JP5641016B2 - 熱処理方法、及び熱処理炉 - Google Patents
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Description
本発明は、熱処理方法、及び熱処理炉に関し、詳細には、ワークを過熱水蒸気雰囲気で加熱処理する熱処理方法、及び熱処理炉に関する。
従来より、被処理物であるワークを熱処理する方法や熱処理装置について種々の提案がなされている。例えば、特許文献１においては、食品の調理・殺菌等を目的として、処理タンク内の被処理物に熱湯タンクから熱湯を導入して被処理物を均等に加熱処理する熱湯加熱装置が提案されている。また、特許文献２においては、廃電池を密閉熱処理炉内に導入し、加熱しながら吸引廃棄して被酸化性状態とした後に熱処理炉内に非酸化性ガスを加圧供給して急速かつ均一に所定温度に廃電池を加熱する廃電池の処理方法が開示されている。さらに、特許文献３には、液体金属Ｎａを用いて非鉄金属合金を急速加熱、急速冷却する方法が記載されている。また、特許文献４には、クロム酸化物含有スラグを温水中に浸漬して、６価クロムを除去する方法が記載されている。
また、特許文献５においては、ＰＣＢ、ダイオキシン類を分解するために汚染物と水分とを内部に保持する密閉容器を加熱して、容器内に過熱水蒸気が充満する加圧還元雰囲気を形成する方法が開示されている。また、特許文献６には、熱処理炉内の空気を過熱水蒸気で置換した後、炭素化合物を含有する原料と触媒とを過熱水蒸気とともに熱処理炉内に投入する炭素化合物の再生処理する再生処理システムが開示されている。
昨今においては、環境負荷低減型の熱処理技術の開発が社会から強く求められている。環境負荷を低減する方法としては、処理効率の向上を図ることが重要となる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、処理効率の向上を実現する環境負荷低減型の熱処理方法、及び熱処理炉を提供することである。
本発明に係る熱処理方法は、熱処理炉内でワークを熱処理する熱処理方法であって、前記熱処理炉内に前記ワークを搬入する搬入工程と、前記熱処理炉内の前記ワークを熱源溶媒に浸漬する浸漬加熱工程と、前記熱処理炉内を過熱水蒸気雰囲気とする過熱水蒸気化工程と、前記熱処理炉内の前記ワークを、過熱水蒸気雰囲気下に露出させて熱処理する熱処理工程と、前記ワークを前記熱処理炉内から搬出する搬出工程と、を具備する。
本発明に係る熱処理炉は、ワークを熱処理するための熱処理炉であって、前記熱処理炉は、前記ワークを収容可能であり、気体を密閉可能な空間と、前記空間を過熱水蒸気雰囲気にすることが可能であり、前記ワークを過熱水蒸気により熱処理できる加熱手段と、前記空間に存在する気体を排出するための排気口と、前記ワークを熱源溶媒に浸漬したり露出させたりすることが可能な溶媒制御手段と、を具備する。
本発明によれば、処理効率の向上を実現する環境負荷低減型の熱処理方法、及び熱処理炉を提供できるという優れた効果を奏する。
以下、本発明を適用した実施形態の一例について説明する。なお、本発明の趣旨に合致する限り、他の実施形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。また、以降の図における各部材のサイズや比率は、説明の便宜上のものであり、実際のものとは異なる。また、同一の要素には、同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。
