JP3022195B2 - セラミック成形体の焼成法およびそれに用いる燃焼装置 - Google Patents
セラミック成形体の焼成法およびそれに用いる燃焼装置Info
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Description
と低出力とを交互に繰り返すバーナを単数または複数有
する焼成炉(以下、パルス式焼成炉とも呼ぶ)における
セラミック成形体の焼成法およびそれに用いる燃焼装置
に関するものである。
する焼成炉等でそのバーナの燃焼が連続的である比例式
焼成法によって焼成されていた。しかし、この比例式焼
成法では以下に述べるような問題点があった。 (1)設定温度に対してオーバーシュートしてしまう。 (2)1種類のバーナで室温から1500℃のような高
温まで加熱する場合、バーナのターンダウン比のため、
設定温度が低温の場合や昇温速度が遅い場合には、大量
の過剰空気を供給することでそれらを補っていたため、
燃料を余分に使わなければならなかった。 (3)有機物等のバインダーを含んだセラミック成形体
を焼成する場合、バインダーの燃焼温度域において、上
記(2)項で述べた過剰空気のため酸素濃度が高くなっ
てしまい、成形体中心部のバインダー燃焼が促進され、
成形体の外側と中心部で温度差が生じクラックが発生し
ていた。
生するため、煙道のバーナでその白煙を燃焼させている
が、上記(2)項で述べた過剰空気のため、バーナで加
熱しなければならない白煙が大量になり、燃料使用量が
非常に大きくなっていた。 (5)上記(3)項のクラック発生を抑制するために、
バインダーが燃焼域の昇温速度を非常に遅いものにしな
ければならず、その結果焼成時間が非常に長くなってい
た。従って、比例式焼成法では思い通りの焼成ヒートカ
ーブを得ることは困難であり、またエネルギー効率も悪
く、さらに焼成時間が長くなってしまうため、生産効率
が非常に悪かった。
めに、溶鉱炉等でしばしば用いられている、その燃焼出
力が高出力と低出力とを交互に繰り返すバーナを単数ま
たは複数有する焼成炉を、セラミック成形体の焼成に適
用することが考えられる。このパルス式焼成炉による焼
成は、高効率の燃焼を達成できるため、空気比はほぼ1
すなわち過剰空気率がほぼ0%であり、上記問題を解消
できるものと考えられる。しかしながら、このパルス式
焼成炉による焼成は、上述した従来の比例式焼成法に比
べ窯内の温度分布が悪くまた燃焼が間欠的であるため、
これをそのままセラミック成形体の焼成に適用した場合
は、以下のような問題が発生していた。
成形が困難であり、成形助剤や可塑剤として有機物を添
加して成形性を得るもの、粘土などの有機物を含む天然
原料を用いるもの、また、造孔剤として有機物を添加し
たものなどのセラミック成形体においては、焼成によっ
て上記バインダー等の有機物が燃焼するとき、急激な温
度変化は成形体にクラックを発生させる。 (2)バインダーの脱離後、成形体の強度は著しく低下
するため、このときの急激な温度変化が成形体にクラッ
クを発生させる。 (3)セラミック原料に結晶水を含む化合物、ハロゲン
化物及び炭酸塩等を用いる場合、一般に約900℃まで
にこれらの原料から水、ハロゲン及び炭酸が脱離し、こ
の現象を強熱減量と呼ぶ。この強熱減量の進行とともに
結晶構造の変化が起こり、この変化が終了するとセラミ
ック成形体はある程度の強度を有するようになるが、こ
の反応進行中の急激な温度変化が成形体にクラックの発
生や変形をもたらす。
パルス式焼成炉でセラミック成形体の焼成を行っても成
形体にクラックの発生や変形のないセラミック成形体の
焼成法およびそれに用いる装置を提供しようとするもの
である。
体の焼成法は、その燃焼出力が高出力と低出力とを交互
に繰り返すバーナを単数または複数有する焼成炉におけ
るセラミック成形体の焼成法において、焼成の対象とな
るセラミック成形体がハニカム構造体であり、バインダ
ー燃焼開始温度から原料の強熱減量終了温度までの温度
域でのバーナの空気比が3以上であることを特徴とする
ものである。
の焼成炉に単数または複数設けた、その燃焼出力が高出
力と低出力とを交互に繰り返すバーナと、このバーナの
