KR101630567B1

KR101630567B1 - 탄소 섬유속의 제조 방법 및 탄소 섬유 전구체 섬유속의 가열로

Info

Publication number: KR101630567B1
Application number: KR1020147036301A
Authority: KR
Inventors: 리사 아라이; 사토시 가지; 아츠시 가와무라; 히로유키 니시; 다카후미 다나카; 마사시 시마하라
Original assignee: 미쯔비시 레이온 가부시끼가이샤
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2016-06-14
Also published as: KR20150015524A; TW201413080A; WO2014007169A1; EP2868786A1; JPWO2014007169A1; EP2868786A4; US20150184941A1; TWI507579B; JP5765425B2; CN104428456B; CN104428456A

Abstract

열처리실 내의 섬유속의 폭 방향에 있어서의 온도 분포의 균일화를 도모함과 동시에, 그를 위해 필요로 하는 것의 저감화를 실현하는 섬유속의 가열로(10), 특히 탄소 섬유 제조 공정에서의 전구체 섬유속의 내염화 공정에 적합한 가열로(10)에 관한 것이다. 수평 공간에 배치된 열풍 도입 덕트(12)와 연속 섬유속의 열처리실(13)을 구비하고, 당해 열처리실(13)의 실외의 열풍 도입 덕트(12) 내에는, 열풍의 흐름 방향을 따라 열풍의 가열 장치(18)와 순환팬(19)을 순차적으로 배치하고 있다. 열처리실(13) 내에는, 상기 섬유속이 시트 형상으로 상하로 1단 이상 평행하게 수평으로 주행하는 섬유 주행로를 갖고 있다. 상기 열풍 도입 덕트(12)를 흐르는 열풍을, 풍향 변경판(20) 등으로, 저온 영역을 흐르는 열풍을 고온 영역측으로 향하게 해서 열풍 도입 덕트(12)의 폭 방향으로 좁혀서 흘려보내고, 해당 열풍을 순환팬(19)에 흡기시켜, 상기 순환팬(19)에 의해 열풍을 열처리실(13)에 도입한다. 그 결과, 처리실 내 폭 방향의 온도 분포를 개선할 수 있다.

Description

탄소 섬유속의 제조 방법 및 탄소 섬유 전구체 섬유속의 가열로{METHOD FOR PRODUCING CARBON FIBER BUNDLE AND HEATING FURNACE FOR CARBON FIBER PRECURSOR FIBER BUNDLE}

본 발명은 탄소 섬유속의 제조 방법과 탄소 섬유 전구체 섬유속의 가열로(爐)에 관한 것으로, 특히 탄소 섬유속 제조 공정에서의 전구체 섬유속의 내염화(耐炎化)로에 적합하게 적용될 수 있는 섬유속의 가열로를 사용한 탄소 섬유속의 제조 방법에 관한 것이다.

탄소 섬유는 비강도, 비탄성률, 내화성, 내열성, 내구성 등이 우수하기 때문에, 그 적용 분야는 점점 더 넓어지고 있다. 탄소 섬유는 전구체 섬유를 소성하여 제조되고, 그 공정은 내염화 공정, 전(前)탄소화 공정, 탄소화 공정이 있다. 내염화 공정에서는, 전구체 섬유를 산화성 분위기 하에서 열처리를 행하여, 전구체 섬유에 열적 안정성을 부여한다. 이 내염화 공정은 탄소 섬유 제조 공정에서 가장 시간을 필요로 하는 공정이며, 탄소 섬유 성능의 발현에 크게 관여하고 있다. 현재, 가동 중인 탄소 섬유 제조 공장에서는 내염화로 내에서 폭 방향으로 온도 불균일이 있기 때문에, 탄소 섬유에 처리 불균일이 생기고 있다.

주행하는 탄소 섬유 전구체 섬유속을 열풍으로 열처리하는 열처리실과 열풍을 열처리실의 하류부로부터 상류부로 순환시키는 순환 유로(流路)가 인접한 내염화로에 있어서, 외기와 접하는 벽측의 열풍의 온도가 낮고, 순환 유로와 열처리실이 접하고 있는 벽측의 온도가 높아져, 송풍팬을 통과한 후에도 그 온도 분포인 채로 열처리실에 열풍이 공급되어 버리는 것이 온도 불균일의 원인이 되고 있다. 탄소 섬유의 품질의 균일화, 수율의 향상과 같은 관점에서, 내염화로 내의 온도 분포를 균일화하는 것이 요구되고 있다.

이 내염화로 내의 온도 분포를 균일화하여, 온도 불균일을 해소하기 위한 구체적 제안이, 예컨대 일본 특허공개 2000-088464호 공보(특허문헌 1)나 일본 특허공개 2001-288623호 공보(특허문헌 2), 일본 특허공개 2003-155629호 공보(특허문헌 3), 일본 특허공개 2008-138325호 공보(특허문헌 4), 일본 특허공개 2008-280640호 공보(특허문헌 5) 등에 의해 다수 이루어져 있다. 그 밖에도, 내염화로 내의 풍속 및 온도 분포를 균일화하는 제안이, 예컨대 일본 특허공개 2007-247130호 공보(특허문헌 6) 및 일본 특허공개 2008-267794호 공보(특허문헌 7)에 의해 이루어져 있다.

또한, 열풍 순환 방식의 처리 가스 농도를 균일화하는 제안이 일본 특허공개 소59-116419호 공보(특허문헌 8)에 의해 이루어져 있다.

구체적으로는, 특허문헌 1에서는 가열 처리실 내의 섬유 도출입부 근방에, 단열재로 덮인 열풍 취출(吹出) 노즐을 설치하여 방열을 막고, 동시에 노즐 내에 가열 수단이나 온도 제어 센서를 설치하여 빼앗긴 방열분을 보급하고 있다. 특허문헌 2에서는, 가열 처리실 밖의 대류 가열형 열풍 순환 유로에 열풍 교반 장치인 스태틱 믹서를 설치하고, 이 스태틱 믹서를 통과할 때의 압력 손실을 3Pa 이상으로 해서, 열풍 순환 유로의 가열 처리실 내의, 특히 온도 분포 및 가스 농도 분포를 균일하게 하여, 내염화 공정에 있어서의 처리 불균일을 없애는 것에 의해, 얻어지는 연속 섬유속의 물성의 균일화를 도모함과 동시에 생산 효율을 향상시키고 있다.

또한 상기 특허문헌 3에 의하면, 내염화로의 노벽을 이중 구조로 해서 노벽의 방열에 의한 처리실 내의 온도 불균일을 막음과 더불어, 이중 구조의 내벽으로부터 사조(絲條) 주행 방향을 향해 돌출하는 풍향 전환용의 핀을 설치하여, 처리실 내 온도의 균일화와 생산 효율의 증가를 도모하고 있다. 특허문헌 4에서는, 내염화로의 전구체 섬유속의 출입구 근방의 외기 온도를 제어하여, 노 내의 온도 변동을 10℃ 이하로 억제하고 있다.

상기 특허문헌 5에 의하면, 열처리실의 외측이면서, 열처리실의 폭 방향의 양 측벽에, 각각 열풍 송풍 수단을 구비한 제 1 및 제 2 열풍 순환 유로를 설치하고, 제 1 순환 유로의 일단(一端)을 제 1 열풍 공급 노즐에, 제 2 열풍 순환 유로의 일단을 제 2 열풍 공급 노즐에 접속시킴과 더불어, 제 1 열풍 순환 유로의 타단(他端)을 제 1 열풍 흡입 노즐에, 제 2 열풍 순환 유로의 타단을 제 2 열풍 흡입 노즐에 접속시키고, 열처리실의 사조 이송 방향에 대한 양측을 제 1 및 제 2 순환 유로에 의해 둘러싸, 열처리실 밖으로의 방열을 막음과 더불어, 사조의 폭 방향의 양측에 있어서 상하로 다단(多段)으로 배치하여, 단마다 열풍을 상하 교대로 취출하는 것에 의해 사조 폭 방향의 열풍 온도 및 풍속의 분포를 균일화시키고 있다.

