JP2010037572A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼線材料の加熱及び冷却の熱処理を連続して行う熱処理装置を、エネルギー消費を抑えつつ鋼線材料の脱炭や酸化を防ぐことができるものとする。
【解決手段】ワイヤ（鋼線材料）ｗを還元雰囲気にてバーナー１１で加熱する加熱炉１と、加熱したワイヤｗをバーナー１２で雰囲気温度を調整しつつエアーａを噴いて撹拌した砂の流動層ｚに通して冷却する冷却炉２と、加熱炉１と冷却炉２との間で鋼線材料ｗを中間温度まで冷却する接続炉（接続空間）３を備えた熱処理装置において、接続炉３内の雰囲気組成をセンサ（ＣＯセンサ６）で検知して弁５の開閉によりバイパス管４を流れるガス量を調整することで、接続炉３内の雰囲気組成をフィードバック制御し、加熱炉１内を還元雰囲気に保ってワイヤ（鋼線材料）ｗの脱炭や酸化を防ぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼線材料の加熱および冷却を連続して行う熱処理装置に関する。

スチールワイヤ等の製造工程においては、鋼線材料の伸線による加工硬化を除去して更なる伸線加工を行うための熱処理として、伸線加工した鋼線材料を加熱炉に送って還元雰囲気にて雰囲気温度約１０００℃で加熱してオーステナイト化し、次いで接続炉で７５０〜８００℃に冷却した後、冷却炉に送って雰囲気温度約６００℃で流動砂（ジルコン）の層を通して冷却しパーライト化する連続熱処理が一般的に行われている。

そして、そのような連続熱処理を行うために、図３に示すように、鋼線材料ｗを還元雰囲気にてバーナー１１による燃焼で雰囲気温度を約１０００℃に保って加熱する加熱炉１と、この加熱炉１で加熱した鋼線材料ｗをバーナー１２による燃焼で雰囲気温度を約６００℃に調整しつつ、エアー（空気）ａを噴いて撹拌したジルコンの砂の流動層ｚに通して冷却（徐冷）する冷却炉２とを備え、冷却炉２に排気口８が設けられ、また、加熱炉１と冷却炉２の間に、加熱炉１で加熱した鋼線材料ｗを冷却炉２に直接送るのではなく、バーナー１３による燃焼で雰囲気調整（酸素を消化）しつつ空気中で７５０〜８００℃まで冷却（急冷）して冷却炉２へ送る接続炉３が配置された熱処理装置が使用されている。

この熱処理装置では、加熱炉１は、炉内がバーナー１１による燃焼で約１０００℃という高温になるため、酸化雰囲気であると、鋼線材料ｗ表面の炭素（Ｃ）が酸化してＣＯやＣＯ₂を発生し、脱炭してしまったり、鋼線材料ｗ自体が酸化されてしまったりする。そのため、加熱炉１内は還元雰囲気（不完全燃焼雰囲気）に保つ必要がある。しかし、この熱処理装置は、冷却炉２に流動砂ｚ撹拌用のエアーａが噴かれ、それが冷却炉２から接続炉３に漏れる。そのため、接続炉３内はＯ₂濃度がある程度高くなる。そして、その接続炉３内のＯ₂濃度に高いガス（空気）が加熱炉１へ漏れたのでは、加熱炉１内を還元雰囲気に保つことができなくなり、また、接続炉から加熱炉１に漏れる空気が多いと加熱炉１内の温度が部分的に低下し、温度分布が不均一になってしまって、加熱本来の目的を達成できなくなってしまう。また、接続炉３も、接続炉３内は加熱炉１内に比べれば温度が低いが、Ｏ₂濃度が高いと鋼線材料ｗが酸化の影響を受ける。そのため、従来は、加熱炉１を強制的に加圧条件にしたり、冷却炉２を強制的に減圧条件にすることによって加熱炉１への空気の漏れを防止するようにしており、また、接続炉３内の雰囲気をバーナー１３による燃焼で調整するようにしている。

また、それとは別に、バーナーで加熱する複数段の加熱炉（加熱室）で加熱帯が構成され、その加熱帯の終段部に引き続いて冷却帯が配置された熱処理装置（熱処理炉）において、加熱帯および冷却帯での雰囲気ガス組成管理が厳密に行われるよう、加熱帯の終段部と冷却帯とを結ぶバイパス管（ガス循環路）を設け、そのバイパス管を流れるガスの組成をセンサ（ガス分析計）で検知してバーナーの空燃比をフィードバック制御するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
実公平２−３５８０５号公報

