JP6896984B2 - 黒鉛質伝熱容器およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、黒鉛を材質に含んだ耐火伝熱容器である黒鉛質伝熱容器とその製造方法とに関する。本発明の黒鉛質伝熱容器は、例えば黒鉛るつぼに好適である。

特許文献１には、点在する複数の凹部を外周面に形成し、熱伝導性を改善した黒鉛るつぼが開示されている。

特許文献２には、縦方向に延在する複数の突条または溝が外周面または内周面に形成されており、やはり熱伝導性を改善した黒鉛るつぼとその製造方法が開示されている。この製造方法では、縦方向に延在する複数の成形用溝部を表面にもつ金属製の雄型とゴム弾性のある雌型との間に形成された空隙に原料を充填し、雌型の外部から内側に向かって加圧して原料を成形するようになっている。

実開昭５５−１４３４９２号公報 特開２００６−１２５７３０号公報

しかしながら、両特許文献に示すような従来の雄型とゴム製雌型との間に形成された空隙で原料を圧縮成形する製造方法では、圧縮成形時の加圧方向から黒鉛結晶に不都合な配向が生じる。すなわち、黒鉛の薄片が加圧される際に、黒鉛るつぼの厚み方向におおむね沿った方向に法線が向くように黒鉛の結晶面が整列する傾向が生じ、黒鉛がその結晶面内方向で発揮する極めて高い熱伝導性があまり発揮されない。つまり、従来の黒鉛るつぼ製造方法では、原料を加圧成形する過程で黒鉛結晶がある程度配向するが、その際にるつぼの外壁と内壁との間で高い熱伝導性を発揮しがたい方向に配向するという不都合がある。

そこで本発明は、内外間の伝熱特性がより改善された耐火伝熱容器とその製造方法とを提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するための本願発明の構成とその構成がもたらす作用効果とについて、本項では簡潔に説明する。

ここで、黒鉛の結晶は六方晶系に属し一つの六回回転軸を有するが、この六回回転軸に沿った方向を黒鉛における結晶面の法線方向と称することにする。黒鉛は熱伝導性が高いことでも知られるが、その熱伝導性には異方性がある。すなわち、結晶面内方向では炭素原子同士が共有結合によって強固に結合しているので、ファンデルワールス結合をしている法線方向よりも高い熱伝導性をもつことが知られている。

［物の発明］
本発明のうち第１の物の発明は、黒鉛が２５〜６０ｗｔ％、ＳｉＣが４０〜７５ｗｔ％、酸化防止剤が１０〜２０ｗｔ％で含まれる耐火物原料の加圧成形体が焼成された黒鉛質伝熱容器である。本発明の黒鉛質伝熱容器が持つ特徴は、前記黒鉛質伝熱容器の表面のうち少なくとも一部は、ゴム型で押圧成形されたときにできる造粒粒子の粒子状表面を持ち、前記黒鉛質伝熱容器を構成している組織は、前記耐火物原料の造粒粒子が圧密焼結されて互いに隣り合うこれら造粒粒子の境界で形成される粒子界面を持つ粒子界面組織であることである。
本発明のうち第２の物の発明は、黒鉛が２５〜６０ｗｔ％、ＳｉＣが４０〜７５ｗｔ％、酸化防止剤が１０〜２０ｗｔ％で含まれる耐火物原料の加圧成形体が焼成された黒鉛質伝熱容器である。本発明の黒鉛質伝熱容器が持つ特徴は、前記黒鉛質伝熱容器を構成している組織は、前記耐火物原料の造粒粒子が圧密焼結されて互いに隣り合うこれら造粒粒子の境界で形成される粒子界面を持つ粒子界面組織であり、前記造粒粒子は、黒鉛が所定の配向傾向を持つペレット状であることである。

ここで、前記粒子界面で区画されている一つの界面区画粒子の中では前記黒鉛が所定の配向傾向を持ち、これら界面区画粒子が構成する前記粒子界面組織の中では前記黒鉛が無秩序に配向されていることが望ましい。

あるいは、本発明のうち物の発明は、黒鉛を含む耐火物原料からなる加圧成形体の焼成物たる黒鉛質伝熱容器であって、この黒鉛質伝熱容器をこの耐火物原料からなる複数の造粒粒子が互いに圧密焼結されて構成しており、これら造粒粒子の配向方向は互いに無秩序であることを特徴とするとしてもよい。

