JPS5925936B2

JPS5925936B2 - 加熱炉

Info

Publication number: JPS5925936B2
Application number: JP56203460A
Authority: JP
Inventors: 基忠福原; 恵三小野; 健一森田
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1981-12-18
Filing date: 1981-12-18
Publication date: 1984-06-22
Also published as: JPS58106384A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は抵抗炉特に抵抗発熱体に炭素材を用いたタンマ
ン炉型式の高温焼成用加熱炉に関する。

従来、炭素材料、埼）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加熱装置としては抵抗炉、誘
導炉、アーク炉、プラズマ炉など数多くの装置があるが
、抵抗炉特にタンマン炉型式（以下タンマン式という）
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。タンマン式加熱炉を用い２０００〜３０００
０Ｃ付近の高温加熱を行なうには、環状の抵抗発熱体（
以下発熱体という）に電流を通じ、ジュール熱によりこ
れを加熱して被加熱処理物を管内に静置または連続的に
通過させ焼成するが、通常は窒素やアルゴン等の不活性
ガス中あるいは減圧（真空）中でおこなわれ、発熱体と
しては一般に炭素（黒鉛）材が用いられる。この炭素材
からなる発熱体は、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２００００Ｃ〜３０００℃の
高温領域においても、溶融、分解などを起こさず発熱体
として十分その機能を発揮し、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。

すなわち、発熱体の減耗により肉厚が薄くなるとその部
分の電気抵抗が高くなわ、発熱密度の変化にともなう炉
内の温度分布の変化をきたすため、焼成した製品の品質
安定にたいする阻害要因となり、このため発熱体を新規
なものと交換する必要がある。

発熱体の交換作業は安全上、炉を冷却した後に行なう必
要があわ特に大型の加熱炉においては、冷却−解体−組
立−再加熱といつた一連の作業に多大の時間、労力を要
するため発熱体交換周期が短いと単に発熱体の材料費の
みでなく、生産性を著しく阻害しかつ焼成コストの増大
をもたらすのである。本発明者らはかかる問題を解消す
るため、炭素材からなる発熱体の寿命（新規発熱体との
交換）延長について鋭意検討の結果、本発明を見出すに
いたつた。

すなわち、本発明の目的は高温処理における該発熱体の
寿命を延長して、生産性を高めることにあり、他の目的
は、安定品質の製品を得ることにある。

このような本発明の目的は、前記特許請求の範囲に記載
したように、「被加熱処理物を挿入できる中空部を有す
る抵抗発熱体に電流を通じ発熱せしめる加熱炉において
、該発熱体の外表面に炭素繊維糸条を捲回積層させてな
ることを特徴とする加熱炉」によつて達成ホることがで
きる。

以下、本発明の加熱炉について図面を参照して具体的に
説明するが本発明はこれに限定されるものではない。

第１図、第２図は従来の一般的タンマン式加熱炉の側断
面図を示す。

１は発熱体で炭素材からなつている。

発熱体内部の空間はサンプル処理するものであるから該
空間は所望の温度、雰囲気の条件を満たす必要があるが
、発熱体の外表面は単に外界に熱を放散する放熱面であ
る。したがつて断熱材層２あるいは断熱材層２卦よび発
熱体保護管６で覆うことにより保温を行なう。３は電流
を通じるための電極、４は出人口シール部である。

被加熱処理物を連続的に加熱処理する場合には、サンプ
ルが通過できるような隙間をシール部に設ける必要があ
るが、バツチ式加熱処理の場合はフランジ構造とするこ
ともできる。外殼５の内部の断熱材層２卦よび発熱体内
部（保護管６を配設する場合は保護管６と発熱体１との
空間も含む）は被加熱処理物訃よび発熱体の酸化劣化を
抑制するために、常時、窒素やアルゴンなどの不活性ガ
スを満たすか、もしくは真空下に保たれる。また断熱材
としては通常、炭素質ないし黒鉛質の粉末または粒状物
、あるいはフエルト状物などが用いられる。第２図の発
熱体保護管６は、断熱材層２と発熱体１の直接的接触を
断ち、また発熱体周囲の雰囲気を一層外界より保護する
ものである。しかしながら、いずれの場合に訃いても長
時間高温加熱すると発熱体の外表面の減耗が激しく発熱
体の寿命が短い。本発明者らは発熱体１の外表面減耗を
抑制する技術について種々検討した結果、前述したよう
に発熱体表面に炭素繊維糸条を捲きつけることが極めて
有効であることを見出したのである。