上述のように、バーナーで鋼線材料を加熱する加熱炉と、加熱した鋼線材料をエアーで撹拌した砂の流動層に通して冷却する冷却炉との間に、バーナーによる燃焼で雰囲気調整しつつ鋼線材料を中間温度まで冷却する接続炉を配置した熱処理装置では、加熱炉内を還元雰囲気（不完全燃焼雰囲気）に保つとともに接続炉内の雰囲気調整を行って鋼線材料の脱炭や酸化を防ぐ必要があり、そのために、加熱炉を強制的に加圧条件にしたり冷却炉を減圧条件にすることで加熱室への空気の漏れ（逆流）を防止し、また、接続炉内の雰囲気をバーナーによる燃焼で調整することが従来から行われているが、その場合、加熱炉を強制的に加圧条件にしたり冷却炉の減圧条件を高めるためにエネルギーロスが大きく、また、接続炉内の雰囲気調整のためのバーナーの使用によるエネルギーロスも大きい。

また、加熱帯の終段部からバイパス管を通って冷却帯へ流れるガスの組成を検知して加熱炉のバーナーの空燃比をフィードバック制御することで加熱帯および冷却帯の雰囲気ガス組成管理を行うものでは、雰囲気ガス組成管理と雰囲気温度管理とが両立せず、加熱および冷却の本来の機能に支障が生ずる恐れがある。

本発明は、鋼線材料を還元雰囲気にて加熱する加熱炉と、該加熱炉で加熱した鋼線材料を、エアーを噴いて撹拌した砂の流動層に通して冷却する冷却炉と、これら加熱炉と冷却炉を接続する接続炉（接続空間）を備えた熱処理装置において、エネルギー消費を抑えつつ加熱炉内を還元雰囲気に保つとともに接続炉内の雰囲気調整を行って鋼線材料の脱炭や酸化を防ぐことができるようにすることを目的とする。

本発明の熱処理装置は、鋼線材料を還元雰囲気にて加熱する加熱炉と、加熱炉で加熱した鋼線材料をエアーを噴いて撹拌した砂の流動層に通して冷却する冷却炉と、これら加熱炉と冷却炉を接続する接続空間を備えた熱処理装置であって、接続空間と冷却炉とを接続するバイパス管と、バイパス管を開閉する弁と、接続空間の雰囲気組成を検知するセンサと、センサの検知信号に基づいて弁を開閉し接続空間の雰囲気組成をフィードバック制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

この熱処理装置では、加熱炉と冷却炉との間の接続空間の雰囲気組成をセンサで検知し、その検知信号に基づいて弁を開閉することで、バイパス管を通って接続空間から冷却炉へ流れるＣＯを含んだ空気の量を調整し、接続空間の雰囲気組成をフィードバック制御することができる。

そのため、接続空間のＯ₂濃度が上昇し、ＣＯが不足気味で、接続空間での酸化が懸念され、また、接続炉から加熱炉へＯ₂濃度の高い空気が漏れて加熱炉内を還元雰囲気に保てなくなるような状況になったときには、バイパス管の弁を開き、あるいは弁の開度を大きくして、バイパス管を通って接続空間から冷却炉へ流れるＯ₂濃度の高い空気の流量を多くし、それにより、接続空間のＯ₂濃度が酸化の懸念のないレベルに戻り、また、接続空間の圧力が下がって加熱炉から接続空間に漏れるＣＯ濃度の高い空気の量が増え、そのため、接続空間のＯ₂濃度が下がり、接続空間から加熱炉へ漏れる空気のＯ₂濃度が下がるとともに漏れ量も少なくなって、加熱炉内がＣＯで満たされた還元雰囲気に保たれるとともに均一な温度に保たれるようにすることができる。

