JP2008285746A

JP2008285746A - 鉄心焼鈍炉

Info

Publication number: JP2008285746A
Application number: JP2007311898A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Shimao; 大輔島尾; Koichi Katano; 耕一片野
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2027-12-03
Also published as: US20100084796A1; US8257644B2; JP5241212B2; CN101611158A; WO2008136142A1; CN101611158B

Abstract

【課題】焼鈍炉の炉内温度を均熱化し鉄心の焼鈍を行うもので、特に、熱処理時間のシビアなアモルファス材鉄心の焼鈍に有効な手段となる焼鈍炉を提供する。
【解決手段】アモルファス鉄心を焼鈍する鉄心焼鈍炉において、炉体上部に熱源及びファン１を設置し、該炉体は、炉体の内側の隔壁で形成された炉内１４と、該隔壁と炉体外側の外壁２Ｂとで形成された空間の二層構造を形成し、該ファンは前記炉体上部中央に設置し、前記ファンは、二層構造の炉内から熱風を取り込み、二層構造の外側へ熱風を送り、該炉体下部より炉内に入り、鉄心１２を加熱して、熱風を循環させることを特徴とする。
【選択図】図１（ａ）

Description

本発明は主に、アモルファス鉄心の焼鈍に対応した焼鈍炉であり、焼鈍温度管理がシビアな材料からなる鉄心の焼鈍炉に関するものである。

現在、変圧器の鉄心としてアモルファス薄帯（板厚0.025ｍｍ前後）を適用しているが、アモルファス薄帯は非常に薄く、所定積み厚まで積み重ねると所要枚数が数百枚にも及ぶものである。そのため、アモルファス鉄心は内部への熱の伝わりが悪く、また、アモルファス鉄心自体、熱処理条件がシビアであるため、使用する焼鈍炉は均熱化及び、それに必要な制御が求められている。また、焼鈍する際には、励磁電流を鉄心中央に流して置く必要がある。これらの処理を行うことにより、所要の特性を得ることができる。また、処理能力を上げるため、一度に幾つも焼鈍できるよう、所定の列と段にて鉄心を配置し焼鈍を行っている。

従来の炉としては、炉内雰囲気を不活性ガスで充満させ、鉄心の酸化を防ぐと共に、不活性ガスにて熱を伝えるものとしている。炉の構造としては、ヒータ部、循環ファン部、冷却部からなっており、それらは炉内に設置されており、ヒータ部及び、冷却部にて温度調節されたガスが、循環ファンにて炉内を循環する方式となっている。循環する方法としては、横から送る方法と上下に流す方法がある。

不活性ガスとしては、不活性ガスを炉内部へ一定量流し続ける方法及び、一度真空引きをし、その後不活性ガスへ移行させる方式が挙げられる。

温度パターンとしては、加熱、均熱維持、冷却と３種類に分けられるが、温度制御は市販されている温度調節機器にて制御を行っているものである。

また、特許文献１においては、熱風を循環する際、整流化して均熱化を図っているが、熱風の入口及び出口、また、中心位置とで温度差ができる。

特開平５−１８６８２号公報

炉内に入れる製品の個数や設置方法により、炉内温度のばらつきが増加し、特に、熱風入口側と出口側、または炉内外周部と炉内中心部では大きな温度差が出来ると言った問題が挙げられる。また、処理量を増加させるために炉体を大きくすると、さらに均一な焼鈍が困難であった。

本発明は、上記問題点を解決するもので、アモルファス鉄心等の焼鈍温度管理がシビアな材料からなる鉄心を、炉内を均一に加熱し焼鈍する焼鈍炉を提供することを目的にする。

本発明は、上記目的を達成するために、アモルファス鉄心を焼鈍する鉄心焼鈍炉において、炉体上部に熱源及びファンを設置し、該炉体は、炉体の内側の隔壁で形成された炉内と、該隔壁と炉体外側の外壁とで形成された空間の二層構造を形成し、該ファンは前記炉体上部中央に設置し、前記ファンは、二層構造の炉内から熱風を取り込み、二層構造の外側へ熱風を送り、該炉体下部より炉内に入り、鉄心を加熱して、熱風を循環させることを特徴とする。

