JP4782537B2 - 炭素材料焼成炉および炭素材料の焼成方法 - Google Patents

Description

本発明は、フィラーとバインダーを捏合して成型した炭素材料素材成型体を焼成する炭素材料焼成炉および炭素材料の焼成方法に関する。

か焼コークス等のフィラーとコールタールピッチ等のバインダーを捏合して成型した炭素材料素材成型体（以下、これを単に成型体ということがある。）を焼成することで、バインダーが炭素化、固化され、フィラーと結合した炭素材料焼成品が得られる。
なお、この炭素材料焼成品は、そのまま還元材等に使用され、あるいは、さらに焼成、黒鉛化して黒鉛質製品として使用される。
上記２度にわたって行われる焼成は、前者を一次焼成、後者を二次焼成と呼び分けられている。

上記一次焼成（以下、本明細書では、これを単に焼成という。）は、従来、バーナ式加熱炉（焼成炉）で、酸素濃度を低減した雰囲気下において、７００〜１０００℃程度の温度で上記成型体を熱処理することにより実施されてきた。
この場合、成型体は、焼成過程におけるバインダーの溶融温度領域で塑性化する性質を持つため、塑性変形を防止する目的で、鉄製容器等の中に黒鉛粉や珪砂粉等のパッキング材中に埋め込んだ状態で取り扱われる。なお、パッキング材は、成型体を均一に加熱する役割も持つ。

このバーナ式加熱炉の形式は、連続式のリードハンマー炉と単独式のシャトル炉に代表されるが、温度制御の自由度が大きい後者の単独式のシャトル炉の方が、特に大型成型体の焼成炉としては主流となっている（例えば、非特許文献１参照。）。
炭素材料学会編「新・炭素材料入門」株式会社リアライズ社発行、２０００年１１月１０日、第１０７頁

しかしながら、上記単独式のシャトル炉の場合、成型体を炉内に配置する都度、炉内全体を加熱することになるため、容器やパッキング材を加熱するために使用されるエネルギの損失が大きく、また、成型体の加熱は実質的にパッキング材を介しての熱伝導によって行われるため、その点においてもエネルギの損失を生じる。
また、成型体を電極等の人造黒鉛材料の用途に使用する場合は、炉の形式や成型体の寸法によっても異なるが、加熱昇温に１０〜２０日間、冷却に５〜１０日間を要するため、生産性が抑えられる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、焼成時のエネルギ損失が小さい炭素材料焼成炉および炭素材料の焼成方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、焼成サイクルタイムが短縮され、生産性の高い炭素材料焼成炉および炭素材料の焼成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る炭素材料焼成炉は、
処理容器と、該処理容器に接続して設けられ、不活性ガスを該処理容器に導入する導入路と排出路を備える不活性ガス導入排出部と、
該処理容器内に配置され、フィラーとバインダーを捏合して成型した被処理用炭素材料素材成型体を覆うように設けられ、炭素系フェルトで形成されてなる箱体又は炭素系フェルトからなる内張りとセラミックファイバーフェルトからなる外張りの２層構造の箱体からなり、該箱体の各面にマイクロ波を通過させるスリットが形成された断熱部材と、
該処理容器の該断熱部材を臨む位置に設けられ、マイクロ波を照射するマイクロ波導波管を備えるマイクロ波照射装置とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る炭素材料焼成炉は、前記炭素材料素材成型体と前記断熱部材との間にパッキング材を充填してなることを特徴とする。

また、本発明に係る炭素材料焼成炉は、前記不活性ガス導入排出部とは別にパージ用の不活性ガス導入排出部をさらに有することを特徴とする。

また、本発明に係る炭素材料焼成炉は、前記マイクロ波導波管が、異なる方向からマイクロ波を照射するように複数備えられてなることを特徴とする。

また、本発明に係る炭素材料焼成炉は、前記処理容器の少なくとも内表面が金属材料で形成されてなることを特徴とする。

また、本発明に係る炭素材料の焼成方法は、
フィラーとバインダーを捏合して成型した被処理用炭素材料素材成型体を、処理容器内に配置した、炭素系フェルトで形成されてなる箱体又は炭素系フェルトからなる内張りとセラミックファイバーフェルトからなる外張りの２層構造の箱体からなり、該箱体の各面にスリットが形成された断熱部材で、覆う工程と、
不活性ガスを該処理容器に流通しながら、該スリットを介して、マイクロ波を該被処理用炭素材料素材成型体に照射する工程と、
を有することを特徴とする。