燃焼状態を上記所定の焼成法に従って制御する制御装置
とからなることを特徴とするものである。
度から原料の強熱減量終了温度までの温度域でのバーナ
の空気比を3以上とすることで、その燃焼出力が高出力
と低出力とを交互に繰り返すバーナを単数または複数有
する焼成炉でセラミック成形体を焼成しても、その温度
域における温度変化を緩やかにすることができ、セラミ
ック成形体のクラックの発生を防止できる。
のパルス式焼成炉と同様に空気比ほぼ1の状態で焼成で
きるため、従来の比例式焼成炉と比較して、使用する燃
料を大幅に減らすことができ、省エネ効果を達成するこ
とができる。なお、本発明において、バインダー燃焼開
始温度から原料の強熱減量終了温度までの温度域でのバ
ーナの空気比の上限は特に設けないが、従来の比例式焼
成炉での空気比が10程度であることから、10以上で
あるとこの温度域での省エネ効果を得られなくなるた
め、上限を10とすることが好ましい。
焼時間を1〜10秒とし、低燃焼時間を1〜10秒と
し、高出力の時間を高出力の時間と低出力の時間の和で
除した値(以下、パルス出力とも呼ぶ)を30〜90%
とすると、特にハニカム構造体の焼成に使用した場合
に、窯内の温度分布及び製品の特性ばらつきを少なくで
きるため好ましい。
を実施する燃焼装置の一例として、単独窯からなる燃焼
装置の例を示す図である。図1に示す例において、燃焼
装置1は、基台2と、基台2上に設けた、密閉空間(図
示しない扉を有する)を形成するための側壁3および天
井4と、側壁3に単数または複数(本例では3個)設け
たバーナ5と、各バーナ5の燃焼状態を制御する制御装
置6とから構成される。そして、棚板7上に被焼成物で
あるセラミック焼成体8を載置した状態で各バーナ5を
燃焼させて焼成を行っている。
もと、各バーナ5を、その燃焼出力が高出力と低出力と
を交互に繰り返すよう制御して、通常は空気比(燃焼に
使用した空気の容積/理論燃焼空気量(容積)をほぼ1
として焼成を行うとともに、バインダー燃焼開始温度か
ら減量の強熱減量終了温度までの温度域でのバーナの空
気比を3以上にすることである。さらに、バーナ5の燃
焼を、制御装置6の制御のもと、バーナ5の高出力時の
高燃焼時間を1〜10秒とし、バーナ5の低出力時の低
燃焼時間を1〜10秒とし、パルス出力を30〜90%
の範囲で変化させると好ましい。
おけるバーナ5の制御装置6の構成の一例を示す図であ
る。図2に示す例において、11はLNG等の燃料ガス
の元配管、12は空気の元配管で、燃料ガスの元配管1
1とバーナ5との間を配管13で接続し、空気の元配管
12とバーナ5との間を配管14で接続し、さらに配管
13と配管14との間にバイパス管15を設けている。
8、レギュレータバルブ19、コントロールモータ20
により駆動するバルブ21、手動バルブ22、電磁弁2
3を順に設けている。配管14には、コントロールモー
タ24により駆動するバルブ25、電磁弁26、手動バ
ルブ27を設けている。バイパス管15には、手動バル
ブ28およびレギュレータ29を設けている。さらに、
電磁弁23、26、コントロールモータ20、24、流
量計18およびバーナ5の失火状態を測定するUVディ
テクタ30を制御するための制御部31を設けている。
ナ5の燃焼出力を高出力と低出力とに変化させるため
に、制御部31の制御により同時に一定時間ごとにオン
/オフ動作を行う。流量計18は、燃料ガスの供給量を
監視して、バーナ5に供給する燃料ガスおよび空気の空
気比を所定の値にするために使用される。レギュレータ
29は、上記電磁弁26のオン/オフ動作がさらに確実
になるよう動作する。コントロールモータ20は、バル
ブ21により燃料ガスの供給量をコントロールしてい
る。コントロールモータ24は、バルブ25により燃焼
用の空気の供給量をコントロールしている。手動バルブ
16、22、27、28は、各配管を流れる燃料ガス等
の流量を微調整するために使用される。電磁弁23は、
UVディテクタ30がバーナ5の失火状態を検知した場
合に、燃料ガスがバーナ5へ流れないようにしている。
なお、バイパス管15は、レギュレータ29内でバイパ
スオリフィスを形成することにより構成することができ
る。