また、接続空間のＯ₂濃度が低下し、ＣＯが過剰気味で、接続空間での冷却不足（冷却炉から漏れ入る撹拌用エアーの量が不足気味）が懸念される状況となったときには、バイパス管の弁を閉じ、あるいは弁の開度を小さくして、バイパス管を通って接続空間から冷却炉へ流れる空気を遮断し、あるいは流量を少なくし、それにより、接続空間の圧力が上がって加熱炉から接続空間へ漏れるＣＯ濃度の高い空気の量が少なくなり、そのため、接続空間が冷却不足の懸念のない雰囲気に戻るようにすることができる。

こうして加熱炉内を還元雰囲気に保つとともに接続炉内の雰囲気調整を行って鋼線材料の脱炭や酸化を防ぐようにすることができる。そして、加熱炉を強制的に加圧条件にしたり、冷却炉の減圧条件を高めることによって冷却炉側から加熱室側への空気の漏れ（逆流）を防止することをしなくてもよくなり、また、接続炉内の雰囲気をバーナーによる燃焼で調整するようなことをしなくてもよくなり、そのため、エネルギー消費を抑えることができる。

この熱処理装置において、センサは、Ｏ₂またはＣＯの少なくとも一方を検知対象とするものであるのがよい。

そのようにＯ₂またはＣＯの少なくとも一方を検知してフィードバック制御することで、加熱炉内を還元雰囲気に保つことができ、接続炉内を酸化の懸念のないよう雰囲気調整することができる。

そして、この熱処理装置は、加熱炉内が炉内ガスの熱膨張により加圧状態に保たれ、冷却炉内が炉内ガスの排気（自然排気あるいは吸引排気）により減圧状態に保たれ、接続空間が弁の開閉によるフィードバック制御により還元雰囲気に保たれるのがよい。

加熱炉内が炉内ガスの熱膨張により加圧状態に保たれ、冷却炉内が炉内ガスの排気により減圧状態に保たれることで、エネルギー消費を抑えつつ加熱炉を加圧条件にするとともに冷却炉を減圧条件にすることができて、バイパス管を通って接続空間から冷却炉への空気（ＣＯを含んだガス）の流量調整によるフィードバック制御が容易となる。そして、弁の開閉によるフィードバック制御により、エネルギー消費を抑えつつ接続空間を還元雰囲気に保つことができる。

このように本発明によれば、鋼線材料を還元雰囲気にて加熱する加熱炉と、該加熱炉で加熱した鋼線材料を導入され排出されるエアーによって撹拌されて流動する砂の流動層に通して冷却する冷却炉と、これら加熱炉と冷却炉を接続する接続空間を備えた熱処理装置において、エネルギー消費を抑えつつ加熱炉内を還元雰囲気に保つとともに接続空間の雰囲気調整を行って鋼線材料の脱炭や酸化を防ぐようにすることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明の実施形態の一例に係る熱処理装置を示している。図１は熱処理装置の弁開状態における概略図、図２は熱処理装置の弁閉状態における概略図である。

この実施形態の熱処理装置は、スチールワイヤの製造工程においてワイヤ（鋼線材料）ｗの伸線による加工硬化を除去して更なる伸線加工を行うために、加熱及び冷却の熱処理を連続して行うものであって、伸線加工後のワイヤ（鋼線材料）ｗを還元雰囲気にてバーナー１１による燃焼で雰囲気温度を約１０００℃に保って加熱する加熱炉１と、加熱したワイヤ（鋼線材料）ｗをバーナー１２による燃焼で雰囲気温度を約６００℃に調整しつつ、エアー（空気）ａを噴いて撹拌したジルコンの砂の流動層ｚに通して冷却（徐冷）する冷却炉２を備え、これら加熱炉１と冷却炉２の間に、加熱炉１と冷却炉２とを接続し、加熱炉１で加熱された鋼線材料ｗを空気中で７５０〜８００℃まで冷却（急冷）して冷却炉２へ送る接続炉（接続空間）３を備えている。

この熱処理装置は、伸線加工したワイヤ（鋼線材料）ｗを加熱炉１に送って還元雰囲気にて雰囲気温度約１０００℃で加熱してオーステナイト化し、次いで接続炉（接続空間）３で７５０〜８００℃に急冷した後、冷却炉２に送って雰囲気温度約６００℃で流動層ｚを通して徐冷しパーライト化する。