本発明の黒鉛質伝熱容器では、その組織は、黒鉛を含む耐火物原料の造粒粒子が圧密焼結されており、互いに隣り合うこれら造粒粒子の境界で形成される粒子界面を持つ粒子界面組織である。それゆえ、各造粒粒子の内部では黒鉛が所定の配向傾向を持ったとしても、このような黒鉛の配向傾向が粒子界面を越えて伝搬することがないので、それらが互いに結合した粒子界面組織の全体としては黒鉛に所定の配向傾向が生じることがない。

その結果、各特許文献に示した従来技術のように黒鉛質伝熱容器の厚さ方向に黒鉛の伝熱特性が低い方向が揃う配向傾向がなくなり、本発明の黒鉛質伝熱容器は従来よりも高い伝熱特性を発揮するという効果が得られる。すなわち、本発明の黒鉛質伝熱容器によれば、従来の黒鉛るつぼがもつ黒鉛結晶の配向傾向によるデメリットがなくなり、より高い伝熱特性が容器の内外間で発揮される。

［製造方法の発明］
本発明のうち第１の製造方法の発明は、黒鉛が２５〜６０ｗｔ％、ＳｉＣが４０〜７５ｗｔ％、酸化防止剤が１０〜２０ｗｔ％で含まれる耐火物原料を造粒して造粒原料とする造粒工程と、これら造粒原料を加圧成形して容器状の圧密成形体を形成する加圧成形工程と、この圧密成形体を焼成して黒鉛質伝熱容器とする焼成工程とを有し、前記造粒工程は、前記耐火物原料を棒状に押し出す押し出し過程と、この押し出し過程で押し出された棒状成形物を所定長さに切断してペレット状の前記造粒原料とする切断過程とをもつ工程である黒鉛質伝熱容器の製造方法である。
本発明のうち第２の製造方法の発明は、黒鉛が２５〜６０ｗｔ％、ＳｉＣが４０〜７５ｗｔ％、酸化防止剤が１０〜２０ｗｔ％で含まれる耐火物原料を造粒して造粒原料とする造粒工程と、これら造粒原料を加圧成形して容器状の圧密成形体を形成する加圧成形工程と、この圧密成形体を焼成して黒鉛質伝熱容器とする焼成工程とを有し、前記加圧成形工程では、雌型と雄型との間に形成された空隙を前記造粒原料で満たす際に、これら造粒原料の配向方向を無秩序にしておく黒鉛質伝熱容器の製造方法である。

本発明の製造方法では、前記雌型はゴム製であり、前記雄型は金属製であることが望ましい。

かような製造方法によれば、前述のような本発明の黒鉛質伝熱容器を安価かつ容易に製造することができる。

本発明の製造方法のうち造粒工程の概要を示す模式図 本発明の製造方法のうち加圧成形工程を準備段階で示す模式図 本発明の黒鉛質伝熱容器の組織を示す部分拡大正面図

本発明の耐熱容器とその製造方法との実施形態について、以下に説明する。

（製造方法の発明）
本発明の黒鉛質伝熱容器としての黒鉛るつぼの製造方法は、造粒工程、加圧成形工程および焼成工程を有し、以下のような工程を順に処理して黒鉛質伝熱容器を製造する方法である。

先ず造粒工程Ｐ１は、例えば図１に示すように、黒鉛を含む耐火物原料１を造粒して造粒原料３とする工程であり、押し出し過程Ｐ１１と切断過程Ｐ１２とをもつ。押し出し過程Ｐ１１は耐火物原料１を棒状に押し出して棒状成形物２とする過程であり、押し出し過程Ｐ１１では、シリンダーＳに入れられた耐火物原料１に所定の圧力Ｐが加えられ、断面円形のノズルから円筒状の棒状成形物２が射出される。切断過程Ｐ１２は押し出し過程Ｐ１１で押し出された棒状成形物２を所定長さに切断してペレット状の造粒原料３とする過程であり、回転する複数のチョッパー・ブレードＢによって棒状成形物２が所定長さに切断され、多数の円筒体状のペレットすなわち造粒原料３が生成される。また、他の製造方法でも黒鉛が配向するようなペレットを作ることは可能である。