また、上記鉄心焼鈍炉において、前記熱源は、前記ファンの周囲の前記炉体上部側面に概等間隔に配置したことを特徴とする。

また、上記鉄心焼鈍炉において、前記炉内下部には、孔を有した整流板を設けたことを特徴とする。

また、上記鉄心焼鈍炉において、前記二層構造の外側の循環路より炉内に熱風を送るルーバーを、複数箇所前記隔壁に設けたことを特徴とする。

また、上記鉄心焼鈍炉において、前記炉内の温度計測のため熱電対を設置し、温度情報により前記ファンの回転数を制御し、風量を変化させることを特徴とする。

さらに、上記鉄心焼鈍炉において、前記鉄心の特性値及び応力の軽減のため、励磁電流が付加可能なことを特徴とする。

また、上記鉄心焼鈍炉において、前記焼鈍炉内の上段、中段又は下段の鉄心の内部又は表面温度を計測し、それぞれの温度情報により、ファンの回転数、またはルーバーの開閉を制御し、前記炉内を均熱に熱処理することを特徴とする。

本発明によれば、炉内温度は均熱化されており、バッチ式にて１度に大量の熱処理が行え、現状使用しているアモルファス鉄心の焼鈍が熱処理条件のシビアなものにおいても対応できる。

本発明を実施するための最良形態を説明する。

本発明の二層構造熱風循環焼鈍炉の実施例について、図面を用いて説明する。

本発明を図面を用いて説明する。

図１は、二層構造熱風循環型焼鈍炉を示し、図１（ａ）は縦断面図の正面図を示し、図１（ｂ）は縦断面図の側面図を示す。図１において、２Ａは二層構造の外壁で、２Ｂは内側の隔壁（マッフル）又は敷居である。外壁２Ａには断熱材１６を設け、炉内の熱が外部へ逃げない構成にする。外壁２Ａと内側の隔壁２Ｂとの間に熱風の循環路を形成する。

図1（ａ）（ｂ）で、１は循環ファンで、シロッコファンなどを用い、軸周辺で熱せられた空気を吸込み、ファン回転方向に吹き出すもので、炉内上部の隔壁の中央に熱風の通路を設け、そこにファン軸を隔壁中央の通路側にし、ファン回転方向を炉内上部の循環路になるように設置する。循環ファン１は、炉上側の外壁に設置したモータ３１により駆動し、また、図示していないがインバータを使用して回転制御して風量制御することも可能である。循環ファン１より、吹き出された熱風（空気又は不活性ガス）は、循環路の上部コーナ部に設けたヒータ３により温度を上げられ、循環路の下方へ送られ、下方より炉内に入る。

ヒータ３は、電気式ヒータで、ハロゲンヒータやラジアントチューブヒータを用いる。

ヒータ３を介して熱せられた熱風は、循環路を下方へ送られ、循環路底部より炉内に入り、炉内底部８より上方に向かい、炉内下部に設けられた整流板９を介して、焼鈍する対象物の鉄心を設置された炉内部１４へ送られる。さらに炉内部１４内の熱風は、炉内上部に設けられた循環ファン１によって吸込まれ、循環ファン１の回転方向の循環路へ送風され、循環する。

また、整流板９の上側には、焼鈍する対象物の下段の鉄心に直接熱風が当たらないように遮蔽板３０を設けると、炉内の積載した鉄心に加熱温度のばらつきが小さくなることを実験的に導き出し確認している。

また、炉内部１４の温度を計測するため熱電対５ａ，５ｂを外壁から炉内部の上下、２箇所を計測するため設置している。そして、炉内上部の温度が高い場合は循環路の風量６を上げ、炉内下部の温度が高い場合は循環路の流量６を下げ、炉内温度をコントロールし、均一化を図る。

焼鈍対象物１２の温度を実測するため上下に温度計４ａ、及び４ｂが取付けられており、焼鈍対象物１２の昇温状態にて温度管理を行うことも可能である。

さらに、ルーバー１９をヒータ３の下方で炉内側の隔壁２Ｂに設け、循環路から炉中段付近から炉内部１４へ熱風を送り込むために設置する。ルーバー１９は高さ方向に多段とし、炉の周囲方向に複数設け、開閉可能とし、角度も調整できるようにする。これによって、熱風の風向きを制御でき、焼鈍対象物である鉄心に上下方向だけではなく側面方向から、直接熱風を当てることや積載した鉄心の隙間に熱風を送ることができる。

焼鈍炉から焼鈍する鉄心の出し入れは、扉１３を開け、鉄心を載置したトレー１１をローラ７に乗せて行っている。

また、ルーバー１９の動作制御は手動または自動で行うことができ、炉内温度、及び焼鈍対象物１２の温度を監視しながらルーバーの動作を行い、焼鈍の均一化を図ることができる。