상기 특허문헌 6에 의하면, 열풍 취출구에 2장의 다공판을 겹치고, 한쪽의 다공판을 병행 이동시키는 것에 의해 개구 면적을 가변으로 해서 폭 방향의 풍속 제어 수단을 갖고, 또한 열처리실의 폭 방향 양 측벽면에 사조 방향으로 풍향 변경판을 설치한 내염화로에 의해 열처리실 내를 주행하는 사조 온도의 균일화를 도모하고 있다.

상기 특허문헌 7에 의하면, 반환 롤의 내부가 복수의 영역으로 분할되고, 적어도 1개의 영역에 가열 수단 또는 냉각 수단의 제어 가능한 온도 조정 수단을 구비하는 것에 의해 폭 방향의 섬유 온도차를 제어하여 열처리 불균일을 작게 하고 있다.

상기 특허문헌 8에 의하면, 이분할한 가스류를 합류시킨 직후에 유체 혼합기를 통과시킴으로써 균일하게 혼합하고 노 내로 순환시킴으로써 사조 간의 품질 불균일이 소실된다고 되어 있다.

특허문헌 2, 3, 4, 6, 7은, 상기 특허문헌 1, 5와 마찬가지로, 내염화로에 있어서의 열처리실 내의 온도 분포를 균일화시키는 것을 주된 목적으로 해서 제안되어 있지만, 그 모두가, 상하 다단으로 이송되는 사조 시트면에 대하여 열풍을 직교시켜 통과시키기 때문에, 그 열풍을 받아 사조끼리가 얽히거나, 사 끊어짐이나 보풀 일어남 등의 손상을 주기 쉽다. 그 점에서, 특허문헌 1, 5 및 8의 열처리로는 열처리 내를 주행하는 섬유 시트의 주행 방향에 평행하게 열풍을 흘려보내고 있기 때문에, 섬유 시트를 안정되게 처리할 수 있다.

일본 특허공개 2000-088464호 공보 일본 특허공개 2001-288623호 공보 일본 특허공개 2003-155629호 공보 일본 특허공개 2008-138325호 공보 일본 특허공개 2008-280640호 공보 일본 특허공개 2007-247130호 공보 일본 특허공개 2008-267794호 공보 일본 특허공개 소59-116419호 공보

그런데, 전술한 특허문헌 1∼8에 의해 제안되어 있는 내염화로는, 그 모두가, 노 내를 흐르는 열풍의 유로를 열처리실을 포함한 순환 유로로 하고 있고, 상기 열처리실을 제외한 순환 유로의 도중에 가열 장치와 순환팬을 배치하고 있다. 그러한 가운데, 특허문헌 2에서는 가열 장치와 순환팬 사이의 순환 유로에 열풍 교반 장치로서의 스태틱 믹서를 설치하고 있다. 그런데, 스태틱 믹서는 유로를 좌우 상하 방향으로 비틂으로써 혼합을 촉진하는 것이지만, 그 유로의 비틀림은 믹싱판에 의해 구분한 이웃의 영역을 교체하는 정도이고, 유로 전체의 열풍을 혼합하는 작용을 갖는 것은 아니며, 다소의 열이동에 의해 균일화되지만 충분하지는 않았다. 마찬가지로, 특허문헌 8에서는 유체 혼합기로서 정지형 충돌 블레이드를 설치하고 있지만, 이것도 좌우 상하의 흐름의 위치를 변경할 뿐이며, 유체의 전체적 혼합 작용은 작다. 그 때문에, 순환 유로의 노폭(路幅) 방향의 열처리실에 가까운 내측 영역과 외기에 접하는 벽에 가까운 외측 영역에서는 열풍의 교반이 이루어지지 않고, 각각의 영역 사이에서의 열풍의 혼합도 거의 이루어지지 않은 채로 코스마다를 흐르게 된다. 또한, 압력 손실이 크기 때문에, 순환팬의 동력의 부하가 커진다.

이 경향은 교반 장치가 배치되지 않고 순환팬만을 배치하고 있는 경우에도 마찬가지이며, 더욱이 유로 내벽의 외기와 접하는 편측의 측벽면 즉 외측 영역과, 반대측의 측벽면 즉 내측 영역에서는, 외측 영역을 흐르는 열풍의 온도가 내측 영역을 흐르는 열풍 온도보다도 상대적으로 낮다는 것이 실증되고, 동시에 열처리실에 도입되는 열풍의 온도 분포에 대해서도 마찬가지의 경향이 있다는 것이 실증되어 있다. 여기에서, 순환 유로가 열처리실의 이웃에 배치된 노체에 있어서, 열처리실과 순환 유로가 접하는 벽면측을 내측 영역, 외기와 접하는 벽면측을 외측 영역이라고 정의한다.

도 15의 B에, 열풍 도입부의 열풍 하류측으로부터 상류측을 보았을 때의, 열풍 도입부(14)(도 1 참조)의 유입 단면에 있어서의 종래의 온도 분포를 동 도면의 A에 나타내는 색의 농담으로 나타내고 있다. 이 유입 단면에 있어서, 좌측(R1)이 내측 영역, 우측(L1)이 외측 영역이다. 동 도면은 농색부로부터 담색부를 향하여 고온으로부터 저온으로 추이하는 상태를 나타내고 있다. 도 15의 A 및 B로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 고온 영역과 저온 영역이 열풍 도입부 유입 단면의 우측과 좌측으로 2분되는 분포 형태를 취하고 있다. 즉, 열풍 도입부(14)의 유입 단면에 있어서, 고온 영역이 좌측으로부터 상측 끝 가장자리와 하측 끝 가장자리를 따라 우측으로 넓어지고, 저온 영역이 우측으로부터 좌측 중앙으로 넓어지고 있다. 이 온도 분포는 열처리실 내의 온도 분포와 마찬가지의 경향을 나타내고 있으며, 이 온도 분포에 의해서, 상하로 다단으로 주행하는 섬유 시트의 폭 방향에 있어서의 처리 불균일로 이어지고 있다.

본 발명의 목적은, 이러한 온도 분포의 형태를 가지는 열처리실 내의 온도 분포의 균일화를 도모함과 동시에, 그를 위해서 필요로 하는 비용의 저렴화가 실현되는 섬유속의 열처리실, 특히 탄소 섬유 제조 공정에서의 전구체 섬유의 내염화 공정에 적합한 열처리실을 구비하는 가열로를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 탄소 섬유의 제조 방법은, 피가열물을, 열처리실과 열풍 도입 덕트를 갖는 가열로에서 200∼300℃의 산성화 분위기의 열풍으로 가열하는 공정을 갖는 탄소 섬유의 제조 방법으로서, 상기 열풍을 열풍 도입 덕트로부터 열처리실에 도입할 때에, 열풍 도입 덕트를 흐르는 열풍의 흐름의 일부를 풍향 변경 부재에 의해 변경하고, 상기 풍향 변경 부재로부터 열풍 혼합 부재까지의 사이의 최대 풍속을, 열풍 도입 덕트 내이면서 상기 풍향 변경 부재보다 상류에서의 열풍의 단면 평균 풍속에 대하여 20% 이상 증속시켜 열풍 혼합 부재에 도입한 후, 열풍을 열처리실에 도입하는 탄소 섬유의 제조 방법이다.

본 발명에 있어서, 상기 풍향 변경 부재가 열풍 도입 덕트의 유로 벽면에 배치되는 판재인 것이 바람직하지만, 그에 한정되지 않고 상기 풍향 변경판 대신에, 소형 송풍기 또는 열풍 공급 덕트여도 된다.

본 발명의 탄소 섬유의 제조 방법은, 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구가 열풍 도입 덕트의 유로 방향에 대하여 수직으로 배치되고, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 입구폭의 중간점까지의 거리 Lx가 하기 식(1)을 만족시키는 것이 바람직하다.

Lx < (1.7lnRe-2)×h …(1)

Re = h×u/v

여기에서, h는 풍향 변경 부재의 유로 폭 방향의 길이, u는 풍향 변경 부재보다 상류에서의 단면 평균 풍속, v는 열풍의 동점도(動粘度), ln은 자연 대수를 나타낸다.