ここで、耐火物原料１は黒鉛を主成分としており、耐火物原料１の成分の内訳は、黒鉛が２５〜６０％、ＳｉＣが４０〜７５％、酸化防止剤が１０〜２０％である。ペレット状の造粒原料３は円筒体形状をしており、その直径は１ｍｍ以上、軸長方向の長さも１ｍｍ以上である。なお、造粒原料３の長さは、その配向方向が無秩序になりやすいように直径と同等程度が望ましい。

次に加圧成形工程は、多数の造粒原料３を加圧成形して容器状の圧密成形体を形成する工程である。図２に示すように、加圧成形工程Ｐ２では、台上に置かれた金属製の雄型Ｄに同心円状にゴム製の雌型Ｍを被せておき、雄型Ｄと雌型Ｍとの間に形成された空隙Ｃに雌型Ｍの頂部開口から造粒原料３を注ぎ入れる。この際、特に造粒原料３の配向を揃える努力をしなければ、造粒原料３の配向方向は自然に無秩序になって空隙Ｃを満たす。空隙Ｃが一杯になったら、図示しない蓋で雌型Ｍの頂部開口を封止し、雌型Ｍの周囲から圧力をかけて空隙Ｃ内を満たしている造粒原料３を加圧成形すれば、容器状の圧密成形体が形成される。

この加圧成形体はゴム製の雌型Ｍ（ゴム型）で周囲から押圧成形されているので、この加圧成形体の外表面には、造粒原料３が形成している凹凸がほぼそのままの形状で残っている。一方、この加圧成形体では密に圧縮されて造粒原料３同士が変形して接合しており、この緻密な加圧成形体を焼成して黒鉛質伝熱容器としての黒鉛るつぼ１０が得られる。

以上のような黒鉛質伝熱容器の製造方法によれば、伝熱特性に優れた黒鉛質伝熱容器としての黒鉛るつぼを安価かつ容易に製造することができるという効果がある。本実施形態の黒鉛るつぼが優れた伝熱特性を持っている理由は、次の物の発明の項で説明する。

（物の発明）
本発明の黒鉛質伝熱容器としての黒鉛るつぼ１０は、黒鉛を含む耐火物原料１の加圧成形体が焼成された耐火容器である。図３に示すように、黒鉛るつぼ１０ではその構成組織１２が、耐火物原料１（図１参照）の造粒粒子１３が圧密焼結されて互いに隣り合う造粒粒子１３の境界で形成された粒子界面１４をもつ。

粒子界面１４で区画されている一つの界面区画粒子１３（焼成後の造粒粒子１３）の中では、造粒工程Ｐ１の押し出し過程Ｐ１１（図１参照）での変形により、黒鉛が所定の配向傾向を持っている。しかし、界面区画粒子１３の配向が無秩序であるから、これらの界面区画粒子１３が集合して構成する粒子界面組織１２の全体として見れば、黒鉛の配向方向は無秩序である。つまり、黒鉛るつぼ１０の肉厚方向に対して、黒鉛るつぼ１０の組織１２中の黒鉛には配向傾向がおおむね無いと言える。ここで、黒鉛の配向とは、黒鉛の結晶構造ないし結晶面が持つ法線方向の配向である。

換言するなら、本実施形態の黒鉛質伝熱容器たる黒鉛るつぼ１０では、耐火物原料１からなる多数の造粒粒子１３が互いに結合して焼結され粒子界面組織１２を構成しており、これら造粒粒子１３の配向方向は互いに無秩序である。すなわち、従来の黒鉛るつぼとは異なり、本実施形態の黒鉛るつぼではその肉厚方向に対して黒鉛の法線がもつ配向性がなく無秩序になっている。それゆえ、従来の黒鉛るつぼのように肉厚方向に黒鉛の法線が配向して黒鉛が持つ高い熱伝導性が損なわれるような不都合がない。その結果、本実施形態では、黒鉛るつぼ１０において従来よりも高い伝熱特性が得られるという効果がある。