本発明に係る炭素材料焼成炉および炭素材料の焼成方法によれば、炭素材料素材成型体にマイクロ波を照射して焼成するため、焼成のための消費エネルギが少ない。
また、焼成サイクルタイムが短縮され、生産性が高い。

本発明の実施の形態について、以下に説明する。

まず、本発明に係る炭素材料焼成炉について、装置の概略構成を示す図１を参照して説明する。
炭素材料焼成炉１０は、図１に示すように、処理容器１２と、不活性ガス導入排出部１４と、断熱箱（断熱部材）３２と、マイクロ波照射装置１８とを備える。また、炭素材料焼成炉１０には、圧力調整用排気ライン２０ならびにパージ用不活性ガス導入路３８ａおよびパージ用不活性ガス排出路３８ｂからなるパージ用不活性ガス導入排出部が設けられる。

処理容器１２は、例えば、使用温度に応じて、耐火煉瓦、キャスタブルあるいは黒鉛材料を内張りした金属製容器であってもよいが、好ましくは、外壁を冷却する機構を備えた金属壁で処理容器１２を構成する。後者の場合、必要に応じて、処理容器１２の最外壁に断熱材を配設する。
不活性ガス導入排出部１４は、窒素等の不活性ガスを処理容器１２に導入する導入路２２と、炉内の雰囲気ガスを排出する排出路２４を備える。

断熱箱３２は、炭素材料素材成型体（被処理用炭素材料素材成型体）、すなわち、予めフィラーとバインダーを捏合して成型した炭素材料（図中、矢印Ｗで示す。）を覆って収容し、配置するためのものである。断熱箱３２は、十分な断熱性と形状を維持しうる適度の剛性とを確保できる適宜の厚みに形成される。断熱箱３２は、炭素系フェルトからなる内張り（内層）３４ａとセラミックファイバーフェルトからなる外張り（外層）３４ｂの２層構造となっている。炭素系フェルトは、例えば、カーボンファイバーやＣ／Ｃコンポジット品を用いることができ、セラミックファイバーフェルトは例えば１５００℃程度の温度で使用できるＳｉ−Ａｌ系耐熱性品を用いることができる。
この場合、使用温度や炭素材料素材成型体Ｗ中の不純物含有量の許容値等の条件に応じて、断熱箱３２を炭素系フェルトの単層で構成してもよく、あるいはまた、セラミックファイバーフェルトの単層で構成してもよい。前者では、炭素材料素材成型体Ｗ中に断熱箱３２に起因する不純物が混入するおそれがなく、一方、後者では、断熱箱３２を安価に得ることができる。
また、通常の焼成炉で行われているように、炭素材料素材成型体Ｗと断熱箱３２との間に黒鉛粉やコークス粉等の炭素質材料からなるパッキング材を充填すると、言い換えると、断熱箱３２に入れたパッキング材中に炭素材料素材成型体Ｗを詰めると、焼成時に炭素材料素材成型体Ｗから発生する揮発分等による断熱箱３２の汚染が軽減され、また、炭素材料素材成型体Ｗをより均一に加熱することができる。
断熱箱３２の各面には、それぞれ適度の数のスリット３６が形成される。マイクロ波は、このスリット３６を通過して炭素材料素材成型体Ｗに照射される。スリット３６の数は、炭素材料素材成型体Ｗの各部にマイクロ波を均一に照射するのに必要な程度および焼成時に炭素材料素材成型体Ｗから発生する揮発分が容易に抜け出る程度であってかつこのスリット３６を介して断熱箱３２の外部に過剰に放熱しない程度に適宜設定される。スリット３６の長さは、照射するマイクロ波の１波長分程度が適当であるが、これに限定するものではない。スリット３６の幅は、上記した放熱等の不具合のない範囲で適宜設定される。
なお、断熱箱３２は、例えば内部にパッキング材を入れて用いるときには、上部等を開放状態としてもよい。また、断熱箱３２を設ける代わりに、炭素材料素材成型体Ｗをスリットを形成した断熱部材で巻いてもよい。