また、炉底部８には熱風が溜まるよう、スペースが設けてあり、炉側面部１５を通ってきた熱風が混ざることにより、ヒータ３の個別の能力差によらず、均熱化が図れるようにしている。さらに、炉底部８から炉内部１４に熱風が入る際、整流板９が取付けてあり、炉内部１４へ均等に熱を送り出すことが可能である。

また、冷却装置は図示していないが、焼鈍装置に取付けてあり、冷却時に動作する。冷却装置は、循環路又は炉内に管を通し、その管に水を通し冷却するものである。冷却する溶媒は水以外の液冷媒やエアでも良い。

焼鈍雰囲気としては、不活性ガスを使用するが、不活性ガスを使用しなくとも焼鈍可能である。ただし、アモルファス材においては、焼鈍中に錆の影響を受けるため、不活性ガスを使用するものである。また、炉内雰囲気の不活性ガス化へは、不活性ガスを入れ続ける方式、及び、一度真空引きを行い、不活性ガスを入れる方法の２種類が挙げられる。炉内雰囲気は不活性ガス計又は酸素濃度計にて監視し、不活性ガスの流量を調節することが可能である。

図２は、二層構造熱風循環型焼鈍炉の上面図を示す。図２は、焼鈍炉の外形を円筒形状としており、断熱部１６を有した外壁と隔壁２Ｂとの間の循環路１５の上部にはヒータ３を円周上に等間隔に配置する。このように等間隔に配置することにより、炉内の温度の均一化を図ることができる。

また、ヒータ３の本数については、図２に示すとおりの設置数だけではなく、数を増減させることも可能である。ただし、ヒータ３の本数が多ければ多いほど、温度パターンに対する応答速度が速くなる。

また、図２には、アモルファス鉄心の焼鈍のため、励磁電流をかけられるようにしており、炉内にトレー１１を設置後、電極押付け用シリンダ１８にて、トレー電極接触部１０と電極１７を接続し、励磁しながら焼鈍することが可能である。

図３は、焼鈍炉の外形を四角筒状とした別の実施例である。

図３の焼鈍炉の場合、ヒータ３を扉１３から見て左右に等間隔に配置している。このような四角形状の焼鈍炉であれば、炉内を広く取れ、焼鈍する鉄心を多く収納でき、焼鈍効率を向上させることができる。図３は、ヒータ３を扉１３から見て左右に等間隔に配置しているが、奥（図では左側）にもヒータを等間隔に設けても良い。

次に、炉内の下部に設けた整流板９について、図４を用いて説明する。

図４（ａ）は、二層構造熱風循環型焼鈍炉全体が四角筒状の場合で、炉内底部に設けた整流板９を示し、整流板９に縦横に等間隔に孔を設けた場合を示している。

また、整流板９は、着脱可能とし、孔径の異なる整流板を複数準備して、焼鈍条件に対応して取り替えることができる。

図４（ｂ）は、１枚の整流板９において孔径の異なったものを配置していることを示している。本発明の二層構造熱風循環型焼鈍炉においては、鉄心を炉内中央部に配置するため、整流板９の中央部の孔径を大きくし、周囲にいくに従って小さくする。このように整流板の孔径を変化させることにより、より均一に鉄心を加熱することができる。

また、図４（ｂ）において、整流板９の四隅は孔が開いていない状態を示している。

図４（ｃ）は、縦横に等間隔に設置した孔を整流板全体でなく、円形の領域に設置した場合を示す。図４（ｂ）と同様に、整流板９の四隅は孔は開いていない。

また、上記しているが、整流板の上側には、最下段の鉄心に直接熱風が当たらないように熱を遮蔽する遮蔽板３０を設けて、下段の鉄心だけが温度が上がらないようにしている。

本装置において、循環ファン、ヒータ、整流板の取付け位置の上下を逆に設置し、稼動することも可能である。

図５は、図１の二層構造熱風循環型焼鈍炉の簡略化した鳥瞰図である。図５において、鉄心１２を４段離して積み上げている状態を示す。

図６は、本発明の二層構造熱風循環型焼鈍炉において、鉄心単体の２段焼鈍を行った場合の温度パターンを示している。図６で、横軸は時間、縦軸は温度を表す。

図６において、２０は焼鈍条件設定の温度パターンで、２１は鉄心側面の表面温度、２２は鉄心内部の温度、２３は鉄心積厚方向の端部の温度を示している。

２段焼鈍は、第１ステップとして、鉄心内部温度を２５０℃に設定し、ある時間経過後第２ステップとして３５０℃に温度をアップし、焼鈍する方法である。第１ステップ及び第２ステップの温度は、焼鈍条件によって変化する。図５に示した鉄心の場合は、設定温度として２５０℃とした場合、鉄心側面の表面温度２１、鉄心内部の温度２２、鉄心積厚方向の端部の温度２３は、約８時間後に約２５０℃に達し、その時点で３５０℃に設定すると、約３時間後に鉄心の各部の温度が３５０℃に達する。そして、１４時間後に加熱を止めた場合の温度パターンを示す。

