JP2010037597A - カーボンポテンシャル演算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｏ₂ 濃度に基づき算出されたＣＰ値が出力上限を超えた場合であっても、安定したＣＰ値測定が行えるカーボンポテンシャル演算装置を提供する。
【解決手段】センサ部２０で検出するＯ₂ 濃度の入力上限値を設定する設定部１１と、炉内雰囲気中のＯ₂ 濃度、温度、ＣＯ濃度に基づき当該雰囲気のカーボンポテンシャルを算出するとともに、該算出したカーボンポテンシャルが出力上限値を超えた場合に設定部１１で設定されたＯ₂ 濃度の入力上限値に基づき比例演算を行う演算部１２とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば浸炭炉や浸炭窒化炉などの熱処理炉内のＣＯ₂ 濃度やＯ₂ 濃度に基づき炉内雰囲気のカーボンポテンシャル（Carbon Potential：ＣＰ）を演算するカーボンポテンシャル演算装置に関するものである。

従来より、調質処理を施した鋼材は、強度と靱性との組合せの点で著しく優れているが、耐摩耗性は浸炭焼入れ処理したものに比較して劣り、また繰返し応力による疲労破壊が問題となる部品では疲労亀裂が表面近傍から生ずる関係上、表面における強度が重要となる。そこで、このような観点から、通常、耐摩耗性や疲労破壊に対する強度が必要な品物に対する表面硬化処理として、ガス浸炭法が知られている。

このガス浸炭法とは、大規模生産に適した方法であり、ＬＰＧなど炭化水素系のガスを変成炉を介して吸熱型変成ガス（触媒により吸熱反応によって変成したガス）に変え浸炭炉に導入する方法である。この吸熱型変成ガスは「キャリアガス」と呼ばれ、例えばＨ₂ ，ＣＯ，ＣＨ₄ ，ＣＯ₂ ，Ｏ₂ ，Ｈ₂ Ｏなどを含む混合ガスからなっている。浸炭反応は、各ガスの分圧に基づく平衡定数によって支配され、相互に関連を保ちながら釣合の状態にあるため、特定のガス（例えばＨ₂ Ｏ，ＣＯ₂ ，Ｏ₂ のうちの何れか）の分圧をモニタし、常にある特定の値を維持するように浸炭ガスの流量をコントロールすれば、反応を一方向に進行させることができる。なお、カーボンポテンシャル（Carbon Potential、以下「ＣＰ」と略称する）とは、このようなコントロール状態にあるときの浸炭能力を示すものである。

また、炉気全体としては平衡関係が成立していても、鋼材表面では流れが不十分などの理由で平衡にズレを生じやすく、分解したＣがすべて吸着されるわけではないため、一部はスーティングを起こして「すす」になることがある。このような状態を改善して浸炭能力を増すために、「エンリッチガス」と呼ばれるプロパンなどの生ガスが、０．５〜１％程度直接炉内に添加される。なお、浸炭処理としては、上述したガス浸炭法の他、滴注式浸炭法、液体浸炭法、固体浸炭法、真空浸炭法、プラズマ浸炭法などがある。

図７は、ガス浸炭法の実施例として下記特許文献１に開示される浸炭炉の概略構成図である。図示のように、下記特許文献１のガス浸炭方法は、浸炭炉１０１内雰囲気ガスをサンプリングして炉外において炉内雰囲気ガス中のＣＯ₂ 濃度を検出するＣＯ₂ センサ１０２と、炉内において炉内雰囲気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１０３とを設ける。エンリッチガス１０４の導入は炉内温度Ｔの昇温中に開始し、ＣＯ₂ 濃度を基に算出した見掛け上のカーボンポテンシャルＣＰ₁ と、酸素濃度を基に算出した見掛け上のカーボンポテンシャルＣＰ₂ との差（ＣＰ₂ −ＣＰ₁ ）を求め、差（ＣＰ₂ −ＣＰ₁ ）が所定値に近づくようにエンリッチガス１０４の流量を調整する。

また、特許文献１では浸炭炉及び各種センサによってエンリッチガスのＰＩＤ制御を行うシステム構成であるが、このような浸炭炉の駆動制御を行うため、浸炭炉に配設されたＣＯ₂ センサやＯ₂ センサで測定したＣＯ₂ 濃度やＯ₂ 濃度に基づいて炉内雰囲気のＣＰ値を算出するカーボンポテンシャル演算装置も知られている。
特許第３９７３７９５号 日本熱処理技術協会，日本金属熱処理工業会編著，三澤三郎編、「熱処理技術入門：金属熱処理技能士・受検テキスト」、大河出版（２００４年７月出版）、２８頁〜３０頁

