JP2009052838A

JP2009052838A - 真空浸炭炉

Info

Publication number: JP2009052838A
Application number: JP2007221241A
Authority: JP
Inventors: Kenjiro Sato; 健二郎佐藤
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2009-03-12

Abstract

【課題】構造が簡潔で設備費および保守費が低コストで済む、ガスノズルの詰まりを検出できる真空浸炭炉を提供する。
【解決手段】真空排気装置に接続した炉殻２内に、断熱材３で包囲した真空浸炭室４をそなえ、真空浸炭室４内に浸炭性ガスを導入して被処理物Ｗを真空浸炭する真空浸炭炉１において、断熱材３を貫通して真空浸炭室４内に開口するガスノズル１１を炉長方向に複数本並設した炉長方向に延びるノズルヘッダ１２を、炉殻２と断熱材３との間の空間１０に複数本配設し、これら各ノズルヘッダ１２を空間１０に設けたメインヘッダ１３に接続し、このメインヘッダ１３を浸炭性ガス送入口１４に接続するとともに、各ガスノズル１１の断熱材３外側位置の表面部に、該ガスノズル１１の詰まり検出手段として、ガスノズル表面温度検出用の温度計を取付けた。
【選択図】図２

Description

この発明は、鉄鋼材料からなる被処理物に、減圧下でガス浸炭を施す真空浸炭炉に関する。

真空浸炭炉においては、減圧雰囲気で被処理物を加熱後、アセチレン，エチレン，プロパン等の浸炭性ガスを真空浸炭室内に導入して被処理物表面を浸炭処理するが、被処理物がパレット上に多数個段積みされているような場合などは、真空浸炭室内の浸炭性ガスの分布が不均一だと、被処理物表面の浸炭層深さなどの浸炭性能にばらつきを生じるため、浸炭性ガス導入用のガスノズルを多数本設けて、浸炭性ガスの分布の均一化をはかっている。

ところがこれらの複数本のガスノズルには、浸炭性ガスのクラッキングにより詰まりが生じやすく、この詰まりが発生すると加熱室内の浸炭性ガスの分布が不均一となり、被処理物の浸炭性能にばらつきを生じることになる。そこでこのガスノズルの詰まりを早期に検出して該ノズルの清掃などをおこなう必要があり、このための詰まりの検出装置として、たとえば浸炭拡散室に複数個設けた各ノズル毎に、ガス導入用の電磁弁と絞り弁と該絞り弁を通る流量を検知するセンサ付き監視流量計を設け、この監視流量計の設定流量値を一定時間下まわるときにガスノズル目詰まりを予知信号として検知するようにした真空熱処理炉のガスノズル目詰まりの予知検知装置が提案されている（特許文献１参照。）。
特開２００３−１０６８７８号公報

ところが上記特許文献に記載の装置においては、各ガスノズル毎に監視流量計を設けているので、ガスノズルの本数が数１０本に及ぶ場合には、設備費およびその保守費用がかさみ、また各ガスノズルは炉殻を貫通しているので、多数個の真空シール機構付きの貫通部の設置により設備費が一層かさむなどの問題点を有するものである。

この発明は上記従来の問題点を解決しようとするもので、構造が簡潔で設備費および保守費が低コストで済む、ガスノズルの詰まりを検出できる真空浸炭炉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、この発明の真空浸炭炉は、真空排気装置に接続した炉殻内に、断熱材で包囲した真空浸炭室をそなえ、該真空浸炭室内に浸炭性ガスを導入して被処理物を真空浸炭する真空浸炭炉において、前記断熱材を貫通して前記真空浸炭室内に開口するガスノズルを炉長方向に複数本並設した炉長方向に延びるノズルヘッダを、前記炉殻と前記断熱材との間の空間に複数本配設し、これら各ノズルヘッダを前記空間に設けたメインヘッダに接続し、このメインヘッダを浸炭性ガス送入口に接続するとともに、前記各ガスノズルの前記断熱材外側位置の表面部に、該ガスノズルの詰まり検出手段として、ガスノズル表面温度検出用の温度計を取付けたことを特徴とする。

