KR20130137911A - 회전교반형 열처리장치 - Google Patents

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Abstract

회전교반형 열처리장치는, 그 일단측으로부터 내부에 공급된 피처리물을 열처리하기 위한 원통체와, 이 원통체를 회전시키는 회전유닛과, 원통체의 내부에 공급된 피처리물을 가열하는 가열유닛과, 원통체내에 배치된 복수의 교반 부재를 가진다. 각 교반 부재는 축심 구조부와, 축심 구조부에 설치된 복수의 날개를 구비한다. 원통체 및 교반 부재는 세라믹스에 의해 구성되어 있다. 원통체의 내부의 피처리물이 가열되는 동시에 원통체가 회전되어, 내부의 교반 부재에 의해 피처리물이 교반되면서 열처리되어, 원통체 타단측으로부터 외부로 배출된다.

Description

회전교반형 열처리장치{ROTARY AGITATION TYPE HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 발명은, 회전하면서, 피처리물에 대해서 교반 열처리를 행하는 회전교반형 열처리장치(로터리 킬른)에 관한 것으로, 특히, 피처리물이 통과하는 회전 원통체, 및 이 회전 원통체내에 배치되어 피처리물을 교반하는 교반 부재를 세라믹스에 의해 구성한 회전교반형 열처리장치에 관한 것이다.
종래, 금속제 회전 원통체의 내부에 피처리물의 교반 등을 목적으로 하여, 금속제의 교반 부재(이하, 라디블레이드 부재(blade member radially extending blades)라고 하는 경우가 있다.)를 배치한 회전교반형 열처리장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1).
특허문헌 1에는, 회전 가능한 원통체내에, 방사상으로 연장된 복수의 날개, 통상은 3개의 날개를 가지는 금속제의 비터 부재(beater member)(금속제의 교반 부재에 상당한다)와, 회전 원통체의 길이방향(회전축 방향)으로 연장된 전동(轉動) 샤프트를 배치한 해쇄(解碎) 분쇄 정립(整粒)장치가 기재되어 있다.
이 특허문헌 1의 해쇄 분쇄 정립장치는, 회전 원통체의 회전에 따라 금속제의 비터 부재(금속제의 교반 부재)를 자전시키는 동시에, 전동 샤프트를 회전 원통체내에서 이동시킴으로써, 고형물이나 유동성물 등의 피처리물에 대해서, 해쇄·분산처리, 분쇄 처리, 정립처리 등을 행하는 것이다.
또한, 특허문헌 2에는, 전동 샤프트로 바꾸어 비즈를 회전 원통체내에서 이동시킴으로써 고형물이나 유동성물 등의 피처리물에 대해서, 해쇄처리, 분산처리, 정립처리 등을 행하는 장치가 개시되어 있다.
특허문헌 1에 나타나는 금속제의 비터 부재(금속제의 교반 부재)는, 회전 원통체와는 별체로서 회전 원통체내에 배치되어 있고, 회전 원통체의 회전에 따라 금속제의 비터 부재(금속제의 교반 부재)의 각 날개의 선단이 회전 원통체의 내벽에 충돌하도록 되어 있다. 이것에 의해, 교반 부재는, 회전 원통체내에서 전동 회전하게 된다. 그리고, 각 날개의 선단이 회전 원통체의 내벽에 충돌할 때의 충격에 의해서, 회전 원통체의 내벽과 교반 부재에 진동이 발생하여, 회전 원통체의 내벽과 교반 부재의 표면에 피처리물이 부착되는 것, 용착(溶着)되는 것을 방지하는 동시에 피처리물이 교반되어 분산된다.
또한, 회전 원통체의 회전에 수반하여 교반 부재의 2개의 날개 사이에 배치된 전동 샤프트가 전동하는 것에 의해, 피처리물의 부착, 용착 등의 발생을 방지하는 동시에, 피처리물이 해쇄되어 분산된다.
게다가 특허문헌 2에는, 날개 사이에 비즈, 볼, 다면체 등의 분산 매체를 배치하는 것에 의해, 피처리물의 분쇄, 해쇄, 정립, 분산 등을 효율적으로 행할 수 있다고 기재되어 있다.
일본 공개특허공보 2000-42437호 일본 공개특허공보 2009-00633호
현재, 교반 부재는 금속제이다. 최근, 리튬이온 이차전지용 양극재 등의 전지 재료의 제조공정에 있어서 금속제 이물 등의 콘터미네이션을 방지하고, 또한 알칼리 부식에 대해서 내성을 가지는 세라믹스 소재 등을 사용한 제조 설비의 수요가 증가하고 있다. 이 때문에, 비금속으로서 알칼리 부식에 대한 내성 재료에 의한 회전교반형 열처리장치의 개발이 열망되고 있고, 교반 부재에 대해서도 세라믹제로 하는 것이 요구되고 있다.
또한, 리튬이온 이차전지용 양극 재료 등의 전지 재료를 열처리한 경우, 소성(燒成)공정에 있어서의 금속 이물의 혼입에 의한 오염, 예를 들면, 고온 열처리에 수반하는 소성장치 부재로부터의 금속이온 용출, 또는 기계적인 접촉에 수반하는 금속 마모가루 등에 의한 오염을 방지하는 것이 중요하다.
이러한 금속 오염의 문제를 해결하기 위해서는, 회전 원통체와 교반 부재 등을 금속재료 이외의 소재인 탄화규소, 알루미나, 물라이트, 지르코니아 등의 세라믹스 등을 이용하여 세라믹스제로 할 필요가 있다. 그러나, 세라믹스에는 기계적인 내(耐)충격 강도 및 내열(耐熱) 충격 강도 등이, 금속재료와 비교하여 낮다고 하는 결점이 있다. 구체적으로는, 2개 이상의 날개를 가지는 교반 부재를 세라믹스제로 한 경우, 이 세라믹스제의 교반 부재의 날개의 선단부가, 세라믹스제의 회전 원통체의 내벽에 충돌할 때의 충격으로, 축심 구조부, 또는 날개의 선단부에 손상이 일어나기 쉬워진다. 또한, 세라믹스제의 회전 원통체측도 손상될 가능성이 높아진다.
따라서, 세라믹스제의 교반 부재의 축심 구조부의 기계 강도를 올리기 위해서, 그 두께를 두껍게 하면, 교반 부재의 질량이 늘어나, 회전 원통체에의 질량 부하가 증가하고 충격력이 강해져, 세라믹스제의 회전 원통체가 손상될 위험성이 높아진다.
나아가서는, 세라믹스제의 회전 원통체, 및 세라믹스제의 교반 부재의 축심 구조부의 기계 강도를 올리기 위해서 양자의 두께를 두껍게 하면, 일련의 피처리물의 열처리 공정이 완료된 후에, 회전 원통체와 교반 부재의 양자를 일체로서 냉각한 경우, 특히, 세라믹스제의 교반 부재는, 균등하게 냉각되는 일이 없고, 그 중심부일수록 냉각 지연이 발생하여, 이것에 기인하는 열수축 손상이 발생하기 쉬워진다고 하는 문제가 있다.
이와 같이, 현재 상태로서는, 회전 원통체 및 교반 부재의 양쪽을, 세라믹스제로 하는 것이 곤란하다.