또한 본 발명의 탄소 섬유의 제조 방법은, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 혼합 부재의 열풍 도입구의 입구폭의 중간점까지의, 열풍 도입 덕트의 유로 방향에 대하여 평행 방향인 거리 Lx, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 혼합 부재의 열풍 도입구의 최상류점까지의, 열풍 도입 덕트의 유로 방향에 대하여 수직 방향인 거리 Ly가, 하기 식(1), (2)를 만족시키는 것이 바람직하다.

Lx < (1.7lnRe-2)×h …(1)

Ly < 6h …(2)

본 발명의 탄소 섬유의 제조 방법은, 상기 열풍 혼합 부재가 순환팬, 스태틱 믹서 또는 교반기인 것이 바람직하다.

상기 풍향 변경 부재가 열풍 도입 덕트의 유로 벽면에 배치되는 풍향 변경판일 때, 풍향 변경판을 열풍 진행 방향에 대하여 수직인 열풍 도입 덕트 유로 단면에 투영한 면적이, 상기 열풍 도입 덕트 유로 단면의 면적에 대하여 10% 이상 60% 이하인 것이 바람직하다.

추가로, 상기 풍향 변경판의 열풍 흐름에 대한 각도가 조정 가능한 것이 바람직하다.

본 발명의 탄소 섬유의 제조 방법은, 열풍 도입구로부터 열처리실 내로 분출하는 열풍의 열풍 도입구 면에서의 온도차가 10℃ 이내인 것이 바람직하다.

본 발명의 가열로는, 탄소 섬유 전구체를 가열하는 열처리실과, 상기 열처리실에 200∼300℃의 산성화 분위기의 열풍을 도입하는 열풍 도입 덕트를 갖는 가열로로서, 상기 열풍을 열풍 도입 덕트로부터 순환팬에 의해 열처리실에 도입할 때에, 열풍 도입 덕트를 흐르는 열풍의 흐름의 일부를 변경하는 풍향 변경 부재와 열풍 혼합 부재를 갖고 있다.

상기 풍향 변경 부재가 도입 덕트의 유로 벽면에 배치되는 판재, 소형 송풍기 또는 열풍 공급 덕트인 것이 바람직하다. 또한, 상기 풍향 변경 부재의 하류에 열풍 혼합 부재를 배치하는 것이 바람직하고, 당해 열풍 혼합 부재는, 나아가 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구 면이 열풍 도입 덕트의 유로 방향에 대하여 수직으로 배치된 경우, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 입구폭의 중간점까지의 거리 Lx가 하기 식(1)을 만족시키는 것이 바람직하다.

Lx < (1.7lnRe-2)×h …(1)

Re = h×u/v

여기에서, h는 풍향 변경 부재의 유로 폭 방향의 길이, u는 풍향 변경 부재보다 상류에서의 단면 평균 풍속, v는 열풍의 동점도를 나타낸다. ln은 자연 대수를 나타낸다.

상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구 면이 열풍 도입 덕트의 유로 방향에 대하여 수직으로 배치되어 있지 않은 경우, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 입구폭의 중간점까지의, 열풍 덕트의 유로 방향에 대하여 평행 방향인 거리 Lx, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 최상류점까지의, 열풍 덕트의 유로 방향에 대하여 수직 방향인 거리 Ly가, 하기 식(1), (2)를 만족시키는 것이 바람직하다.

Lx < (1.7lnRe-2)×h …(1)

Ly < 6h …(2)

상기 열풍 혼합 부재가 순환팬, 스태틱 믹서 또는 교반기인 것이 바람직하다. 열풍 혼합 부재로서 스태틱 믹서나 교반기를 이용하는 경우는, 상기 풍향 변경 부재와 상기 순환팬 사이에 배치하는 것이 바람직하다.

이 경우의 스태틱 믹서의 작용으로서는, 유로를 교체시킴과 더불어, 고온 영역의 열풍과 저온 영역의 열풍이 가까워지기 때문에, 열이동이 일어나, 열풍의 온도를 균일화할 수 있기 쉬워진다.

상기 풍향 변경 부재가 도입 덕트의 유로 벽면에 배치되는 풍향 변경판일 때, 풍향 변경 부재를 열풍 진행 방향에 대하여 수직인 열풍 도입 덕트 유로 단면에 투영한 면적이, 상기 열풍 도입 덕트 유로 단면의 면적에 대하여 10% 이상 60% 이하인 것이 바람직하다.

이상의 구성을 갖춘 본 발명에 의하면, 다음과 같은 특유의 효과를 나타낸다.

(1) 온도 분포의 균일성

열처리실 내의 섬유 시트 폭 방향의 온도 분포를 균일화할 수 있고, 섬유 시트에 대한 열처리도 균등화되어, 균질하고 고품질인 제품이 얻어진다. 여기에서, 섬유 시트란, 복수의 섬유속을 평행하게 배열한 상태의 것을 말하고, 섬유 시트 폭 방향이란, 섬유속이 배열되어 있는 방향을 말한다. 또한, 풍향 변경판에 의한 순환 유로에서의 단면적은 전체 유로 단면적의 1할 정도이기 때문에 압력 손실이 적어, 풍속의 저하는 거의 생기지 않는다.

(2) 비용의 우위성

풍향 변경판이 단순한 판재와 같은 간이적인 구조인 경우는, 제작, 부착, 떼어냄이 용이하며, 원재 비용, 제조 비용, 설치에 드는 공사 비용 등이 극히 저렴해진다. 여기에서, 열풍 혼합 부재에 대해서도, 풍향 변경판과 마찬가지의 부재로 구성하는 경우에는, 비용면에서 유리하다.

도 1은 본 발명의 섬유 시트 열처리로의 내부 구조예를 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명에서의 풍향 변경판의 설치부 내를 모식적으로 확대하여 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2의 III-III선을 따른 시시도(矢視圖)이다.
도 4는 풍향 변경 부재(풍향 변경판)와 열풍 혼합 부재(순환팬)의 설치예이다.
도 5는 풍향 변경 부재(풍향 변경판), 열풍 혼합 부재 및 순환팬의 설치예이다.
도 6은 풍향 변경 부재(풍향 변경판)와 열풍 혼합 부재(순환팬)의 설치예이다.
도 7은 풍향 변경 부재(풍향 변경판)와 열풍 혼합 부재(순환팬)의 설치예이다.
도 8은 풍향 변경 부재(송풍기)와 열풍 혼합 부재(순환팬)의 설치예이다.
도 9는 풍향 변경 부재(송풍기)와 열풍 혼합 부재(순환팬)의 설치예이다.
도 10은 풍향 변경 부재(열풍 공급 덕트)와 열풍 혼합 부재(순환팬)의 설치예이다.
도 11은 풍향 변경판을 설치한 경우와 설치하지 않은 경우의 상단으로부터 1단째의 시트 형상 섬유속 주행로에 있어서의 폭 방향 온도 분포의 데이터를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 12는 동일하게 상단으로부터 2단째의 시트 형상 섬유속 주행로에 있어서의 폭 방향 온도 분포의 데이터를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 13은 동일하게 상단으로부터 3단째의 시트 형상 섬유속 주행로에 있어서의 폭 방향 온도 분포의 데이터를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 14는 동일하게 상단으로부터 4단째의 시트 형상 섬유속 주행로에 있어서의 폭 방향 온도 분포의 데이터를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 15는 풍향 변경판을 설치하지 않을 때의 열풍 도입부의 열풍 입구에 있어서의 상하 좌우의 온도 분포도이다.

이하, 본 발명의 대표적인 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 더욱 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 가열로에서의 열풍 열순환로의 내부의 일부를 상방으로부터 본 개략 평면도이며, 도 2는 본 발명에 있어서의 열풍 혼합 부재(순환팬)에 대한 풍향 변경판의 설치부 내를 모식적으로 확대하여 나타내는 평면도, 도 3은 도 2의 III-III선을 따른 시시도이다. 본 실시형태에 따른 가열로는 탄소 섬유의 제조 공정의 내염화 공정에 배치되는 내염화로를 예로 하고 있지만, 반드시 내염화로에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이 실시형태에서는, 열풍 순환 유로의 일부에 배치되는 열처리실 내를 일방향으로 주행하는 시트 형상의 연속 섬유속(이하, 섬유 시트라고 한다)의 주행 방향과 평행하게 열풍을 흘려보내는 순환형 평행류 가열 처리로가 사용되고 있다.