本発明の熱処理方法は、熱処理炉内でワークを熱処理する方法に関するものであり、少なくとも以下のステップ１〜５からなる。すなわち、本発明の熱処理方法は、熱処理炉内に被処理物であるワークを搬入する搬入工程（ステップ１）と、熱処理炉内のワークを熱源溶媒に浸漬する浸漬加熱工程（ステップ２）と、熱処理炉内を過熱水蒸気雰囲気とする過熱水蒸気化工程（ステップ３）と、ワークを過熱水蒸気雰囲気下に露出させて熱処理する熱処理工程（ステップ４）と、ワークを熱処理炉内から搬出する搬出工程（ステップ５）と、を有する。
本発明の熱処理方法は、燃焼処理をせずに過熱水蒸気雰囲気下でワークを熱処理したい用途全般に対して適用できる。特に、本発明は、無酸素状態で熱処理するので可燃性物質を含む非燃焼型熱処理に好適である。例えば、電池類や、電子機器の無害化などに適用できる。
ステップ１の熱処理炉内にワークを搬入する工程は、特に限定されず、公知の方法を制限なく利用できる。例えば、ワークをロボットアーム等により自動的に熱処理炉内に搬入したり、網状ケース等の専用ケース内にワークを収容し、網状ケースを熱処理炉内に自動制御により搬入する方法が挙げられる。
ステップ２のワークの浸漬加熱工程は、特に限定されず、公知の方法を制限なく利用できる。熱処理炉内のワークを熱源溶媒に浸漬する。熱源溶媒の種類は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において特に限定されないが、水、若しくは水を含む溶媒であることが好ましい。これらの溶媒を用いることにより、ステップ３における水蒸気発生源としても利用でき、装置の小型化、効率化を実現できる。熱源溶媒は、塩などの添加剤が加えられた溶液や分散液体でもよい。なお、「熱源溶媒」とは、沸点以下であって、ワークを急速加温するために十分な温度の溶媒をいうものとする。溶媒として水を用いた場合には、例えば、８０℃以上であり、より効果的にワークを急速加温する観点からは、９０℃以上であることが好ましく、９５℃以上であることがより好ましい。
ステップ２において、ワークを熱源溶媒に浸漬することにより、常温の溶媒とワークを一緒に加温させる場合に比して効率的にワークの昇温できる。また、ステップ２の工程を省略してステップ３の水蒸気雰囲気化に直接投入するよりも、ワークを効率的に昇温できる。すなわち、溶媒を介してワークを加熱することにより、熱伝導効率を高めて効率よく昇温できる。なお、ステップ１とステップ２は、順番を入れ替えてもよい。すなわち、熱処理炉内に加温した溶媒を適量注入後、ワークを搬入して溶媒中にワークを浸漬させるようにしてもよい。
ワークを熱源溶媒に浸漬後、ステップ３において、熱処理炉内を過熱水蒸気雰囲気にする。具体的には、熱処理炉内を密閉しつつ、過熱水蒸気を充満させ、さらに熱処理炉内のガスを吸引排気して熱処理炉内を過熱水蒸気で充満させる。これにより、熱処理炉内が無酸素状態となる。水蒸気源として、熱源溶媒を用いることが好ましい。すなわち、熱源溶媒として、水、若しくは水を含む溶媒を用い、熱源溶媒にさらに熱を加えることにより水蒸気を発生させることが好ましい。加温されている熱源溶媒を用いることにより、効率的に水蒸気を発生させることができる。無論、熱源溶媒を非水系とし、水蒸気源を別に設けてもよいし、熱源溶媒を水、又は水を含む溶媒とした上で、さらに、別の水蒸気源を設ける構成としてもよい。なお、ステップ２とステップ３は、同時に行ってもよい。すなわち、ワークを熱源溶媒により浸漬加熱している間に、熱処理炉内を過熱水蒸気雰囲気にしてもよい。
次に、ステップ４においてワークを熱源溶媒から露出させて、ワークを過熱水蒸気雰囲気化において熱処理する。必要に応じて、ワークから発生するガス等は、排気口から吸引する。なお、熱処理炉１内は、常圧とすることが好ましいが、陽圧、陰圧であっても差支えない。