マイクロ波照射装置１８は、マイクロ波発信器２６と、マイクロ波発信器２６から発せられるマイクロ波を処理容器１２に導く導波管２８を備える。処理容器１２内の断熱箱３２の真上に位置するように設けられる導波管２８の開口部の手前には、導波管２８を保護するための耐熱ガラス板３０が配置される。
なお、マイクロ波照射装置１８は、マイクロ波発信器２６を含めて２系統設け、２つの導波管２８を処理容器１２の上部に断熱箱３２を挟んで並置したものであってもよい。

圧力調整用排気ライン２０は、炭素材料素材成型体Ｗを加熱する前に処理容器１２の内部に残存する空気を除去するためのものであり、図示しない真空源に接続される。
パージ用不活性ガス導入排出部は、焼成時に炭素材料素材成型体Ｗから発生する揮発分を強制的に炉外に排出させるためのものであるが、必要に応じてこれを省略し、不活性ガス導入排出部１４にパージ機能を兼ねさせてもよい。また、パージ用不活性ガスを加熱した状態で処理容器１２内に導入すると、炭素材料素材成型体Ｗからの放熱を軽減することができて好ましい。

つぎに、本発明に係る炭素材料の焼成方法について説明する。
本発明に係る炭素材料の焼成方法は、例えば上記のように構成される炭素材料焼成炉１０を用い、フィラーとバインダーを捏合して成型した被処理用炭素材料素材成型体を、処理容器内に配置した、スリットが形成された断熱部材で覆い、不活性ガスを処理容器に流通しながら、スリットを介して、マイクロ波を被処理用炭素材料素材成型体に照射するする。
以下、炭素材料の焼成方法について、その具体例を説明する。

まず、処理容器１２の図示しない装入口から炭素材料素材成型体Ｗを処理容器１２内に装入し、断熱箱３２の内部に配置する。
そして、予め炉内の残存空気を排気した後、不活性ガスとして例えば窒素ガスを導入路２２から処理容器１２の内部に導入するとともに、排出路２４から排出して、処理容器１２の内部を酸素濃度が例えば１容量％程度の窒素ガスの流通状態とする。また、パージ用ガスも断続的にあるいは連続的に流通状態とする。処理容器１２は、内部圧力を所望の圧力に調整し、保持する。

ついで、マイクロ波発信器２６からマイクロ波を発生させ、導波管２８を介して処理容器１２内にマイクロ波を照射する。
マイクロ波は、断熱箱３２に形成されたスリット３６を通過して炭素材料素材成型体Ｗに照射され、これにより、炭素材料素材成型体Ｗが加熱される。
所定時間マイクロ波を照射して、炭素材料素材成型体Ｗを焼成した後、冷却し、炭素材料素材成型体Ｗを炭素材料焼成炉１０から取り出す。

以上説明した本発明の炭素材料焼成炉によれば、焼成のためのエネルギが少なくて済む。また、焼成サイクルタイムが短縮され、生産性が高い。

つぎに、本発明の炭素材料焼成炉１０の変形例について説明する。

変形例の炭素材料焼成炉１０ａは、図２に示すように、断熱箱３２を挟んで処理容器１２の対向する側壁にそれぞれ導波管２８ａ、２８ｂが設けられる。なお、図２中、マイクロ波発信器や導波管の保護部材等は図示を省いている。また、２つの導波管は、必ずしも図２のように対向する位置に配置する必要はない。

変形例の炭素材料焼成炉１０ａによれば、炭素材料素材成型体Ｗに異なる方向からマイクロ波を照射することで、炭素材料素材成型体Ｗをより均一にかつ効率的に加熱することができる。また、このとき、２つのマイクロ波発信器は出力が小さいものとすることができ、あるいは、２つのマイクロ波発信器の出力を下げることなく全体の出力を大きくして炭素材料素材成型体Ｗをより効率的に加熱することができる。
このとき、処理容器１２が金属壁であると、処理容器１２内でマイクロ波が多方向に反射して、炭素材料素材成型体Ｗの各部に均一にマイクロ波を照射することができる。なお、上記炭素材料焼成炉１０においても、処理容器１２を金属壁としたものを用いることができる。