図６より本発明の二層構造熱風循環型焼鈍炉での２段焼鈍の場合、積み上げた鉄心の各部に温度差がなく、均一に加熱され、焼鈍されている。

これにより、二層構造熱風循環型焼鈍炉によれば炉内を均一に加熱する効果を得られることが分かる。

図７は、本発明の焼鈍炉に１６個の鉄心を載置し、１段焼鈍の場合の温度パターンである。

１段焼鈍の場合、図７では鉄心内部の温度を３５０℃に設定し、加熱していき、約１０時間経過したとき、下段の鉄心の内部温度２５が３５０℃に達し、上段の鉄心の内部温度２６、及び中段の鉄心の内部温度２７も３５０℃に達することが分かる。また、２４は雰囲気の温度を示す。

そして、図７の温度パターンより、上、中、下段の鉄心の温度には著しい差がなく、均一に加熱、焼鈍されている。ここで中段は、図５に示した鉄心の中央の２個に対応している。そして中段の鉄心の内部温度２７は２個の内部温度の平均値を示す。

また、この温度パターンは、図８に示す加熱制御を行った場合である。

次に、焼鈍の熱処理制御方法について、図８を用いて説明する。

通常、温度制御はプログラムコントローラにて設定した温度、及び時間にて制御を行っているが、季節及び、入炉時間により鉄心内部での温度が最大で２０度近く異なるため、処理条件を変化させる必要があった。そこで、焼鈍対象物１２である鉄心内に熱電対を設置し、その焼鈍対象物１２の熱量を計測し、通常の温度パターンでの制御に加え、一定の処理条件を満たした時点で処理を完了させることも可能である。

また、炉内を均熱化するための制御として、風量及び風向きの制御を行うことが可能である。

たとえば、通常は風は下方向より吹き込み、上へ抜けているが、もっとも風の当たる下段は熱伝導率が高くなるため一番速く焼鈍してしまい、上段に積んだ鉄心は下段より熱風が当たり難いため、鉄心内部温度が上がり難くなってしまう。この焼鈍速度の差を減らすため、上下段で鉄心内部温度、又は炉内雰囲気温度を計測し、上下段での温度差が発生した場合、ルーバーが開くことにより、炉内中段より熱風を取りいれ、上段に積んでいる鉄心に熱風を吹きかけ、上段、及び下段の温度差がほぼ僅差となることが可能である。

制御用、及び計測用として、炉内に脱着可能な熱電対用コネクタが複数個設置されており、制御点、及び計測点を増設、及び移設することが可能である。

上段に積載の鉄心冷たい場合においては、ルーバーを開き風速を遅くすることで、ヒータからの輻射熱及び、熱風の循環距離を短くし、上段部が最も熱が伝わるようにすることが可能である。

中段に積載の鉄心が冷たい場合においては、ルーバーを開き風速を速くすることにより、中段に一番熱風を当て、中段に積載した鉄心の温度上昇を早くすることが可能である。

下段に積載の鉄心が積め痛い場合は、ルーバーを閉じ、風速を速くすることにより、下段の鉄心に一番熱風を当て、下段に積載した鉄心の温度上昇を早くすることが可能である。

次に、図８に本発明の焼鈍炉の加熱処理のフローチャートを示す。

図８において、温度制御をスタート（ステップ１００）すると、循環ファンは高速回転し、ヒータはＯＮになり、ルーバーは閉じた状態で動作し、加熱される(通常運転)（ステップ１０１）。次に上段の鉄心の温度を判断し（ステップ１０２）、設定温度より低い場合ルーバーの上段を開にし、循環ファンを低速にする（ステップ１０３）。上段の鉄心の温度が設定温度より高い場合は、通常運転の状態で、中段の鉄心の温度を判断する（ステップ１０４）。

中段の鉄心の温度が設定温度より低ければルーバー下段を開とし、循環ファンを中速運転に切り換える（ステップ１０５）。中段の鉄心の温度が設定温度より高ければ、通常運転の状態で、下段の鉄心の温度を判断する（ステップ１０６）。