この発明の真空浸炭炉によれば、メインヘッダおよびノズルヘッダはいずれも炉殻と断熱材との間の空間に設けられ、このノズルヘッダに取付けたガスノズルは炉殻を貫通していないので、炉殻にはこの貫通による多数個の真空シール機構を設ける必要がなく、炉殻の構造が簡潔なもので済み、またガスノズルの詰まり検出手段として用いるガスノズル表面温度検出用のたとえば熱電対などで構成される温度計は、ガス流量を直接計量する流量計よりは遙かに低価格で保守の手間がかからず、真空浸炭室内の浸炭性ガスの分布の均一化のために多数本のガスノズルを用いた場合、設備費および保守費が低コストで済む装置によって、ガスノズルの詰まりの検出と、浸炭性能のばらつきの少ない真空浸炭をおこなうことができる。

以上説明したようにこの発明によれば、構造が簡潔で設備費および保守費が低コストで済む、ガスノズルの詰まりを検出できる真空浸炭炉が得られる。

以下、図１〜図７に示す一例により、この発明の実施の形態を説明する。図１および図２は、真空浸炭炉１の全体の構成を示し、水冷式（細部の図示は省略）の炉殻２内に、断熱材３で包囲した真空浸炭室４を形成してある。５は加熱用の電熱ヒータ（図１では一部のみを図示）、６は炉殻２に設けた真空排気口で、図示しない真空排気装置に接続されている。この例の真空浸炭炉１は、たとえば特開２００６−６３３６３号公報に開示されているような多室型の真空熱処理設備の真空浸炭処理チャンバに相当するものであり、引戸式の扉７を開閉し開口部８を経て、図示しない搬送ユニットにより被処理物Ｗの架台９上への装入、浸炭処理後の被処理物Ｗの引取り及び図示しない焼入チャンバへの装入などをおこなって、真空熱処理がおこなわれる。

１１は浸炭性ガスを真空浸炭室４内に導入するためのガスノズルで、図３および図４にも示すように、断熱材３を貫通して先端が真空浸炭室４内に開口している。１２はガスノズル１１を複数本（この例では５本）並設したノズルヘッダで、炉殻２と断熱材３の間の空間１０に、炉長方向に延びるように配設されている。このガスノズル１１付きのノズルヘッダ１２は図２に示すように、空間１０に炉周方向に等間隔で６本配設され、炉体の横断面当り６本のガスノズル１１が放射状に配置されているので、炉全体で合計３０本のガスノズル１１が設けられている。そして６本のノズルヘッダ１２の基部は、同じく空間１０に設けた環状のメインヘッダ１３に接続され、このメインヘッダ１３は、炉殻に設けた浸炭性ガス送入口１４に、接続管１５を介して接続されている。

そして図４に示すように、各ガスノズル１１の断熱材３の外側位置の表面部には、このガスノズルの詰まり検出手段として、ガスノズル表面温度検出用の温度計であるシース熱電対２１のシース部をパテにより固定取付けし、その外面部を保温材（この例ではセラミックファイバ）で覆ってある。２２はシース熱電対２１に接続した導線で、各ガスノズル１１部からの多数本の導線２２は、ノズルヘッダ１２およびメインヘッダ１３部に沿って保持され、ひとまとめにして炉殻２に設けたシール部２３を経て炉外へ導出され、図６に示す温度計測部３８に接続されている。なお図６に示す各機器については、後述する。

図４におけるシース熱電対２１によるガスノズル１１の詰まり検出は、次のような温度の特性を利用する。すなわち、ガスノズル１１の先端部は温度Ｔf（たとえば９５０℃）の真空浸炭室４内にあり、シース熱電対２１取付部は、温度Ｔa（炉殻２による水冷効果によりたとえば１００℃）の空間１０内にあるので、ガスノズル１１内のガス流のないときは、シース熱電対２１による検出温度は、ガスノズル１１の温度Ｔf側からの伝導熱と空間１０内への放射熱によって定まる非流通時温度Ｔ_０（図５参照）となるが、ノズルヘッダ１２から供給された温度Ｔg（常温）のガスＧがガスノズル１１内を流通している状態では、上記ガスＧによる冷却が加わるため上記Ｔ_０より低い流通時温度Ｔ_１となる。そして図５の温度曲線に示すようにこの温度Ｔ_１はガス流通量増加に伴って降温し、またこの温度曲線は真空浸炭室４の温度Ｔfによって異なるものとなる。

