JPH03175289A - 加熱炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば、炭素系材料、セラミックス系材料な
どを高温度で焼成する加熱炉の改良に関する。

［従来の技術］ 従来、炭素系材料、セラミックス系材料など各種工業用
材料の焼成に用いられる高温焼成用の加熱炉としては抵
抗炉、誘導炉、アーク炉、プラズマ炉などの加熱炉が知
られており、この中でも発熱体の電気抵抗によるジュー
ル熱を利用した抵抗炉の加熱炉は、比較的単純な加熱手
段によるため広く用いられている。

この抵抗炉は、管状または棒状の発熱体を炉の上下ある
いは環状に配設し、炉内に静置または連続的に通過させ
た被処理物を、窒素やアルゴンなどの不活性ガス中ある
いは減圧雰囲気中で、かつその炉内温度が２０００〜３
０００℃付近の高温下で発熱体の外周面からの輻射熱を
利用して加熱を行なうものであり、発熱体としては一般
に炭素材（主として黒鉛）が用いられる。

この炭素材からなる発熱体（以下、発熱体という）は、
金属材料やセラミックス系材料の発熱体では実用に供し
得ない２０００〜３０００℃の高温領域においても、溶
融、分解などを起こさずに発熱体として十分にその機能
を発揮し、かつ比較的安価な材料であるが、前述の高温
下で長時間使用すると徐々に減耗し、継続使用が困難と
なる問題がある。

このような発熱体の高温下での減耗には多くの要因が関
与しており、基本的な要因の１つとして高温度における
発熱体外周面からの炭素の蒸発を挙げることができる。

すなわち、炭素材の蒸気圧は、温度が高くなるにつれて
高くなるので、２０００℃以上の高温下では炭素の蒸発
が非常に著しくなる。

また、発熱体の肉厚が減耗により薄くなったり外形が細
くなったりすると、その部分の電気抵抗が高くなる。電
気抵抗が高くなると、発熱体に局部的な高温部が発生し
て低温部に比べて高温部の減耗が甚だしくなり、ついに
はこの高温部が発熱体の焼損部となるに至る。したがっ
て、発熱体は、このような局部的な高温部が生じないよ
うに上述した異常な温度分布の発生を防止することが重
要である。

さらに、発熱体の外周面における熱分解物との反応を防
止することが重要である。

さらにまた、発熱体を新規なものと交換する作業は、大
型の加熱炉においては、冷却−解体一組立一再加熱とい
った一連の作業に多大の時間と労力を要するため、発熱
体の交換周期、すなわち発熱体の寿命が短いと単に発熱
体の費用ばかりでなく、生産性を著しく阻害し、焼成コ
ストの増大をもたらすことになる。したがって、発熱体
の寿命は、できるだけ長いものが望まれる。

従来、前述のような発熱体の減耗の抑制を目的とした高
温焼成用加熱炉としては、特公昭５９−２５９３６号公
報に開示された加熱炉（前者の加熱炉という）や、特開
昭５８−１４０９８７号公報に開示された加熱炉（後者
の加熱炉という）など、いずれもタンマン式の加熱炉が
知られている。

第５図は、従来の加熱炉の概略縦断面図であり、発熱体
４１の内周面から放射される輻射熱で糸条Ｙを加熱焼成
するため、発熱体４１の外周面に炭素繊維糸条を一定張
力で捲回することによって１０〜２０ｍｍの厚みの被覆
層４２を形成し、さらに被覆層４２と外郭４３との間に
は、断熱層４４を設け、上記被覆層４２と断熱層４４と
を発熱体外周面からの放熱抑制のための断熱層として機
能させたものである。

また、後者の加熱炉は、前者の加熱炉と同様の構成を採
るものであるが、異なる点は発熱体として見掛は比重の
差が少なくとも０．１である２種以上の炭素材を多重に
複合し、放熱面の材質は見掛は比重が１．４以下で、か
つ内層を構成する炭素材よりは見掛は比重が小である複
合炭素質の発熱体を用いた点にある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記両者の加熱炉は、いずれも被処理物
を管状の発熱体内に静置または連続的に通過させて加熱
、焼成するタンマン式加熱炉である。しかも、発熱体の
外周面、すなわち放熱面は、断熱面として機能させてい
るため、発熱体の外周面への被覆層は厚い方が発熱体の
損耗を減少でき、その寿命を延長することができる。

このため、炭素繊維などによる発熱体の外周面への被覆
は、１０〜２０ｍｍの厚みがないと断熱層としての機能
が有効に作用しないが、発熱体の外周面からの輻射熱で
被処理物を加熱する形式の加熱炉１こおいては、上記タ
ンマン式加熱炉のものを用いると発熱体外周部の断熱層
のため、外表面からの自由な輻射が抑制されて発熱体の
内部温度が高くなり、返って発熱体の寿命が短くなると
いう問題があった。