본 발명의 목적은, 상기 종래 기술에 기초하는 문제점을 해소하여, 회전 원통체 및 교반 부재의 양쪽을, 세라믹스제로 한 회전교반형 열처리장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 내부에 공급된 피처리물을 열처리하기 위한 원통체와, 상기 원통체를 회전시키는 회전수단과, 상기 원통체의 내부에 공급된 상기 피처리물을 가열하는 가열수단과, 상기 원통체내에, 길이방향을 따라서 복수 배치되는 교반 부재를 가지고, 상기 교반 부재는, 축심 구조부와, 상기 축심 구조부에 설치된 복수의 날개(baldes)를 구비하고, 상기 원통체 및 상기 교반 부재는, 세라믹스에 의해 구성되어 있고, 상기 원통체의 내부에 일단측으로부터 공급된 피처리물이 상기 가열수단에 의해 가열되는 동시에, 상기 회전수단에 의해, 상기 원통체가 회전되고, 내부의 상기 교반 부재에 의해 상기 피처리물이 교반되면서 열처리되어, 상기 원통체 타단측으로부터 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 회전교반형 열처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명에서는, 상기 교반 부재의 상기 축심 구조부는, 상기 원통체의 회전축선에 실질적으로 평행하게 배치되고, 상기 복수의 날개는, 평판형상이고, 상기 축심 구조부에 방사상으로 등간격으로 설치되며, 상기 교반 부재는, 그 상기 복수의 날개 중 1개의 날개 또는 2개의 날개가 상기 원통체의 내벽면에 접촉하는 것에 의하여, 상기 원통체에 지지되고, 상기 원통체의 회전에 따라서, 상기 원통체의 내벽면에 접촉하고 있는 1개의 날개가 상기 원통체의 내벽면으로부터 떨어지고, 상기 원통체의 내벽면에 접촉하고 있지 않은 날개가 상기 원통체의 내벽면에 접촉하며, 상기 복수의 날개가 상기 원통체 내를 전동(轉動) 회전하는 것에 의하여, 상기 원통체 내에 공급된 상기 피처리물을 교반하는 것인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는, 상기 교반 부재의 상기 복수의 날개는, 평판형상이고, 상기 축심 구조부에 방사상으로 등간격으로 설치되고, 상기 축심 구조부는, 상기 복수의 날개의 기부(基部)가 연결되는 중심연결부이고, 상기 교반 부재는, 상기 중심연결부의 가상 중심선이 상기 원통체의 회전축선과 실질적으로 평행하도록 하여 상기 원통체 내에 배치되고 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 날개는, 상기 교반 부재의 축심 구조부의 외주에 대해서, 3개의 등간격으로 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 날개는, 상기 교반 부재의 축심 구조부의 외주에 대해서, 2개의 등간격으로 설치되어 있는 것도 바람직하다.
게다가, 본 발명에 있어서는, 상기 교반 부재의 축심 구조부는, 사각기둥 형상이며, 그 양 바닥면에는 사각형의 구멍이 형성되어 속이 빈 구조가 되어 있고, 상기 날개는 상기 사각기둥의 대향하는 1조(組)의 변에 방사상으로 설치되고 있고, 상기 교반 부재는, 상기 사각기둥의 가상 중심선이 상기 원통체의 회전축선과 실질적으로 평행하게 되도록 상기 원통체 내에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 축심 구조부는, 원기둥 형상이고, 그 양 바닥면에는 원형의 구멍이 형성되어 속이 빈 구조가 되어 있고, 상기 날개는, 상기 원기둥의 모선(母線)에 방사상으로 설치되고 있고, 상기 교반 부재는, 상기 원기둥의 가상 중심선이 상기 원통체의 회전축선과 실질적으로 평행하게 되도록 상기 원통체 내에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
게다가, 본 발명에 있어서는, 상기 축심 구조부는, 다각 기둥형상이고, 그 양 바닥면에는 다각형의 구멍이 형성되어 속이 빈 구조가 되어 있고, 상기 날개는, 상기 다각기둥의 변에 방사상으로 설치되고 있고, 상기 교반 부재는, 상기 다각기둥의 가상 중심선이 상기 원통체의 회전축선과 실질적으로 평행하게 되도록 상기 원통체내에 배치되어 있는 것도 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 교반 부재에 설치된 날개의 선단부가 대략 반원 형상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 교반 부재는, 인접하는 다른 교반 부재와의 접촉 단면(端面)이 볼록 형상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 원통체 및 상기 교반 부재를 구성하는 세라믹스는, 탄화규소, 알루미나, 물라이트, 또는 지르코니아로부터 선택되는 1종 인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 원통체 및 교반 부재의 양쪽을 세라믹스제로 하는 것에 의해, 피처리물이 금속 이물에 오염되는 일 없이 원하는 열처리를 할 수 있다. 예를 들면, 리튬이온 이차전지용 양극 재료를 얻기 위해서, 피처리물로서, 리튬 화합물의 분체와 금속 화합물의 분체의 조립(造粒)가루를 이용한 경우, 열처리시의 리튬 용융에 의한 피처리물의 원통체 내벽에의 용융 부착을 방지하고, 연속적으로, 또한 단시간에 피처리물을 소성하여, 고품질의 리튬이온 이차전지용 양극 재료를 얻을 수 있다.
현재, 리튬이온 이차전지용 양극 재료의 소성 방법은, 롤러 하스(Roller Hearth)식 소성로를 이용한 소성 방법이 주류이며, 가열 및 온도 유지시간에 20시간 전후를 필요로 하고 있어, 냉각공정의 시간을 포함하면 30시간 이상의 제조 시간이 필요하다.
그러나, 본 발명에 의하면, 리튬이온 이차전지용 양극 재료의 제조에 있어서, 열처리 시간을 불과 30분 정도로까지 단축할 수 있어, 냉각 등의 시간을 포함해도 1시간 이내에서 제조할 수 있다. 이것에 의해, 리튬이온 이차전지용 양극 재료의 제조비용을 내릴 수 있는 동시에, 제조 공정에 있어서의 CO2 배출량을 큰 폭으로 삭감할 수 있다. 게다가, 본 발명에 의해서 제조된 리튬이온 이차전지용 양극 재료를 이용한 리튬이온 이차전지는, 전기자동차 또는 하이브리드자동차 등에 사용될 수 있으므로, 나아가서는 지구 환경의 보전에 크게 공헌할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치를 나타내는 모식적 단면도이다.
도 2는 도 1의 L-L선에 의한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치에 이용되는 라디블레이드 부재를 나타내는 모식적 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치의 동작의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치의 동작의 다른 예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치에 의해 제조된 리튬이온 이차전지용 양극 재료의 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 7은 (a)는, 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치에 이용되는 라디블레이드 부재의 제 1 변형예를 나타내는 모식적 사시도이고, (b)는, 도 7(a)에 도시되는 라디블레이드 부재를 이용한 제 1 실시형태의 회전교반형 열처리장치의 동작의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 (a)는, 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치에 이용되는 라디블레이드 부재의 제 2 변형예를 나타내는 모식적 사시도이고, (b)는, 도 8(a)에 도시되는 라디블레이드 부재를 이용한 제 1 실시형태의 회전교반형 열처리장치의 동작을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치를 나타내는 모식적 단면도이다.
도 10은 (a)는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치에 이용되는 라디블레이드 부재를 나타내는 모식적 사시도이고, (b)는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치의 동작의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
이하에, 첨부된 도면에 도시되는 적합한 실시형태에 기초하여, 본 발명의 회전교반형 열처리장치를 상세하게 설명한다.
도 1에 도시되는 본 실시형태의 회전교반형 열처리장치(10)는, 공급 유닛 (12)과, 처리 유닛(14)과, 배출 유닛(16)을 가지고, 공급 유닛(12), 처리 유닛(14) 및 배출 유닛(16)은, 받침대(18)의 가대(架臺)(19)에 얹어놓여져 있다.
처리 유닛(14)의 일단측에, 공급 유닛(12)이 배치되고, 타단측에 배출 유닛 (16)이 배치되어 있다.
공급 유닛(12)에 있어서는, 공급부 케이싱 본체(20)에, 피처리물(예를 들면, 리튬이온 이차전지용 양극 재료의 원료)을, 처리 유닛(14)내에 공급하기 위한 호퍼 (22)가 설치되어 있다. 또한, 호퍼(22)에는, 공급부 케이싱 본체(20)를 통하여 처리 유닛(14)내에 이어지는 공급로(24)가 설치되어 있고, 이 공급로(24)내에는, 스크류 타입의 피더(도시하지 않음)가 배치되어 있다.