バッションエア配管41とディフュージョンエア配管4
2とからバーナ5に供給するとともに、バーナ5の燃焼
出力の高出力と低出力との交互の繰り返しを、コンバッ
ションエア配管41に設けたバルブ43と、ディフュー
ジョンエア配管42に設けたバルブ44と、燃料ガス配
管45に設けたバルブ46とを、コントロールモータ4
7により同時に開閉することにより行うよう構成してい
る。また、燃焼用の空気および燃料ガスの空気比の制御
は、コンバッションエア配管41に設けたバルブ48と
燃料ガス配管45に設けたバルブ49との開閉状態を、
コントロールモータ50により制御してコンバッション
エア配管41から空気比が1に近い一定量のエアを供給
した状態で、ディフュージョンエア配管42に設けたバ
ルブ51をコントロールモータ52により制御すること
により行っている。燃焼用の空気を、コンバッションエ
ア配管41とディフュージョンエア配管42とに分けた
のは、バーナ5の失火を防ぐためである。
ナ5への配管62に、電磁弁63およびバルブ64を設
けるとともに、燃料ガス配管65からバーナ5への配管
66に、電磁弁67およびバルブ68を設けている。そ
して、バーナ5の燃焼出力の高出力と低出力との交互の
繰り返しを、図示しない制御装置により電磁弁63、6
7を同時に開閉させることにより実施している。また、
燃焼用の空気および燃料ガスの空気比の制御は、バルブ
64とバルブ68の開閉状態を、コントロールモータ6
9、70により制御することにより行っている。
Vディテクタ30のバーナ5に対する取付位置を示す図
である。パルス式焼成炉を使用する焼成方法における低
燃焼時では、バーナ5内の炎が非常に小さく不安定とな
るため、取付位置によっては炎監視装置としてのUVデ
ィテクタ30が誤動作しやすい。そのため、図5および
図6に示す位置にUVディテクタ30を取り付けること
が望ましい。また、図6に示すような、旋回羽根、ガス
円筒式真管を組み合わせたバーナでは、図6(b)に示
すように、柚火孔72を有した保炎板71にUVディテ
クタ30の監視孔73を設けることが好ましい。
化原料を調合し、混合し、この混合物に成形助剤および
/または造孔剤として有機物および水を加えて押し出し
成形可能に可塑化し、ハニカム構造体に押出成形後乾燥
し、その後図1に示す構造の単独窯を使用し、図7に示
す焼成スケジュールで焼成してコージェライト質ハニカ
ム構造体を得た。また、従来例として、同様のコージェ
ライトハニカム成形体に対して、従来の比例式焼成炉で
同様の焼成スケジュールで焼成して、ハニカム構造体を
得た。
ある150℃と、カオリンの脱水反応が終了する温度で
ある600℃とを境にして、以下の表1に示すように空
気比を変化させた。また、本発明例および比較例の、燃
焼出力が高出力と低出力とを交互に繰り返すバーナによ
る焼成では、燃焼出力の制御を、高出力の時間が、高出
力の時間と低出力の時間の和で除した値が30〜90%
の範囲内となるようにするとともに、高出力時の高燃焼
時間が1〜10秒の範囲に、また低出力時の低燃焼時間
が1〜10秒の範囲に入るようにした。
カム構造体に対して、縦切れ発生率、端面切れ発生率、
従来例に対するガス量削減率および電力量削減率を求め
た。結果を以下の表1に示す。
の特性が得られる一方、従来例と比べて大幅にガス使用
量および電力使用量を削減できることがわかる。また、
バインダー焼成開始温度(150℃)から強熱減量終了
温度(600℃)までの温度域での空気比を3以上にし
た本発明例は、その温度域での空気比が3未満である比
較例と比べて、縦切れ発生率等の特性において良好であ
ることがわかる。また、従来の比例式焼成法に比べ空気
比が低いため、バインダー燃焼域における酸素濃度が低
く、ハニカム成形体中心部のバインダー燃焼を抑制する
ことができるので、この温度域の昇温速度を比例式焼成
法より速くしても、クラック発生率は比例式焼成法と同
等のレベルを得ることができる。
施例について説明する。 実施例2 (a)碍子 陶石:40重量%、長石:30重量%、カオリン:30
重量%からなる原料を湿式粉砕し、フィルタープレスに
より脱水してケーキを作製した。このケーキを土練した
ものをプルダウン成形して乾燥し、その後図8に示すよ
