皿３０上に配置する。

そして、処理容器１２内を減圧し、炉内の残存空気を排気した後、不活性ガスとして例えば窒素ガスを導入路２６から処理容器１２の内部に導入するとともに、排出路２８から排出して、処理容器１２の内部を不活性ガスの流通状態とする。また、パージ用ガスも断続的にあるいは連続的に流通状態とする。処理容器１２は、内部圧力を所望の圧力に調整し、保持する。

ついで、マイクロ波発信器３８からマイクロ波を発生させ、導波管４０を介して処理容器１２内にマイクロ波を照射する。このとき、処理容器１２が金属壁であると、処理容器１２内でマイクロ波が多方向に反射して、黒鉛ブロックの各部に均一にマイクロ波を照射することができる。また、このとき、黒鉛ブロックの底面を露出しておくと、黒鉛ブロックの底面からも効率的にマイクロ波を照射することができる。

マイクロ波の照射を開始した後、数分程度で、黒鉛ブロックの表面温度は目標の処理温度に達する。目標の処理温度まで加熱された黒鉛ブロックを処理容器１２から取り出す。これにより、耐酸化処理が施された黒鉛ブロックが得られる。

以上説明した本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉および黒鉛材料の耐酸化処理方法によれば、被処理用黒鉛材料をマイクロ波で加熱するため、処理炉が小型化される。また、これにより、処理炉の設備費が安価となる。
また、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉および黒鉛材料の耐酸化処理方法によれば、加熱源であるマイクロ波照射装置の主要部が処理炉の外に設けられ、または処理炉の外に設けることができるため、また、部材の交換が比較的容易な構造となっているため、加熱源の交換に伴う作業負荷や費用を低減することができる。また、処理炉の雰囲気温度がさほど高温にならないため、処理炉自体の保守管理上も好適である。
また、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉および黒鉛材料の耐酸化処理方法によれば、被処理用黒鉛材料の昇温および降温を短時間で行うことができるため、処理能力が高い。
また、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉および黒鉛材料の耐酸化処理方法によれば、被処理用黒鉛材料を均一に加熱することができる。

つぎに、本発明に係る黒鉛材料耐酸化処理炉１０の変形例について説明する。

まず、第１の変形例の黒鉛材料耐酸化処理炉１０ａは、図２に示すように、断熱箱１８を挟んで処理容器１２の対向する側壁にそれぞれ導波管４０ａ、４０ｂが設けられる。なお、図２中、マイクロ波発信器や導波管の保護部材等は図示を省いている。また、２つの導波管は、必ずしも図２のように対向する位置に配置する必要はない。

第１の変形例の黒鉛材料耐酸化処理炉１０ａによれば、被処理用黒鉛材料Ｗに異なる方向からマイクロ波を照射することで、被処理用黒鉛材料Ａをより均一に加熱することができる。また、このとき、２つのマイクロ波発信器は出力が小さいものとすることができ、あるいは、２つのマイクロ波発信器の出力を下げることなく全体の出力を大きくして被処理用黒鉛材料Ａをより効率的に加熱することができる。

つぎに、第２の変形例の黒鉛材料耐酸化処理炉１０ｂは、図３に示すように、材料配置部１６として駆動源４４によって回転する回転テーブル４６を用いるものである。
これにより、回転テーブル４６を回転させて被処理用黒鉛材料Ｗの向きを変えながらマイクロ波を照射することで、被処理用黒鉛材料Ｗをより均一に加熱することができる。また、複数の被処理用黒鉛材料Ｗを処理する場合も好適である。

なお、本実施の形態において、被処理物は一定の形状を有する黒鉛材料であるが、これに限らず、被処理物として黒鉛粉を用いることもできる。また、黒鉛材料の熱処理は、耐
酸化性を黒鉛材料に付与するための処理に限定するものではなく、アルミナゾル、ポリ塩化アルミニウム、シリカゾル等の液状薬剤を含浸した黒鉛材料においてアルミナやシリカを結晶化させるための熱処理等を含む。