以下、実施例および参考例を挙げて、本発明をさらに説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
酸素濃度を１容積％以下に調整した窒素ガス雰囲気において、Φ１００×２００ｍｍの等方性炭素材の成型体を、長さが１２ｍｍのスリット３６が形成された厚みが１００ｍｍの断熱箱３２に入れた。そして、出力１５００Ｗのマグネトロンタイプのマイクロ波発信器２６から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させ、スリット３６を通過させて成型体に照射した。成型体の中心部にセットした熱電対によって計測した温度が８５０℃に達した時点でマイクロ波の照射を止め、４００℃以下の温度になるまで成形体を冷却した。なお、成型体の温度が８５０℃のときの炉内の雰囲気温度は１５０℃であった。
処理に要した時間は、昇温時間が４時間、降温時間が２時間であり、１サイクル６時間であった。この間、マイクロ波照射に使用した電力量は、１２ｋＷＨであった。
得られた焼成体（成型体）の嵩密度は１．６２であった。

（実施例２）
等方性炭素材の成型体として３３０×６００×８００ｍｍの直方体ブロックを用い、長さが３０ｍｍのスリット３６が形成された厚みが１００ｍｍの断熱箱３２に入れ、定格出力３０ｋＷのマグネトロンタイプのマイクロ波発信器２６から周波数９１５ＧＨｚのマイクロ波を出力２５ｋＷで発生させたほかは実施例１と同様の条件で成型体を焼成した。
処理に要した時間は、昇温時間が３８時間、降温時間が２０時間であり、１サイクル５８時間であった。この間、マイクロ波照射に使用した電力量は、１８００ｋＷＨであった。
得られた焼成体（成型体）の嵩密度は１．６２であった。

（参考例）
実施例１と同様の条件で作製した等方性炭素材の成型体を、内容積０．２１６ｍ^３の電気加熱式単独炉に入れて、８５０℃まで昇温した後、４００℃以下の温度になるまで成形体を冷却した。
処理に要した時間は、昇温時間が２４時間、降温時間が２４時間であり、１サイクル４８時間であった。昇温に要した電力量は、２８ｋＷＨであった。
得られた焼成体（成型体）の嵩密度は１．６０であった。

本発明の炭素材料焼成炉の概略構成を示す図である。 変形例の炭素材料焼成炉の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０、１０ａ 炭素材料焼成炉
１２ 処理容器
１４ 不活性ガス導入排出部
１８ マイクロ波照射装置
２０ 圧力調整用排気ライン
２２ 導入路
２４ 排出路
２６ マイクロ波発信器
２８、２８ａ、２８ｂ 導波管
３０ 耐熱ガラス板
３２ 断熱箱
３４ａ 内張り
３４ｂ 外張り
３８ａ パージ用不活性ガス導入路
３８ｂ パージ用不活性ガス排出路

Claims (6)

1. 処理容器と、該処理容器に接続して設けられ、不活性ガスを該処理容器に導入する導入路と排出路を備える不活性ガス導入排出部と、
   該処理容器内に配置され、フィラーとバインダーを捏合して成型した被処理用炭素材料素材成型体を覆うように設けられ、炭素系フェルトで形成されてなる箱体又は炭素系フェルトからなる内張りとセラミックファイバーフェルトからなる外張りの２層構造の箱体からなり、該箱体の各面にマイクロ波を通過させるスリットが形成された断熱部材と、
   該処理容器の該断熱部材を臨む位置に設けられ、マイクロ波を照射するマイクロ波導波管を備えるマイクロ波照射装置とを有することを特徴とする炭素材料焼成炉。
2. 前記炭素材料素材成型体と前記断熱部材との間にパッキング材を充填してなることを特徴とする請求項１に記載の炭素材料焼成炉。
3. 前記不活性ガス導入排出部とは別にパージ用の不活性ガス導入排出部をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素材料焼成炉。
4. 前記マイクロ波導波管が、異なる方向からマイクロ波を照射するように複数備えられてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素材料焼成炉。
5. 前記処理容器の少なくとも内表面が金属材料で形成されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭素材料焼成炉。
6. フィラーとバインダーを捏合して成型した被処理用炭素材料素材成型体を、処理容器内に配置した、炭素系フェルトで形成されてなる箱体又は炭素系フェルトからなる内張りとセラミックファイバーフェルトからなる外張りの２層構造の箱体からなり、該箱体の各面にスリットが形成された断熱部材で、覆う工程と、
   不活性ガスを該処理容器に流通しながら、該スリットを介して、マイクロ波を該被処理用炭素材料素材成型体に照射する工程と、
   を有することを特徴とする炭素材料の焼成方法。

Images