공급부 케이싱 본체(20)의 하부에는, 뚜껑 유닛(26)이 설치되어 있고, 이 뚜껑 유닛(26)을 여는 것에 의해, 공급부 케이싱 본체(20)에 혼입된 피처리물 등을, 공급부 케이싱 본체(20)로부터 꺼낼 수 있다.
또한, 공급부 케이싱 본체(20)의 상부에는, 후술하는 바와 같이, 처리 유닛 (14)의 타단측(후술하는 배출 유닛(16)측)으로부터 처리 유닛(14)내에 공급된, 예를 들면, 불활성가스 및 소성 반응으로 발생한 가스 성분을 회전교반형 열처리장치 (10)의 계(系)외로 배출하기 위한 가스 배출구(28)가 설치되어 있다. 한편, 가스를 흡인하기 위한 흡인 기구(도시하지 않음)를 가스 배출구(28)에 연결시키면, 상술의 가스의 배출을 효율적으로 행할 수 있다.
공급 유닛(12)은, 이동 유닛(29)을 사이에 두고 받침대(18)에 지지되어 있고, 이동 유닛(29)을 도 1중의 화살표로 나타내는 X방향으로 이동시키는 것에 의해, 공급 유닛(12)을 처리 유닛(14)의 일단부(피처리물의 공급측에 위치하는 단부)에 대해서 이동시킬 수 있다. 이것에 의해, 처리 유닛(14)의 내부의 점검 작업을 용이하게 행할 수 있다.
배출 유닛(16)에 있어서는, 후술하는 바와 같이 처리 유닛(14)에서 열처리가 실시된 피처리물이 배출측 케이싱 본체(42)내에 배출된다. 배출측 케이싱 본체(42)의 하부에는, 로터리 밸브(43)가 연결되어 있고, 로터리 밸브(43)의 회전동작에 의해서, 배출측 케이싱 본체(42)내의 피처리물이, 배출측 케이싱 본체(42)외로 연속적으로 배출되게 되어 있다. 한편, 로터리 밸브(43)는 반드시 설치하지 않아도 좋다.
또한, 배출측 케이싱 본체(42)에는 관찰창(sight hole:44)이 형성되어 있고, 이 관찰창(44)은, 처리 유닛(14)으로부터의 피처리물의 배출 상태, 배출측 케이싱 본체(42)내의 상태를 관찰하기 위해서 이용된다.
배출측 케이싱 본체(42)에는, 활성가스, 불활성가스, 수증기 등을 공급하는 가스 공급장치(도시하지 않음)가 연결되어 있고, 이 가스 공급장치로부터 공급된 활성가스, 불활성가스, 수증기 등이, 배출측 케이싱 본체(42)의 가스 공급로(46)로부터 배출측 케이싱 본체(42)내에 공급된다.
배출측 케이싱 본체(42)내로 유도된 활성가스, 불활성가스, 수증기 등은, 처리 유닛(14)내를 통과하여 공급 유닛(12)측을 향한다. 즉, 회전교반형 열처리장치 (10)에서는, 처리 유닛(14)의 일단측으로부터 피처리물이 공급되는 동시에, 처리 유닛(14)의 타단측으로부터 활성가스, 불활성가스, 수증기 등이 공급된다.
배출 유닛(16)은, 받침대(18)에 대해서 도 1중의 화살표로 나타내는 Y방향으로 이동 가능한 이동 유닛(48)을 사이에 두고 받침대(18)에 지지되어 있다. 그리고, 이동 유닛(48)을 화살표 Y방향으로 이동시킴으로써, 처리 유닛(14)의 내부의 점검 작업을 용이하게 행할 수 있다.
한편, 배출 유닛(16)의 이동 유닛(48)과 공급 유닛(12)의 이동 유닛(29)은 같은 구성이다.
다음에, 처리 유닛(14)에 대해서 설명한다. 본 실시형태의 처리 유닛(14)은, 호퍼(22)로부터 공급된 피처리물에 대해서 열처리를 행하면서, 나아가서는, 피처리물의 분산처리, 정립처리, 해쇄처리 등을 행하는 것이다.
본 실시형태의 처리 유닛(14)은, 원통체(30)를 가지는 것이다. 이 원통체 (30)는, 가대(19)에 대해서, 일단측(피처리물의 공급측)이 타단측(배출측)보다 높아지도록 경사져 있다. 즉, 원통체(30)는, 배출 유닛(16)측이, 공급 유닛(12)측보다 낮다.
이것에 의해, 공급 유닛(12)의 호퍼(22)로부터 처리 유닛(14)의 원통체(30)의 일단측의 개구부(30a)에 공급된 피처리물은, 원통체(30)의 회전에 따라서 열처리되면서 타단측, 배출 유닛(16)측으로 이동한다. 그리고, 피처리물이 원통체(30)의 타단측에 도달하면, 원통체(30)의 타단에 형성된 개구부(30b)로부터 배출측 케이싱 본체(42)내에 낙하하도록 되어 있다.
처리 유닛(14)은, 원통체(30)와, 이 원통체(30)와 빈틈을 형성하고, 원통체 (30)의 외주면을 둘러싸도록 설치된 히터 부재(32)와, 이 히터 부재(32)를 덮도록 설치된 보온 부재(34)를 가진다. 처리 유닛(14)은, 지지 부재(36)를 사이에 두고 받침대(18)의 가대(19)에 얹어놓여져 있다.
원통체(30)는, 후술하는 바와 같이 회전 가능한 것으로, 그 내부(30c)에, 복수의 라디블레이드 부재(교반 부재)(40)가 서로 독립해서 배치되어, 내부(30c)에서 피처리물의 열처리가 이루어지는 것이다.
이 원통체(30)는, 세라믹스에 의해 구성되어 있다. 이 세라믹스로서는, 예를 들면, 탄화규소, 알루미나, 물라이트, 지르코니아가 이용되고, 특히, 순도가 99.6% 이상의 알루미나가 바람직하다.
히터 부재(32)는, 예를 들면, 저항 가열체에 의해 구성된다. 이 저항 가열체에 교류 또는 직류의 전원(도시하지 않음)이 접속되어 있다. 이 저항 가열체에 전류를 흐르게 하고 히터 부재(32)를 발열시켜 원통체(30)를 가열한다. 한편, 원통체(30)의 외주면과 히터 부재(32)의 내주면은, 고정 상태의 히터 부재(32)에 대해서 원통체(30)를 회전할 수 있도록 빈틈이 형성되어 있다.
또한, 처리 유닛(14)에는, 예를 들면, 3개의 가열영역 A, 가열영역 B 및 가열영역 C가 설치되어 있다. 이 경우, 각 가열영역 A, 가열영역 B 및 가열영역 C에, 각각, 히터 부재(32)로서, 저항 가열체를 배치하고, 각 저항 가열체에, 전압을 인가(印加)할 수 있도록 한다. 이것에 의해, 가열영역 A, 가열영역 B 및 가열영역 C에 있어서의 가열 온도를 서로 다르게 설정할 수 있다.
한편, 원통체(30)는, 전체를 동일 온도로 가열해도 좋고, 가열영역 A, 가열영역 B 및 가열영역 C 중, 어느 하나의 영역을 가열하지 않아도 좋다. 또한, 가열영역의 수는, 3개에 한정되는 것이 아니라, 임의의 수로 설정할 수 있다.