うなヒートカーブで実施例1と同様に焼成した。焼成中
の550〜750℃の温度域では、原料中の結晶水の脱
水が起こって製品温度の内外差が大きくなり、また製品
中の粘土の急激な収縮が起こる(実施例1のバインダー
燃焼開始温度から原料の強熱減量終了温度に対応す
る)。この温度域で、空気比を変化させたパルス式焼成
法の実施例および従来例として実施例1と同様な比例式
焼成法による例の切れ発生率を以下の表2に示す。
気比を3以上とした本発明例は、比例式焼成法を用いた
従来例と同等の切れ発生率を得ることができることがわ
かる。また、碍子の焼成で用いられる還元炎焼成では、
従来の比例式焼成法を利用した場合でも燃焼ガス量が少
ないため、窯内温度分布の良化は困難であったが、燃焼
ガス量を比例式焼成法に比べて十分に増加させ、パルス
出力が30〜90%の範囲のパルス焼成法を用いること
により、窯内温度分布の良化が可能となった。
ケージ、多層セラミックパッケージ、多層セラミック回
路基板、セラミックコンデンサー等の電子部品は、ドク
ターブレード法やカレンダ法等によってテープ成形され
る。このテープ成形では、セラミック原料粉体にセルロ
ースアセテート、ポリアクリレート、ポリメタクリレー
ト、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなど
のバインダーおよび/またはサクローズアセテートイソ
ブチレート、グリセリン、ジブチルフタレート、ジイソ
デシルフタラールなどの可塑剤、そして溶剤を加えたス
ラリーを使用する。
プに対して、実施例1と同様に、バインダー燃焼開始温
度から原料の強熱減量終了温度までの100〜600℃
の温度域での空気比を変えて焼成を行い、クラック発生
率を調べた。なお、100〜600℃の昇温速度は3℃
/HR と一定にするとともに、従来例として比例式焼成法
により焼成した例についてもクラック発生率を調べた。
結果を以下の表3に示す。
気比を3以上とした本発明例は、比例式焼成法を用いた
従来例と同等の切れ発生率を得ることができるのに対
し、その間の空気比を3未満にした比較例ではクラック
発生率が高くなることがわかる。
めた。実施例3 実施例1と同様の対象に対して、本発明例におけるパル
ス出力、高出力時の高燃焼時間、低出力時の低燃焼時間
を変化させて、それぞれの好ましい範囲を求めた。な
お、パルス出力についての表4では、図1に示す構造の
単独窯において、計24箇所の温度を熱電対でサンプリ
ングした。なお、設定温度は200℃であった。高燃焼
時間についての表5および低燃焼時間についての表6で
は、製品表面温度の変動幅を測定した。結果を表4、表
5、表6にそれぞれ示す。
高出力の時間と低出力の時間の和で除した値であるパル
ス出力については、本発明のなかでも30〜90の範囲
にすると、各部の温度の差を従来例と同様とできる一
方、ガス使用量を改善できるため好ましいことがわか
る。また、高燃焼時間および低燃焼時間については、そ
れぞれ1〜10秒であると、表面温度変動幅が少なくな
るため好ましいことがわかる。
めた。実施例4 実施例1と同様の対象に対して、外囲いの効果、パルス
式焼成法の適用温度範囲、高燃焼のタイミング、窯内圧
力の制御方法について、本発明を適用するうえで好まし
い範囲を調べた。 (1)外囲いの効果 ハニカム構造体の焼成において、図9に示すように、ハ
ニカム構造体81の周りにハニカム構造体81と同じ高
さもしくはそれ以上の高さのムライトやアルミナからな
る外囲い82を、バーナ83を設けた側壁84の間に設
置して本発明の焼成法を実施したところ、以下の表7に
示すように、切れ発生率を減少させることができた。
を形成する壁)が通常製品の6milに比べ4milと
薄い製品が近年開発されてきているが、これらの製品は
バインダー燃焼後から結晶化までの構造体の強度が弱い
ために、通常品よりも焼成によるクラックが発生しやす
い。そこで、パルス式焼成法適用温度範囲を室温からバ
インダー燃焼完了の350℃までとし、350℃以降は
比例式焼成法により焼成を行った場合(A)と、室温か
ら最高温度までパルス式焼成法を適用した場合(B)と
で焼成を行い、クラック発生率を比較した。結果を表8