본 실시형태에 따른 가열로(10)의 열풍 순환 유로는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 평면 시(平面視)로 직사각형 테두리 형상인 노벽(11)을 구비하고, 그의 내부의 수평 공간을 이용하여 열풍 도입 덕트(12)가 형성되어 있다. 이 열풍 도입 덕트(12)에 인접해서 연속 섬유 시트(TS)를 가열 처리하는 열처리실(13)이 배치되어 있다. 여기에서 가열로(10)는 1개의 열처리실(13)에 대하여, 열풍 도입 덕트(12) 및 순환팬(19), 열풍 취출구(16)가 1개씩 배치되고, 열풍이 열풍 도입 덕트(12)와 열처리실(13)을 순환한다. 또한, 열풍이 순환하는 방향이 일방향만인 편(片)회전 구조이다. 당해 열처리실(13) 내에는 연속 섬유 시트(TS)를 상하 다단으로 주행시키는 시트 처리 공간(13a)을 갖고 있다. 여기에서, 본 실시형태에서는 피가열 처리 대상으로서 연속 섬유 시트(TS)를 예시하고 있지만, 복수개의 연속 섬유속을 병렬시켜 처리하는 것을 포함하고 있다.

연속 섬유 시트(TS)를 상하 다단으로 주행시키기 위해, 열처리실(13)의 섬유 시트 주행 방향 양 단부의 실외 상하 방향에 시트 폭 방향으로 연장되는 복수개의 도시하지 않은 반환 롤러가 다단으로 배치되고, 열처리실(13)의 일단에 형성된 섬유 시트 공급구로부터 도입되는 연속 섬유 시트(TS)는, 열처리실(13)의 내부를 주행하여 1단째의 섬유 시트 출구에 배치된 도시하지 않은 반환 롤러에 의해 되돌려지고, 열처리실(13)의 내부를 역방향으로 주행하여 열처리실(13)의 타단에 형성된 섬유 시트 출구에 배치된 2단째의 반환 롤러에 의해 되돌려져, 열처리실(13)의 내부를 역방향으로 주행한다. 이를 소요의 단수(段數) 반복하고, 소정의 열처리가 이루어지면 연속 섬유 시트(TS)의 최종 출구로부터 다음 공정으로 보내진다.

전술한 열처리는, 열풍 도입 덕트(12)를 흐르는 열풍을 소정 온도까지 승온시킨 기체를 열처리실(13)에 도입하는 것에 의해 연속해서 이루어진다. 본 실시형태에 의하면, 기체로서 가열된 공기가 사용되고 있고, 열처리실(13) 내의 분위기 온도는 대략 200∼300℃로 설정된다. 또한, 본 실시형태에 사용되는 연속 섬유 시트(TS)의 원료 섬유로는, 탄소 섬유의 대표적인 전구체 섬유인 아크릴로나이트릴계의 장섬유가 사용된다.

상기 열처리실(13)에는, 상기 연속 섬유 시트(TS)의 출입구, 동 연속 섬유 시트(TS)의 출입구에 배치되는 복수의 반환 롤러 외에, 동 열처리실(13)의 시트 출입구에 인접해서, 열풍 도입 덕트(12)를 따라 배치되는 열풍 도입부(14) 및 열풍 도출부(15)가 부설되어 있다. 상기 열풍 도입부(14) 및 열풍 도출부(15)와 상기 열처리실(13)의 각 접속부에는, 각각 열처리실(13)의 실내에 신선한 열풍을 불어넣는 열풍 취출구(16)와, 열처리실(13)로부터 열풍 도입 덕트(12)로 열풍을 빨아들이는 열풍 흡입구(17)가 설치되어 있다. 상기 열풍 도입부(14) 및 열풍 도출부(15)는 각각 수직 방향으로 2단 이상 병렬되며, 그 사이에 도시하지 않은 섬유 시트 공급구가 배치되고, 섬유 시트가 통과한다.

상기 열처리실을 제외한 열풍 도입 덕트(12)에 있어서, 열풍 도입부(14)의 상류측과 열풍 도출부(15)의 하류측 사이의 순환 유로 상에, 열풍 방향의 상류측으로부터 하류측을 향해서 가열 장치(18)와 순환팬(19)이 순차적으로 설치되어 있다. 즉, 열처리실(13)의 실내에서 연속 섬유 시트(TS)의 열처리를 끝내어 온도가 저하된 열풍은, 상기 열풍 흡입구(17)를 통해서 열풍 도출부(15) 내로 흡출되고, 도중의 열풍 도입 덕트(12)에서 일부 신선한 공기와 교체되어, 열 교환이 행해진 후, 가열 장치(18)를 통과하여 소요의 온도까지 가열된다. 이때, 순환 유로를 흐르는 유로 폭 방향의 열풍의 온도는, 외측 영역의 열풍쪽이 내측 영역의 열풍보다도 낮다. 종래라면, 이때의 온도 분포는 도 15의 B에 나타내는 분포와 마찬가지이며, 이 분포는 열처리실(13)의 내부를 흐를 때도 변하지 않는다. 가열 장치(18)에 의해 가열된 열풍은, 순환팬 축(19a)을 중심으로 회전하는 상기 순환팬(19)에 의해 열풍 도입부(14) 내로 공급된다.

그런데, 이 실시형태에 의하면, 순환 유로 상에 배치되는 순환팬(19)은 가열로(10)의 각(角)부에 열풍 도입부(14)의 유입구에 대하여 평행하게 설치되고, 그 방식은 축류(軸流) 방식이다. 그의 회전 속도는 1800rpm이며, 열풍은 유로를 직각으로 돌아 순환팬(19)에 유입되고, 유량 10m³/min으로 동익(動翼) 통과와 함께 선회하여 정익(靜翼)을 통과하여 열풍 도입부(14) 내로 유입된다. 여기에서, 외측 영역을 통과하는 열풍은 외기와 접하는 벽면의 방열에 의해 냉각되어, 내측 영역을 통과하는 열풍에 비하여 온도가 낮아져 있다. 순환 유로 내에는 열풍의 배출구나 공급구, 철망부, 가열부 등의 구조물이 배치되어 있고, 이들 구조물을 통과한 후, 순환팬(19)에 의해서 선회하여 열처리실 내로 공급되지만, 일련의 유로 통과 시에, 외측 영역의 저온 열풍 처리 가스와 내측 영역의 고온 열풍 처리 가스가 혼합되는 경우는 없어, 폭 방향으로 온도 분포를 유지한 채로 순환하고 있다. 이에 의해, 열처리실(13)에서는 시트의 폭 방향에서 외벽측에 위치하는 열풍 온도가 노체 중앙의 열풍 온도보다도 상대적으로 낮아진다. 이것이 시트 폭 방향의 온도 불균일이 되어, 반응의 불균일성의 원인이 되고 있다.

본 발명은 이러한 열처리실(13)의 내부에서의 온도 분포의 경향을 막는 것이다.

본 발명에 의하면, 앞서 기술한 바와 같이, 열풍의 흐름의 일부를 변경하고, 열풍의 유속을 높여, 고온의 열풍과 저온의 열풍을 가까이 한 상태에서 열풍 혼합 부재에 도입시킴으로써, 저온 영역의 열풍과 고온 영역의 열풍의 혼합이나 열이동을 촉진할 수 있다. 열풍 혼합 부재로서는, 상기 순환팬이 열풍 혼합 부재로서 겸용도 가능하고, 별도로 스태틱 믹서나 교반기를 이용하는 것도 가능하다. 또한, 적어도 저온 영역의 열풍을 고온 영역으로 이끄는 풍향 변경판(20)을 배치하는 것에 의해, 방열이 큰 벽면을 따라 통과하는 저온의 열풍의 흐름을, 종래에서는 고온 영역이 유입되는 순환팬(19)의 유입부에 동시에 흡기시킴으로써, 순환팬(19)에 의해서 저온 영역과 고온 영역의 열풍의 혼합을 촉진할 수 있다. 이 풍향 변경판(20)은 온도 저하가 염려되는 영역에만 근접해서 설치할 수 있기 때문에, 열처리실 내의 특유의 온도 분포에 대응하여 세심하게 온도 분포의 균일화를 도모할 수 있다. 그 때문에, 도시하는 실시형태에서는, 도 1∼도 3에 나타내는 바와 같이, 가열 장치(18)와 혼합 부재(순환팬(19)) 사이에 있어서, 열처리실(13)에 대향하는 외측의 순환 유로 측벽면에, 이 측벽면을 따라 흐르는 열풍의 흐름을 열처리실(13)에 인접하는 측벽측으로 향하게 하는 풍향 변경판(20)을 열풍 순환 유로의 높이 방향 전체 높이에 걸쳐 배치하고 있다.

