JP2010025406A - 真空加熱装置及び真空加熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、加熱炉を効果的に冷却して、短時間で真空槽を大気開放させることが可能な真空加熱装置及び真空加熱処理方法を提供する。
【解決手段】真空加熱装置１は、真空槽１０と、真空槽１０の内部１０ａを真空雰囲気に排気可能な排気手段２０と、真空槽１０の内部１０ａに設けられて被処理物Ｗを収容する加熱炉３１と、加熱炉３１に収容された被処理物Ｗに加熱処理を行う加熱手段３３と、加熱炉３１に向かって不活性気体Ｇを吹き付ける送風手段５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空雰囲気内で被処理物に加熱処理を行う真空加熱装置及び真空加熱処理方法に関する。

真空雰囲気内の加熱炉で被処理物に加熱処理を行う装置としては、例えば、真空雰囲気内で金属や合金を加熱して溶解させる真空誘導溶解炉などがある。このような真空誘導溶解炉は、外気に対して気密にされた真空槽と、該真空槽の内部で交流電力が供給される誘加熱手段である導加熱コイルと、該誘導加熱コイルの内側に設けられて被処理物である被溶解金属を収容する加熱炉であるルツボとを備えている。また、ルツボの内部には冷却水路が設けられている（例えば、特許文献１参照）。このような真空誘導溶解炉では、真空槽内部を真空雰囲気として、誘導加熱コイルに交流電力を供給すれば、ルツボの内部の被処理物は、発熱して溶解することとなり、溶湯を製造されることとなる。そして、溶湯の製造後には、ルツボ内部の冷却水路に冷却水を通水してルツボ全体を冷却した後に、真空槽の内部を大気圧に開放し、次の操業を行うものとしている。
特開２００２−３２７９８８号公報

しかしながら、特許文献１の真空誘導溶解炉において、加熱炉であるルツボの温度は、被処理物として例えば金属を溶解する場合には、１２００度程度まで上昇することとなる。そして、この温度状態でルツボの内部に冷却水を通水すれば、冷却水が気化してしまうため、安定的に冷却することができなかった。このため、真空槽を大気圧に開放可能とするためには、まず冷却水によって冷却可能な温度までルツボを自然冷却する必要があり、冷却時間によって次の操業までに時間がかかってしまう問題があった。また、冷却水によってルツボを冷却するには、ルツボ内部に冷却水路を設けるとともに、真空槽外部に設けられた冷却水の供給装置とルツボ内部の冷却水路とを接続する構造を設ける必要があり、構造が複雑になってしまう問題があった。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、加熱炉を効果的に冷却して、短時間で真空槽を大気開放させることが可能な真空加熱装置及び真空加熱処理方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の真空加熱装置は、真空槽と、該真空槽の内部を真空雰囲気に排気可能な排気手段と、前記真空槽の内部に設けられて被処理物を収容する加熱炉と、該加熱炉に収容された前記被処理物に加熱処理を行う加熱手段と、前記加熱炉に向かって不活性気体を吹き付ける送風手段とを備えることを特徴としている。

また、本発明の真空加熱処理方法は、所望の気圧となるまで排気を行い、真空槽の内部を真空雰囲気とする排気工程と、該排気工程によって真空雰囲気とされた前記真空槽の内部で、被処理物を加熱炉に収容して加熱処理を行う加熱工程と、該加熱工程後の前記加熱炉に不活性気体を吹き付けて冷却する冷却工程と、該冷却工程によって前記加熱炉を冷却した後に、前記真空槽を大気開放する給気工程とを備えることを特徴としている。

上記の構成及び方法によれば、真空雰囲気で被処理物に対して加熱処理を行う場合には、まず排気工程として、排気手段によって真空槽の内部を排気して真空雰囲気にする。そして加熱工程として、真空槽の内部で加熱手段によって加熱炉に収容された被処理物を加熱することで、被処理物には真空雰囲気で加熱処理が施されることとなる。次に、冷却工程として、送風手段によって加熱炉に向かって不活性気体を吹き付けることで、加熱炉を効果的に冷却することができ、自然冷却と比較して短時間で大気開放可能な温度まで降温させることができる。この際、加熱炉の外側から不活性気体を吹き付けるだけであるので、加熱炉に冷却配管等を設ける必要がなく、加熱炉の内部構造や接続構造が複雑化してしまうことが無い。また、吹き付ける冷却風が不活性気体であることで、加熱炉が酸化してしまうおそれがなく、加熱炉を劣化させずに冷却することができる。そして、給気工程として、真空槽を大気開放することで、加熱処理を施した被処理物を取り出すとともに、新たな被処理物を供給して、次の操業を行うことができるようになる。