ステップ５において、熱処理炉内からワークを搬出する。ワークの搬出方法は特に限定されず公知の方法を制限なく利用できる。ステップ５の前に、ワークの冷却工程を追加してもよい。好ましくは、ステップ２の熱源溶媒にワークを浸漬し、ワークの温度を低下させてから搬出させることが好ましい。
ワークの燃焼を防止しつつワークを熱処理する方法として、アルゴンガス等の不活性ガスにより無酸素雰囲気化を形成する方法も考えられるが、この方法によればガス置換するための設備を設ける必要があり、設備の大型化やランニングコストが高くなる。また、ワークと水を同時に加熱する方法は、昇温時間がかかる。本発明によれば、ワークを熱処理炉内に搬入後、熱伝導率の高い熱源溶媒に浸漬して急速昇温させる。このため、ワークの昇温を効率的に行うことができる。その後、過熱水蒸気雰囲気とすることにより無酸素状態とし、ワークを露出させて過熱水蒸気雰囲気化で熱処理を実施する。これにより、短時間でワークを昇温させ、効率的に熱処理することができる。また、水蒸気発生源としてワークを浸漬した熱源溶媒を用いる場合には、より高効率に水蒸気雰囲気を形成できるという優れたメリットがある。
本発明の熱処理方法は、上記ステップを実現可能な熱処理炉、及び熱処理システムであれば特に限定されずに用いることができる。以下、本発明の熱処理方法に好適な熱処理炉、及び熱処理システムの一例について説明する。但し、本発明の熱処理炉、熱処理システムは、以下の例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
図２に、本発明の熱処理システム１００の一例を示す説明図を示す。熱処理システム１００は、熱処理炉１、溶媒供給装置２、タンク３、ガス感知器４、制御部６を有する。
熱処理炉１は、加熱対象であるワークＷを収容する筐体１１、筐体１１によって囲まれ、ワークＷを収容する空間１２、熱処理炉１内を加熱するための加熱源であり、過熱水蒸気雰囲気を形成可能な加熱手段１３、空間１２に存在する気体を排出するための排気口１４、ワークＷを溶媒に浸漬したり露出させたりすることが可能な溶媒制御手段１５等を有する。
溶媒供給装置２は、タンク３と熱処理炉１の溶媒量を制御部６の指令に基づいて制御する役割を担う。タンク３は、溶媒を収容できる容量とする。タンク３は図２のように１つ設けてもよいし、複数設けてもよい。タンク３の材質は、特に限定されない。タンク３は、加熱された溶媒の温度を保持できるように、保温材を有していてもよい。また、タンク３に加熱手段を設けてもよい。図２の例においては、タンク３としてポリプロピレンタンクを用いた。ガス感知器４は、熱処理炉１内の酸素濃度や、ワークＷから発生するガス等の監視できるようにセンサーが熱処理炉内に配設されている。熱処理システム１００は、自動化処理により制御が可能なように制御部６によって構成されている。
熱処理炉１の筐体１１は、特に限定されないが、金属材料、セラミック材料等により構成できる。加熱手段１３の少なくとも一部を筐体１１の壁部に設けることがコンパクトボディーを実現する観点から好ましい。図２の熱処理炉１の例においては、筐体１１の壁部外側にヒーター２１を、内壁に遠赤外線放射体２２を設置した。ヒーター２１は特に限定されないが、例えば、壁部外側に所定間隔で複数設置する。筐体１１、ヒーター２１、遠赤外線放射体２２は、特に限定されず公知の技術を制限なく利用できるが、図２の例においては、ＳＵＳ３０４により構成した筐体１１に、セラミック溶射により表面処理して遠赤外線放射体２２を形成した。また、ヒーター２１としてシーズヒーターを用いた。