しかも、タンマン式加熱炉は、発熱体の形状が管状であ
るため、管内部に通過させることのできる糸条、帯状な
どの細物の加熱には適するが、大型のものを焼成しよう
とすると、成型し得る発熱体の大きさに制限があるため
対応ができないという問題があった。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解決し、炭素材
からなる発熱体の高温下での蒸発と、発熱体の外周面に
おける熱分解物との反応を防止することにより、発熱体
の寿命を延長し、焼成コストの低い加熱炉を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成する本発明の加熱炉の構成は、炉内に設
けられた炭素材からなる発熱体に電流を通じ、該発熱体
の外周面から放射される輻射熱により被処理物を加熱し
て焼成する加熱炉であって、前記発熱体の外周面に、炭
素繊維または炭素−炭素繊維複合材からなる被覆層が０
．５〜５＋＋ｕｕの厚みで形成されていることを特徴と
する加熱炉である。

すなわち、本発明では、発熱体の局部減耗による発熱体
外周面の温度斑防止と、発熱体外周面における熱分解物
との反応防止と、発熱体外周面からの蒸発防止のため、
発熱体の外周面に炭素繊維、または炭素−炭素繊維複合
材からなる被覆層を上記の厚みで被覆したものである。

ここで、本発明の加熱炉とは、炉内雰囲気が窒素やアル
ゴンなどの不活性ガス雰囲気もしくは減圧状態、好まし
くはＪ、ＱＴｏ　ｒ　ｒ以上の高真空の雰囲気にされた
加熱炉であって、上記発熱、体に通じた電流によるジュ
ール発熱により、発熱体外周面からの輻射熱で上記炉内
雰囲気温度を上げると共に、炉内に静置または連続的に
通過する被処理物を高温、好ましくは２０００℃以上で
焼成処理する加熱炉をいう。

炭素材からなる発熱体とは、炭素または黒鉛からなる発
熱体をいい、このうちでも比重１．５以上の高密度の等
方性の炭素材が一般の炭素材に比べて曲げ強度が優れて
いるので好ましい。なお、発熱体の形状は、円形、矩形
等いずれでもよく特に限定されない。

発熱体の被覆層を形成する炭素繊維とは、ピッチ系、セ
ルロース系、アクリル系などの有機繊維を不活性ガス中
で８００℃以上の温度で焼成して得られる公知の繊維で
あり、本発明では２００００Ｃ以上の高温で焼成された
黒鉛繊維も含まれる。

また、炭素−炭素繊維複合材とは、炭素もしくは黒鉛と
、炭素繊維もしくは黒鉛繊維で構成される複合材料をい
い、炭素繊維もしくは黒鉛繊維にフェノール樹脂などの
樹脂を含浸させた成形物をいう。この複合材における炭
素繊維および黒鉛繊維の含有量は、２０体積％以上が好
ましく、また、これらの繊維の単糸デニールは、０．　
３〜１０デニールの範囲のものが好ましい。

上記の被覆層を形成する繊維の形態としては、糸条が連
続していても切断されていてもよく、また、例えば布帛
、シート状物、紐状物などであってもよい。

上記被覆層の厚さは、０．５〜５ｍ＋ｕ、好ましくは０
．５〜３　ｍｍの範囲が必要である。その理由は、被覆
した発熱体の内部温度の上昇を極力抑制し、かつ、発熱
体外周面における熱分解物との反応をシールするためで
ある。

炭素繊維の被覆方法は、公知のフィラメントワインディ
ング法を用いることができる。ワインディングする際に
は、糸条を発熱体に密着させ、かつ、糸条間に隙間が出
来ないように密に捲き付けることが好ましい。また、ト
ラバースの稜角を大きくどろよりもなるべく発熱体の長
手方向とほぼ直角になるようにワインディングすること
が好まｊ−い。この場合、端部で巻きくずれを生じない
ように、例えば、端部をテーパ状に形成するどよい。

また、炭素繊維の布帛、シート状物の場合は、これらを
発熱体に巻きつけ、その外周に炭素繊維をさらに巻くな
ど方法で固定する。

また、この布帛、シート状物を発熱体の外周面に積層、
被覆するにあたっては、発熱体の外周面に少なくとも１
巻以上密着させながら捲き付け、さらに発熱体との密着
度を増し、かつ捲き戻らないように捲き付けるのが発熱
体表面のシール性の点で好ましい。

炭素−炭素繊維複合材の場合は、発熱体の外周に被覆酸
形した後、炭素化もしくは黒鉛化すればよい。

なお、本発明の加熱炉で処理できる被処理物としては、
特に限定するものではなく、例えば焼成して炭素化し得
る繊維状物、シート状物あるいはブロック状物などの形
態を採る炭素系材料、セラミックス系材料などが挙げら
れる。