열풍의 흐름의 일부를 변경하고 열풍의 유속을 높이는 수단은, 상기 풍향 변경판에 한정되지 않고, 유로 자체를 좁히는 수단이어도 되고, 상기 순환팬(19)과는 별도의 소형 송풍기(21)나 열풍 공급 덕트(22) 등의 풍향 변경 부재를 이용해도 된다.

여기에서 열풍 공급 덕트(22)란, 열풍 도입 덕트(12)와는 별도의 덕트이며, 이 열풍 공급 덕트는 열풍 도입 덕트(12)와 마찬가지로 열풍을 도입하여 하류측에 공급하는 덕트이다. 열풍 공급 덕트를 흐르는 열풍은 열풍 도입 덕트(12)로부터 일단 분리한 열풍이어도 되고, 새로 도입하는 열풍이어도 된다. 소형 송풍기(21)는 열풍 도입 덕트 내의 일부의 유체를 주류(主流)에 대하여 비스듬해지도록 속도와 각도를 부여할 수 있게 유로 내에 설치한다.

열풍 공급 덕트에는 팬 및 히터를 구비하는 것이 바람직하다.

도 4∼도 10은 도 1에 나타내는 열풍의 흐름을 변경하는 풍향 변경판(20), 소형 송풍기(21) 및 열풍 공급 덕트(22)를 포함하는 풍향 변경 부재의 변형예와, 순환팬(19), 스태틱 믹서 등을 포함하는 열풍 혼합 부재의 설치예를 나타내고 있다. A는 유로 평면도, B는 유로의 상류측으로부터 본 단면 투영도이다. 화살표는 열풍의 흐름을 나타내고 있다. 도 4∼7은 풍향 변경 부재로서 풍향 변경판(20)을, 도 8, 9는 풍향 변경 부재로서 소형 송풍기(21)를, 도 10은 풍향 변경 부재로서 열풍 공급 덕트(22)를 채용하고 있고, 열풍 혼합 부재에는 순환팬(19) 및 스태틱 믹서를 채용하고 있다. 평면도 A에서는 유로 상측을 흐르는 유체를 고온, 하측을 흐르는 유체를 저온으로 한다.

전술한 도 1의 실시형태에 의하면, 상기 풍향 변경판(20)으로서 열풍의 진행 방향으로 45도의 사면을 향하게 한 삼각기둥 형상의 SUS 판재를 채용하고 있으며, 그의 크기는 외기에 접하는 측의 벽으로부터 순환팬(19)의 열풍 유입면 사이의 치수인 480mm의 약 4할을 채우는 200mm로 설정되어 있다.

도 4의 A, B에 나타내는 풍향 변경판(20)은, 열풍의 진행 방향으로 45도 기울여, 열처리실(13)측을 따라 흘러 오는 열풍을 열처리실(13)과는 반대측의 벽면을 따라 흘러 오는 열풍을 향해서 흐름을 변경하기 위한 판재로 구성된다. 상류로부터 직진한 저온측 벽면 근방의 열풍의 흐름은, 풍향 변경판(20)에 부딪쳐 박리되고, 저온측 벽면에 재부착되기 전에 열풍 혼합 부재(순환팬(19))의 유입면에 도달하여, 고온측을 흐르고 있던 흐름과 동일면으로부터 열풍 혼합 부재(순환팬(19))에 유입되고, 열풍 혼합 부재(순환팬(19))를 통과할 때에 혼합되어 처리실로 공급된다.

도 5에 나타내는 실시형태에서는, 풍향 변경판(20) 뒤에 열풍 혼합 부재를 배치하고, 추가로 그 뒤에 순환팬을 배치한 예를 나타내고 있다.

여기에서의 열풍 혼합 부재는 스태틱 믹서나 교반기를 들 수 있다.

이와 같이, 고온 영역의 열풍과 저온 영역의 열풍을 가까이 한 상태로 스태틱 믹서에 넣은 경우는, 고온 영역의 열풍과 저온 영역의 열풍으로 열 교환이 행해지기 쉬워져, 열풍의 온도가 균일화되기 쉬워진다.

도 6의 A, B 및 도 7의 A, B에 나타내는 실시형태에서는, 열풍 혼합 부재를 겸비한 순환팬(19)이 열풍의 진행 방향에 대하여 직교시켜 배치되어 있는 경우와, 해당 순환팬(19)이 열풍의 진행 방향에 대하여 평행하게 배치되어 있는 경우의 예를 나타내고 있으며, 열풍 도입 덕트(12)의 폭 방향에 대향하는 열처리실측의 벽면 및 외벽측의 벽면에, 기울기 45도로 기울인 한쌍의 풍향 변경판(20)과, 순환팬(19)의 열풍 도입면을 향해서 정삼각형 단면을 가지는 풍향 변경판(20)을 설치하고 있다. 이와 같이 풍향 변경판(20)을 배치하는 것에 의해, 점선으로 나타내는 고온측의 흐름과 실선으로 나타내는 저온측의 흐름은, 각각의 벽면에 배치된 풍향 변경판(20)에 부딪쳐 박리되고, 하류로 흐르지만, 양 측면의 풍향 변경판(20)의 높이를 서로 다르게 배치하는 것에 의해, 열풍 도입 덕트(12)를 상류측으로부터 평행하게 흘러 오는 저온측의 일부의 흐름을 고온측으로, 고온측의 일부의 흐름을 저온측으로 이동시킬 수 있다. 고온측과 저온측에서 큰 온도차가 있었을 때, 미리 고온측 저온측의 온도 분포 불균일을 완화시킨 상태로 순환팬(19)에 유입시키고, 순환팬 통과 시에 혼합을 촉진함으로써 열풍 사이의 온도 분포를 균일화한다.

도 8, 9는 풍향 변경 부재로서 소형 송풍기(21)를 배치한 예이며, 각각 유로에 대한 열풍 공급용 순환팬(19)의 배치 각도가 상이하다. 소형 송풍기(21)는 열풍 도입 덕트(12) 내의 일부에, 열풍 도입 덕트(12)의 유로의 흐름 방향에 대하여 비스듬하게 배치되어 있다. 이와 같이 소형 송풍기(21)를 설치하여 유량 및 유속을 조정하는 것에 의해 각도와 관성력을 부여하고, 열풍 도입 덕트(12)를 상류측으로부터 평행하게 흘러 오는 주류와 동일면으로부터 순환팬(19)에 유입시킴으로써 순환팬(19) 통과 시에 혼합시켜, 열처리실(13)을 지나는 열풍 사이의 온도 분포를 균일화한다.

소형 송풍기(21)는 높이 방향으로 복수 배치해도 된다.

도 10에 나타내는 풍향 변경 부재에는, 단순한 열풍 공급 덕트(22)가 사용되고 있고, 이 열풍 공급 덕트(22)에는 외부에서 소요의 온도까지 높여진 열풍이 소요의 압력을 가지고 공급되며, 열풍 도입 덕트(12)를 상류측으로부터 평행하게 흘러 오는 고온측의 열풍 및 저온측의 열풍을, 상기 순환팬(19)의 열풍 도입면을 향하도록 흐름을 변경함과 동시에 충분히 혼합하여, 열처리실(13)을 지나는 열풍 사이의 온도 분포를 균일화한다. 이때 열풍 공급 덕트(22)를 거쳐 보내져 오는 열풍의 온도는 외부로부터 자유롭게 조정 가능하게 할 수 있고, 그 온도를 조정하는 것에 의해, 열처리실(13)에 도입되는 열풍 온도를 임의로 조정할 수 있게 된다.

