(57)【要約】      （修正有）【課題】設備の大型化やコストの割高を伴うことなく、簡素な設備で焼成炉内の温度分布をより均一に制御することができ、被焼成物の焼成後における各種特性のばらつきを低減することができる焼成炉を提供する。【解決手段】焼成炉１０には、炉壁の上方四隅および下方四隅の合計８箇所にバーナー１１〜１８が取り付けられており、鉛直方向に隣接するバーナーから噴出する火炎によって生ずるガス流どうしを少なくとも一部において交差させることで焼成炉内の温度分布を均一に制御できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉壁に複数のバーナーを備える焼成炉において、鉛直方向に隣接するバーナーから噴出する火炎に伴うガス流どうしの少なくとも一部が互いに交差するものであることを特徴とする焼成炉。
【請求項２】
炉壁の上方四隅と下方四隅とにそれぞれバーナーを備えるとともに、炉内底部の少なくとも一箇所に排気部を備え、前記下方四隅に位置する各バーナーの火炎噴出口近傍に炉床から鉛直方向に延在する障壁を備えることを特徴とする請求項１に記載の焼成炉。
【請求項３】
炉壁に複数のバーナーを備える焼成炉の温度を制御するにあたり、鉛直方向に隣接するバーナーから噴出する火炎に伴うガス流どうしの少なくとも一部を互いに交差させ、炉内ガスを攪拌させることを特徴とする焼成炉の温度制御方法。
【請求項４】
炉壁の上方四隅と下方四隅とに設けた各バーナーから火炎を噴出し、前記下方四隅に位置する各バーナーから噴出する火炎に伴うガス流を、前記下方四隅に位置するバーナーの火炎噴出口近傍に設けた、炉床から鉛直方向に延在する障壁に到達させて上昇流とし、前記上昇流と前記上方四隅に位置する各バーナーから噴出する火炎に伴うガス流とをそれらの一部において交差させるとともに、炉内底部の少なくとも一箇所に設けた排気部から外部に排気を行い、炉内ガスを循環させることを特徴とする請求項３に記載の焼成炉の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼成炉および焼成炉の温度制御方法に係り、特に、焼成炉内部の温度分布をより均一に制御し、焼成後の被焼成物について、種々の特性のばらつきを低減することができる焼成炉の温度制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼成炉や加熱炉の内部の温度分布が不均一であると、被焼成物や被加熱物の特性にばらつきが生じる。このため、被焼成物や被加熱物の特性を均一にするために炉内の温度分布を均一に制御する必要がある。特に、加熱による上昇流の影響により炉内高さ方向でのガスの温度分布にばらつきが生じ易く、炉内に被焼成物や被加熱物を積載した場合には、上段部と下段部において、被焼成物等の特性のばらつきが問題となる。
【０００３】
従来、焼成炉内部の温度分布を均一にする方法として、炉内に攪拌器や火炎流速の大きなバーナー等を配置し、炉内ガスを強制的に対流させる攪拌方式や、炉内に複数のセンサーを設置し、その信号から炉内のバーナーのＯＮ・ＯＦＦを繰り返すマルチバーナー方式等が採用されている。
【０００４】
たとえば、被加熱物を収納して加熱する焼成室と、被加熱物を回転させる炉床テーブルとを備える炉床回転式バッチ炉であって、被加熱物の最上部に積み重ねて載置される炉内雰囲気ガスの攪拌用治具を具備しており、この攪拌用治具には上記治具の回転に伴って炉内雰囲気ガスを周囲に向かって送り出す羽根を設けている炉床回転式バッチ炉が開示されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の技術によれば、焼成室内の上層部にある炉内雰囲気ガスは、攪拌用治具に設けられた羽根の回転によってかき乱されたうえ、その周囲に向かって送り出され、焼成室の内壁面に衝突し、内壁面に沿いながら焼成室内の下層部に向かって強制的に流動する。
【０００５】