熱処理炉１には、加熱対象であるワークＷを載置するワーク載置部１６を設けてもよい。ワークＷを固定した方がよい場合には、ワーク載置部１６にワーク固定手段を設ければよい。また、ワークＷが小型で固定が難しい場合には、金網等のケース内にワークＷを収容し、金網等のケースをワーク載置部１６に固設してもよい。図２の例においては、ワーク載置部１６を設け、ワークＷをワーク載置部１６に設置した。なお、ニーズに応じてワークＷを撹拌した方がよい場合には、ワーク載置部を設けずに、熱処理炉１の底部に撹拌装置等を設けてもよい。
熱処理炉１には、不図示のワーク搬出入部が設けられている。また、熱処理炉１は、気体を密閉可能なように構成されており、空間１２に存在する気体を排出するための排気口１４が設けられている。そして、ステップ３において過熱水蒸気雰囲気にする際に、速やかに熱処理炉１内の気体を吸引して無酸素状態になるように構成されている。
熱処理炉１内の気体は、熱処理炉１に接続されたガス検知器４を用いて酸素濃度を検出することにより監視する。また、ステップ４の熱処理工程において、ワークＷから気化したガス等についてもガス検知器４を用いて監視することができる。ガス検知器４は、必要に応じて複数設置したり、種類の異なるセンサーを有するガス検知器を設置したりしてもよい。排気口１４は、過熱水蒸気のみの場合には大気中に排出したり、過熱水蒸気を回収してタンク３に戻す循環機構を設けてもよい。また、ワークＷから発生したガスが、金属ガスや有毒ガス等の場合は、所定の容器に回収する。
熱処理炉１に熱源溶媒を注入する溶媒制御手段１５として、図２の例においては、熱処理炉１下方に貯溶媒タンク３１が設けられている。貯溶媒タンク３１は熱処理炉１内の空間と連続しており、ワークＷを浸漬している場合には、貯溶媒タンク３１の熱源溶媒も充填されている。また、貯溶媒タンク３１内には、熱源溶媒を直接加熱可能なように加熱手段１３が設けられている。溶媒制御手段１５の構成、溶媒制御手段１５の加熱手段は、特に限定されないが、図２の例においては、貯溶媒タンク３１内に蒸気発生用ヒーター２３０としてフランジヒーターを設けた。
図２の例において、貯溶媒タンク３１は、流路５によってタンク３と連接され、溶媒が制御部６の指令に応じて溶媒供給装置２の駆動により移動自在になっている。そして、タンク３は、溶媒供給装置２に接続されている。溶媒供給装置２は、溶媒の移動を駆動するための装置であり、例えば、エアーを陽圧したり陰圧にしたりすることにより、タンク３から熱処理炉１へ、若しくは熱処理炉１からタンク３へ溶媒を移動せしめる。制御部６、溶媒供給装置２により熱処理炉１の空間１２に注入される量がコントロールされる。また、制御部６による指令を受けて溶媒供給装置２により、貯溶媒タンク３１にある溶媒をタンク３に移動させることができる。
次に、図２の熱処理システム１００を用いて熱処理する方法の一例について説明する。ここでは、溶媒として水を用いた例について説明する。まず、溶媒供給装置２を駆動させてタンク３内に収容された水を熱処理炉１に送る。送り込まれた水は、熱処理炉１内において、ヒーター２１、遠赤外線放射体２２、蒸気発生用ヒーター２３により加熱され、１００℃付近の熱湯になる。
熱処理炉１内において水を１００℃付近まで熱した後、タンク３内に熱湯を戻す。次に、ワークＷを熱処理炉１内に搬入する。ワークＷは、ワーク載置部１６に載置する。ここでは、ワークＷが複数のリチウムイオン２次電池である例について説明する。
続いて、タンク３内に戻した熱湯を、溶媒供給装置２を用いて再び熱処理炉１に注入する。熱処理炉１に送出する熱湯の量は、ワークＷが十分に熱湯に浸漬する量とする。これにより、ワークＷは急速に昇温される。この際、ヒーター２１、遠赤外線放射体２２、水蒸気発生用ヒーター２３により熱エネルギーを供給する。熱エネルギー供給によって、熱処理炉１内部が過熱水蒸気で飽和されるようにする。なお、熱湯をタンク３に戻す工程を省略して、加熱した熱湯がある熱処理炉１内にワークＷであるリチウムイオン２次電池を搬入してもよい。