ところで、従来のカーボンポテンシャル演算装置において、例えば温度：１０００℃、ＣＯ濃度：２０％（何れも固定値）を条件としたとき、Ｏ₂ センサからのＯ₂ 濃度に基づくＣＰ値を演算すると図８に示すようなグラフとなる。図示のように、Ｏ₂ センサからの入力であるＯ₂ 濃度を示すＥＭＦ（electrmotive force：起電力）が上昇するに連れてＣＰ値が徐々上昇しているが、計算式上、ＣＰ値の出力上限値（図ではＣＰ値＝１．６８％）を超えると、ＥＭＦの入力値が上昇してもＣＰ値が下降する特性になっている。

そこで、従来のカーボンポテンシャル演算装置では、Ｏ₂ 濃度に基づくＣＰ値が出力上限値を超えた場合は、図９に示すようにＣＰ値の上限であるＣＰ値＝２．０％まで一気に上昇させ、これ以降、ＥＭＦの入力値が上昇した場合でも一律でＣＰ値＝２．０％と規定した処理を行っている。

しかしながら、このようにＣＰ値の出力が上限値を超えたときにＣＰ値を一律で２．０％として処理した場合、ＣＰ値が出力上限値を超えた状態（例えばＣＰ値＝１．６８％以上）で装置を使用するようなときに入力値の急変により測定制御に乱れが生じ、正確なＣＰ値制御が安定して行えないという問題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、Ｏ₂ 濃度に基づき算出されたＣＰ値の出力上限値を超えた場合であっても、安定したＣＰ値制御が行えるカーボンポテンシャル演算装置を提供することを目的とするものである。

上記した目的を達成するために、請求項１記載のカーボンポテンシャル演算装置は、熱処理炉に設置されたセンサ部によって検出された炉内雰囲気中のＯ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度に基づき前記炉内雰囲気のカーボンポテンシャルを算出するカーボンポテンシャル演算装置であって、
前記センサ部で検出する前記Ｏ₂ 濃度の入力上限値を設定する設定部と、
前記算出したカーボンポテンシャルが出力上限値を超えた場合に、前記設定部で設定されたＯ₂ 濃度の入力上限値に基づき前記算出したカーボンポテンシャルの比例演算を行う演算部と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２記載のカーボンポテンシャル演算装置は、熱処理炉に設置されたセンサ部によって検出された炉内雰囲気中のＯ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度に基づき前記炉内雰囲気のカーボンポテンシャルを算出するカーボンポテンシャル演算装置であって、
前記ＣＯ濃度を前記炉内雰囲気中のＯ₂ 濃度から算出される酸素分圧の平方根で除算したものに下記数３を用いて算出したオーステナイトの飽和炭素量を積算して得られる値が２．７６２２以上のときに、下記数４を用いて前記カーボンポテンシャルを算出する演算部を備えたことを特徴とする。

請求項３記載のカーボンポテンシャル演算装置は、請求項１又は２記載のカーボンポテンシャル演算装置において、前記設定部からの設定に応じて、前記演算部で算出されたＯ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度に基づくカーボンポテンシャルと、同じく前記演算部で算出されたＣＯ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度に基づくカーボンポテンシャルとを同時に表示する表示部を備えたことを特徴とする。

本発明のカーボンポテンシャル演算装置によれば、Ｏ₂ 濃度に基づき算出したＣＰ値が出力上限値を超えた場合であってもＣＰ値の上限値までの間が比例演算されているため、測定制御が乱れることなく安定したＣＰ値制御を行うことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明に係るカーボンポテンシャル演算装置の構成を示す概略構成図であり、図２は同装置の前面パネルの概略図であり、図３は同装置においてＯ₂ 濃度に基づくＣＰ値演算を説明するための説明図であり、図４は同装置においてＣＯ₂ 濃度に基づくＣＰ値演算を説明するための説明図であり、図５は同装置においてＯ₂ 濃度に基づき算出したＣＰ値の補正したときのＥＭＦとＣＰ値との関係を示すグラフ図であり、図６は同装置においてＣＯ₂ 濃度に基づき算出したＣＰ値の補正したときのＥＭＦとＣＰ値との関係を示すグラフ図である。

