JP2006112770A

JP2006112770A - 真空浸炭炉

Info

Publication number: JP2006112770A
Application number: JP2005065150A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Iwagami; 良行岩上; Satoru Harai; 哲原井
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】断熱材への重合物・煤等の蓄積抑制と、蓄積した重合物・煤等をバーンアウトにより燃焼させ断熱材の断熱機能を維持させる浸炭室を有する真空浸炭炉を提供。
【解決手段】断熱材枠３の内部には、２層組合せたセラミックスファイバーボード断熱材４、５の中間に空間連結断熱材６を介して空間層９を配置した３層構成にしてなる断熱層を有し、空間層９の内側に配置したセラミックスファイバーボード断熱材５は、炉内内部温度に耐えうる材質のものを使用し、空間層９の温度分布が約 500〜600 ℃となるように空間層９の内側に配置した断熱材５の材質及び層数を選定し、かつ空間層９に外部からの空気導入ノズル13を配置している。
【選択図】図１

Description

本発明は、浸炭室を有する真空浸炭炉に関し、特に真空浸炭炉の浸炭室の断熱材構造に関する。

高温減圧下で炭化水素系ガスによる真空浸炭を行う浸炭室を有する真空浸炭炉は周知であり、この場合、炭化水素系ガスが炭素と水素に分解して炭素分が鋼の表面で反応し浸炭が起きるといわれている。炭化水素系ガスは高温減圧下で炭素と水素の分解のほか、重合反応が起き重合物が発生する可能性があり、又、温度分布状態により分解した炭素が煤化する可能性もある。この重合物や煤といった発生物が断熱材に含浸され断熱機能の劣化につながるため、従来よりバーンアウトによる発生物を燃焼させる方法が知られている。
特許文献１には、図10に示す、浸炭室を有する真空浸炭炉の概略断面ブロック図でみるように、炉殻31と、その内側に配置された断熱枠32と、さらにその内側に配置された厚板状または多層状の断熱材であるアルミナ・シリカ系セラミックファイバーブランケット 33、34と薄板状のアルミナ系セラミック複合材35とによって形成した断熱層と、からなる浸炭室40を有する真空熱処理炉30が記載されている。37はワーク、38は炉床、41は炭化水素系ガスノズル、42は排気口である。図11は図10の断熱材構成と留め方の一例を示す部分拡大説明図である。断熱材33、34、35はスタッド45、ナット44により断熱枠32に溶接46で留められている。
特開２００２−３５７３８９号公報

かかる従来の浸炭室を有する真空熱処理炉では、断熱材に含浸された炭化水素系ガスの重合物・煤等の発生物は断熱材内部まで拡散し、バーンアウトを実施しても表面近くのものは燃焼するが内部に蓄積されたものは十分酸素がいきわたらないことと断熱材による断熱効果のため、温度分布が発生物の発火点以下であれば燃焼せず蓄積量が次第に増加し、断熱材の蓄熱量が増加し昇温、降温時間が延びサイクルタイムに影響することと消費エネルギーの増大につながる。また断熱材の断熱機能が劣化してきたときには、図10の断熱材構成と留め方の一例を示す図11でみるように、断熱材33、34、35はスタッド45、ナット44により断熱枠32に溶接46で留められているので、断熱材33、34、35一式を交換する必要があり、費用面、時間的な点からも無駄が多かった。
特許文献１に記載の真空熱処理炉の断熱層の断熱材構成では、これを炭化水素系ガスを使用する真空浸炭炉として使用するときは、前述の炭化水素系ガスの重合物・煤等の発生物が断熱材内に含浸される可能性があり、特に内側断熱材であるアルミナ系セラミック複合材35及びアルミナ・シリカ系セラミックファイバーブランケット 33、34は重合物、煤等の発火温度は約500 ℃以下のためバーンアウトしても燃焼せず、次第に重合物・煤等が断熱材内に蓄積されてゆく。また特許文献１の請求項３では、上記断熱層のうち少なくとも一層を炭素繊維のボードまたは炭素繊維のフェルトまたは炭素繊維の板材で構成する浸炭室を提案しているが、かかる真空熱処理炉の断熱層は、バーンアウトすると断熱材自体が燃焼するためバーンアウトできない課題があった。

本発明の課題は、真空浸炭炉の浸炭室において、断熱材への重合物・煤等の蓄積抑制と蓄積した重合物・煤等をバーンアウトにより燃焼させ断熱材の断熱機能を維持させることにある。本発明の別の課題は、断熱性能が劣化したときに最小費用と短時間で断熱材の交換およびメンテナンスを可能にした浸炭室を有する真空浸炭炉を提供することにある。