また、各バーナーに出力調整器と所定ゾーンの温度検出センサーを具備し、上記温度検出センサーの検出温度を設定温度と比較して下段バーナー用出力調整器に制御信号を出力するとともに、下段バーナーの加熱出力に対して上段バーナーの加熱出力が所定の比率となるように上段バーナー用出力調整器に制御信号を出力するバーナー制御手段を具備した焼成炉が開示されている（特許文献２参照）。特許文献２に記載の技術によれば、上段側および下段側バーナーの安定した制御を行うことができ、炉内の温度分布を良好とすることができる。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１７２４７１号公報（要約書）
【特許文献２】特開平７−５５３４７号公報（要約書）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の攪拌方式やマルチバーナー方式では、上記したように、温度分布改善に一定の効果が得られている。しかしながら、特許文献１に記載の攪拌方式では攪拌器が必要であり、特許文献２に記載の方法では多数のバーナーや各種制御装置が必要となる。このため、これらの方法には、種々の装置が必要となることから、設備の大型化、コストの割高といった問題がある。よって、攪拌器や各種制御装置等を必要とせず、簡素な設備により焼成炉内の温度制御を実現できる技術の開発が要請されていた。
【０００８】
本発明は、上記要請に鑑みてなされたものであり、設備の大型化やコストの割高を伴うことなく、簡素な設備で焼成炉内の温度分布をより均一に制御することができ、被焼成物の焼成後における各種特性のばらつきを低減することができる焼成炉および焼成炉の温度制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは、上記目的に沿って、簡素な設備で焼成炉内の温度分布をより均一に制御することができ、被焼成物の焼成後における各種特性のばらつきを低減可能な焼成炉について鋭意研究を重ねた。その結果、焼成炉内に複数のバーナーを設置し、これらのバーナーから噴出する火炎によって生ずる炉内ガス流の方向を制御すること、具体的には、鉛直方向に隣接するバーナーから噴出する火炎によって生ずるガス流どうしをその少なくとも一部において交差させることで、攪拌器や各種制御装置を使用しなくても炉内でガス流が対流するとともに攪拌され、結果的に焼成炉内の温度分布をより均一に制御できるとの知見を得た。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
【００１０】
すなわち、本発明の第１の焼成炉は、炉壁に複数のバーナーを備え、鉛直方向に隣接するバーナーから噴出する火炎に伴うガス流どうしの少なくとも一部が互いに交差するものであることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明者らは、上記した本発明の第１の焼成炉の具体化について検討した。その結果、例えば、上下方向の各四隅に合計８台のバーナーを備える焼成炉においては、炉内の４箇所において、鉛直方向に隣接するバーナーから噴出する火炎によって生ずるガス流どうしをその少なくとも一部において交差させるに際し、下方に位置するバーナーから噴出する火炎によって生ずるガス流（以下、単に「下方ガス流」と称する場合がある）をその発生箇所近傍において上昇流とし、次いでこの上昇流と、上方に位置するバーナーから噴出する火炎によって生ずるガス流（以下、単に「上方ガス流」と称する場合がある）とをそれらの少なくとも一部において交差させることで、上記焼成炉内の温度分布の均一化が実現できるとの知見を得た。
【００１２】
このように、下方ガス流を上昇流とする理由を以下に述べる。図５は、従来の焼成炉を示し、図中（ａ）はその側方断面図であり、（ｂ）はその平面図である。なお、図５（ａ）は図５（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。この焼成炉５０には、同図に示すように、上方四隅と下方四隅とにそれぞれバーナー５１〜５８が取り付けられており、炉内の底部に排気口５９が形成されている。
【００１３】