원통체(30)의 양단에 타이어 플랜지(33)가 설치되어 있다. 각 타이어 플랜지(33)는, 각각, 받침대(18)의 가대(19)상에 고정된 롤러 지지 부재(35)에 지지되어 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 각 롤러 지지 부재(35)는, 타이어 플랜지(33)와 접촉하는 회전부(35a)와, 이 회전부(35a)를 회전 가능하게 지지하는 지지부(35b)를 가진다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 2개의 타이어 플랜지(33) 중, 공급 유닛(12)측의 타이어 플랜지(33)에는, 동력 전달 기구(도시하지 않음)를 사이에 두고 구동원에 연결된 구동 체인(37)이 감아 걸어져 있다. 구동 체인(37)이 구동원으로부터의 구동력을 받으면, 타이어 플랜지(33)가 회전하는 동시에 원통체(30)가 회전한다.
원통체(30)의 내부(30c)에, 원통체(30)의 길이방향을 따라서, 복수의 라디블레이드 부재(40)가 서로 독립해서 배치되어 있다. 이 복수의 라디블레이드 부재 (40)에 의해, 라디블레이드 유닛(39)이 구성된다.
원통체(30)의 후단에, 라디블레이드 부재(40)의 빠짐 방지로서의 블레이드 스토퍼(31)가 설치되어 있다.
다음에, 라디블레이드 부재(교반 부재)(40)에 대해서 설명한다.
라디블레이드 부재(40)는, 후술하는 바와 같이 원통체(30)내에서 전동(轉動) 회전하는 것에 의해, 피처리물을 교반, 분산, 정립, 해쇄하는 동시에, 원통체(30)의 내벽면(30d)에의 피처리물의 부착 및 용착을 방지하는 것이다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 라디블레이드 부재(40)는, 축심 구조부(50)와, 축심 구조부(50)에 대해서 120˚의 등간격으로 설치된 3개의 평판형상의 날개 (52,54 및 56)를 가진다. 축심 구조부(50)에는, 원형의 구멍(58)이 형성되어 있고, 속이 비어 있다. 각 날개(52,54 및 56)는, 축심 구조부(50)의 길이방향으로 연장되어 있다. 이 라디블레이드 부재(40)의 각 날개(52,54 및 56)의 외접원(外接圓)은, 원통체(30)의 안지름보다 작다. 또한, 각 날개(52,54 및 56)의 선단부(52a,54a 및 56a)는 각각 대략 반원 형상인 것이 바람직하다.
또한, 라디블레이드 부재(40)는, 인접하는 라디블레이드 부재(40)와의 접촉 단면(端面)이 볼록 형상으로 형성되어 있고, 대략 반원 형상인 것이 바람직하다.
라디블레이드 부재(40)는, 세라믹스에 의해 구성되고, 이 세라믹스는, 원통체(30)와 같은 조성의 것에 의해 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 라디블레이드 부재(40)의 축심 구조부(50)를 속이 빈 구조로 했지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 속이 찬 구조이더라도 좋다.
각 날개(52,54 및 56)는, 축심 구조부(50)의 길이방향과 직교하는 단면에 있어서, 축심 구조부(50)로부터 매끄럽게 연결되고, 서로 이웃하는 날개(52)와 날개 (54)는, 선단부(52a)와 선단부(54a)가 축심 구조부(50) 부근이 가장 볼록하게 되어 있는 곡선으로 연결된 형상을 가진다. 또한, 서로 이웃하는 날개(54)와 날개(56)도 마찬가지로, 선단부(54a)와 선단부(56a)가 축심 구조부(50) 부근이 가장 볼록하게 되어 있는 곡선으로 연결된 형상을 가지고, 서로 이웃하는 날개(52)와 날개(56)도 마찬가지로 선단부(52a)와 선단부(56a)가 축심 구조부(50) 부근이 가장 볼록하게 되어 있는 곡선으로 연결된 형상을 가진다. 즉, 축심 구조부(50)는, 복수의 날개 (52,54 및 56)의 기부(基部)가 연결되는 중심연결부이다.
여기서, 라디블레이드 부재(40)는, 이 외접원(41)(도 4 참조)의 지름, 즉, 날개(52,54 및 56)의 선단부(52a,54a 및 56a)에 접하는 원의 지름이, 원통체(30)의 안지름보다 작다. 이 때문에, 도 2에 도시하는 바와 같이, 라디블레이드 부재(40)를 원통체(30)내에 배치한 상태에서는, 예를 들면, 3개의 날개(52,54 및 56) 중, 날개(52)가 원통체(30)의 내벽면(30d)에 접하지 않는다. 환언하면, 원통체(30)가 비회전상태에 있는 경우에는, 2개의 날개가 원통체(30)의 내벽면(30d)에 접촉한 상태에서, 라디블레이드 부재(40)는 정지(靜止) 상태가 된다. 이 라디블레이드 부재(40)는, 축심 구조부(50)의 가상 중심선 D(도 3 참조)가 원통체(30)의 회전축선(가상 중심선) α(도 1 참조)와 실질적으로 평행 또는 대략 평행하게 되도록 원통체(30)의 내부(30c)에 배치되어 있다.
원통체(30)가 회전방향 R로 회전하기 시작하면, 라디블레이드 부재(40)는, 원통체(30)의 회전에 따라서, 이 회전방향으로 날개의 선단부가 원통체(30)의 내벽면(30d)에 접촉한 상태로 이동한다. 그리고, 이 날개가 소정량만큼 이동하면, 라디블레이드 부재(40)의 중심점의 이동이 발생하고, 원통체(30)의 내벽면(30d)에 접촉하지 않은 날개의 선단부가 원통체(30)의 내벽면(30d)에 충돌한다. 이와 같이, 원통체(30)가 회전함으로써, 라디블레이드 부재(40)도 동일 방향으로 전동하여 회전하게 된다.
즉, 라디블레이드 부재(40)는, 복수의 날개 중 1개 날개 또는 2개 날개가 원통체(30)의 내벽면(30d)에 접촉하는 것에 의하여, 원통체(30)에 지지된다.
여기서, 원통체(30)의 회전에 따라서, 원통체(30)의 내벽면(30d)에 접촉하고 있는 1개의 날개가 원통체(30)의 내벽면(30d)로부터 떨어지고, 원통체(30)의 내벽면(30d)에 접촉하고 있지 않았던 날개가 원통체(30)의 내벽면(30d)에 접촉하여, 복수의 날개가 원통체(30) 내를 전동 회전하는 것에 의하여, 라디블레이드 부재(40)는, 원통체(30) 내에 공급된 피처리물을 교반한다.
이 경우, 라디블레이드 부재(40)는, 서로 이웃하는 라디블레이드 부재(40)(도 2에서는 지면(紙面)의 안쪽에 있는 라디블레이드 부재(40))와 3개의 날개 (52,54 및 56)의 단면(端面)에서 안정적으로 접촉하여, 서로 안정되게 전동 회전한다.
여기서, 날개(52)가 원통체(30)의 내벽면(30d)에 충돌할 때까지의 라디블레이드 부재(40)의 날개 끝단의 이동속도는, 원통체(30)의 회전속도보다 빨라진다. 이 때문에, 원통체(30)내에 수납된 피처리물은, 라디블레이드 부재(40)의 회전에 의해서, 원통체(30)내의 내부(30c) 전체에 분산된다.
피처리물이 작은 지름의 입자인 경우에는, 이 피처리물을 원통체(30)내에서 부유하도록 분산시킬 수 있어, 피처리물을 효율적으로 열처리 할 수 있다.
또한, 질량이 비교적 큰 피처리물은, 라디블레이드 부재(40)의 회전에 의해서, 날개(52,54 및 56)의 표면을 미끄러지게 된다. 그리고, 피처리물을 날개(52,54 및 56)의 표면상에서 미끄러지게 하는 것에 의해, 라디블레이드 부재(40)의 날개(52,54 및 56)의 열이 피처리물에 전달되어, 효율적으로 열처리 할 수 있다.