상기 풍향 변경판(20)과 해당 풍향 변경판(20)으로부터 열풍 하류측의 열풍 순환 유로의 벽면 사이의 각도는 20도 이상 90도 이하가 바람직하다. 20도 이상이면, 측벽면의 열풍을 대향하는 측벽면으로 향하게 하기 쉬워지고, 90도 이하이면, 열풍의 체류를 방지하기 쉬워진다. 이들 관점에서, 30도 이상 60도 이하가 보다 바람직하다. 상기 풍향 변경 부재(21, 22)인 소형 송풍기(21)나 열풍 공급 덕트(22)의 방향에 대해서도, 전술한 풍향 변경판(20)과 마찬가지의 기울기를 가지게 해서 설치하는 것이 바람직하다.

상기 풍향 변경 부재(20, 21, 22)의 상기 각도는 조정할 수 있는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 피가열물의 품종에 따라 열처리실(13)의 온도, 열풍의 유량이 변한 경우도, 1개의 부재로 대응이 가능해진다.

풍향 변경판(20)의 크기는, 열풍 진행 방향에 대하여 수직인 열풍 순환 유로 단면에 투영한 상기 풍향 변경판(20)의 면적이, 상기 열풍 순환 유로의 단면적에 대하여 10% 이상 60% 이하가 바람직하다. 10% 이상이면, 측벽면의 열풍을 대향하는 측벽면으로 향하게 하기 쉬워지고, 25% 이상이 보다 바람직하다. 60% 이하이면, 압력 손실이 커지지 않아, 순환팬(19)의 부하를 저감하기 쉬워진다.

풍향 변경 부재와 열풍 혼합 부재의 위치 관계에 대하여, 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 면이 열풍 도입 덕트의 열풍 유로 방향에 대하여 수직으로 배치된 경우는, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 입구폭의 중간점까지의, 열풍 도입 덕트에 평행인 거리 Lx가, 하기 식(1)을 만족시키는 것이 바람직하다.

Lx < (1.7lnRe-2)×h …(1)

여기에서,

Re = h×u/v

h: 풍향 변경 부재의 유로 폭 방향의 길이

u: 풍향 변경 부재보다 상류에서의 단면 평균 풍속

v: 열풍의 동점도

ln: 자연 대수

상기 식(1)을 만족시키는 범위이면, 고온의 열풍과 저온의 열풍이 가까워진 상태에서 송풍팬에 도입할 수 있고, 고온의 열풍과 저온의 열풍이 송풍팬에 의해 혼합되어, 온도 불균일을 적게 할 수 있다.

열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 면이 열풍 도입 덕트의 열풍 유로 방향에 대하여 수직이 아닌 경우는, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 혼합 부재의 열풍 도입구의 입구폭의 중간점까지의, 열풍 도입 덕트에 평행인 거리 Lx, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점에서 혼합 부재의 열풍 도입구의 최상류점까지의, 열풍 도입 덕트에 수직인 거리 Ly가, 하기 식(1), (2)를 만족시키는 것이 바람직하다.

Lx < (1.7lnRe-2)×h …(1)

Ly < 6h …(2)

상기 식(1) 및 (2)를 만족시키는 범위이면, 고온의 열풍과 저온의 열풍이 가까워진 상태에서 순환팬(19)에 도입할 수 있고, 고온의 열풍과 저온의 열풍이 순환팬(19)에 의해 혼합되어, 온도 불균일을 적게 할 수 있다.

풍향 변경판(20)은 삼각기둥의 선단이 순환팬 유입구의 내부에 면하는 것이 더 바람직하다. 여기에서, 이들 값은 한정적이 아니고, 또한 그의 높이나 배치 폭, 배치 위치도 도시예에 한하는 것은 아니며, 필요에 따라 임의로 변경할 수 있다. 풍향 변경판(20)의 형상에 관해서도, 삼각기둥 이외에 평판이나 열풍과의 대향면을 상하로 돌출시키는 만곡면으로 할 수도 있다.

게다가 본 실시형태에 있어서는, 열처리실(13)에 도입되는 열풍에 시트 폭 방향의 온도 분포를 보다 균일화하기 위해, 상기 열풍 도입부(14)의 열풍 입구의 바로 앞에 제 2 히터를 배치할 수도 있다.

열풍 혼합 부재는 순환팬, 스태틱 믹서 또는 교반기가 바람직하고, 그 중에서도 적극적으로 혼합을 행하는 순환팬 또는 교반기가 바람직하며, 열풍을 송풍하는 기구를 겸비한 순환팬이 효율적이어서 보다 바람직하다. 또한, 순환팬은 열처리실에 열풍을 공급하기 위해 필수적인 부재이기 때문에, 열풍 혼합 부재로서 스태틱 믹서 또는 교반기를 이용하는 경우는 풍향 변경 부재와 순환팬 사이에 열풍 혼합 부재를 배치한다. 여기에서, 특허문헌 2에서는 스태틱 믹서를 순환팬의 상류에 설치하고 있지만, 본건은 스태틱 믹서의 더 상류에 풍향 변경 부재를 배치함으로써, 미리 고온측의 흐름과 저온측의 흐름을 스태틱 믹서의 동일면에 유입시켜 혼합 효과를 촉진할 수 있다는 점에서 우위성이 있다.

또한, 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도출구로부터, 열처리실에 접속되는 열풍 도입구까지의 거리는, 거기에서의 온도 불균일의 발생을 억제하기 위해 짧을수록 좋다.

상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도출구로부터, 열처리실에 접속되는 열풍 도입구까지의 거리가, 열처리실의 처리물 주행 길이 방향보다도 짧으면, 온도 불균일의 발생을 적게 할 수 있는데, 상기 거리는 열처리실에 접속되는 열풍 도입구의 폭의 4배 이하가 바람직하고, 2배 이하가 보다 바람직하다.

나아가, 열처리실 내에 열풍을 도입하는 열풍 도입구 면에서의 폭 방향의 온도차를 10℃ 이내로 하는 것이 바람직하다. 상기 온도차가 10℃ 이내이면, 섬유속마다의 가열 불균일을 적게 할 수 있어, 균일한 섬유속을 얻을 수 있다. 상기 관점에서, 상기 온도차는 7℃ 이하가 보다 바람직하고, 3℃ 이하가 더 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 기초하여 더 구체적으로 설명한다.

실시예

(실시예 1)

도 1∼도 3에 나타내는 구성을 구비한 가열로에 있어서, 풍향 변경판을 설치한 경우와 설치하지 않은 경우에 대하여, 위로부터 1∼4단째의 섬유 시트 주행로(패스(path))에 섬유 시트를 통과시키지 않고서, 도시하지 않은 반환 롤러의 상하 사이에 형성된 4패스를 사용하여, 각 패스마다 열처리실 내의 각 주행로의 길이 방향 중앙부에 있어서의 노폭 방향 온도를 5점에서 측정하여, 그 노폭 방향 및 높이 방향에 있어서의 온도 분포를 조사했다. 이때의 열처리로 내의 평균 온도는 240℃였다. 한편, 풍향 변경 부재로서 풍향 변경판이 순환팬의 상류측의 열처리실에 대향한 측벽면 전체에 접하여 배치되고, 그의 크기는 열풍 흐름 방향의 깊이 200mm, 노폭 방향의 치수 200mm인 45도의 경사면을 가지는 정삼각형 단면을 갖고 있다. 여기에서, 열풍 혼합 부재는 순환팬이며, 풍향 변경판의 상류의 열풍 도입 덕트 통과 풍속은 평균 8m/s이다. 순환팬의 열풍 도입구는 열풍 도입 덕트에 유로 방향에 대하여 평행하게 배치되고, 상기 풍향 변경판의 최하류점으로부터 순환팬의 열풍 도입구의 입구폭 중간점까지의 열풍 도입 덕트의 흐름 방향에 평행인 거리 Lx는 540mm, 풍향 변경판의 최하류점으로부터 순환팬의 열풍 도입구의 최상류점까지의 열풍 도입 덕트의 흐름 방향에 수직인 거리 Ly는 280mm이다.