このような焼成炉を稼働させる場合には、焼成炉の中央底部に、複数の通気口６０ａ付きの台車６０を設置し、この台車６０上に被焼成物を積載して焼成を行う。このような状況下では、炉壁の下方に位置するバーナー５３，５４，５７，５８から火炎が噴出されると、この火炎によって生ずるガス流が被焼成物に直接当たり、特に、積載した被焼成物のうち、比較的下方に位置する被焼成物近傍の温度が高くなる。よって、積載した被焼成物の鉛直方向においては、焼成時に著しい温度差が生じる。
【００１４】
そこで、発明者らは、上述したように、下方ガス流を被焼成物に直接当てることなく上昇流として被焼成物から迂回させ、この上昇流と上方ガス流とをそれらの少なくとも一部において交差させて炉内ガス流を攪拌することが、炉内の温度をより均一に保持し、特に積載した被焼成物の鉛直方向の温度差を抑制することができると判断した。
【００１５】
さらに、従来、排気部は、炉の天井壁や炉内底部のいずれかに設けることが一般的であったところ、上記したような手法により下方ガス流を上昇流として上方ガス流と交差させる場合には、排気部を炉内底部に設けることで、炉内のガス流をより好適に対流させるとともに攪拌させることができ、全体として炉内ガス流を効率的に循環させることができるとの知見を得た。これにより、鉛直方向の積載位置にかかわらず被焼成物の品質をより均一に制御することができる。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
【００１６】
すなわち、本発明の第２の焼成炉は、上記第１の焼成炉を具体化したものであり、炉壁の上方四隅と下方四隅とにそれぞれバーナーを備えるとともに、炉内底部の少なくとも一箇所に排気部を備え、上記下方四隅に位置する各バーナーの火炎噴出口近傍に炉床から鉛直方向に延在する障壁を備えることを特徴としている。
【００１７】
このような第２の焼成炉は、上記第１の焼成炉の一具体例にすぎないことから、バーナーの数は、上方四隅と下方四隅との合計８台に限られず、得られる被焼成物の必要特性に応じて適宜その数を増減することができる。また、炉内底部に設けた排気部についても、その大きさ、数および位置は、特に限定するものでははく、被焼成物の必要特性や設備への投資可能範囲等に応じて適宜変更することができる。
【００１８】
次に、本発明の第１の焼成炉の温度制御方法は、以上に示した焼成炉の温度を好適に制御する方法であり、炉壁に複数のバーナーを備える焼成炉の温度を制御するにあたり、鉛直方向に隣接するバーナーから噴出する火炎に伴うガス流どうしの少なくとも一部を互いに交差させ、炉内ガスを攪拌させることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明の第２の焼成炉の温度制御方法は、上記第１の焼成炉の温度制御方法を具体化したものであり、炉壁の上方四隅と下方四隅とに設けた各バーナーから火炎を噴出し、上記下方四隅に位置する各バーナーから噴出する火炎に伴うガス流を、上記下方四隅に位置するバーナーの火炎噴出口近傍に設けた、炉床から鉛直方向に延在する障壁に到達させて上昇流とし、上記上昇流と上記上方四隅に位置する各バーナーから噴出する火炎に伴うガス流とをそれらの一部において交差させるとともに、炉内底部の少なくとも一箇所に設けた排気部から外部に排気を行い、炉内ガスを循環させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の焼成炉によれば、炉内のガス流の攪拌を、当該ガス流の適正化や排気部の設置箇所の適正化により実現し、設備の大型化やコストの割高を伴うことなく、簡素な設備で焼成炉内の温度分布をより均一に制御することができる。このため、被焼成物の焼成後における各種特性のばらつきを低減することができ、その品質の均一化や歩留り向上を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して、本発明の好適な実施形態を説明する。
図１は、本発明の焼成炉の一例を示し、図中（ａ）はその側方断面図であり、（ｂ）はその平面図である。なお、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。この焼成炉１０には、炉壁の上方四隅および下方四隅の合計８箇所にバーナー１１〜１８が取り付けられている。これらのバーナー１１〜１８は、図１（ａ）に示すように、その鉛直方向に隣接するものどうしの間においては同方向に火炎を噴出するよう配置され、図１（ｂ）に示すように、その幅方向や奥行き方向に隣接するものどうしの間においては火炎により生ずるガス流が旋回流となるよう互いに垂直に配置されている。