第３図は本発明にかかり発熱体１に炭素繊維糸条７を捲
回積層したものの斜視図で、炭素繊維糸条７は発熱体１
の外周に沿つて捲回積層され保護層を形成する。第４図
は本発明にかかるタンマン式加熱炉であつて、発熱体１
に捲回積層した炭素繊維糸条７を断熱材層２との間に存
在させた側断面図である。ここで用いられる炭素繊維は
、ピツチ糸、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℃以上で焼成して得らねる一般
の炭素繊維である。

場合によつては２０００℃以上の高温で焼成された黒鉛
繊維を用いることもできる。いずれにしろ長時間発熱体
１に直接接触しているので、黒鉛化が進むことになり炭
素質、黒鉛質のいずれでも用いることができる。また通
常市販の炭素繊維には、エポキシ系或はポリビニルアル
コール系などのサイジング剤が付与されている場合が多
いが、これらサイジング剤は加熱されると分解しガス化
するので、炉内雰囲気を汚染することになる。したがつ
て被加熱処理物を実際的に処理する以前に充分子熱し、
その間に分解ガスを置換しておく必要があり、好ましく
は発熱体に巻付ける以前に除去しておくのがよい。また
炭素繊維糸条の捲回積層にあたつては、発熱体に密着さ
せかつ糸条間に間隙が出来ないように密に捲き付けるこ
とが必要であり、例えば巻取機の如き装置を用い、発熱
体を回転させつつ炭素繊維を一定張力下に供給し、捲回
積層することもできる。

この場合、トラバースの綾角を大きくとるよりも、なる
べくほぼ平行になるよう密に捲き付けることが好ましい
。使用する炭素繊維束のデニールは特に限定されないが
、通常、１０００〜１００００デニールのものが用いら
れる。さらに太繊度のトウ状物を用いる場合には、ロー
プ状にならないように広けて巻きつけるようにすること
によつて、同様の効果を奏することが出来る。また炭素
繊維は伸度が低くかつ滑り易いので、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などの配
慮が必要である。発熱体表面に捲回する炭素繊維糸条の
積層厚さは、発熱体の肉厚等により一概には決められな
いが、該発熱体の肉厚が５〜１０［１］１ｎ程度であれ
ば積層厚さは約１０〜２０１ｍで充分であり、捲回を施
さないものに比べ発熱体寿命が２〜３倍に延長できる。

また積層が１〜２１１］Ｒｎのような厚さの積層では発
熱体の減耗抑制が有効に発現しない。本発明の装置の適
用例としては、発熱体管内に被加熱処理物を静置して焼
成することもできるが、炭素質繊維から黒鉛質繊維に転
換させる連続焼成処理に好ましく用いられる。

被加熱処理物の焼成にあたつては、発熱体に炭素繊維糸
条を捲回積層することのほかは、従来公知の加熱処理条
件に準じて処理することができる。本発明の方法により
発熱体の寿命が延長できる理由については必ずしも明確
ではない。

しかしながら、本発明者らの検討によれば、炭素材料を
発熱体に用いたタンマン式加熱炉にあ一いて、窒素、ア
ルゴン等の不活性ガス雰囲気下で使用したところ、発熱
体の減粍は該発熱体の内表面に比べ外表面が極めて著し
いものであつたが、このことは単に温度が高いというこ
とだけではなく、熱的、電気的な境界条件が減耗の支配
因子であることが考えられ、炭素繊維を巻きつけること
によりこの境界条件が緩和されると解することができる
。先ず第１に熱的な条件であるが、第１図、第２図に例
示した加熱炉においては、発熱体の外表面はその内表面
と比較して熱の放散が大きく、常時多量の熱を外界へ放
出している。本発明者らの検討によれば、第２図に示し
たような２重管構造を有する加熱炉を用い、発熱体（黒
鉛パイプ外径７０［ｍφ）に約１５ＴＩ１Ｉｎの厚さで
炭素繊維を巻きつけて使用した場合については、このよ
うに炭素繊維を巻きつけたことにより消費電力が約４０
％低下し、外殼表面温度も低下していることが認められ
た。すなわち、炭素繊維の層は良好な断熱材として作用
し、放熱抑制に効果があり、このことが結果として発熱
体の寿命延長に有効に働いていると考えられる。