熱処理炉１内部が、十分に過熱水蒸気雰囲気になったことをガス検知器４により確認した後、リチウムイオン２次電池が過熱水蒸気雰囲気化に露出するようにする。具体的には、熱処理炉１内に収容されている熱湯が、熱処理炉１の底面の下方にある貯溶媒タンク３１内の水位になるように熱湯量を調整する。そして、水蒸気発生用ヒーター２３により、常圧において過熱水蒸気を供給する。リチウムイオン２次電池は、遠赤外線放射体２２からの輻射熱と、ヒーター２１、及び水蒸気発生用ヒーター２３によりハイブリッド方式で熱処理される。そして、リチウムイオン２次電池から生じた電解液や気化したガスが、排気口１４を介して回収される。
過熱水蒸気処理を行った後、熱湯を再び、タンク３から熱処理炉１の空間１２に注入してワークＷを熱湯に浸漬する。これにより、ワークＷは１００℃近傍まで急速に冷却する。なお、この際、熱湯ではなく、温湯や常温の水を加え、ワークＷの冷却を効率的に行ってもよい。また、ワークＷの冷却により温められた湯を効率的に、次のワークＷの処理に利用してもよい。
図３に、図２の熱処理システムにおいて、リチウムイオン２次電池の熱処理を行った際のリチウムイオン２次電池の表面温度を熱処理時間に対してプロットした図を示す。また、同図に、リチウムイオン２次電池１つが有する電圧を熱処理時間に対してプロットした図を示す。図３より、浸漬加熱処理によりリチウムイオン２次電池が、短時間で急速に温度上昇することがわかる。また、常圧で過熱水蒸気処理により、リチウムオン電池の表面温度が上昇することわかる。また、過熱水蒸気処理後のワーク冷却処理工程において、熱湯に浸漬して冷却処理することにより極短時間で冷却できることがわかる。さらに、図３の電圧履歴より過熱水蒸気処理によって、リチウムイオン２次電池の電圧がおよそ０Ｖとなり、リチウムイオン２次電池の分解が進行していることがわかる。
図２の熱処理システムを用いて、浸漬加熱工程の効果を検証した結果について説明する。比較例として、浸漬加熱、ヒーター２１、遠赤外放射体２２、水蒸気発生用ヒーター２３のうち、浸漬加熱のみを除いた場合の表面温度を調べた。図４に、比較例と、浸漬加熱、ヒーター２１、遠赤外放射体２２、水蒸気発生用ヒーター２３の全てを行った実施例のリチウムイオン２次電池の表面温度を熱処理時間に対してプロットした結果を示す。図４より、浸漬加熱を行った実施例の方が浸漬加熱を行わない比較例に比して短時間で温度上昇できることがわかる。
図２の熱処理システムによれば、熱伝導率の高い溶媒（水）を用いてワークを熱処理しているので、急速昇温することができる。また、図２の例のように熱処理炉内に過熱水蒸気を形成する機構を設ける場合には、無酸素雰囲気にするための特別の置換設備を別途に設ける必要がない。すなわち、ボイラー等の大型装置を用いずに過熱水蒸気雰囲気を形成できる。しかも、熱湯を加熱して過熱水蒸気を形成するので、短時間で水蒸気雰囲気を得ることができる。なお、用途に応じてボイラー等を併用することを排除するものではない。
さらに、図２の熱処理システムによれば、ワークを昇温するために用いた熱湯を再利用して冷却しているので、ワークを効率的に冷却できる。従って、短時間でワークの熱処理を実現できる。さらに、図２の例によれば、遠赤外線加熱も併用してハイブリッド式で加熱しているので、より効果的に高速熱処理を実現できる。