なお、本実施形態の黒鉛質伝熱容器としての黒鉛るつぼ１０では、その表面の一部としての外周面１１に、ゴム製の雌型Ｍ（図２参照）で押圧成形されたときにできた造粒粒子１３の粒子状表面をもつ。つまり、黒鉛るつぼ１０の外周面には粒子状の凹凸が形成されているので、るつぼとして加熱する過程でいっそう高い伝熱特性が得られる。これは単に表面積が増しているためだけではなく、不規則にできた凹凸により境界層が乱されて外周面の近くで熱風が乱流に遷移しやすいためでもある。

１：耐火物原料 ２：棒状成形物 ３：ペレット状の造粒原料
１０：黒鉛るつぼ（黒鉛質伝熱容器として） １１：外周面（表面の一部として）
１２：粒子界面組織 １３：造粒粒子、界面区画粒子 １４：粒子界面
Ｐ１：造粒工程 Ｐ１１：押し出し過程 Ｐ１２：切断過程
Ｐ２：加圧成形工程
Ｂ：チョッパー・ブレード Ｃ：空隙 Ｄ：金属製の雄型
Ｍ：ゴム製の雌型 Ｎ：ノズル Ｓ：シリンダー

Claims (6)

1. 黒鉛が２５〜６０ｗｔ％、ＳｉＣが４０〜７５ｗｔ％、酸化防止剤が１０〜２０ｗｔ％で含まれる耐火物原料の加圧成形体が焼成された黒鉛質伝熱容器であって、
   前記黒鉛質伝熱容器の表面のうち少なくとも一部は、ゴム型で押圧成形されたときにできる造粒粒子の粒子状表面を持ち、
   前記黒鉛質伝熱容器を構成している組織は、前記耐火物原料の造粒粒子が圧密焼結されて互いに隣り合うこれら造粒粒子の境界で形成される粒子界面を持つ粒子界面組織であることを特徴とする、
   黒鉛質伝熱容器。
2. 黒鉛が２５〜６０ｗｔ％、ＳｉＣが４０〜７５ｗｔ％、酸化防止剤が１０〜２０ｗｔ％で含まれる耐火物原料の加圧成形体が焼成された黒鉛質伝熱容器であって、
   前記黒鉛質伝熱容器を構成している組織は、前記耐火物原料の造粒粒子が圧密焼結されて互いに隣り合うこれら造粒粒子の境界で形成される粒子界面を持つ粒子界面組織であり、
   前記造粒粒子は、黒鉛が所定の配向傾向を持つペレット状であることを特徴とする、
   黒鉛質伝熱容器。
3. 前記粒子界面で区画されている一つの界面区画粒子の中では前記黒鉛が所定の配向傾向を持ち、これら界面区画粒子が構成する前記粒子界面組織の中では前記黒鉛の配向は無秩序である、
   請求項１および請求項２のうち一項に記載の黒鉛質伝熱容器。
4. 黒鉛が２５〜６０ｗｔ％、ＳｉＣが４０〜７５ｗｔ％、酸化防止剤が１０〜２０ｗｔ％で含まれる耐火物原料を造粒して造粒原料とする造粒工程と、
   これら造粒原料を加圧成形して容器状の圧密成形体を形成する加圧成形工程と、
   この圧密成形体を焼成して黒鉛質伝熱容器とする焼成工程とを有し、
   前記造粒工程は、前記耐火物原料を棒状に押し出す押し出し過程と、この押し出し過程で押し出された棒状成形物を所定長さに切断してペレット状の前記造粒原料とする切断過程とをもつ工程であることを特徴とする、
   黒鉛質伝熱容器の製造方法。
5. 黒鉛が２５〜６０ｗｔ％、ＳｉＣが４０〜７５ｗｔ％、酸化防止剤が１０〜２０ｗｔ％で含まれる耐火物原料を造粒して造粒原料とする造粒工程と、
   これら造粒原料を加圧成形して容器状の圧密成形体を形成する加圧成形工程と、
   この圧密成形体を焼成して黒鉛質伝熱容器とする焼成工程とを有し、
   前記加圧成形工程では、雌型と雄型との間に形成された空隙を前記造粒原料で満たす際に、これら造粒原料の配向方向を無秩序にしておくことを特徴とする、
   黒鉛質伝熱容器の製造方法。
6. 前記雌型はゴム製であり、前記雄型は金属製である、
   請求項５に記載の黒鉛質伝熱容器の製造方法。

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