下段の鉄心の温度が設定温度より低いか、又は上段（又は中段）と下段との鉄心の温度差が所定の温度より小さければ循環ファンを高速に回転し、ルーバーを閉じる（ステップ１０７）。下段の鉄心の温度が設定温度より高いか、又は上段（又は中段）と下段との鉄心の温度差が所定の温度より大きければ、焼鈍の設定時間をチェックし、又は処理条件をチェック（ステップ１０８）し、焼鈍が完了であれば、冷却装置を稼動し、冷却を開始する（ステップ１０９）。焼鈍が完了していなければ、通常運転に戻り、上段の鉄心の温度を判断（ステップ１０２）し、これを繰り返す。

このように本発明の焼鈍炉において図８の加熱制御を行うと、図７に示したように上段、中段及び下段の鉄心の温度のばらつきが非常に小さくなり、良好な焼鈍を実施可能となる。

また、図８においては、上段、中段及び下段の鉄心の温度を計測し、その温度を採用し、炉内の加熱制御を行っているが、温度情報は鉄心の表面温度でも良く、鉄心付近の雰囲気の温度でも良い。

熱処理時間がシビアなアモルファス材鉄心などの焼鈍対象物を１度の大量焼鈍に流用できる。

本発明の二層構造熱風循環焼鈍炉の正面図を表す。本発明の二層構造熱風循環焼鈍炉の側面図を表す。図１の二層構造熱風循環焼鈍炉の平面図断面形状円形を表す。別の実施例の二層構造熱風循環焼鈍炉の平面図断面形状四角を表す。本発明の炉本体の底部に設ける整流板の形状を示す。本発明の二層構造熱風循環焼鈍炉の鳥瞰図を表す。本発明の焼鈍炉での鉄心内部単体の温度分布グラフを表す。本発明の焼鈍炉での積載上下方向における鉄心内部の温度分布グラフを表す。本発明の焼鈍炉の加熱制御のフローチャートを示す。

符号の説明

１：循環ファン、２Ａ：隔壁（マッフル）、２Ｂ：外壁、３：ヒータ
４：放射温度計、５ａ，５ｂ：熱電対、６：流量、７：ローラ
８：炉底部、９：整流板、１０：トレー電極接触部、１１：トレー
１２：焼鈍対象物（鉄心）、１３：扉、１４：炉内部、１５：炉側面部
１６：断熱部、１７：電極、１８：電極押付け用シリンダ、１９：ルーバー
２０：温度パターン、２１：鉄心表面温度、２２：鉄心内部温度
２３：鉄心端部温度、２５：鉄心下段温度、２６：鉄心上段温度
２７：鉄心中段温度、３０：遮蔽板、３１：モータ

Claims

アモルファス鉄心を焼鈍する鉄心焼鈍炉において、
炉体上部に熱源及びファンを設置し、
該炉体は、炉体の内側の隔壁で形成された炉内と、該隔壁と炉体外側の外壁とで形成された空間の二層構造を形成し、
該ファンは前記炉体上部中央に設置し、前記ファンは、二層構造の炉内から熱風を取り込み、二層構造の外側へ熱風を送り、該炉体下部より炉内に入り、鉄心を加熱して、熱風を循環させることを特徴とする鉄心焼鈍炉。
請求項１記載の鉄心焼鈍炉において、
前記熱源は、前記ファンの周囲の前記炉体上部側面に概等間隔に配置したことを特徴とする鉄心焼鈍炉。
請求項１記載の鉄心焼鈍炉において、
前記炉内下部には、孔を有した整流板を設けたことを特徴とする鉄心焼鈍炉。
請求項１記載の鉄心焼鈍炉において、
前記炉内下部に設けた整流板の上部に遮蔽板を設けたことを特徴とする鉄心焼鈍炉。
請求項１記載の鉄心焼鈍炉において、
前記二層構造の外側の循環路より炉内に熱風を送るルーバーを複数箇所前記隔壁に設けたことを特徴とする鉄心焼鈍炉。
請求項１記載の鉄心焼鈍炉において、
前記炉内の温度計測のため熱電対を設置し、温度情報により前記ファンの回転数を制御し、風量を変化させることを特徴とする鉄心焼鈍炉。
請求項１記載の鉄心焼鈍炉において、
前記鉄心の特性値及び応力の軽減のため、励磁電流が付加可能なことを特徴とする鉄心焼鈍炉。
請求項１記載の鉄心焼鈍炉において、
前記焼鈍炉内の上段、中段又は下段の鉄心の内部又は表面温度を計測し、それぞれの温度情報により、ファンの回転数、またはルーバーの開閉を制御し、前記炉内を均熱に熱処理することを特徴とする鉄心焼鈍炉。