すなわち、図２の熱処理システムによれば、（ｉ）熱源溶媒（水）による浸漬加熱、（ｉｉ）常圧過熱水蒸気による熱処理、（ｉｉｉ）遠赤外線加熱の３つのハイブリット加熱方式を利用しているので、高速処理が可能である。高速処理により省エネルギ−化を実現し、環境負荷を低減できる。これにより、低コスト化も実現できる。さらに、ボイラーレスなのでコンパクト化を実現できる。例えば、２０ｆｔのコンテナサイズのレイアウトにより実現できるので、装置の小型化を実現できる。また、同一媒体で浸漬加熱・冷却と無酸素雰囲気を形成できるという優れたメリットがある。さらに、自動処理によりワークの熱処理を行うことができる。
リチウムイオン２次電池内には、樹脂・電解液など燃えやすい物質が含まれているが、本発明の熱処理方法によれば、無酸素状態で加熱処理するので、これらの物質を燃やさずに処理できる。さらに、電解質中の有害物質であるフッ化水素は、水に溶けやすいというメリットがある。媒体として水を使うことによりフッ化水素の回収が容易となるというメリットもある。なお、熱源溶媒は、循環させて何度も利用することができるが、汚染状況に応じて濾過等の浄化システムを設けたりしてもよい。
１ 熱処理炉
２ 溶媒供給装置
３ タンク
４ ガス検知器
５ 流路
６ 制御部
１１ 筐体
１２ 空間
１３ 加熱手段
１４ 排気口
１５ 溶媒制御手段
２１ ヒーター
２２ 遠赤外放射体
２３ 蒸気発生用ヒーター
３１ 貯溶媒タンク
Ｗ ワーク
１００ 熱処理システム
２ 溶媒供給装置
３ タンク
４ ガス検知器
５ 流路
６ 制御部
１１ 筐体
１２ 空間
１３ 加熱手段
１４ 排気口
１５ 溶媒制御手段
２１ ヒーター
２２ 遠赤外放射体
２３ 蒸気発生用ヒーター
３１ 貯溶媒タンク
Ｗ ワーク
１００ 熱処理システム
Claims (8)
- 熱処理炉内でワークを熱処理する熱処理方法であって、
前記熱処理炉内に前記ワークを搬入する搬入工程と、
前記熱処理炉内の前記ワークを熱源溶媒に浸漬する浸漬加熱工程と、
前記熱処理炉内を過熱水蒸気雰囲気とする過熱水蒸気化工程と、
前記熱処理炉内の前記ワークを過熱水蒸気雰囲気下に露出させて熱処理する熱処理工程と、
前記ワークを前記熱処理炉内から搬出する搬出工程と、を具備する熱処理方法。 - 前記熱源溶媒は、水、若しくは水を含む溶媒である請求項１に記載の熱処理方法。
- 前記熱処理工程の後であって前記搬出工程前に、前記ワークを前記熱源溶媒に浸漬して冷却する工程を含む請求項１又は２に記載の熱処理方法。
- 前記熱処理炉は、加熱手段として、さらに遠赤外線加熱を併用している請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱処理方法。
- 前記ワークは、リチウムイオン２次電池である請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱処理方法。
- ワークを熱処理するための熱処理炉であって、
前記熱処理炉は、
前記ワークを収容可能であり、気体を密閉可能な空間と、
前記空間を過熱水蒸気雰囲気にすることが可能であり、前記ワークを過熱水蒸気により熱処理できる加熱手段と、
前記空間に存在する気体を排出するための排気口と、
前記ワークを熱源溶媒に浸漬したり、前記空間が前記過熱水蒸気雰囲気になったことを検知した後、前記ワークを前記熱源溶媒から露出させる溶媒制御手段と、
を具備する熱処理炉。 - 前記溶媒が、水、若しくは、水を含む溶媒である請求項６に記載の熱処理炉。
- 前記熱処理炉は、遠赤外線加熱が可能な加熱手段をさらに具備している請求項６又は７に記載の熱処理炉。
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