また、上記の真空加熱装置において、前記真空槽の内部に不活性気体を供給するガス供給部を備え、前記送風手段は、該ガス供給部によって不活性気体が供給された前記真空槽の内部の気体を給気して吹き付けることが好ましい。

また、上記の真空加熱処理方法において、前記加熱工程後に、前記真空槽の内部に不活性気体を充填させるガス充填工程を備え、前記冷却工程は、該ガス充填工程後に、前記真空槽の内部の気体を給気して、前記加熱炉に向かって吹き付けることによって行われることが好ましい。

上記の構成及び方法によれば、ガス充填工程として、加熱工程後にガス供給部によって真空槽の内部に不活性気体を供給する。そして、冷却工程においては、送風手段によって真空槽の内部の気体を給気して吹き付けることで、予めガス充填工程で供給しておいた不活性気体を循環させて加熱炉に吹き付けることができる。このため、真空槽の内部を、ガス充填工程後の気圧で略一定に保ちつつ、繰り返し加熱炉の冷却を行うことができ、効率的である。

また、上記の真空加熱装置において、前記真空槽の内部の気体を冷却する冷却手段を備え、前記送風手段は、該冷却手段によって冷却された気体を給気することが好ましい。

また、上記の真空加熱処理方法において、前記冷却工程は、前記真空槽の内部の気体を冷却した後に前記加熱炉に向かって吹き付けることによって行われることが好ましい。

上記の構成及び方法によれば、冷却工程において、送風手段は、冷却手段によって冷却された気体を給気して加熱炉に向かって吹き付けるので、加熱炉をより効果的に冷却することができる。

また、上記の真空加熱装置において、前記加熱手段の前記加熱炉の温度を検出する温度センサと、該温度センサによる検出結果に基づいて、前記加熱炉が所定の温度となるまで前記送風手段を駆動させる制御部とを備えることが好ましい。

この構成によれば、制御部が温度センサによる検出結果に基づいて加熱炉が所定の温度となるまで送風手段を駆動させることで、加熱炉を短時間でかつ自動的に、所定の温度まで冷却することができる。

また、上記の真空加熱装置において、前記被処理物を収容する前記加熱炉であるルツボと、該ルツボの外側に設けられて電源の供給により、前記加熱手段として前記ルツボ内の前記被処理物の加熱を行う誘導加熱コイルとを有し、前記ルツボ内の前記被処理物を溶解させる真空誘導溶解炉であることが好ましい。
この構成によれば、溶解処理後のルツボについて、送風手段によって不活性気体を吹き付けることで、効果的に冷却して、短時間で真空槽を大気開放させることができる。

本発明の真空加熱装置によれば、送風手段を備えることで、簡易な構成で、加熱炉を効果的に冷却して、短時間で真空槽を大気開放させることが可能であり、真空加熱処理によるサイクルタイムを短縮することができる。
本発明の真空加熱処理方法によれば、冷却工程を備えることで、簡易な手段により、加熱炉を効果的に冷却して、短時間で真空槽を大気開放させることが可能であり、サイクルタイムを短縮することができる。

図１及び図２は、この発明に係る実施形態を示していて、真空雰囲気で被処理物を処理する真空処理装置の一例として、金属等を溶解する真空誘導溶解炉を示している。図１及び図２に示すように、真空誘導溶解炉１は、内部１０ａを気密に閉塞する真空槽１０と、真空槽１０の内部１０ａを所定の圧力となるまで排気可能な排気手段である真空ポンプ２０と、金属等の被処理物Ｗを収容するルツボ３１を有し、収容された被処理物Ｗを加熱溶解する溶解処理部３０とを備える。さらに、真空誘導溶解炉１は、溶解処理部３０によって溶解処理された被処理物Ｗの溶湯Ｗ１が流し込まれる水冷鋳型４０と、溶解処理部３０のルツボ３１を冷却する送風手段５０と、各構成を制御する制御部６０とを備える。以下に、各構成の詳細について説明する。