そこで真空浸炭室４内の温度Ｔfが一定（＝後述する詰まり検出時の温度）の状態で、ガス流量が０のときの各ガスノズル１１の非流通時温度Ｔ_０を予め測定してデータとして保持しておき、目詰まり検出時には所定流量ＱのガスＧを、浸炭性ガス送入口１４，メインヘッダ１３を経て各ガスノズル１１に供給し（３０本の各ガスノズル１１には、この流量の１／３０が供給される）、各ガスノズル１１の熱電対検出温度Ｔ′を計測しこの計測値Ｔ′と前記Ｔ_０から各ガスノズル１１毎に算出した温度差ΔＴ＝Ｔ_０−Ｔ′が、流量Ｑ付近での前記テストデータ等から想定される温度差ΔＴよりも十分小さく設定した閾値Δｔ（たとえばΔｔ＝５０℃）以下となったとき、当該ガスノズル１１における詰まり発生（詰まり発生に近い状態を含む）として検出することができるのである。

次に図６は、真空浸炭炉１のガスノズル１１の詰まり検出系を組込んだ、ガス流量制御系の機器接続系統図で、この例の真空浸炭炉１では、Ｃ_２Ｈ_２ガスからなる浸炭性ガスと、Ｎ_２ガスからなる不活性ガスを、プロセスガスとして用いる。そして真空浸炭処理時には、図示しない圧力制御系による炉殻２内の真空度の制御、および図示しない温度制御系による真空浸炭室４内の温度の制御と共に、図６に示すガス流量制御系によるガス流量制御により、図７に示すようなパルス浸炭がおこなわれる。このとき制御装置３１は該装置に格納された制御プログラムに従って、開閉弁３２，３３に開閉信号を、流量調節器３４に流量設定信号を、それぞれ出力して、図７に示すタイミングで、所定の流量のＮ_２ガス，Ｃ_２Ｈ_２ガスを、浸炭性ガス送入口１４を経て各ガスノズル１１から真空浸炭室４内に切替供給する。

一方、制御装置３１には、詰まり検出演算部３５が組込まれており、この詰まり検出演算部３５には、前述の予め測定した各ガスノズル１１の非流通時温度Ｔ_０のデータおよび前述の閾値Δｔが格納されている。なお被処理物の種類や量等によって真空浸炭室４内の炉内温度Ｔfが複数種類にわたる場合は、上記非流通時温度Ｔ_０および閾値Δｔは、各炉内温度Ｔfにおいて測定・設定された多数個データを格納しておく。

そしてこの例の真空浸炭炉１では、図７に示す昇温期の終期において、一定流量供給されているＮ_２ガスを、ガスノズル１１への供給ガスＧとして利用して、ガスノズル１１の詰まり検出をおこなう。すなわち、昇温期の終期において、図６における熱電対３６により測温し温度変換器３７によりデータ変換した炉内温度Ｔfがほぼ一定値となったら、その時点で各ガスノズル１１に付設したシース熱電対２１によりガスノズル１１の表面温度を検出し、温度計測部３８により温度データに変換した検出温度Ｔ′と、炉内温度Ｔfにおける前記格納されている非流通時温度Ｔ_０をもとに、詰まり検出演算部３５においては温度差ΔＴ＝Ｔ_０−Ｔ′の演算と、このΔＴと閾値Δｔとの比較を、各ガスノズル１１毎におこない、ΔＴ＜Δｔとなったときに該当するガスノズル１１に詰まり発生と判定して、装置内に記録するとともに、図示しない表示部への表示，警報装置の吹鳴などをおこなうのである。