上記被覆層の形成された発熱体と、上記被処理物との配
置関係は、被処理物が発熱体の被覆層の外周面側に配置
されなければならない。

［作　用コ 上述した構成を有する本発明の加熱炉は、発熱体の外周
面に被覆された炭素材からなる被覆層が発熱体外表面を
シールするので、発熱体からの炭素蒸発を抑制すると共
に、被処理物などから放出される熱分解物との反応を防
止する作用をする。

また、発熱体は、その外周上に被覆層を有する発熱体で
ありながら、その厚みを０．５〜５　ｍｍとしたので、
発熱体の内部温度と被覆層の外周面温度間の温度差が少
なくなって被覆層の外周面温度が発熱体に近くなるため
、加熱能力を損なうことなく有効に被処理物を加熱、焼
成することができる。

［実施例および比較例コ 実施例１．２ 以下、本発明の加熱炉についてその一実施例を示す図面
を参照しながら具体的に説明する。

□第■図ないし第４図は、本発明に係る加熱炉の（模式
図で、第１図は、概略縦断面図、第２図は、第１図のｚ
−ｚ矢視の断面図、第３図は、第１図および第２図に示
されている発熱部の概略縦断面図、第４図は、第３図の
側面図である。

図において、１は、外形が箱状をした加熱炉で、炉内に
は層状に積層された被処理物２が、炉底に設けられた炭
素製の支持材３の上に載置されている。そして、被処理
物２の上下には、被処理物を加熱する複数の発熱体４（
図では３本）が板状の電極５の長平方向に一定間隔で固
定され、電極５は、発熱体４の配役位置が被処理物２か
ら等間隔となるように炉壁と絶縁して設けられた給電端
子部６で支持されている。発熱体４は、被処理物２を加
熱して焼成するための加熱源であり、図示しない給電設
備から炭素製の給電端子部６および電極５を経て給電さ
れた電流によって発生したジュール熱により、被処理物
２に輻射熱を放射し、炉内雰囲気温度を上げるものであ
る。なお、７は、発熱体の内部温度をその表面温度で検
出するための測温対象物で、測温対象物７の表面温度は
、炉壁１０に設けられた覗き窓８ａから光高温計９ａで
測定することができる。また、９ｂは、被覆層１−５の
外周面温度ＴＯを覗き窓８ｈを介して測定するための二
色温度計であり、覗き窓８ｂは、被覆層１５のほぼ中央
部の外周面温度が測定できる炉壁位置に設けられている
。

加熱炉１の上下には、それぞれ不活性ガスＧの給気口１
１と、排気口１２とが設けられている。

排気口１２には、さらに電磁弁１３が設けられ、この電
磁弁１３は、炉内圧力に応じて開閉することにより炉内
圧力を一定範囲内にコントロールするようにされている
。なお、１４は、被処理物を炉内に出し入れするための
扉で、図示しない開閉装置により開閉することができる
。

上述した発熱体４は、第３図に示すように管状をしてお
り、外周には被覆層１５が形成されている。被覆層１５
は、発熱体４が電極５と接する部分を除き、炭素繊維が
巻き付けられている。

このように構成された加熱炉１に対して、被処理物２と
して、フェノール樹脂を炭素繊維に含浸せしめたブロッ
ク状のものを支持材３上に載置し、発熱体４として、比
重が１．８の高密度の等方性炭素材を用い、この発熱体
の外周面に２４０００デニールの炭素繊維をフィラメン
トワインディング法で巻き付けて被覆層１５を形成した
。

そして、この発熱体４に測温対象物７として、炭素製の
ものをその先端位置が発熱体４内のほぼ中央部に位置す
るように挿入した。

そして、給気口１１から、図示しないガス供給装置でア
ルゴンガスＧを供給することにより、炉内雰囲気圧力を
保持し、被処理物２の表面温度を２５００℃に設定して
電極５に電流を通じて昇温した。

なお、測温対象物７の温度、すなわち発熱体４の内部温
度Ｔｉは、覗窓８ａを介して二色温度計９８で測定する
ことにより求め、また、被覆層１５の外周面温度Ｔｏは
、別の二色温度計９ｂで測定した。上記設定温度までの
昇温は、二色温度計９ｂとケーブルで結ばれた図示しな
い温度制御装置が上記設定温度になるようにコントロー
ルすることにより自動昇温させた。

このような炉内温度条件で発熱体４の被覆層１５の厚み
のみを、それぞれ２ｍｍ（実施例１）、５ｍｍ　（実施
例２）に変更して、被処理物温度、発熱体の内部温度Ｔ
ｉ１発熱体外周面温度Ｔｏと、これらに対応する発熱体
４の寿命とを示したのが次の表である。