まず、本発明に係るカーボンポテンシャル演算装置の構成について、図１、２を参照しながら説明する。

図１に示すように、本例のカーボンポテンシャル演算装置１（以下、ＣＰ演算装置と略称する）は、設定部１１、演算部１２、表示部１３、警報部１４を備えて構成される。そして、ＣＰ演算装置１は、測定対象である例えば浸炭炉や浸炭窒化炉などの熱処理炉３０に設置して炉内雰囲気の各種状態を検出するセンサ部２０と電気的に接続されている。

このセンサ部２０は、測定対象となる炉内雰囲気中のＣＯ₂ 濃度を赤外線吸収法によりＣＯ₂ 濃度（％）を検出するＣＯ₂ センサ２１、同じく炉内雰囲気中のＣＯ濃度を赤外線吸収法によりＣＯ濃度（％）を検出するＣＯセンサ２２、炉内雰囲気中のＯ₂ 濃度をジルコニア固体電解質の酸素イオン伝導性を利用してＯ₂ 濃度をＥＭＦ（ｍＶ）で検出するＯ₂ センサ２３、炉内雰囲気中の温度（℃）を検出する温度センサ２４（本例ではＫ熱電対、Ｒ熱電対、Ｓ熱電対の３種）などの各種センサで構成され、各センサで検出された検出データを演算部１２に出力している。

設定部１１は、図２に示すように装置の前面パネルの所定箇所に複数設けられた各種キーで構成され、ユーザのキー操作により各種設定が行える。設定内容としては、ＣＯ₂ センサ２１／Ｏ₂ センサ２３の入力切り替え、表示部１３に表示する表示内容の切替（例えばＣＯ₂ 濃度のみ、Ｏ₂ 濃度のみ、ＣＯ₂ ／Ｏ₂ 濃度の同時表示）、Ｏ₂ 濃度／ＣＯ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度のうちの１つを固定値とする設定、製造メーカによって異なるＣＯ₂ センサ２１のスケール上限値の設定、使用する熱電対の選択設定、ＣＰ値補正の際に算出されたＣＰ値を真値に近づけるための補正値（傾き補正値、シフト補正値、外部接点補正値）の設定、ＣＰ値の比例演算時に用いるＥＭＦの入力上限値設定など、ＣＰ値演算に関する各種設定が行える。

演算部１２は、Ａｓ１演算手段１２ａ、ＰＯ₂ 演算手段１２ｂ、Ａｓ２演算手段１２ｃ、ＣＰ値演算手段１２ｄ、ＣＯ₂ 演算手段１２ｅ、定数演算手段１２ｆ、ＣＰ値補正手段１２ｇ、ＣＰ値比例演算手段１２ｈとで構成され、センサ部２０からの各種検出データ（炉内雰囲気中のＣＯ₂ 濃度、Ｏ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度）に基づくＣＰ値の算出、算出されたＣＰ値の補正、算出されたＣＰ値が出力上限値を超えたときにＥＭＦの入力上限値に基づく比例演算を行っている。

ここで、ＣＰ値の演算方法について説明する。ＣＰ値の演算では、Ｏ₂ 濃度又はＣＯ₂ 濃度に基づきＣＰ値を算出する。また、ＣＰ値の演算精度を向上させるため、Ｏ₂ 濃度／ＣＯ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度のうちの１つの入力値を固定値としている。

まず、Ｏ₂ 濃度、ＣＯ濃度（固定値）、温度からＣＰ値を算出する場合、下記数５を用いてＡｓ１（オーステナイトの飽和炭素量）をＡｓ１演算手段１２ａで算出し、下記数６を用いて測定されたＰＯ₂ （酸素分圧）をＰＯ₂ 演算手段１２ｂで算出し、オーステナイトの飽和炭素量と温度との関係から回帰分析にて得られた下記数７を用いてＡｓ２（オーステナイトの飽和炭素量）をＡｓ２演算手段１２ｃで算出する。

そして、上記数６、７で算出したＰＯ₂ 、Ａｓ２を用いて下記数８又は９よりＣＰ値演算手段１２ｄでＣＰ値を算出する。なお、数９を用いる場合は、ＣＯ濃度（ＣＯ）を上記数６で算出した酸素分圧の平方根（ＰＯ₂ ^1/2 ）で除算したものにオーステナイトの飽和炭素量（Ａｓ２）を積算して得られる値（Ｌ）がＬ≧２．７６２２のときに用いる。