このため本発明は、真空浸炭炉の浸炭室において、該浸炭室は、断熱枠とその内側に多層組合せて配置された断熱材からなる断熱層を有し、多層組合せた該断熱材の中間に空間連結断熱材を介して空間層を配置し、該空間層の温度分布を約 500〜600 ℃となるように該空間層の内側に配置した該断熱材の材質及び層数を選定し、かつ該空間層に外部からの空気導入ノズルを配置した浸炭室としたことを特徴とする真空浸炭炉を提供することによって上記した従来製品の課題を解決した。

かかる構成により、本発明の真空浸炭炉の浸炭室においては、多層組合せた該断熱材の中間に空間層を配置し、該空間層の温度分布を 500〜600 ℃となるように該空間層の内側に配置した該断熱材の材質を選定し、かつ該空間層に空気導入ノズルを配置した浸炭室としたので、内層部の断熱材へ重合物、煤等の蓄積抑制と蓄積された重合物、煤等を炉の内部からと空間層からと両面からバーンアウトをすることになり断熱材内部の重合物、煤等をほぼ完全に燃焼することができ、断熱材の断熱機能を維持させる断熱層をもつ浸炭室を有する真空浸炭炉を提供するものとなった。

好ましくは、該断熱材はセラミックスファイバーボードとし、及び／又は、該空間連結断熱材の内側に配置した該断熱材を取り囲む鋼材製内側断熱枠を、該内側に配置した該断熱材に固定して配置してもよい。
さらに好ましくは、該空間層の内側に配置した該断熱材を、該空間層の外側に配置した該断熱材とは区別して、個別に分解交換できる構造とすることにより、断熱層の断熱性能が劣化したときに、最小費用と短時間で断熱材の交換およびメンテナンスを可能にしてもよい。

本発明を実施するための最良の形態の一例を図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態の、空間連結断熱材６を含む、３層のセラミックスファイバーボード断熱材構成の浸炭室を有する真空浸炭炉の概略断面ブロック図、図２は図１の浸炭室での断熱材の留め方を示す部分拡大説明図、図３は図１の浸炭室での３層組合せた各断熱層の温度分布を示す説明図である。本発明の実施形態では、断熱材はセラミックスファイバーボードを使用したが、他のアルミナ系セラミック複合材を使用してもよい。

図１乃至図３に示すように、本発明の第１の実施形態の真空浸炭炉１の浸炭室兼加熱室10では、炉体２の内部に断熱材枠３が図示しない取付具により炉体２に固定されている。炉体２に取付けられた炉床８上に図示しないトレイ又はバスケットに積載された被処理物であるワーク７が載置されている。炉体２上部に取付けられた熱源ラジアントチューブ16が図１ではワーク７の左右にあって、ワーク７を加熱する。浸炭用炭化水素系ガスは炉体上部から浸炭用炭化水素系ガスノズル11により炉内に注入され、炉内下部に設置された排気口12から図示しない真空ポンプにより炉体外部に排気される。断熱材枠３の内部には、２層組合せたセラミックスファイバーボード断熱材４、５の中間に空間連結断熱材６を介して空間層９を配置した３層構成にしてなる断熱層を有し、空間層９の温度分布が約 500〜600 ℃となるように空間層９の内側に配置したセラミックスファイバーボード断熱材５は炉内内部温度に耐えうる材質及び層数を選定し、かつ空間層９に外部からの空気導入ノズル13を配置している。２層目は空間層９とし最内層アルミナシリカ系セラミックスファイバーボード断熱材４を固定するスタッド15のために部分的にアルミナシリカ系セラミックスファイバーボード空間連結断熱材６を入れる。図２に示すように、断熱材枠３はパンチングメタル材等の通過性のある材料で作られており、断熱材 4、5、6はスタッド15を断熱材枠３に溶接しワッシャー17を介してナット18により、外層断熱材４を挟んで共締めし固定する。これに対し、外層断熱材４は単独でスタッド65、ナット64により断熱枠３に留められて固定される。図１の浸炭室10での３層組合せた各断熱層 4、5、6の温度分布を示す説明図である図３に示すように、図１の浸炭室10の炉内温度は約950 ℃であるが、空間層９の温度分布が約 500〜600 ℃となるようにされている。