【００２２】
また、下方に位置する４箇所の各バーナー１３，１４，１７，１８の近傍には、下方ガス流の方向を変更して上昇流とするためのレンガ製の障壁１９〜２２が設けられており、これらの障壁１９〜２２は、炉床から鉛直方向に延在している。さらに、炉底部には、炉内のガス流を全体として好適に循環させるための排気口２３が形成されている。
【００２３】
加えて、炉内の中央底部には、被焼成物を相当高さまで積載するための台車２４が配置されており、この台車２４には、炉内のガス流をさらに好適に循環させるために複数の通気口２４ａが形成されている。
【００２４】
このような構成の下、炉壁下部に設置された４つのバーナー１３，１４，１７，１８から噴出する火炎は、それぞれガス流を引き起こし、これらのガス流はレンガ製の配管を経て炉内に侵入し、上記障壁１９〜２２によってその進行方向を変更して上昇流となる。次いで、この上昇流は、図１（ａ）に示すように、炉壁上部に配置されたバーナー１１，１２，（１５，１６）から噴出する火炎によって生ずる上方ガス流と少なくとも一部において交差し、図１の炉幅方向の中央部に向かって進行する。
【００２５】
この際、上昇流となった下方ガス流と上方ガス流とが炉内の４箇所において交差した混合流の大部分は、図１（ｂ）に示すように、炉の平面視においては、旋回流をなすように進行する。最後に、これらの混合流は、炉の平面視において旋回しながら台車の通気口２４ａを介して炉底部の排気口２３から外部に排出される。
【００２６】
以上のような炉内のガス流の進行態様によれば、比較的下方に積載された被焼成物の温度のみを上昇させることなく、炉内の温度分布をより均一に制御することができる。このため、被焼成物の焼成後における各種特性のばらつきを低減することができ、その品質の均一化や歩留り向上を実現することができる。なお、このような炉内のガス流の攪拌、循環は、当該ガス流の適正化や排気部の設置箇所、数および位置の適正化によってのみ実現されるものであり、設備の大型化やコストの割高を伴うことなく、簡素な設備で達成することができる。
【００２７】
図２は、本発明の他の好適な焼成炉を示す側面図であり、基本原理は、図１に示す焼成炉と同様である。したがって、図２では、図１に示す焼成炉と同様の構成要素については、その記載を省略する。図２に示す焼成炉３０では、炉壁下部に設置された４箇所の各バーナー（図に示すところでは、バーナー３１，３２）の噴出口から延在するレンガ製の配管に角度を付与し、炉壁下部から噴出する火炎によるガス流と、鉛直方向に隣接して炉壁上部に設置された４箇所の各バーナー（図に示すところでは、バーナー３３，３４）から噴出する火炎によるガス流とをそれらの一部において交差させる。このような焼成炉３０の構成によれば、図１に示す構成の焼成炉と同様の温度制御効果が得られるのみならず、図１に示す焼成炉に用いたレンガ製の障壁を別途設ける手間を省くことができ、焼成炉をより簡素で経済的なものとすることができる。なお、図２に示す矢印は、炉内ガス流の進行方向である。
【００２８】
図３は、本発明の他の焼成炉を示す側面図であり、この例についても、基本原理は図１，２に示す焼成炉と同様であるため、図１に示す焼成炉と同様の構成要素については、その記載を省略する。図３に示す焼成炉４０では、上方に位置する４箇所の各バーナー（図に示すところでは、バーナー４１，４２）の近傍に、上方ガス流の方向を変更して下降流とするためのレンガ製の４箇所の障壁（図に示すところでは障壁４３，４４）が設けられているとともに、炉天井部に、炉内のガス流を全体として好適に循環させるための排気口４５が形成されている。
【００２９】