真空槽１０には、内部１０ａを大気開放するための大気圧開放用バルブ１１と、内部１０ａに不活性気体Ｇを供給するガス供給部１２が設けられている。ガス供給部１２によって供給される不活性気体Ｇとしては、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガス、さらには窒素などの低反応性のガスも含む。大気圧開放用バルブ１１及びガス供給部１２は制御部６０と接続されていて、制御部６０による制御のもと、大気圧開放用バルブ１１の開閉及びガス供給部１２によるガス供給の有無を切り替えることが可能となっている。また、真空槽１０には、覗き窓１０ｂが設けられていて、外部から内部１０ａを観察可能となっている。また、真空ポンプ２０は、真空槽１０に外部から接続されていて、制御部６０による制御のもとオン・オフ切替可能となっている。なお、真空ポンプ２０としては、本実施形態では例えば、到達圧力が１０^−５Ｐａ以下の高真空雰囲気となるまで排気可能な性能を有するものが使用されている。

また、溶解処理部３０は、上記ルツボ３１を有する加熱炉である溶解炉３２と、ルツボ３１を加熱する加熱手段３３とを有する。溶解炉３２のルツボ３１は、底付きの筒状の部材で、例えば黒鉛などによって形成されている。加熱手段３３は、ルツボ３１に断熱材３４を介して外装された誘導加熱コイル３５と、真空槽１０の外部に設けられ、誘導加熱コイル３５に高周波電流を供給する加熱用電源３６とで構成されている。そして、制御部６０による制御のもと、加熱用電源３６から誘導加熱コイル３５に高周波電流を供給すれば、交流磁界を生じ、特に磁束密度の大きいルツボ３１の内部に収容された金属等の被処理物Ｗには誘導電流（渦電流）が発生することになる。このため、被処理物Ｗは、誘導電流により発熱して溶解することとなる。

また、水冷鋳型４０は、溶解炉３２に隣接配置される載置台４１上に設けられている。水冷鋳型４０の上部にはタンディッシュ４２が設けられている。そして、溶解炉３２は、図示しない傾動機構によって傾動し、ルツボ３１の内部の溶湯をタンディッシュ４２から水冷鋳型４０に流し込むことが可能となっている。また、載置台４１の下部には、ガイド４３ａによって載置台４１を水平移動させる鋳型移動機構４３が設けられていて、溶湯Ｗ１が流し込まれた水冷鋳型４０を回収して、図示しない搬入出口より新しい水冷鋳型４０に置き換えることが可能となっている。なお、鋳型移動機構４３の駆動、及び、図示しない搬入口の開閉は、制御部６０による制御のもと行われるようになっている。

また、送風手段５０は、真空槽１０の内部１０ａの気体を給気して排出するブロワ５１と、ブロワ５１から排出された気体を案内する吐出ノズル５２とを有する。真空槽１０の上部には、内部１０ａの気体を循環させることが可能に第一の開口１０ｃ及び第二の開口１０ｄを有する循環路１０ｅが設けられていて、ブロワ５１は、循環路１０ｅにおいて第二の開口１０ｄ近傍に設けられている。なお、ブロワ５１は、制御部６０に接続されていて、制御部６０による制御のもと駆動することが可能となっている。また、吐出ノズル５２は、ブロワ５１から第二の開口１０ｄを通ってルツボ３１に向かって突出していて、ブロワ５１から排出される気体をルツボ３１に向かって吹き付けることが可能に配置されている。なお、吐出ノズル５２は、ルツボ３１に気体を吹き付ける場合に近接するように、上下に進退可能な構成としても良い。

また、循環路１０ｅにおいて、ブロワ５１よりも第一の開口１０ｃ側には、冷却手段として熱交換器７０が設けられていて、循環路１０ｅを通過する気体の熱を吸収し、真空槽１０の外部に放出することが可能となっている。より具体的には、熱交換器７０は、例えば、放熱フィンなどであり、空冷式や水冷式など様々なものが適用可能である。また、熱輸送手段としてヒートシンクなどが設けられていて、真空槽１０の外部に設けられた他の強制的に冷却を行う装置に熱輸送して冷却する手段としても良い。そして、送風手段５０のブロワ５１を駆動して給気を開始すると、真空槽１０の内部１０ａの気体は、第一の開口１０ｃから循環路１０ｅに流入し、まず熱交換器７０で冷却された後にブロワ５１に給気され、ルツボ３１に向かって吹き付けられることとなる。

また、真空誘導溶解炉１には、真空槽１０の内部１０ａの気圧を計測する気圧センサ６１と、ルツボ３１の温度を検出する温度センサ６２とが設けられていて、気圧センサ６１及び温度センサ６２の検出結果は制御部６０に出力されている。そして、制御部６０は、これら検出結果に基づいて、各構成の制御を行っている。
以下に、真空誘導溶解炉１による被処理物Ｗの真空溶解処理を行う工程の詳細について説明するとともに、制御部６０による制御の詳細について説明する。