한편, 라디블레이드 부재(40)의 표면 또는 원통체(30)의 내벽면(30d)에 피처리물이 부착되기도 하지만, 상술한 바와 같이, 라디블레이드 부재(40)의 회전동작에 의해서 날개(52,54 및 56)를 원통체(30)의 내벽면(30d)에 충돌시키는 것에 의해 발생하는 충격에 의해서, 날개 또는 원통체(30)에 부착된 피처리물을, 날개(52,54 및 56) 또는 원통체(30)로부터 떼어낼 수 있다. 이것에 의해, 피처리물이 날개 (52,54 및 56) 등에 부착된 채로의 상태가 되는 것을 억제할 수 있어, 피처리물이 원통체(30)내에서 폐색되는 일이 없이, 효율 좋게 열처리할 수 있다.
다음에, 본 실시형태의 회전교반형 열처리장치(10)의 동작에 대해서 설명한다.
도 4는, 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치의 동작의 일례를 설명하기 위한 모식도이다. 도 5는, 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치의 동작의 다른 예를 설명하기 위한 모식도이다.
회전교반형 열처리장치(10)에 있어서, 우선, 히터 부재(32)에 의해, 원통체(30)를 소정의 온도로 가열하고, 소정의 온도를 유지한 상태로 한다. 그 후, 피처리물로서, 리튬이온 이차전지용 양극 재료의 원료, 예를 들면, Li2O 또는 Li2CO3 등의 리튬 화합물의 분말과, 예를 들면, MnO, MnO2, Mn2 등의 금속 화합물의 분말을 소정의 비율로 혼합하여 혼합가루를 얻는다. 그 혼합가루를 조립기(造粒機)를 이용하여 조립(造粒)하여, 얻어진 조립가루를 호퍼(22)에 투입한다. 혼합가루의 조립 방법으로서는, 예를 들면, 일본 특허출원 2009-192452에 기재되어 있는 조립 방법이 이용된다.
공급로(24)내의 피더가 구동되면, 호퍼(22)내에 공급된 조립가루(피처리물)가 처리 유닛(14)측을 향하여 압출된다. 이것에 의해, 처리 유닛(14)의 원통체(30)내에 피처리물이 공급된다.
원통체(30)는, 동력 전달 기구(도시하지 않음)에 의해 구동 체인(37)을 사이에 두고 소정의 회전속도로 회전방향 R로 회전되고 있다. 이 상태에서, 조립가루(피처리물)는, 라디블레이드 부재(40)(라디블레이드 유닛(39))에 의해서 교반되면서, 열처리, 즉, 소성되어 원통체(30)의 타단측의 개구부(30b)를 향하여 이동된다.
이와 같이, 본 실시형태의 회전교반형 열처리장치(10)에서는, 호퍼(22)에 상술의 조립가루(피처리물)를 투입하고, 처리 유닛(14)에서 피처리물이 회전 교반되면서, 조립가루가 라디블레이드 부재(40) 내지 원통체(30)의 내벽면(30d)에 부착되어 성장하는 일 없이, 소성 등의 열처리가 연속적으로 이루어져, 품질이 높고, 게다가 금속 성분의 콘터미네이션이 없는 소성품, 즉, 리튬이온 이차전지용 양극 재료를 얻을 수 있다.
한편, 도 4에 도시하는 바와 같이, 라디블레이드 부재(40)는, 원통체(30)가 회전하기 전의 정지 상태에서는, 날개(52)의 선단부(52a)는 원통체(30)의 내벽면 (30d)에 접촉하는 일 없이, 원통체(30)의 내벽면(30d)에 날개(54)의 선단부(54a) 및 날개(56)의 선단부(56a)가 접촉하여 자립(自立)하고 있다.
동력 전달기구(도시하지 않음)에 의해 원통체(30)가 회전방향 R로 회전되면, 라디블레이드 부재(40)도 따라서 전동 회전한다. 라디블레이드 부재(40)의 외접원 (41)의 지름은, 원통체(30)의 안지름보다 작기 때문에, 원통체(30)가 회전하면 라디블레이드 부재(40)의 세 개의 날개(52,54 및 56) 중, 예를 들면, 날개(54)의 선단부(54a)를 기점(基點)으로 하여 라디블레이드 부재(40)는 전동한다. 이 때, 다른 2개의 날개(52,56)의 선단부(52a,56a) 중, 날개(56)의 선단부(56a)가 원통체(30)의 내벽면(30d)으로부터 떨어져, 날개(56)는 공중에 뜨는 상태가 되고, 나머지의 날개(52)의 선단부(52a)는 원통체(30)의 내벽면(30d)에 충돌한다. 이와 같이, 원통체 (30)의 회전에 수반하여 날개(52,54 및 56) 중, 항상 2개의 날개가 원통체(30)의 내벽면(30d)에 접촉하고, 항상 1개가 공중에 뜨고 있는 상태에서, 그 날개가 전동 회전하여, 회전방향의 내벽면(30d)과 충돌한다. 이것에 의해, 피처리물을 부유하도록 분산시킬 수 있는 동시에, 원통체(30)와 라디블레이드 부재(40)의 양쪽에, 각각 진동이 발생하여, 피처리물의 내벽면(30d)에의 부착 및 피처리물의 용착이 방지된다. 이 때문에, 피처리물에, 리튬 화합물의 분체와 금속 화합물의 분체의 혼합가루를 조립하여 얻어진 조립가루를 이용한 경우에도, 열처리시에 리튬이 용융하여 원통체(30)의 내벽면(30d)에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
게다가, 원통체(30)와 라디블레이드 부재(40)가 세라믹스제이기 때문에, 금속 이온의 용출, 또는 기계적인 접촉에 수반하는 금속 마모가루 등에 의해 피처리물이 금속 이물에 오염되는 일도 없다.
도 5에 도시되는 라디블레이드 부재(40)는, 그 외접원(41)의 지름이 원통체 (30)의 안지름의 80%이다. 이 경우, 도 4에 도시되는 라디블레이드 부재(40)와 비교하여 날개의 이동거리가 길다. 이것에 의해, 큰 교반효과를 얻을 수 있지만, 충격도 커진다.
이와 같이, 충격력이 크면 피처리물의 부착 방지, 용착 방지 효과는 커지지만, 원통체(30)의 내벽면(30d), 라디블레이드 부재(40)의 날개(52,54 및 56)의 선단부(52a,54a 및 56a) 또는 축심 구조부(50) 등이 충격에 의해서 손상될 위험성이 높아진다. 세라믹스는 기계적인 충격에 약하기 때문에, 금속제의 라디블레이드를 배치한 금속제 원통체에 있어서의 충격력보다, 세라믹스제의 라디블레이드를 배치한 세라믹스제 원통체에 있어서의 충격력을 증대시키는 것은, 상술한 바와 같이 세라믹스제의 원통체(30), 세라믹스제의 라디블레이드 부재(40)의 손상이 일어나기 쉬워져, 적절하지 않다.