かかる構成により、本発明の実施形態の真空浸炭炉１の浸炭室10においては、多層組合せた該セラミックスファイバーボード断熱材 4、5の中間に空間連結断熱材６を介して空間層９を配置し、空間層９の温度分布を 500〜600 ℃となるように空間層９の内側に配置した該セラミックスファイバーボード断熱材５の材質と層数を選定し、かつ空間層９に空気導入ノズル13を配置した浸炭室10としたので、内層部の断熱材５へ重合物、煤等の蓄積の抑制と、蓄積された重合物、煤等は浸炭室10の内部からと空間層９からと両面からバーンアウトをすることになり、内層部の断熱材５内の重合物、煤等はほぼ完全に燃焼することができ、断熱材５の断熱機能を維持させる断熱層をもつ浸炭室10を有する真空浸炭炉１を提供するものとなった。

作動においては、図示しない搬入装置で浸炭室10内に搬入されたワーク７は熱源により加熱される。熱源はセラミックス製ラジアントチューブ16に電気ヒータを入れるか又はガス焚きが一般的である。炉体２外部から浸炭ガスとして炭化水素系ガス例えばエチレン、プロパン等を浸炭用炭化水素系ガスノズル11により炉内に注入し、注入し浸炭工程、拡散工程を行う。炭化水素系ガスは高温減圧下で炭素と水素に分解するが一部重合反応し重合物を生成する。重合物は気体状で多くは排気口12より排気されるが、断熱材の気孔率が非常に高いため断熱材内部に拡散して断熱材組織に絡みつく現象がみられる。いったん絡みつくと次第に増大していく傾向があり、絡みつく温度は500 ℃以上であることが実炉および確認試験で実証されている。空間部９には炉体２外部から空気導入ノズル13を入れバーンアウト時に空気を入れる。熱処理設備の性格上、24時間運転が一般的であるため、バーンアウトは週末に実施する例が多く、その週に蓄積された重合物、煤等を燃焼させる量の空気を注入する。空間部９も減圧下であるため断熱効果があり、空間部９を設けない断熱構成と比較して、空間部９を設けたことによる断熱効果の減少はない。

図４は本発明の第２の実施形態のセラミックスファイバーボード断熱材構成の浸炭室を有する真空浸炭炉の概略断面ブロック図で、炉内設定温度により断熱材の層数を変える例として、浸炭室30の炉内温度1,000 ℃で断熱材の積層数を、空間連結断熱材26を含む、４層構成とした例で示す。図５にその断熱材 23、24、25、26の留め方の詳細を示す部分拡大説明図で、外層断熱材23は単独でスタッド65、ナット64により断熱枠22にに留められ、空間層29の内側に配置した内層断熱材 24、25と空間連結断熱材26はスタッド55、ナット54により外層断熱材23を挟んで断熱枠22に溶接されたスタッド55により共締めされる。かつ空間層29に空気導入ノズル13を配置し、空間層29までの断熱材24、25、26に重合物や煤等を蓄積させる。図６は図４の浸炭室30の断熱材23、24、25及び空間部29の温度分布状態を示す説明図で、空間層29の温度分布は約 500〜600 ℃とされている。炉内設定温度が 900℃〜950 ℃位では３層構成とし、950 ℃を超える場合は４層以上の構成とするのが好ましい。

図７（ａ）は本発明の第３の実施形態の、空間連結断熱材６の内側に配置した断熱材５を取り囲む鋼材製内側断熱枠71を、内側に配置した断熱材５に固定して配置した真空浸炭炉70の概略断面ブロック図、（ｂ）は（ａ）の浸炭室10でのセラミックスファイバーボード断熱材の留め方を示す部分拡大説明図をそれぞれ示す。鋼材製内側断熱枠71以外は図１〜３と同じであり、説明を省略する。鋼材製内側断熱枠71は軽量形鋼製で、図７（ｂ）に示すように、空間連結断熱材６の部分に平鋼72をわたした簡易なものとし、すかし73を設けている。図８（ａ）は鋼材製内側断熱枠71の１面分の斜視図で、断熱枠71は外枠75に空間連結断熱材６の部分に平鋼72をわたした。断熱枠71は内側に配置した断熱材５の６面に配置され、（ｂ）で示すように（ａ）の鋼材製内側断熱枠71の外枠75穴74をボルト75で止めて固定する。図９（ａ）は本発明の第４の実施形態の、空間連結断熱材26の内側に配置した断熱材 24、25を取り囲む鋼材製内側断熱枠81を、内側に配置した断熱材24に固定して配置した真空浸炭炉80の概略断面ブロック図、（ｂ）は（ａ）の浸炭室20でのセラミックスファイバーボード断熱材の留め方を示す部分拡大説明図をそれぞれ示す。鋼材製内側断熱枠71以外は図４〜６と同じであり、説明を省略する。
図７、図９において、空間連結断熱材6、26の内側に配置した断熱材5、24を取り囲む鋼材製内側断熱枠 71、81を、内側に配置した断熱材5、24に固定して配置したことにより、図１、図４において、時間が経過すると共に、空間連結断熱材6、26が当たらない空間連結断熱材6、26の内側に配置した断熱材5、24の外側の空間層9、29と接する部分が断熱材5、24、25内部の温度差による変形を防止する真空浸炭炉 70、80を提供するものとなった。