なお、発熱体の寿命は、上記の設定温度において、保持
時間を１時間としてバッチ運転を複数回行なった場合、
何回のバッチ運転で発熱体が焼損するかの回数で示した
。（以下余白） （注） 実施例１〜２、 比較例１〜３の下部の数 値は、 被覆層１５の厚みを示す。

この表から、実施例１、実施例２の発熱体の加熱能力、
すなわち外周面温度］゛ｏが、それぞれ２５００℃、２
４９８℃と大差がないにも拘らず、実施例１の方が実施
例２よりも寿命が長いことから、たとえ被覆層の材質が
同一であっても、被覆層の厚みが薄い方が発熱体の寿命
が長いことが判る。

その理由は、被覆層１５が発熱体４の外周面における熱
分解物との反応をシールしつつも、実施例１の内部温度
Ｔｉが２５５５℃に対し、実施例２の内部温度が２５９
０℃と実施例１の場合よりも３５℃も低いため、発熱体
内部の異常昇温の防止により寄与するためである。

比較例１ 一方、表中の比較例１は、発熱体４に被覆層がない場合
の寿命に及ぼす影響を調べるため、実施例１、実施例２
の発熱体と同一寸法、同一材質の発熱体を用い、発熱体
の外周面を何ら被覆しない他は上記実施例と全く同一の
炉内条件で発熱体の内部温度Ｔｉ１外周面温度ＴＯ１発
熱体の寿命をそれぞれ測定したものである。

この比較例１から発熱体４の外周面温度Ｔｏが、実施例
１の２５００℃、実施例２の２４９８℃に対して、比較
例１が２５００℃と大差がないにも拘らず、それぞれの
発熱体の寿命は、１３８回、１２０回、８２回となるこ
とから、発熱体に炭素繊維が被覆されていないものはそ
の寿命が短いことが判る。

その理由は、比較例１の場合は、高温下での発熱体の蒸
発と、外周面における熱分解物との反応を防止するため
の対策が施されていないためである。

比較例２．３ また、表中の比較例２．３は、被覆層の厚みが実施例１
、実施例２と異なる他は、前記実施例と全く同一の炉内
条件で発熱体の内部温度Ｔｉ１外周面温度Ｔｏ、および
発熱体の寿命をそれぞれ測定したものである。

この表から発熱体４の外周面温度Ｔｏが、実施例１１実
施例２と比較例■、比較例２が殆ど同じであるにも拘ら
ず、それぞれの発熱体の寿命は、実施例１の１３８回、
実施例２の１２０回に対し、比較例２は８７回、比較例
３は６９回であったことから、発熱体への炭素繊維の被
覆厚みは余り薄くてもその寿命を延長できず、一方、余
り厚くてもその寿命延長に寄与しないことが判る。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明は、炭素発熱体の外周面か
らの輻射伝熱を利用した加熱炉において、発熱体の外周
面に、炭素繊維または炭素−炭素繊維゛複合材からなる
被覆層を０．５〜５　ｍｉｎの厚みで被覆させたので、
外周面を何ら被覆しない従来の炭・素・質発熱体に比べ
て炭素の蒸発に伴う減耗を抑止でき、さらに発熱体の外
周面における熱分解物との反応も抑止できるため、発熱
体の寿命を大幅に延長することができる。

よって、発熱体の交換周期が長くなり、生産性が改善さ
れ、焼成コストの低減が図れるという優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は、本発明に係る加熱炉の模式図で
、第１図は、その概略縦断面図、第２図は、第１図のｚ
−ｚ矢視の断面図、第３図は、第１図および第２図に示
されている発熱体の概略縦断面図、第４図は、第３図の
側面図である。 第５図は、従来のタンマン式の加熱炉の概略縦断面図で
ある。 図面の簡単説明 １；加熱炉 ２：被処理物 ３：支持材 ４：発熱体 ５：電極 ６：給電端子部 ７：測温対象物 ８ａ、３ｂ：覗き窓 ９ａ、９ｂ：二色温度計 １〇二炉壁 １１：給気口 １２：排気口 ３ ４ ５ １ ２ ３ ４ 電磁弁 扉 被覆層 発熱体 被覆層 外郭 断熱層 不活性ガス 糸条

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）炉内に設けられた炭素材からなる発熱体に電流を
   通じ、該発熱体の外周面から放射される輻射熱により被
   処理物を加熱して焼成する加熱炉であって、前記発熱体
   の外周面に、炭素繊維または炭素−炭素繊維複合材から
   なる被覆層が０．５〜５ｍｍの厚みで形成されているこ
   とを特徴とする加熱炉。