여기서, 충격력에 영향을 주는 인자(因子)는, 세라믹스제의 원통체(30)의 회전속도와, 이 원통체(30)의 안지름과 세라믹스제의 라디블레이드 부재(40)의 외접원(41)의 지름과의 차이인 간극, 및 세라믹스제의 라디블레이드 부재(40)의 질량이다. 세라믹스제의 라디블레이드 부재(40)의 질량을 늘리는 것은, 원통체(30)로의 부하를 높이는 동시에, 냉각시의 온도 강하에 의한 열충격에 대한 대책으로서도 적절하지 않다. 여기에서는, 원통체(30)의 회전속도를 0.3m/분 ∼30m/분으로 하고, 상술한 간극을 원통체(30)의 안지름의 1∼20%로 하는 것이 바람직하고, 1∼10%로 하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 라디블레이드 부재(40)의 외접원(41)의 지름을, 원통체(30)의 안지름의 80∼99%로 하는 것이 바람직하고, 90∼99%로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 세라믹스제의 원통체(30)의 가열공정 및 냉각공정에 있어서, 열충격에 의한 원통체(30)의 손상을 막기 위해서는, 승온(昇溫) 또는 냉각속도를 검증하여, 적절한 속도로 승온 또는 냉각을 행함으로써 해결이 가능하다. 승온 및 냉각시의 열충격에 의한 세라믹스부재의 손상 방지를 위해서는, 장치의 크기에도 따르지만, 예를 들면, 100℃/시간으로 승온하고, 50℃/시간으로 냉각을 행하는 등의 낮은 속도로 행할 필요가 있다. 특히, 세라믹스제의 원통체(30)와 그 내부에 삽입된 라디블레이드 부재(40)에서는, 각각의 부재의 승온 또는 냉각속도가 차이가 난다. 즉, 외측의 세라믹스제의 원통체(30)는 빨리 승온 또는 냉각되고, 내측의 라디블레이드 부재(40)는 늦게 승온 또는 냉각된다. 이 때문에 열수축 속도의 차가 발생하여, 양자의 맞물림에 의한 손상이 발생하므로, 이것을 방지할 필요가 있고, 특히, 냉각시의 라디블레이드 부재(40)에 있어서는, 치밀한 냉각온도 제어를 행할 필요가 있다. 특히, 라디블레이드 부재(40)의 냉각시에는, 날개부보다 축심부 구조의 쪽의 냉각이 늦어, 열충격 손상이 발생한다. 이 내부 냉각 지연에 의한 열충격 손상을 막기 위해서, 라디블레이드 부재(40)의 축심 구조부(50)를 속이 비게 하여, 과도하게 두께가 두꺼워지지 않도록 한 축심부 구조로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 실시형태의 라디블레이드 부재(40)에 있어서는, 축심 구조부 (50)에 구멍(58)을 형성하여, 축심 구조부(50)를 속이 빈 구조로 하는 것에 의해, 특히, 장치의 운전 정지(停止)시 등의 냉각공정에 있어서, 라디블레이드 부재(40)의 축심 구조부와 날개부에서 발생하는 냉각 온도차를 완화하여, 열충격에 기인하는 손상을 막을 수 있다.
또한, 라디블레이드 부재(40)는 커질수록, 이것이 원통체(30)의 내벽면(30d)에 충돌할 때의 충격력이 커져, 양 부재의 손상의 위험성이 높아지지만, 라디블레이드 부재(40)를 속이 빈 구조로서 경량화하는 것에 의해, 그 위험성을 저감할 수 있다.
그런데, 현재, 리튬이온 이차전지용 양극 재료의 소성 방법은, 롤러 하스식 소성로를 이용한 소성 방법이 주류이다. 이 롤러 하스식 소성로를 이용한 경우, 승온 및 온도 유지시간에 20시간 전후를 필요로 하고 있어, 냉각공정을 포함하면 30시간 이상의 제조시간이 필요로 되어 있다.
그러나, 본 실시형태의 회전교반형 열처리장치(10)를 이용하면, 예를 들면, 리튬이온 이차전지용 양극 재료의 제조에 있어서, 얻어지는 제품의 품질을 저하시키는 일 없이, 열처리 시간을 불과 30분 정도로까지 단축할 수 있어, 냉각 등의 시간을 포함해도 1시간 이내에서 제조하는 것이 가능하다. 이것에 의해, 리튬이온 이차전지용 양극 재료의 제조비용을 내릴 수 있고, 게다가, 제조 공정에 있어서의 CO2 배출량을 큰 폭으로 삭감할 수 있다. 게다가, 본 실시형태의 회전교반형 열처리장치(10)에서 제조된 리튬이온 이차전지용 양극 재료를 이용한 리튬이온 이차전지는, 전기자동차 또는 하이브리드자동차 등에 사용될 수 있기 때문에, 지구 환경의 보전에 크게 공헌할 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 피처리물에 탄산리튬(Li2CO3)과 이산화망간(MnO2)을 이용하여, 리튬이온 이차전지용 양극 재료인 망간산리튬(LiMn2O4)을 제조한 경우, 도 6에 도시하는 바와 같이, 양호한 결정(結晶) 구조의 망간산리튬을 얻을 수 있었다.
본 실시형태에 있어서, 라디블레이드 부재(40)의 구성은, 도 3에 도시되는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 7(a)에 도시되는 라디블레이드 부재 (40a)이더라도 좋다.
도 7(a)에 도시되는 라디블레이드 부재(40a)는, 도 3에 도시되는 라디블레이드 부재(40)와 비교하여, 축심 구조부(60)의 구성이 다르고, 그 이외의 구성은, 도 3에 도시되는 라디블레이드 부재(40)와 거의 같기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.
라디블레이드 부재(40a)에 있어서는, 축심 구조부(60)는 삼각기둥에 의해 구성되어 있고, 그 양 바닥면에는 삼각형의 구멍(62)이 형성되어 있다. 축심 구조부 (60)의 각 변(60a,60b 및 60c)에는, 각각 날개(52,54 및 56)가 설치되어 있다.
이 제 1 변형예의 라디블레이드 부재(40a)도, 원통체(30)의 내부(30c)에 배치되어, 이 때, 도 7(b)에 도시하는 바와 같이, 원통체(30)가 정지(靜止)하고 있을 때, 라디블레이드 부재(40a)의 날개(52)의 선단부(52a)는, 원통체(30)의 내벽면 (30d)에 접촉하는 일 없이, 원통체(30)의 내벽면(30d)에 날개(54)의 선단부(54a) 및 날개(56)의 선단부(56a)가 접촉하여 자립하고 있다. 라디블레이드 부재(40a)는, 축심 구조부(60)의 가상 중심선 E(도 7(a) 참조)가 원통체(30)의 가상 중심선 α(도 1 참조)와 대략 평행하게 되도록 원통체(30)의 내부(30c)에 배치되어 있다.
회전방향 R로 원통체(30)가 회전하면, 라디블레이드 부재(40a)도 따라서 전동 회전한다. 이 때, 라디블레이드 부재(40a)의 외접원(41)의 지름은 원통체(30)의 안지름보다 작기 때문에, 원통체(30)가 회전하면 라디블레이드 부재(40a)의 세 개의 날개(52,54 및 56) 중, 날개(54)의 선단부(54a)를 기점으로 전동한다. 이 때, 다른 2개의 날개(52,56)의 선단부(52a,56a) 중, 날개(56)의 선단부(56a)가 원통체 (30)의 내벽면(30d)으로부터 떨어져, 날개(56)는 공중에 뜨는 상태가 되고, 나머지의 날개(52)의 선단부(52a)는 원통체(30)의 내벽면(30d)에 충돌한다. 이것에 의해, 피처리물은 라디블레이드 부재(40a)에 의해서 교반되면서, 열처리되는 동시에, 원통체(30)와 라디블레이드 부재(40a)에, 각각 진동이 발생하여, 양쪽에의 피처리물의 부착 및 용착이 방지된다.
게다가, 본 실시형태에 있어서, 라디블레이드 부재(40)는, 예를 들면, 도 8(a)에 도시되는 라디블레이드 부재(40b)이더라도 좋다.
도 8(a)에 도시되는 라디블레이드 부재(40b)는, 도 3에 도시되는 라디블레이드 부재(40)와 비교하여, 축심 구조부(64)의 구성이 다르고, 그 이외의 구성 및 조성은, 도 3에 도시되는 라디블레이드 부재(40)와 거의 같기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.
라디블레이드 부재(40b)에 있어서는, 축심 구조부(64)는 원기둥에 의해 구성되어 있고, 그 양 바닥면에는 원형의 구멍(66)이 형성되어 있다. 축심 구조부(64)의 측면(64a)에는, 120˚ 간격으로, 3개의 모선에 방사상으로, 3개의 날개(52,54 및 56)가 설치되어 있다.