被処理物Ｗを溶解するには、まず、準備工程として、図示しない供給手段によってルツボ３１の内部に所定量の被処理物Ｗを投入するとともに、新しい水冷鋳型４０を載置台４１上にセットしておく。次に、排気工程として、真空槽１０の内部１０ａを真空雰囲気に設定する。すなわち、制御部６０は、真空ポンプ２０を駆動し、真空槽１０の内部１０ａを排気させる。そして、制御部６０は、気圧センサ６１による検出結果に基づいて、所定の気圧に達した段階で、真空ポンプ２０の駆動を停止させる。

次に、加熱工程として、被処理物Ｗを加熱して溶解処理を行う。すなわち、制御部６０は、加熱手段３３の加熱用電源３６を駆動させて、誘導加熱コイル３５に所定の交流電力を供給させる。これによりルツボ３１内部の被処理物Ｗは加熱され、溶解して溶湯Ｗ１が製造されることとなる。そして、溶解後は、図示しない傾動機構を駆動することにより、ルツボ３１内の溶湯Ｗ１は、水冷鋳型４０に投入されることとなる。なお、被処理物Ｗとして金属を溶融した場合には、ルツボ３１の温度は、例えば１２００℃程度にまで達する。

次に、ガス充填工程として、制御部６０は、まずガス供給部１２を駆動させて、真空槽１０の内部１０ａに不活性気体Ｇを供給する。この際、制御部６０は、気圧センサ６１の検出結果を監視していて、予め設定された気圧となるまで真空槽１０の内部１０ａに不活性気体Ｇを充填させる。なお、設定する気圧としては、大気圧以下であれば良い。

次に、冷却工程として、ルツボ３１の冷却を行う。すなわち、制御部６０は、送風手段５０のブロワ５１を駆動して、給気を行わせる。真空槽１０の内部１０ａには、ガス充填工程で供給された不活性気体Ｇが充填されているので、ブロワ５１の駆動に伴って、この不活性気体Ｇが第一の開口１０ｃから熱交換器７０を経由してブロワ５１に給気されることとなる。このため、送風手段５０の吐出ノズル５２からは、熱交換器７０によって冷却された不活性気体Ｇが吐出されることとなり、ルツボ３１は、この不活性気体Ｇが吹き付けられることによって冷却されることとなる。そして、ルツボ３１に吹き付けられた不活性気体Ｇは、再び熱交換器７０で冷却された後、ブロワ５１から吐出され、ルツボ３１を繰り返し冷却することとなる。この際、制御部６０は、ルツボ３１の温度を温度センサ６２の検出結果に基づいて監視している。そして、制御部６０は、ルツボ３１が予め設定されている温度となるまで冷却を継続して行う。ここで、具体的に設定する温度としては、例えば、ルツボ３１の温度で、例えば１５０℃程度である。なお、上記のようにルツボ３１の冷却を行うと同時に、水冷鋳型４０についても別途冷却を行っている。

そして、ルツボ３１が設定した温度まで冷却されたら、送風手段５０のブロワ５１の駆動を停止し、次に給気工程として、制御部６０は、大気圧開放用バルブ１１を駆動し、真空槽１０の内部１０ａを大気開放させる。そして、最後に搬出工程として、冷却した水冷鋳型４０を図示しない搬入出口から搬出することで、再び準備工程から次の操業が行える状態となる。

以上のように、本実施形態の真空誘導溶解炉１では、制御部６０による制御のもと、送風手段５０によって不活性気体Ｇを吹き付けることで、ルツボ３１を自動的にかつ効果的に冷却することができ、自然冷却と比較して短時間で大気開放可能な温度まで降温させることができる。具体的には、上記のように溶解時でルツボ３１が１２００℃程度まで昇温した状態から１５０℃まで冷却させる場合において、自然冷却では８時間以上放置する必要があるのに対し、送風手段５０を備えることで、１〜２時間程度の冷却で１５０℃まで降温させることができ、冷却時間を１／４以下に短縮することができる。このため、被処理物Ｗの溶解処理において、準備工程から搬出工程までのサイクルタイムの低減を図ることができる。また、送風手段５０によってルツボ３１に向かって不活性気体Ｇを吹き付けるだけであるので、ルツボ３１に冷却配管などを設ける必要がなく、ルツボ３１の内部構造や接続構造が複雑化してしまうことが無い。また、吹き付ける気体が不活性気体であることで冷却工程に伴ってルツボ３１が酸化してしまうおそれがなく、ルツボ３１を劣化させずに冷却することができる。