このような構成の下、炉壁上部に設置された４つのバーナーから噴出する火炎は、それぞれガス流を引き起こし、これらのガス流はレンガ製の配管を経て炉内に侵入し、障壁４３，４４によって、その進行方向を変更して下降流となる。次いで、この下降流は、炉壁下部に配置されたバーナー（図に示すところではバーナー４６，４７）から噴出する火炎によって生ずる下方ガス流と少なくとも一部において交差し、図３の炉幅方向の中央部に向かって進行する。このような焼成炉においても、図１に示す焼成炉と同様の温度制御効果が得られる。なお、図３に示す矢印は、炉内ガス流の進行方向である。
【００３０】
以上に示す焼成炉は、全てそのガス流の進行初期段階において、鉛直方向に隣接するバーナーから噴出する火炎により生ずるガス流どうしをそれらの一部において交差させる態様のものであり、特に被焼成物の鉛直方向での温度差を抑制する効果がある。なお、炉壁の幅方向や奥行き方向に隣接するバーナーから噴出する火炎により生ずるガス流どうしを交差させた場合においては、特に、炉内幅方向や奥行き方向における温度分布をより均一に制御することができる。
【実施例１】
【００３１】
以下に、本発明の焼成炉を稼働し、炉内の複数箇所における温度分布を調査した結果を示し、本発明の効果をより詳細に説明する。
[発明例]
図１に示す焼成炉の炉内を９００℃で６時間加熱した後、９４０℃で６時間加熱した。図４は、図１に示す焼成炉内の温度測定位置を示す平面図であり、図４中のＡ〜Ｅの各位置にて炉内高さ方向の温度分布をそれぞれ測定した。炉内高さ方向の温度測定位置は、下段（炉床より７６０ｍｍ）、中段（炉床より１０５０ｍｍ）、上段（炉床より１３３０ｍｍ）の３箇所とした。その結果を表１および図６に示す。
【００３２】
【表１】
2006183915.tif 000003
【００３３】
[比較例]
図５に示す従来の焼成炉を用い、炉壁上下に隣接したバーナーから噴出した火炎により生ずるガス流どうしを交差させないこと以外は、図１に示す焼成炉と同様にして炉内を加熱し、その温度分布を測定した。その結果を表２及び図６に示す。
【００３４】
【表２】
2006183915.tif 000004
【００３５】
表１および表２から明らかなように、本発明の焼成炉である発明例は、従来の焼成炉である比較例よりも炉内の温度のばらつきが小さい。比較例では最高温度と最低温度との差が２６℃であるのに対し、実施例ではその差が１３℃と極めて小さく、温度分布がより均一なものであることが判る。また、表１および表２より、炉内各高さ（下段、中段、上段）で５点ずつ測定した温度のばらつきについても、発明例は比較例に比して小さいことが判る。さらに、表１、表２および図６より、比較例では炉内高さ方向における平均温度の差が１０℃と高いのに対し、発明例では５℃と低く、発明例は比較例よりも炉内高さ方向の温度分布がより安定していることが判る。したがって、本発明の焼成炉によって被焼成物を焼成すると、被焼成物の積載場所や、積載する高さによる被焼成物の品質のばらつきが従来に比して抑制され、各種特性がより均質な被焼成物を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明によれば、炉内ガス流の適正化や排気部の設置箇所の適正化により、焼成炉内部の温度分布をより均一に制御し、焼成後の被焼成物について、種々の特性のばらつきを低減することができる。よって、本発明は、高純度のチタン酸バリウムやチタン酸リチウムの焼成に利用することができる点で有望である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の焼成炉の例を示し、（ａ）はその側方断面図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図２】本発明の焼成炉の他の例を示す側面図である。
【図３】本発明の焼成炉の他の例を示す側面図である。
【図４】図１に示す焼成炉内の温度測定位置を示す平面図である。
【図５】従来の焼成炉を示し、（ａ）はその側方断面図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図６】本発明および比較例の各焼成炉の稼働時の、各位置における温度分布の結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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