詰まり発生が検出された場合は、昇温に続く浸炭・拡散工程が１チャージ分終了した時点などに、該当するガスノズル１１に対して、高圧ガス流通その他の方法による詰まり除去や、ガスノズル自体の交換などをおこなえばよい。

以上のようにして多数本のガスノズル１１に対して、ガスノズル表面温度検出によりガスノズルの詰まりを正確・迅速に検出でき、真空浸炭室４内の浸炭性ガスを均一分布状態に維持して、浸炭性能のばらつきの少ない良好な真空浸炭をおこなうことができる。そしてメインヘッダ１３およびノズルヘッダ１２はいずれも炉殻２内の空間１０に設けられ、多数本のガスノズル１１は炉殻２を貫通していないので、炉殻２の構造は簡潔なもので済む。またガスノズル１１の表面温度検出用のシース熱電対２１は、ガス流量を直接計量する流量計よりは遙かに低価格で保守の手間がかからず、また温度が１００℃程度に達する空間１０内に設置しても性能上何ら問題はなく（上記流量計はこのような温度環境には設置困難である）、多数本のガスノズル１１を用いても、設備費および保守費は低コストで済むのである。

この発明は上記の例に限定されるものではなく、たとえばノズルヘッダ１２の本数や、ガスノズル１１の本数など、各部の具体的構成は上記以外のものとしてもよい。またガスノズル表面温度検出用の温度計としては、上記のシース熱電対２１のほか、他形式の各種熱電対や、測温抵抗体など用いてもよい。またガスノズルの詰まりの検出は、上記のように真空浸炭処理工程における送入ガス流を利用しておこなうほか、詰まり検出専用のガスを所定の時期に浸炭性ガス供給口内へ供給しておこなってもよく、また使用するガスは浸炭性ガスなど、不活性ガス以外のガスを用いてもよい。さらに詰まりの検出は、上記の温度差ΔＴと閾値との比較による他、温度計により連続検出している温度計測値の変化率の大きさの閾値との比較など、他の判定方法によってもよい。

またこの発明は、上記の多室型熱処理設備の真空浸炭処理チャンバとして真空浸炭炉のほか、バッチ処理式の真空浸炭炉や、連続熱処理設備における真空浸炭処理帯を形成する真空浸炭炉にも、適用できるものである。

この発明の実施の形態の一例を示す真空浸炭炉の縦断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図２のＢ−Ｂ線拡大断面図である。図３のＣ−Ｃ線拡大断面図である。図４におけるガスノズルの熱電対付設部の表面温度とガス流量の関係を示す線図である。図１の真空浸炭炉のガス流量制御系の機器接続系統図である。図１の真空浸炭炉による真空浸炭時の炉内温度および供給ガス量線図である。

符号の説明

１…真空浸炭炉、２…炉殻、３…断熱材、４…真空浸炭室、５…電熱ヒータ、６…真空排気口、１０…空間、１１…ガスノズル、１２…ノズルヘッダ、１３…メインヘッダ、１４…浸炭性ガス送入口、１５…接続管、２１…シース熱電対、３１…制御装置、３５…詰まり検出演算部、３８…温度計測部。

Claims

真空排気装置に接続した炉殻内に、断熱材で包囲した真空浸炭室をそなえ、該真空浸炭室内に浸炭性ガスを導入して被処理物を真空浸炭する真空浸炭炉において、
前記断熱材を貫通して前記真空浸炭室内に開口するガスノズルを炉長方向に複数本並設した炉長方向に延びるノズルヘッダを、前記炉殻と前記断熱材との間の空間に複数本配設し、これら各ノズルヘッダを前記空間に設けたメインヘッダに接続し、このメインヘッダを浸炭性ガス送入口に接続するとともに、
前記各ガスノズルの前記断熱材外側位置の表面部に、該ガスノズルの詰まり検出手段として、ガスノズル表面温度検出用の温度計を取付けたことを特徴とする真空浸炭炉。