また、本実施形態では、送風手段５０では、予め真空槽１０の内部１０ａに供給された不活性気体Ｇを循環させて、ルツボ３１に吹き付けているので、真空槽１０の内部１０ａの気圧を略一定に保ちつつ、繰り返しルツボ３１の冷却を行うことができるので、より効率的である。また、不活性気体Ｇを給気する際には、熱交換器７０で冷却することで、冷却効果をさらに向上させることができる。なお、上記のように不活性気体Ｇを循環させる方法に限らず、ガス供給部１２から直接ブロワ５１へ給気してルツボ３１に吹き付けるようにしても良い。また、この際に、真空ポンプ２０によって真空槽１０の内部１０ａの気体を排気して、気圧の上昇を抑えるものとしても良い。

また、本実施形態では、真空加熱装置の一例として、真空誘導溶解炉１を例として挙げたが、これに限るものでは無く、真空槽を有し、真空雰囲気で被処理物に対して加熱処理を行う様々な装置に適用可能である。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

この発明の実施形態の真空誘導溶解炉の概要を示す全体図である。 この発明の実施形態の真空誘導溶解炉の概要を示すブロック図である。

符号の説明

１ 真空誘導溶解炉（真空処理装置）
１０ 真空槽
１０ａ 内部
１２ ガス供給部
２０ 真空ポンプ（排気手段）
３１ ルツボ（加熱炉）
３３ 加熱手段
３５ 誘導加熱コイル
５０ 送風手段
６０ 制御部
６２ 温度センサ
７０ 熱交換器（冷却手段）
Ｇ 不活性気体
Ｗ 被処理物
Ｗ１ 溶湯（被処理物）

Claims (8)

1. 真空槽と、
   該真空槽の内部を真空雰囲気に排気可能な排気手段と、
   前記真空槽の内部に設けられて被処理物を収容する加熱炉と、
   該加熱炉に収容された前記被処理物に加熱処理を行う加熱手段と、
   前記加熱炉に向かって不活性気体を吹き付ける送風手段とを備えることを特徴とする真空加熱装置。
2. 請求項１に記載の真空加熱装置において、
   前記真空槽の内部に不活性気体を供給するガス供給部を備え、
   前記送風手段は、該ガス供給部によって不活性気体が供給された前記真空槽の内部の気体を給気して吹き付けることを特徴とする真空加熱装置。
3. 請求項２に記載の真空加熱装置において、
   前記真空槽の内部の気体を冷却する冷却手段を備え、
   前記送風手段は、該冷却手段によって冷却された気体を給気することを特徴とする真空加熱装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の真空加熱装置において、
   前記加熱炉の温度を検出する温度センサと、
   該温度センサによる検出結果に基づいて、前記加熱炉が所定の温度となるまで前記送風手段を駆動させる制御部とを備えることを特徴とする真空加熱装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の真空加熱装置において、
   前記被処理物を収容する前記加熱炉であるルツボと、該ルツボの外側に設けられて電源の供給により、前記加熱手段として前記ルツボ内の前記被処理物の加熱を行う誘導加熱コイルとを有し、前記ルツボ内の前記被処理物を溶解させる真空誘導溶解炉であることを特徴とする真空加熱装置。
6. 所望の気圧となるまで排気を行い、真空槽の内部を真空雰囲気とする排気工程と、
   該排気工程によって真空雰囲気とされた前記真空槽の内部で、被処理物を加熱炉に収容して加熱処理を行う加熱工程と、
   該加熱工程後の前記加熱炉に不活性気体を吹き付けて冷却する冷却工程と、
   該冷却工程によって前記加熱炉を冷却した後に、前記真空槽を大気開放する給気工程とを備えることを特徴とする被処理物の真空加熱処理方法。
7. 請求項６に記載の真空加熱処理方法において、
   前記加熱工程後に、前記真空槽の内部に不活性気体を充填させるガス充填工程を備え、
   前記冷却工程は、該ガス充填工程後に、前記真空槽の内部の気体を給気して、前記加熱炉に向かって吹き付けることによって行われることを特徴とする真空加熱処理方法。
8. 請求項７に記載の真空加熱処理方法において、
   前記冷却工程は、前記真空槽の内部の気体を冷却した後に前記加熱炉に向かって吹き付けることによって行われることを特徴とする真空加熱処理方法。

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