以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をさらに説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
被処理用黒鉛材料として１０ｍｍ×１０ｍｍ×６０ｍｍの寸法でかさ比重が１．７２の直方体形状の黒鉛ブロックを用いた。
この黒鉛ブロックを１００ｍｍＨｇ（１３．３ＭＰａ）以下の真空下で脱気した後、Ａｌ_２Ｏ_３とＰ_２Ｏ_５のモル比を１：４．５に調整した濃度４０質量％のリン酸アルミニウム溶液の密閉浴槽に０．５ＭＰａの圧力下、４時間浸漬して、黒鉛ブロックにリン酸アルミニウムを含浸させた。
ついで、黒鉛ブロックを、長さが１２ｍｍのスリットが形成された厚みが１００ｍｍの断熱箱内の黒鉛製目皿に配置した。そして、出力５００Ｗのマグネトロンタイプのマイクロ波発信器から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させ、スリットを通過させて黒鉛ブロックに照射した。照射時間２分が経過して黒鉛ブロックの温度が８００℃になったところで、マイクロ波の照射を止めて、常温になるまで放冷した後、黒鉛ブロックを処理容器から取り出した。なお、マイクロ波を照射している間の処理容器１２内の雰囲気温度は、１００℃程度であった。
得られた黒鉛ブロックについて、大気圧下で６００℃の温度で１５時間加熱したときの加熱前後の質量変化から消耗減量を求める酸化消耗試験を行った結果、消耗減量は、３質量％であった。

（実施例２）
マイクロ波の照射時間を５分とした以外は実施例１と同様の条件で黒鉛ブロックを熱処理した。得られた黒鉛ブロックの消耗減量は、５質量％であった。

（比較例１）
実施例１と同様に含浸処理した黒鉛ブロックをステンレス製容器に入れて、隙間に黒鉛粉を詰め、電気ヒータ加熱炉で１８時間かけて８００℃まで加熱した。
得られた黒鉛ブロックの消耗減量は、７質量％であった。

（比較例２）
実施例１と同様に含浸処理した黒鉛ブロックをステンレス製容器に入れて、隙間に黒鉛粉を詰め、電気ヒータ加熱炉で３時間かけて８００℃まで加熱した。
得られた黒鉛ブロックの消耗減量は、１５質量％であり、また、部分的に激しい消耗が見られた。

本発明の黒鉛材料耐酸化処理炉の概略構成を示す図である。 第１の変形例の黒鉛材料耐酸化処理炉の概略構成を示す図である。 第２の変形例の黒鉛材料耐酸化処理炉の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０、１０ａ、１０ｂ 黒鉛材料耐酸化処理炉
１２ 処理容器
１４ 不活性ガス導入排出部
１６ 材料配置部
１８ 断熱箱
２０ マイクロ波照射装置
２２ 真空排気ライン
２４ａ パージ用不活性ガス導入路
２４ｂ パージ用不活性ガス排出路
２６ 導入路
２８ 排出路
３０ 黒鉛製目皿
３２ 黒鉛製目皿支え足
３８ マイクロ波発信器
４０、４０ａ、４０ｂ 導波管
４２ 耐熱ガラス板
４４ 駆動源
４６ 回転テーブル

Claims (8)

1. 処理容器と、該処理容器に接続して設けられ、不活性ガスを該処理容器に導入する導入路と排出路を備える不活性ガス導入排出部と、該処理容器内に配置され、被処理用黒鉛材料を覆うように設けられ、炭素系フェルトで形成されてなる箱体または炭素系フェルトからなる内張りとセラミックファイバーフェルトからなる外張りの２層構造の箱体からなり、該箱体の各面にマイクロ波を通過させるスリットが形成された断熱部材と、該処理容器の該断熱部材を臨む位置に設けられ、マイクロ波を照射するマイクロ波導波管を備えるマイクロ波照射装置とを有することを特徴とする黒鉛材料耐酸化処理炉。
2. 前記被処理用黒鉛材料が配置される材料配置部を有することを特徴とする請求項１に記載の黒鉛材料耐酸化処理炉。
3. 前記材料配置部が、駆動源によって回転する回転テーブルであることを特徴とする請求項１または２に記載の黒鉛材料耐酸化処理炉。
4. 前記被処理用黒鉛材料が、耐酸化性を高めるための薬剤を含浸または塗布されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の黒鉛材料耐酸化処理炉。
5. 前記マイクロ波導波管が、異なる方向からマイクロ波を照射するように複数備えられてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の黒鉛材料耐酸化処理炉。
6. 前記処理容器の少なくとも内表面が金属材料で形成されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の黒鉛材料耐酸化処理炉。
7. 前記不活性ガス導入排出部とは別にパージ用の不活性ガス導入排出部をさらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の黒鉛材料耐酸化処理炉。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の黒鉛材料耐酸化処理炉を使用する黒鉛材料の耐酸化処理方法であって、
   被処理用黒鉛材料を、処理容器内に配置した、マイクロ波透過性を有する断熱部材で覆う工程と、
   不活性ガスを該処理容器に流通しながら、マイクロ波を該断熱部材を介して該被処理用黒鉛材料に照射する工程と、
   を有することを特徴とする黒鉛材料の耐酸化処理方法。

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