そして、この熱処理装置には、接続炉（接続空間）３と冷却炉２とを上部で接続するバイパス管４が設けられ、このバイパス管４の途中に、管内部の通路（バイパス通路）を開閉する弁（バイパス弁）５が設けられている。また、接続炉（接続空間）３の雰囲気組成（雰囲気ガスの組成）を検知するため、ＣＯ濃度を検知するＣＯセンサ６が接続炉（接続空間）３に設けられ、ＣＯセンサ６の検知信号に基づいて弁（バイパス弁）５を開閉し接続炉（接続空間）３の雰囲気組成（ＣＯ濃度）をフィードバック制御するよう、制御装置（コンピュータ）７が配置されている。また、冷却炉２には、冷却炉２内の空気を吸引排気する排気口８が設けられている。

この熱処理装置では、加熱炉１と冷却炉２との間の接続炉（接続空間）３のＣＯ濃度をＣＯセンサ６で検知し、その検知信号に基づいて弁（バイパス弁）５を開閉（開度調整）することで、バイパス管４を通って接続炉（接続空間）３から冷却炉２へ流れるＣＯを含んだ空気の量を調整し、接続炉（接続空間）３の雰囲気組成を還元雰囲気にフィードバック制御する。

加熱炉１内は炉内ガスの熱膨張により加圧状態に保たれ、冷却炉２内は炉内ガスの排気（自然排気あるいは吸引排気）により減圧状態に保たれる。そのため、弁（バイパス弁）５を開くとバイパス管４を通って接続炉（接続空間）３から冷却炉２へと空気（ＣＯを含んだガス）が流れ、その分、加熱炉１から接続炉（接続空間）３へ漏れるＣＯ濃度の高い空気の量が増える。したがって、ＣＯセンサ６の検知信号に基づいて弁（バイパス弁）５を開閉（開度調整）することで、接続炉（接続空間）３の雰囲気組成をフィードバック制御することができる。

加熱炉１は、炉内がバーナー１１による燃焼で約１０００℃という高温になるため、酸化雰囲気であると、鋼線材料ｗの表面の炭素（Ｃ）が酸化してＣＯやＣＯ₂を発生し、脱炭してしまったり、鋼線材料ｗそれ自体が酸化されてしまったりする。そのため、加熱炉１内は還元雰囲気（不完全燃焼雰囲気）に保つ必要がある。しかし、この熱処理装置は、冷却炉２に流動層ｚの砂撹拌用のエアーａが噴かれ、それが冷却炉２から接続炉（接続空間）３に漏れる。そのため、接続空間３内はＯ₂濃度がある程度高くなる。そして、その接続炉（接続空間）３内のＯ₂濃度に高いガス（空気）が加熱炉１へ漏れたのでは、加熱炉１内を還元雰囲気に保つことができなくなり、また、その空気の流入によって加熱炉１内の温度が部分的に低下し、温度分布が不均一になってしまって、加熱の所期の目的を達成できなくなってしまう。また、接続炉（接続空間）３も、加熱炉１内に比べれば温度が低いとはいえ、Ｏ₂濃度が高いと鋼線材料ｗが酸化の影響を受ける。この実施形態の熱処理装置では、接続炉（接続空間）３のＣＯ濃度を検知するＣＯセンサ６の検知信号に基づくフィードバック制御により接続炉（接続空間）３の雰囲気組成が還元雰囲気に保たれ、それにより加熱炉１もまた還元雰囲気に保たれるため、抑鋼線材料の脱炭や酸化を防ぐことができる。

また、この実施形態の熱処理装置では、加熱炉１内が炉内ガスの熱膨張により加圧状態に保たれ、冷却炉２内が炉内ガスの排気（自然排気あるいは吸引排気）により減圧状態に保たれ、加熱炉１側への空気の逆流は少ないため、加熱炉１内の温度分布が空気の逆流によって不均一になる恐れがない。