また、検出した温度、ＣＯ濃度（固定値）、上記数５で算出したＡｓ１と数８又は９で算出したＣＰ値に基づき、下記数１０を用いてＣＯ₂ 演算手段１２ｅでＣＯ₂ 濃度を算出することもできる。

次に、ＣＯ₂ 濃度、ＣＯ濃度（固定値）、温度からＣＰ値を算出する場合、上記数５を用いてＡｓ１をＡｓ１演算手段１２ａで算出し、下記数１１を用いてＫ（計算用定数）を定数演算手段１２ｆで算出する。

そして、上記数５、１１で算出したＡｓ１、Ｋを用いて下記数１２よりＣＰ演算手段１２ｄでＣＰ値を算出する。

なお、Ｏ₂ 濃度、Ｃｏ濃度、温度に基づくＣＰ値とＣＯ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度に基づくＣＰ値は、入力の設定に応じて個々に算出したり同時に算出することもできる。

次に、ＣＰ値の補正方法について説明する。上記数５〜１２の何れかを用いて算出されたＣＰ値の補正を行う場合、下記数１３を用いてＣＰ値補正手段１２ｇで補正を行う。なお、式中のＡ〜Ｃは、設定部１１にて設定された補正値であり、Ａ：傾き補正値、Ｂ：シフト補正値、Ｃ：外部接点補正値を示し、外部接点補正値は外部接点信号がＯＮのときのみ加算される。

次に、ＣＰ値の比例演算について説明する。上記数５〜１２の何れかを用いて算出されたＣＰ値の比例演算を行う場合、設定部１１にて設定されたＥＭＦの入力上限値に基づきＣＰ値の出力上限値以降のＣＰ値がＥＭＦに比例するようにＣＰ値比例演算手段１２ｈで自動演算する。なお、このとき使用するＥＭＦの入力上限値は、ＣＰ値の上限であるＣＰ＝２．０のときのＥＭＦの値を示している。

表示部１３は、数値又は文字を複数の７セグメント表示により発光表示する数値表示領域１３ａ、各種設定時や警報部１４からの警報出力などに応じて点灯／点滅を行うステータス表示領域１３ｂを備え、図２に示すように機器の前面パネルに設けられている。表示部１３は、演算部１２で算出されたＯ₂ 濃度に基づくＣＰ値とＣＯ₂ 濃度に基づくＣＰ値の個別表示若しくは同時表示、センサ部２０で検出されたＣＯ₂ 濃度、Ｏ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度などを、設定部１１による設定内容に応じて表示する。

警報部１４は、例えばブザーなどの鳴動装置やＬＥＤランプなどの表示装置で構成され、センサ部２０との接続が断線した場合、センサ部２０から入力する検出データが異常の場合、ＣＰ値の演算結果により、｜ＣＰ値（Ｏ₂ ）−ＣＰ値（ＣＯ₂ ）｜＞偏差設定値（予め設定された任意の値）の場合に外部に異常を通知するための警報出力（鳴動や点灯／点滅など）を行う。

次に、上述したＣＰ演算装置１における具体的な実施例について、図３、４を参照しながら説明する。ここでは、実施条件として温度が１０００℃、ＣＯ濃度が固定値の２５％、Ｏ₂ 濃度が１０００ｍＶ、Ｃｏ₂ 濃度が１．０％、設定部１１で設定したＥＭＦの入力上限値が１３００ｍＶとし、実施例１としてＯ₂ 濃度からのＣＰ値算出後の比例演算、実施例２としてＣＯ₂ 濃度からのＣＰ値算出後の比例演算についてそれぞれ説明する。

＜実施例１＞
図３に示すように、まず上記数６を用いてＰＯ₂ を算出し（ＰＯ₂ ＝２．９９４Ｅ−１７）、上記数７を用いてＡｓ２を算出する（Ａｓ２＝１．１８１Ｅ−１１）。そして、上記数６、７によって算出されたＰＯ₂ 、Ａｓ２に基づき、上記数８を用いてＣＰ値を算出する。（ＣＰ＝０．０８１）。

そして、設定部１１で設定されたＥＭＦの入力上限値に基づき算出されたＣＰ値をＣＰ値の上限値まで比例するように自動演算することで、図５に示すようなＥＭＦに比例したＣＰ値のグラフとなる。

＜実施例２＞
図４に示すように、まず上記数５を用いてＡｓ１を算出し（Ａｓ１＝１．５７９）、上記数１１を用いて計算用定数であるＫを算出する（Ｋ＝２．０９３）。そして、上記数５、１１によって算出されたＡｓ１、Ｋに基づき、上記数１２を用いてＣＰ値を算出する（ＣＰ＝０．０８０）。