第２に電気的な境界条件であるが、前述したように２０
００℃以上もの高温領域になると、発熱体はもとより、
周囲に用いる断熱材にも一般的に炭素材が用いられる。

炭素材は本質的には導電性であるから、発熱体にこのよ
うな断熱材が接触していると、断熱材を通じて電気が漏
洩することになる。もつとも、発熱体の電気的な抵抗に
比べこのような接触抵抗は極めて大きいので、大部分の
電流は発熱体の中を流れるため、実際の使用上に訃いて
問題にならないが、発熱体の外表面の減耗が著しいとい
うことは、このような外表面の電気的境界条件が誘因の
１つとなつているとも考えられる。例えば、炭素繊維の
短繊維がランダムに配列され二ードルパンチを施された
構造を有するフエルト状物を断熱材として用い、黒鉛パ
イプの発熱体に接触するように該フエルトを捲回積層し
た加熱炉に卦いては、発熱体外表面の減耗は著しく、し
たがつて本発明のように、炭素繊維を捲きつけることに
よジその減耗を抑制する必要がある。

この点に関して炭素繊維もそれ自体電気伝導性であり、
これを巻きつけることは好ましくないと考えられるかも
知れないが、実際上は本発明の如く、発熱体の外表面に
炭素繊維糸条を捲回する方法においては極めて良好な絶
縁材として働いていることが以下のように確認された。
すなわち発熱体に用いる黒鉛パイプ（外径７０Ｉφ）に
厚さ１５ｍｎになるように炭素繊維をパイプの軸に直交
するように巻きつけたものについて、その状態で黒鉛パ
イプの電気抵抗を測定したが、巻きつける前と比較して
電気抵抗はほぼ同じであつた。

すなわち巻きつけた炭素繊維はほぼ電気的に絶縁体とみ
なせる。一方、短繊維を二ードルパンチした構造よりな
る炭素繊維フエルト（目付４００ｇ／ｍ”、厚さ約７ｃ
Ｔｎ）を巻きつけ、同様に黒鉛パイプの電気抵抗を測定
したところ、巻きつける前と比較して該抵抗が約７％減
少した。すなわち炭素繊維がランダムに配列したフエル
ト状物では電気伝導性があると見なすことができる。こ
のことから炭素繊維は電気伝導性があるといつても、そ
れは繊維軸に沿つた方向であり、繊維間の接触抵抗はそ
れに比較して大きく、本発明の如く発熱体の軸に直交す
るように巻いた構造では絶縁体とみなせる程高い抵抗で
あるのに対し、パイプ軸と平行な成分も存在し得るラン
ダム配列のフエルト状物では電気伝導性を示すのである
。すなわち、本発明の効果は炭素繊維を捲回積層すると
いう方法により、発熱体表面に良好な熱的、電気的境界
条件を与えることが可能となり、発熱体の減耗の抑制を
実現させたことにあると考えることができる。また第２
図のように発熱体に保護管を配設した構造の加熱炉に卦
いては、発熱体のみでなく、炭素繊維糸条を保護管にも
捲回積層することにより断熱効果を上げ、発熱体の減耗
を抑えてその寿命を延長し、一層効果を発揮することが
できる。

本発明によりば、発熱体の減耗を抑えてその寿命を延長
し、生産性を高めるとともに焼成した製品の品質安定を
はかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来一般に用いらねているタンマン式
加熱炉の側断面図、第２図は発熱体保護管を配設した側
断面図、第３図は本発明にかかる加熱炉の発熱体部分の
斜視図、第４図は本発明にかかるタンマン式加熱炉の側
断面図である。／１・・・抵抗発熱体、５・・・外殼、２・・・断熱材
層、・・・抵抗発熱体の保護管、３・・・電極、糸条、
７・・・炭素繊維４・・・出人口シール部。

Claims

【特許請求の範囲】

１被加熱処理物を挿入できる中空部を有する抵抗発熱
体に電流を通じ発熱せしめる加熱炉において、該発熱体
の外表面に炭素繊維糸条を捲回積層させてなることを特
徴とする加熱炉。