この実施形態の熱処理装置のフィードバック制御による雰囲気調整は具体的には次の通りである。

まず、接続炉（接続空間）３のＯ₂濃度が上昇し、ＣＯが不足気味で、接続炉（接続空間）３での酸化が懸念され、また、接続炉（接続空間）３から加熱炉１へＯ₂濃度の高い空気が漏れて加熱炉１内を還元雰囲気に保てなくなるような状況になったときには、図１に示すように弁（バイパス弁）５が開き、あるいは弁（バイパス弁）５の開度が大きくなって、排気に吸われてバイパス管４を通って接続炉（接続空間）３から冷却炉２へＯ₂濃度の高い空気が流れ、あるいはＯ₂濃度の高い空気の流量が増加して、それにより、接続炉（接続空間）３のＯ₂濃度が酸化の懸念のないレベルに戻り、また、接続炉（接続空間）３の圧力が下がって、加熱炉１から接続炉（接続空間）３に漏れるＣＯ濃度の高い空気の量が増える。そのため、接続炉（接続空間）３はＯ₂濃度が下がって還元雰囲気になるとともに、接続炉（接続空間）３から加熱炉１へ漏れる空気のＯ₂濃度が下がり、漏れ量も少なくなって、加熱炉１内がＣＯで満たされた還元雰囲気に保たれる。

また、接続空間のＯ₂濃度が低下し、ＣＯが過剰気味で、接続空間での冷却不足（冷却炉から漏れ入る撹拌用エアーの量が不足気味）が懸念される状況となったときには、図２に示すように弁（バイパス弁）５が閉じ、あるいは弁（バイパス弁）５の開度が小さくなって、バイパス管４を通って接続炉（接続空間）３から冷却炉１へ流れる空気が遮断され、あるいは流量が少なくなって、それにより、接続炉（接続空間）３の圧力が上がって、加熱炉１から接続炉（接続空間）３へ漏れるＣＯ濃度の高い空気の量が少なくなり、そのため、接続炉（接続空間）３が冷却不足となる懸念のない雰囲気に戻る。

こうしてフィードバック制御により接続炉（接続空間）３内が還元雰囲気に保たれ、加熱炉１内がＣＯで満たされた還元雰囲気に保たれる。そのためワイヤ（鋼線材料）ｗの脱炭や酸化を防ぐことができる。

また、この熱処理炉では、加熱炉１内は炉内ガスの熱膨張により加圧状態に保たれ、冷却炉２内は炉内ガスの排気（自然排気あるいは吸引排気）により減圧状態に保たれる。そのため、エネルギー消費を抑えつつ加熱炉１を加圧条件にするとともに冷却炉２を減圧条件にすることができ、加熱炉１への空気の漏れ（逆流）を防止できる。

なお、この例では接続炉（接続空間）３の雰囲気組成（雰囲気ガスの組成）を検知するセンサとしてＣＯ濃度を検知するＣＯセンサ６を用いているが、センサはこれに限るものではなく、Ｏ₂またはＣＯの少なくとも一方を検知対象とするものであればよい。本発明はその他様々な態様で実施できることは言うまでもない。

本発明の実施形態の熱処理装置（弁開状態）の概略図である。 本発明の実施形態の熱処理装置（弁閉状態）の概略図である。 従来の熱処理装置の概略図である。

符号の説明

１ 加熱炉
２ 冷却炉
３ 接続炉（接続空間）
４ バイパス管
５ 弁（バイパス弁）
６ ＣＯセンサ
７ 制御装置（コンピュータ）
８ 排気口
１１ バーナー
１２ バーナー
ａ エアー（空気）
ｗ ワイヤ（鋼線材料）
ｚ 流動層

Claims (3)

1. 鋼線材料を還元雰囲気にて加熱する加熱炉と、該加熱炉で加熱した鋼線材料をエアーを噴いて撹拌した砂の流動層に通して冷却する冷却炉と、これら加熱炉と冷却炉を接続する接続空間を備えた熱処理装置であって、
   前記接続空間と前記冷却炉とを接続するバイパス管と、該バイパス管を開閉する弁と、前記接続空間の雰囲気組成を検知するセンサと、該センサの検知信号に基づいて前記弁を開閉し前記接続空間の雰囲気組成をフィードバック制御する制御装置を備えたことを特徴とする熱処理装置。
2. 前記センサは、Ｏ₂またはＣＯの少なくとも一方を検知対象とするものである請求項１記載の熱処理装置。
3. 前記加熱炉内が炉内ガスの熱膨張により加圧状態に保たれ、前記冷却炉内が炉内ガスの排気により減圧状態に保たれ、前記接続空間が前記弁の開閉によるフィードバック制御により還元雰囲気に保たれる請求項１又は２記載の熱処理装置。

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