제 2 변형예의 라디블레이드 부재(40b)도, 원통체(30)의 내부(30c)에 배치되고, 이 때, 도 8(b)에 도시하는 바와 같이, 원통체(30)가 회전하기 전에는, 라디블레이드 부재(40b)의 날개(52)의 선단부(52a)는, 원통체(30)의 내벽면(30d)에 접촉하는 일 없이, 원통체(30)의 내벽면(30d)에 날개(54)의 선단부(54a) 및 날개(56)의 선단부(56a)가 접촉하여 자립하고 있다. 라디블레이드 부재(40b)는, 축심 구조부 (64)의 가상 중심선 F(도 8(a) 참조)가 원통체(30)의 가상 중심선 α(도 1 참조)와 대략 평행하게 되도록 원통체(30)의 내부(30c)에 배치되어 있다.
회전방향 R로 원통체(30)가 회전하면, 라디블레이드 부재(40b)도 따라서 전동 회전한다. 이 때, 라디블레이드 부재(40b)의 외접원(41)의 지름은 원통체(30)의 안지름보다 작기 때문에, 원통체(30)가 회전하면 라디블레이드 부재(40b)의 세 개의 날개(52,54 및 56) 중, 날개(54)의 선단부(54a)를 기점으로 전동한다. 이 때, 다른 2개의 날개(52,56)의 선단부(52a,56a) 중, 날개(56)의 선단부(56a)가 원통체 (30)의 내벽면(30d)으로부터 떨어져, 날개(56)는 공중에 뜨는 상태가 되고, 나머지의 날개(52)의 선단부(52a)는 원통체(30)의 내벽면(30d)에 충돌한다. 이것에 의해, 피처리물은 라디블레이드 부재(40b)에 의해서 교반되면서, 열처리되는 동시에, 원통체(30)와 라디블레이드 부재(40b)에, 각각 진동이 발생하여, 양쪽에의 피처리물의 부착 및 용착이 방지된다.
다음에, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해서 설명한다.
도 9는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치를 나타내는 모식적 단면도이다. 도 10(a)는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치에 이용되는 라디블레이드 부재를 나타내는 모식적 사시도이고, (b)는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 회전교반형 열처리장치의 동작의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
한편, 본 실시형태에 있어서, 도 1 내지 3에 도시되는 제 1 실시형태의 회전교반형 열처리장치(10)와 동일 구성물에는 동일 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시형태의 회전교반형 열처리장치는, 제 1 실시형태의 회전교반형 열처리장치(10)(도 1 내지 3 참조)와 비교하여, 라디블레이드 부재(70)의 구성이 다른 이외는, 제 1 실시형태의 회전교반형 열처리장치(10)(도 1 내지 3 참조)와 거의 같은 구성이기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시형태에 있어서는, 라디블레이드 부재(70)의 구성이, 제 1 실시형태의 라디블레이드 부재(40)(도 3 참조)와 비교하여, 날개의 수가 2개인 것, 및 축심 구조부(72)의 형상이 다른 이외는, 제 1 실시형태의 라디블레이드 부재(40)와 거의 같은 구성이기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 10(a)에 도시하는 바와 같이, 라디블레이드 부재(70)는, 축심 구조부(72)가 사각기둥에 의해 구성되어 있고, 그 양 바닥면에는 사각형의 구멍(78)이 형성되어 있다.
축심 구조부(72)의 대향하는 변(72a,72b)에, 각각 날개(74,76)가 설치되어 있다. 또한, 도 10(b)에 도시하는 바와 같이, 라디블레이드 부재(70)의 날개 (74,76)의 외접원(71)의 지름은, 원통체(30)의 안지름보다 작다. 외접원(71)의 지름은, 원통체(30)의 안지름의 95∼99%로 하는 것이 바람직하고, 97∼99%로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 외형이 사각기둥 형상의 축심 구조부(72)의 외접원의 지름은, 원통체(30)의 안지름의 40∼60%인 것이 바람직하다.
한편, 도 9, 도 10(a)에 도시하는 바와 같이, 라디블레이드 부재(70)는, 원통체(30)의 내부(30c)에, 변(72a,72b)(축심 구조부(72)의 가상 중심선 G)이 원통체 (30)의 가상 중심선 α(도 1 참조)와 대략 평행하게 되도록, 예를 들면, 날개(76)의 선단부(76a)를 원통체(30)의 내벽면(30d)에 접촉시켜서 배치되어 있다. 이 경우, 축심 구조부(72)의 측면(73)은 경사진 상태에 있다.
도 10(b)에 도시하는 바와 같이, 회전방향 R로 원통체(30)가 회전하면, 라디블레이드 부재(70)도 따라서 전동 회전한다. 이 때, 라디블레이드 부재(70)의 외접원(71)의 지름은 원통체(30)의 안지름보다 작기 때문에, 원통체(30)가 회전하면 라디블레이드 부재(70)의 중심 이동에 수반하여, 회전방향 R에 대해서 날개(74)의 선단부(74a)가, 날개(76)의 선단부(76a)를 기점으로 하여 이동하고, 선단부(74a)는 원통체(30)의 내벽면(30d)에 충돌한다. 이것에 의해, 원통체(30)와 라디블레이드 부재(70)에, 각각 진동이 발생하여, 양쪽에의 피처리물의 부착 및 용착이 방지된다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 2개의 날개구조의 라디블레이드 부재(70)로 하는 것에 의해, 라디블레이드 부재(70)의 외접원(71)을 지름을 크게 하는 경우에 있어서, 라디블레이드 부재(70)의 축심 구조부(72)의 기계 강도를 올리기 위해서 두께를 두껍게 해도, 제 1 실시형태에 나타나는 3개의 날개구조의 라디블레이드 부재와 비교해서, 그 전체의 질량 증가가 억제되어, 원통체(30)에의 기계적인 충격 부하를 경감할 수 있어, 원통체(30)의 손상의 위험성을 낮게 할 수 있다.
본 실시형태의 2개의 날개구조의 라디블레이드 부재(70)는, 그 질량이 제 1 실시형태의 3개의 날개구조의 것보다 경량화할 수 있어, 세라믹스제의 원통체(30)에의 충격을 완화시켜 원통체(30)가 손상될 위험성이 경감되고 있다. 특히, 장치를 대형화할 때에는, 2개의 날개구조의 라디블레이드 부재(70)는, 3개의 날개구조의 것보다 질량을 작게 할 수 있기 때문에, 원통체(30)에 대한 질량 부하를 경감할 수 있다.
한편, 2개의 날개구조의 라디블레이드 부재(70)에서는, 제 1 실시형태의 3개의 날개구조의 라디블레이드 부재(40)와 비교하여, 날개(74,76)의 표면에 있어서의 피처리물의 분산 효과가 작다. 그러나, 본 실시형태에 있어서는, 축심 구조부(72)의 측면(73)을 경사지게 하도록 배치하고, 슬로프면으로 했으므로, 2개의 슬로프면이 만나는 변, 즉, 축심 구조부(72)의 날개(74,76)가 설치되지 않은 변에서 피처리물이 반전(反轉) 교반된다. 이것에 의해, 피처리물이 분립체인 경우, 입자가 반전하고 입자끼리가 분산되어 분산 효과가 높아져, 입자가 균일하게 가열된다.
본 실시형태에 있어서도, 제 1 실시형태와 같이, 피처리물에 탄산리튬 (Li2CO3)과 이산화망간(MnO2)을 이용하여, 리튬이온 이차전지용 양극 재료인 망간산리튬(LiMn2O4)을 제조한 경우, 도 6에 도시하는 바와 같이, 양호한 결정 구조의 망간산리튬을 얻을 수 있었다.
한편, 본 발명에 있어서, 피처리물은, 리튬이온 이차전지용 양극 재료에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 티타늄산 바륨 등의 유전체(誘電體)의 재료이더라도 좋다.