そして、設定部１１で設定されたＥＭＦの入力上限値に基づき算出されたＣＰ値をＣＰ値の上限値まで比例するように自動演算することで、図６に示すようなＥＭＦに比例したＣＰ値のグラフとなる。

このように、上述したＣＰ演算装置１は、ＣＯ₂ センサ２１からのＣＯ₂ 濃度若しくはＯ₂ センサ２３からのＯ₂ 濃度、温度、ＣＯ濃度に基づき炉内雰囲気のＣＰ値を算出する。そして、設定部１１で設定したＥＭＦの入力上限値に基づき、算出したＣＰ値の出力上限値以降の値をＣＰ値の上限値まで比例するように自動演算する。

これにより、ＣＰ値がＣＰ値の出力上限値を超えた場合であっても、ＣＰ値の上限値までの間が比例演算されているため、測定制御が乱れることなく安定したＣＰ値制御を行うことができる。

以上、本願発明における最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術等はすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

本発明に係るカーボンポテンシャル演算装置の構成を示す概略構成図である。 同装置の前面パネルの概略図である。 同装置においてＯ₂ 濃度に基づくＣＰ値演算を説明するための説明図である。 同装置においてＣＯ₂ 濃度に基づくＣＰ値演算を説明するための説明図である。 同装置においてＯ₂ 濃度に基づき算出したＣＰ値の補正したときのＥＭＦとＣＰ値との関係を示すグラフ図である。 同装置においてＣＯ₂ 濃度に基づき算出したＣＰ値の補正したときのＥＭＦとＣＰ値との関係を示すグラフ図である。 一般的なガス浸炭法を行う浸炭炉の構成図である。 従来からのカーボンポテンシャル装置においてＯ₂ 濃度に基づき算出したＣＰ値とＥＭＦとの関係を示すグラフ図である。 図８のグラフを従来の方法で補正した際の部分拡大説明図である。

符号の説明

１…カーボンポテンシャル演算装置（ＣＰ演算装置）
１１…設定部
１２…演算部（１２ａ…Ａｓ１演算手段、１２ｂ…ＰＯ₂ 演算手段、１２ｃ…Ａｓ２演算手段、１２ｄ…ＣＰ値演算手段、１２ｅ…Ｃｏ₂ 演算手段、１２ｆ…定数演算手段、１２ｇ…ＣＰ値補正手段、１２ｈ…ＣＰ値比例演算手段）
１３…表示部（１３ａ…数値表示領域、１３ｂ…ステータス表示領域）
１４…警報部
２０…センサ部（２１…ＣＯ₂ センサ、２２…ＣＯセンサ、２３…Ｏ₂ センサ、２４…温度センサ）
３０…熱処理炉

Claims (3)

1. 熱処理炉に設置されたセンサ部によって検出された炉内雰囲気中のＯ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度に基づき前記炉内雰囲気のカーボンポテンシャルを算出するカーボンポテンシャル演算装置であって、
   前記センサ部で検出する前記Ｏ₂ 濃度の入力上限値を設定する設定部と、
   前記算出したカーボンポテンシャルが出力上限値を超えた場合に、前記設定部で設定されたＯ₂ 濃度の入力上限値に基づき前記算出したカーボンポテンシャルの比例演算を行う演算部と、
   を備えたことを特徴とするカーボンポテンシャル演算装置。
2. 熱処理炉に設置されたセンサ部によって検出された炉内雰囲気中のＯ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度に基づき前記炉内雰囲気のカーボンポテンシャルを算出するカーボンポテンシャル演算装置であって、
   前記ＣＯ濃度を前記炉内雰囲気中のＯ₂ 濃度から算出される酸素分圧の平方根で除算したものに下記数１を用いて算出したオーステナイトの飽和炭素量を積算して得られる値が２．７６２２以上のときに、下記数２を用いて前記カーボンポテンシャルを算出する演算部を備えたことを特徴とするカーボンポテンシャル演算装置。
   

   

   
3. 前記設定部からの設定に応じて、前記演算部で算出されたＯ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度に基づくカーボンポテンシャルと、同じく前記演算部で算出されたＣＯ₂ 濃度、ＣＯ濃度、温度に基づくカーボンポテンシャルとを同時に表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載のカーボンポテンシャル演算装置。

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