열처리로 내를 열풍이 한창 순환하고 있을 때에, 열처리실의 길이 방향 중앙부에서 각 패스의 폭 방향으로 균등하게 배치되는 5점의 위치의 온도를, 각각 노 내에 설치한 온도 센서를 이용하여 측정하고, 각각의 측정점의 온도를 기록했다. 그 결과를 도 11∼도 14에 나타내고, 양단의 온도차, 즉 내순환측의 온도로부터 외순환측의 온도를 뺀 값을 표 1에 정리했다. 도 11∼도 14에 있어서, 실선은 풍향 변경판을 설치한 경우, 파선은 풍향 변경판을 설치하지 않은 경우를 나타내고 있고, 부호 L은 시트 폭 방향 중 외기에 접하는 벽측, 즉 외순환의 흐름, R은 시트 폭 방향 중 순환 유로에 접하는 벽측, 즉 내순환의 흐름을 나타낸다. 표 1에 나타내는 바와 같이, 제1단째∼제4단째의 패스에 있어서의 풍향 변경판의 설치 전 및 설치 후의, 열풍의 외순환과 내순환 사이에서는, 열풍의 외순환쪽이 내순환보다도 상대적으로 저온이며, 풍향 변경판을 설치했을 때 각 패스에 있어서의 내순환과 외순환의 온도차는 상단으로부터 1.74℃, 2.70℃, 6.25℃, 6.26℃이어서, 모든 패스에서 풍향 변경판의 설치 후에 있어서의 온도차가 저감되어 있다는 것을 알 수 있다.

(비교예 1)

제1∼제4단째의 패스로 구성된 열처리로 내의 순환 유로에 설치된 순환팬 상류측에 풍향 변경판을 설치하지 않고, 열처리실의 처리 공간에 섬유 시트를 통과시키지 않고서, 실시예 1과 마찬가지로 해서 각 패스의 폭 방향으로 균등하게 배치되는 5점의 위치의 온도를 측정한 바, 평균 240℃의 노 내에 있어서 각 패스의 폭 방향 온도차는, 표 1에 나타내는 바와 같이, 상단으로부터 3.66℃, 4.72℃, 7.59℃, 7.35℃였다. 이 결과로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 종래의 열처리실 내의 온도 분포는, 순환 유로의 폭 방향에서는 내순환의 온도가 외순환의 온도보다도 극히 높으며, 그 온도차가 크다.

(실시예 2)

제1∼제4단째의 패스로 구성된 열처리로 내의 순환 유로에 아크릴로나이트릴계의 전구체 섬유 시트를 통과시킨 것 이외에는, 상기 실시예 1과 동일한 조건에서 실험을 행했다. 그 결과를 표 2에 나타냈다. 표 2에 의해 나타내고 있는 바와 같이, 평균 240℃의 노 내에 있어서 각 패스의 폭 방향 온도차는 위로부터 1.98℃, 2.84℃, 6.63℃, 7.88℃가 되었다.

(비교예 2)

제1∼제4단째의 패스로 구성된 열처리로 내의 순환 유로의 순환팬 상류측에 아무것도 설치하지 않은 상태에서, 노 내 열풍 순환 중에 PAN계 전구체를 가이드(導絲)하여, 처리실 길이 방향 중앙에서 각 패스의 폭 방향 5점의 온도를 측정한 바, 평균 240℃의 노 내에 있어서 각 패스의 폭 방향 온도차는 위로부터 3.87℃, 5.02℃, 8.08℃, 9.43℃였다. 이 결과로부터, 종래의 열처리실 내의 온도 분포는, 섬유 시트를 통과시킨 경우에는, 순환 유로의 폭 방향에서는 내순환의 온도가 외순환의 온도보다도 상대적으로 높고, 그 온도차도 섬유 시트를 통과시키지 않는 경우와 비교하여, 극히 차가 있다는 것을 알 수 있다.

이상의 실시예 및 비교예에서는, 온도 측정을, 앞서 기술한 노 내에 고정 설치되어 있는 온도 센서에 의해 표시된 값을 비교한 바, 노 내의 열풍 취출구 바로 근처, 열풍 흡입구 바로 근처의 각 위치 폭 방향에 열전대를 설치하여, 온도 검출기로부터 얻은 데이터를 비교해도 마찬가지의 결과가 되었다.

(실시예 3)

유로 단면이 1m 각인 열풍 도입 덕트 내에 열풍이 평균 풍속 8m/s로 흐르고 있는 유로에 있어서, 순환팬의 상류에 도 6에 나타내는 바와 같은 양 측면에 높이 방향으로 서로 엇갈리게 풍향 변경판을 설치했다. 이때의 열풍 도입 덕트 내의 평균 온도는 236℃였다. 여기에서 열풍 혼합 부재인 순환팬은 열풍 도입 덕트의 유로 방향에 대하여 수직으로 배치되어 있고, 풍향 변경판의 최하류점으로부터 순환팬의 최상류까지의 열풍 도입 덕트에 평행 방향인 거리 Lx는 500mm이다. 편측의 판의 유로 폭 방향의 길이는 500mm, 다른 편측이 400mm이며, 모든 풍향 변경판을 열풍 진행 방향에 대하여 수직인 열풍 도입 덕트 유로 단면에 투영한 면적은, 열풍 도입 덕트 유로 단면의 면적에 대하여 57%이다. 여기에서, 순환팬으로부터 500mm 하류의 위치의 상기 단면에서 높이 방향 5점, 폭 방향 5점의 온도를 측정한 바, 각 높이에서의 열풍 도입 덕트 내측의 R측 단부의 열풍 도입 덕트 내의 온도로부터 열풍 도입 덕트 외측의 L측 단부의 열풍 도입 덕트 내의 온도를 뺀 양단의 온도차는 표 3에 나타내는 바와 같이 상단으로부터 3.5℃, 6.2℃, 4.6℃, -0.2℃로, 풍향 변경판을 설치하지 않은 비교예 3과 비교하여, 풍향 변경판의 설치 후에 있어서의 온도차가 저감되어 있다는 것을 알 수 있다.

(실시예 4)

유로 단면이 1m 각인 열풍 도입 덕트 내에 열풍이 평균 풍속 8m/s로 흐르고 있는 유로에 있어서, 순환팬의 최상류점으로부터 1000mm 상류의 외순환의 유로 벽면에, 도 10에 나타내는 바와 같은 외부로부터의 가열 공기를 공급하는 덕트를 접속시켰다. 여기에서, 풍향 변경 부재는 열풍 공급 덕트이며, 이 덕트는 주류의 열풍 도입 덕트에 대하여 45° 각도로 접속하도록 배치되어 있고, 250℃의 열풍을 공급하고 있다. 이때의 열풍 도입 덕트 내의 평균 온도는 236℃였다. 순환팬의 500mm 하류의 단면에서의 높이 방향 5점, 폭 방향 5점의 온도를 측정한 바, 각 높이에서의 열풍 도입 덕트 내측의 R측 단부의 열풍 도입 덕트 내의 온도로부터 열풍 도입 덕트 외측의 L측 단부의 열풍 도입 덕트 내의 온도를 뺀 양단의 온도차는 표 3에 나타내는 바와 같이 상단으로부터 3.4℃, 6.3℃, 5.0℃, -1.4℃였다. 여기에서, 하단에 있어서는 L측과 R측에서의 온도의 고저가 역전되어 있어, 외순환이 저온 영역이 되는 경향을 해소할 수 있었다.

(비교예 3)

유로 단면이 1m 각인 열풍 도입 덕트 내에 열풍이 평균 풍속 8m/s로 흐르고 있는 유로에 있어서, 순환팬의 상류에는 아무것도 설치하지 않고 순환팬의 500mm 하류의 단면에서의 높이 방향 5점, 폭 방향 5점의 온도를 측정한 바, 각 높이에서의 양단의 온도차는 상단으로부터 3.6℃, 7.6℃, 9.6℃, 5.0℃였다. 표 3에 나타내는 바와 같이, 마찬가지의 덕트로 풍향 변경 부재를 설치한 실시예 3, 4와 비교해서 폭 방향의 온도차가 크고, 이 경향은 하류의 열처리실에서도 남을 것이 예상된다.