또한, 본 발명에 있어서는, 축심 구조부는, 상술의 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 상술의 실시형태 이외의 다각형이더라도 좋고, 또한 축심 구조부의 구멍의 형상도, 상술의 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 다각형이더라도 좋다.
이상, 본 발명의 회전교반형 열처리장치에 대해 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 주된 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 여러 가지의 개량 또는 변경을 해도 좋은 것은 물론이다.
실시예
이하, 본 발명의 회전교반형 열처리장치의 실시예에 대해서, 구체적으로 설명한다.
본 실시예에 있어서는, 피처리물로서 리튬이온 이차전지용 양극 재료의 원료를 이용하여 리튬이온 이차전지용 양극 재료를 제조하였다.
리튬이온 이차전지용 양극 재료의 원료에는, 탄산리튬(Li2CO3)과 이산화망간(MnO2)을 이용하였다. 탄산리튬과 이산화망간을 몰비 1:1로 조합(調合)하고, 혼합한 후에 조립하였다. 그 후, 체로 분류하여, 지름이 0.25㎜ 이하인 것이 20 질량% 이하의 입도(粒度) 구성으로 된 조립가루를 최종적으로 얻어, 이것을 피처리물로 하였다.
조립에는, 롤러 콤팩터(Roller Compactor) WP타입(터보고교사제)을 이용하였다. 조립시에, 조립을 보조하는 바인더를 전혀 가하지 않고 압력만으로 연속적으로 조립을 행하였다.
피처리물(조립가루)을, 본 발명의 제 1 실시형태의 세라믹스제의 회전교반형 열처리장치를 이용하여, 온도 830℃, 체류시간 14분, 공급량 21kg/h, 내부 충전율 9.7%의 제조 조건으로 열처리하고 소성하여, 리튬이온 이차전지용 양극 재료를 제조하였다. 본 실시예에서는, 냉각 등의 시간을 포함하여 1시간 이내에서 리튬이온 이차전지용 양극 재료를 제조할 수 있었다. 한편, 회전교반형 열처리장치의 원통체 (30)의 크기는 안지름 150㎜, 길이 1800㎜이다.
얻어진 리튬이온 이차전지용 양극 재료에 대해서, XRD 패턴 해석을 행하였다. 그 결과, 제 1 실시형태와 같이 도 6에 도시되는 양호한 망간산리튬(LiMn2O4)의 결정 구조물을 얻을 수 있었다. 또한, 피처리물을 상기 제조조건으로 연속 소성한 바, 원통체나 라디블레이드 부재에의 피처리물의 부착 발생은 없었다. 이와 같이 하여, 피처리물로서 조립가루를 이용하여 본 발명의 회전교반형 열처리장치에 의해, 리튬이온 이차전지용 양극 재료의 연속 제조가 가능해졌다.
10 : 회전교반형 열처리장치
12 : 공급 유닛
14 : 처리 유닛
16 : 배출 유닛
18 : 받침대
19 : 가대
20 : 공급부 케이싱 본체
30 : 원통체
32 : 히터 부재
34 : 보온 부재
36 : 지지 부재
40, 70 : 라디블레이드 부재
42 : 배출측 케이싱 본체
50 : 축심 구조부
52, 54, 56 : 날개

Claims (11)

  1. 내부에 공급된 피처리물을 열처리하기 위한 원통체와,
    상기 원통체를 회전시키는 회전수단과,
    상기 원통체의 내부에 공급된 상기 피처리물을 가열하는 가열수단과,
    상기 원통체내에, 길이방향을 따라서 복수 배치되는 교반 부재를 가지고,
    상기 교반 부재는, 축심 구조부와, 상기 축심 구조부에 설치된 복수의 날개(blades)를 구비하고,
    상기 원통체 및 상기 교반 부재는, 세라믹스에 의해 구성되어 있고,
    상기 원통체의 내부에 일단측으로부터 공급된 상기 피처리물이 상기 가열수단에 의해 가열되는 동시에, 상기 회전수단에 의해, 상기 원통체가 회전되고, 내부의 상기 교반 부재에 의해 상기 피처리물이 교반되면서 열처리되어, 상기 원통체 타단측으로부터 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 회전교반형 열처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 교반 부재의 상기 축심 구조부는, 상기 원통체의 회전축선에 실질적으로 평행하게 배치되고,
    상기 복수의 날개는, 평판형상이고, 상기 축심 구조부에 방사상으로 등간격으로 설치되며,
    상기 교반 부재는,
    그 상기 복수의 날개 중 1개의 날개 또는 2개의 날개가 상기 원통체의 내벽면에 접촉하는 것에 의하여, 상기 원통체에 지지되고,
    상기 원통체의 회전에 따라서, 상기 원통체의 내벽면에 접촉하고 있는 1개의 날개가 상기 원통체의 내벽면으로부터 떨어지고, 상기 원통체의 내벽면에 접촉하고 있지 않은 날개가 상기 원통체의 내벽면에 접촉하며, 상기 복수의 날개가 상기 원통체 내를 전동(轉動) 회전하는 것에 의하여, 상기 원통체 내에 공급된 상기 피처리물을 교반하는 것인 것을 특징으로 하는 회전교반형 열처리장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 교반 부재의 상기 복수의 날개는, 평판형상이고, 상기 축심 구조부에 방사상으로 등간격으로 설치되고,
    상기 축심 구조부는, 상기 복수의 날개의 기부(基部)가 연결되는 중심연결부이고,
    상기 교반 부재는, 상기 중심연결부의 가상 중심선이 상기 원통체의 회전축선과 실질적으로 평행하도록 하여 상기 원통체 내에 배치되고 있는 것을 특징으로 하는 회전교반형 열처리장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 날개는, 상기 교반 부재의 축심 구조부의 외주(外周)에 대해서, 3개의 등간격으로 설치되어 있는 회전교반형 열처리장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 날개는, 상기 교반 부재의 축심 구조부의 외주에 대해서, 2개의 등간격으로 설치되어 있는 회전교반형 열처리장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 교반 부재의 축심 구조부는, 사각기둥 형상이며, 그 양 바닥면에는 사각형의 구멍이 형성되어 속이 빈 구조가 되어 있고, 상기 날개는 상기 사각기둥의 대향하는 1조(組)의 변에 방사상으로 설치되어 있고,
    상기 교반 부재는, 상기 사각기둥의 가상 중심선이 상기 원통체의 회전축선과 실질적으로 평행하게 되도록 상기 원통체내에 배치되어 있는 회전교반형 열처리장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 축심 구조부는, 원기둥 형상이고, 그 양 바닥면에는 원형의 구멍이 형성되어 속이 빈 구조가 되어 있고, 상기 날개는, 상기 원기둥의 모선(母線)에 방사상으로 설치되어 있고,
    상기 교반 부재는, 상기 원기둥의 가상 중심선이 상기 원통체의 회전축선과 실질적으로 평행하게 되도록 상기 원통체내에 배치되어 있는 회전교반형 열처리장치.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 축심 구조부는, 다각 기둥형상이고, 그 양 바닥면에는 다각형의 구멍이 형성되어 속이 빈 구조가 되어 있고, 상기 날개는, 상기 다각기둥의 변에 방사상으로 설치되어 있고,
    상기 교반 부재는, 상기 다각기둥의 가상 중심선이 상기 원통체의 회전축선과 실질적으로 평행하게 되도록 상기 원통체내에 배치되어 있는 회전교반형 열처리장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 교반 부재에 설치된 날개의 선단부가 대략 반원 형상인 회전교반형 열처리장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 교반 부재는, 인접하는 다른 교반 부재와의 접촉 단면(端面)이 볼록 형상인 회전교반형 열처리장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 원통체 및 상기 교반 부재를 구성하는 세라믹스는, 탄화규소, 알루미나, 물라이트, 또는 지르코니아로부터 선택되는 1종인 회전교반형 열처리장치.
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