に示す。
式焼成法に切り替えた(A)は、パルス式焼成法のみを
行った(B)に比べて、クラック発生率を減少させるこ
とができた。なお、このパルス式焼成法から比例式焼成
法への切り替え焼成は、図2〜図4に示した装置によっ
て可能となる。パルス式焼成法から比例式焼成法への切
り替えの際に、パルス出力を急激に100%に増加させ
ることは、窯内の温度や圧力を急激に変化させることと
なるため、パルス出力1%あたり100秒の速度で、パ
ルス出力を100%まで増加させ、それに伴いバーナの
燃焼出力を減少させることによって、窯内の温度や圧力
の急激な変化を抑制した。
1つのゾーンとみなし。3基のバーナ5が図10のよう
に順次高燃焼を行うことによって、窯内空気のサーキュ
レーションを引き起こした。これにより、窯内温度分布
を良化することができた。
給される風量が大きく変化するために、炉圧の変動が大
きい。炉圧が負になってしまうと窯の外から冷却空気を
吸い込み、温度分布が悪化してしまうので、炉圧変動の
下限が正になるように炉圧を設定し、排気ファンの回転
数および排気ダンパの開度を調節した。このとき、パル
スの周期による短時間の炉圧変化を許容し、排ガス量に
応じた炉圧変化のみに排気ファンの回転数や排気ダンパ
開度が追従する目的で、炉圧発振器の入力に一時遅れ演
算器(10〜40秒)を設け、入力を平均化して炉圧を
制御した。こうすることによって、炉圧の瞬間的な変化
で排気ファンの回転数や排気ダンパの開度が変化して、
炉圧がドタバタすることを防止できた。
が、トンネル窯やその他の窯においての本発明の焼成法
を好適に実施することができる。例えば、トンネル窯で
は、低温のバインダー燃焼域のバーナに本発明の焼成方
法を導入することによって、酸素濃度を下げ、製品のク
ラック発生率を減少させることができ、さらにこの部分
の昇温速度を速くしても、クラック発生率を従来と同じ
レベルにすることができる。
組成を例にとって説明したが、他の組成のセラミック成
形体に本発明を適用しても、同様な結果を得ることがで
きた。また、本発明のように燃焼装置の高出力と低出力
とを繰り返す場合、バーナの失化を防止するためには、
高出力から低出力へ、または高出力から低出力への変化
時間は、0.5秒以上が好ましい。
よれば、バインダー燃焼開始温度から原料の強熱減量終
了温度までの温度域でのバーナの空気比を3以上として
いるため、その燃焼出力が高出力と低出力とを交互に繰
り返すバーナを単数または複数有する焼成炉でセラミッ
ク成形体を焼成しても、その温度域における温度変化を
緩やかにすることができ、セラミック成形体の焼成時の
クラックの発生を防止できる。
燃焼装置の一例を示す図である。
一例の構成を示す図である。
他の例の構成を示す図である。
さらに他の例の構成を示す図である。
する取付位置の一例を示す図である。
する取付位置の他の例を示す図である。
る。
図である。
である。
ーナ、6 制御装置
Claims (5)
- 【請求項1】その燃焼出力が高出力と低出力とを交互に
繰り返すバーナを単数または複数有する焼成炉における
セラミック成形体の焼成法において、焼成の対象となる
セラミック成形体がハニカム構造体であり、バインダー
燃焼開始温度から原料の強熱減量終了温度までの温度域
でのバーナの空気比が3以上であることを特徴とするセ
ラミック成形体の焼成法。 - 【請求項2】前記バーナの高出力時の高燃焼時間が1〜
10秒である請求項1記載のセラミック成形体の焼成
法。 - 【請求項3】前記バーナの低出力時の低燃焼時間が1〜
10秒である請求項1記載のセラミック成形体の焼成
法。 - 【請求項4】前記高出力の時間を、高出力の時間と低出
力の時間の和で除した値が30〜90%の範囲内である
請求項1記載のセラミック成形体の焼成法。 - 【請求項5】焼成炉と、この焼成炉に単数または複数設
けた、その燃焼出力が高出力と低出力とを交互に繰り返
すバーナと、このバーナの燃焼状態を請求項1記載の焼
成法に従って制御する制御装置とからなることを特徴と
するセラミック成形体の焼成法に用いる燃焼装置。
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