이와 같이, 외기에 접하는 벽면을 따라 흐르는 저온 영역의 열풍을, 열풍 혼합 부재 유입 전에 해당 벽면에 설치한 풍향 변경 부재에 의해서 벽면을 따르는 바람의 흐름을 박리시켜 고온 영역으로 풍향을 제어하고 고온 영역의 열풍과 저온 영역의 열풍을 열풍 혼합 부재의 동일면에 유입시켜 혼합시킨 결과, 처리실 내 폭 방향의 온도 분포를 개선할 수 있었다. 한편, 실시예 1 및 비교예 1의 조건에서 열처리실 내의 폭 방향의 풍속 측정을 실시했지만, 풍향 변경판의 유무에 따른 처리실 풍속 분포에 변화는 보이지 않았다.

10: 가열로
11: 노벽
12: 열풍 도입 덕트
13: 열처리실
13a: 시트 처리 공간
14: 열풍 도입부
15: 열풍 도출부
16: 열풍 취출구
17: 열풍 흡입구
18: 가열 장치
19: 순환팬
19a: 순환팬 축
20: 풍향 변경 부재(풍향 변경판)
21: 풍향 변경 부재(소형 송풍기)
22: 풍향 변경 부재(열풍 공급 덕트)
23: 열풍 혼합 부재
TS: 연속 섬유 시트

Claims

피가열물을, 열처리실과 열풍 도입 덕트를 갖는 가열로에서 200∼300℃의 산성화 분위기의 열풍으로 가열하는 공정을 갖는 탄소 섬유의 제조 방법으로서,
상기 열풍을 열풍 도입 덕트로부터 순환팬을 통해서 열처리실에 도입할 때에, 열풍 도입 덕트를 흐르는 열풍의 흐름의 일부를 풍향 변경 부재에 의해 변경하고, 상기 풍향 변경 부재와 열풍 혼합 부재 사이의 최대 풍속을, 열풍 도입 덕트 내이면서 상기 풍향 변경 부재보다 상류에서의 열풍의 단면 평균 풍속에 대하여 20% 이상 증속시켜 열풍 혼합 부재에 도입한 후, 열풍을 열처리실에 도입하는 탄소 섬유의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 풍향 변경 부재가 열풍 도입 덕트의 유로 벽면에 배치되는 판재인 탄소 섬유의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 풍향 변경 부재가 소형 송풍기 또는 열풍 공급 덕트인 탄소 섬유의 제조 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구가 열풍 도입 덕트의 유로 방향에 대하여 수직으로 배치되고, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 입구폭의 중간점까지의, 열풍 도입 덕트에 평행인 거리 Lx가, 하기 식(1)을 만족시키는 탄소 섬유의 제조 방법.
Lx < (1.7lnRe-2)×h …(1)
Re = h×u/v
h: 풍향 변경 부재의 유로 폭 방향의 길이
u: 풍향 변경 부재보다 상류에서의 단면 평균 풍속
v: 열풍의 동점도
ln: 자연 대수
제 2 항에 있어서,
상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 입구폭의 중간점까지의, 열풍 도입 덕트에 평행인 거리 Lx, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 최상류점까지의, 열풍 도입 덕트에 수직인 거리 Ly가, 하기 식(1), (2)를 만족시키는 탄소 섬유의 제조 방법.
Lx < (1.7lnRe-2)×h …(1)
Ly < 6h …(2)
제 1 항에 있어서,
상기 열풍 혼합 부재가 순환팬, 스태틱 믹서 또는 교반기인 탄소 섬유의 제조 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 풍향 변경 부재를 열풍 진행 방향에 대하여 수직인 열풍 도입 덕트 유로 단면에 투영한 면적이, 상기 열풍 도입 덕트 유로 단면의 면적에 대하여 10% 이상 60% 이하인 탄소 섬유의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
열처리실 내에 열풍을 도입하는 열풍 도입구 면에서의 온도차가 10℃ 이내인 탄소 섬유의 제조 방법.
탄소 섬유 전구체 섬유속을 열풍으로 가열하는 열처리실과, 상기 열처리실에 200∼300℃의 산성화 분위기의 열풍을 도입하는 열풍 도입 덕트를 갖는 가열로로서,
상기 열풍을 열풍 도입 덕트로부터 순환팬에 의해 열처리실에 도입할 때에, 열풍 도입 덕트를 흐르는 열풍의 흐름의 일부를 변경하는 풍향 변경 부재와, 통과하는 흐름을 혼합하는 작용이 있는 열풍 혼합 부재를 갖는 가열로.
제 9 항에 있어서,
상기 풍향 변경 부재가 열풍 도입 덕트의 유로 벽면에 배치되는 판재, 소형 송풍기 또는 열풍 공급 덕트인 가열로.
제 9 항에 있어서,
상기 풍향 변경 부재의 하류에 열풍 혼합 부재가 배치되고, 당해 열풍 혼합 부재가 열풍 도입 덕트의 유로 방향에 대하여 수직으로 배치되어 있으며, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 입구폭의 중간점까지의 거리 Lx가 하기 식(1)을 만족시키는 가열로.
Lx < (1.7lnRe-2)×h …(1)
Re = h×u/v
h: 풍향 변경 부재의 유로 폭 방향의 길이
u: 풍향 변경 부재보다 상류에서의 단면 평균 풍속
v: 열풍의 동점도
ln: 자연 대수
제 10 항에 있어서,
상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 입구폭의 중간점까지의 거리 Lx, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 상기 풍향 변경 부재와는 별도의 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 최상류점까지의 거리 Ly가, 하기 식(1), (2)를 만족시키는 가열로.
Lx < (1.7lnRe-2)×h …(1)
Ly < 6h …(2)
제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열풍 혼합 부재가 순환팬, 스태틱 믹서 또는 교반기인 가열로.
제 9 항에 있어서,
상기 풍향 변경 부재를 열풍 진행 방향에 대하여 수직인 열풍 도입 덕트 유로 단면에 투영한 면적이, 상기 열풍 도입 덕트 유로 단면의 면적에 대하여 10% 이상 60% 이하인 가열로.
피가열물을, 열처리실과 열풍 도입 덕트를 갖는 내염화로에서 200∼300℃의 산성화 분위기의 열풍으로 가열하는 공정을 갖는 탄소 섬유의 제조 방법으로서,
상기 열풍을 열풍 도입 덕트로부터 순환팬을 통해서 열처리실에 도입할 때에,
열풍 도입 덕트를 흐르는 열풍의 흐름의 일부를 풍향 변경 부재에 의해 변경하고, 열풍의 유로를 좁혀, 열풍 혼합 부재에 도입한 후,
열풍을 열처리실에 도입하는 탄소 섬유의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 풍향 변경 부재가 도입 덕트의 유로 벽면에 배치되는 풍향 변경판인 탄소 섬유의 제조 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 풍향 변경판이 순환팬의 상류측의 열처리실에 대향한 측벽면 전체에 접하여 배치되어 있는 탄소 섬유의 제조 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 풍향 변경 부재가 도입 덕트의 유로 벽면에 배치되는 풍향 변경판이며, 풍향 변경 부재를 열풍 진행 방향에 대하여 수직인 열풍 도입 덕트 유로 단면에 투영한 면적이, 상기 열풍 도입 덕트 유로 단면의 면적에 대하여 10% 이상 60% 이하인 탄소 섬유의 제조 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구가 열풍 도입 덕트의 유로 방향에 대하여 수직으로 배치되고, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 입구폭의 중간점까지의 거리 Lx가, 하기 식(1)을 만족시키는 탄소 섬유의 제조 방법.
Lx < (1.7lnRe-2)×h …(1)
Re = h×u/v
h: 풍향 변경 부재의 유로 폭 방향의 길이
u: 풍향 변경 부재보다 상류에서의 단면 평균 풍속
v: 열풍의 동점도
ln: 자연 대수
제 16 항에 있어서,
상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 입구폭의 중간점까지의 거리 Lx, 상기 풍향 변경 부재의 최하류점으로부터 상기 열풍 혼합 부재의 열풍 도입구의 최상류점까지의 거리 Ly가, 하기 식(1), (2)를 만족시키는 탄소 섬유의 제조 방법.
Lx < (1.7lnRe-2)×h …(1)
Ly < 6h …(2)
제 15 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열풍 혼합 부재가 순환팬, 스태틱 믹서 또는 교반기인 탄소 섬유의 제조 방법.