断熱材の性能劣化したとき断熱材を一式交換する例が多い。本発明の実施形態の真空浸炭炉1、21の浸炭室 10、20においては、空間層9、29の内側に配置したセラミックスファイバーボード断熱材5、6、25、24、26を、空間層9、29の外側に配置したセラミックスファイバーボード断熱材4、23とは区別して、個別に分解交換できる構造とすることにより、断熱層の断熱性能が劣化したときに、最小費用と短時間で断熱材の交換およびメンテナンスを可能にした浸炭室を有する真空浸炭炉を提供するものとなった。

本発明の第１の実施形態の、空間連結断熱材６を含む３層のセラミックスファイバーボード断熱材構成の浸炭室を有する真空浸炭炉の概略断面ブロック図。図１の浸炭室でのセラミックスファイバーボード断熱材の留め方を示す部分拡大説明図を示す。図１の浸炭室での３層組合せた各断熱層の温度分布を示す説明図。本発明の第２の実施形態の、空間連結断熱材26を含む、４層のセラミックスファイバーボード断熱材構成の浸炭室を有する真空浸炭炉の概略断面ブロック図。図４の浸炭室でのセラミックスファイバーボード断熱材の留め方を示す部分拡大説明図。図４の浸炭室での４層組合せた各断熱層の温度分布を示す説明図。（ａ）本発明の第３の実施形態の、空間連結断熱材の内側に配置した断熱材を取り囲む鋼材製内側断熱枠を、内側に配置した該断熱材に固定して配置した真空浸炭炉の概略断面ブロック図、（ｂ）は（ａ）の浸炭室でのセラミックスファイバーボード断熱材の留め方を示す部分拡大説明図。（ａ）は図７の鋼材内側製断熱枠の１面分の斜視図、（ｂ）は（ａ）の断熱枠の止め方を示す要部断面図。（ａ）本発明の第４の実施形態の、空間連結断熱材の内側に配置した断熱材を取り囲む鋼材内側製断熱枠を、内側に配置した該断熱材に固定して配置した真空浸炭炉の概略断面ブロック図、（ｂ）は（ａ）の浸炭室でのセラミックスファイバーボード断熱材の留め方を示す部分拡大説明図。特許文献１の浸炭室を有する真空浸炭炉の概略断面ブロック図。図７の断熱材構成と留め方の一例を示す部分拡大説明図。

符号の説明

１：真空浸炭炉２：炉体３：断熱材枠
4、23、5、25、24：セラミックスファイバーボード断熱材８：炉床
6、26：空間連結断熱材７：ワーク 9,29：空間層
10,20 ：浸炭室 13 ：空間層への空気導入ノズル

Claims

真空浸炭炉の浸炭室において、該浸炭室は、断熱枠とその内側に多層組合せて配置された断熱材からなる断熱層とを有し、多層組合せた該断熱材の中間に空間連結断熱材を介して空間層を配置し、該空間層の温度分布を約 500〜600 ℃となるように該空間層の内側に配置した該断熱材の材質及び層数を選定し、かつ該空間層に外部からの空気導入ノズルを配置したことを特徴とする真空浸炭炉。
該断熱材はセラミックスファイバーボードであることを特徴とする請求項１記載の真空浸炭炉。
該空間連結断熱材の内側に配置した該断熱材を取り囲む鋼材製内側断熱枠を、該内側に配置した該断熱材に固定して配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の真空浸炭炉。
該鋼材製内側断熱枠は、該空間連結断熱材に当たる部分に平鋼を配置してすかしを設けたことを特徴とする請求項３記載の真空浸炭炉。
該空間層の内側に配置した該断熱材を、該空間層の外側に配置した該断熱材とは区別して、個別に分解交換できる構造としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１に記載の真空浸炭炉。