JP2012197960A - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】回転するローラ上にワークHEを載置して搬送するローララインを設け、該ローラライン上に搬送方向上流側から加熱炉及び冷却ゾーンを配設し、加熱炉内の高温雰囲気温度でワークHEを一定時間保持した後に、冷却ゾーンで冷却することで熱処理を行う熱処理装置において、加熱炉内の炉内空間21もしくは冷却ゾーンの冷却空間でワークHEを搬送方向及び逆方向へオシレートしながら加熱もしくは冷却する。
【選択図】図1
Description
もしくは本発明は、例えばボイラの伝熱エレメント等の熱処理方法、特に、搬送方向と直交する幅寸法が大きい幅広のパネル状ワークの熱処理に適した熱処理方法に関する。
しかし、バッチ式の熱処理炉は生産性が低いという課題があるため、生産性向上の観点から、ローラライン上に加熱炉及び冷却ゾーンを設置して連続的な熱処理を行うローラハース連続炉を採用した熱処理装置が望ましい。
また、例えば焼鈍炉や溶体化炉等のように、連続的な熱処理炉においてワークを搬送する断熱ローラは、耐熱性、耐摩耗性及び断熱性に優れたものが望ましい。例えば、下記の特許文献3に開示されているハースロール連続炉のように、表面温度のばらつきをなくして適正温度に維持できる断熱ロールが公知で存在する。
このような熱変形は、例えば両側端部で上下方向に反るような熱変形であり、ワークHEの幅Wが広くなるほど、この熱変形は顕著に生じやすい傾向にある。
第1の原因は、ローラハース連続炉でワークHEを熱処理する際、炉内温度と異なる温度の搬送ローラと接触して、メタル温度分布が不均一になるためである。この結果、ワークHEは均一に加熱されず、不均一な温度分布を形成して熱変形が生じてしまう。
すなわち、大型ワークの伝熱エレメントHEをローラハース連続炉で熱処理する場合には、不均一な加熱により生じる熱変形を抑制する必要がある。しかし、先行技術文献に開示されている断熱ローラは、ローラ自体温度を均一化できても、ワークHEとの接触により生じる温度分布は必ずしも均一でなく、熱変形を抑制できるものではない。
図9(a)において、熱処理前の熱変形の発生していない伝熱エレメントHEは破線で示す。また、熱処理後に面内変形や面外変形が発生した場合の伝熱エレメントHEは、実線で示す。
面外変形は、図9(c)に示すように、冷却ゾーンにおいて冷却風(破線矢印参照)を上下方向(高さ方向)から吹き付けて冷却する際、伝熱エレメントHEの高さ方向のメタル温度分布が不均一化して発生する、パネル高さ方向の熱変形である。図中の符号Rは搬送用のローラを示し、反時計回りに回転して伝熱エレメントHEを白抜矢印の方向へ搬送する。
本発明は、上記の課題を解決するため、ローラライン上に設置した加熱炉と冷却ゾーンで、連続的に熱処理を行うように配置された熱処理装置において、ワークの加熱、冷却後により生じる熱変形を、最小限に抑制できる熱処理装置を提供する。
加えて本発明は、熱処理による熱変形を最小限に抑えることができる熱処理方法をも提供する。
本発明に係る熱処理装置は、回転するローラ上にワークを載置して搬送するローララインを設け、該ローラライン上に搬送方向上流側から加熱炉及び冷却ゾーンを配設し、前記加熱炉内の高温雰囲気温度で一定時間保持して、前記ワークの加熱処理後に、前記冷却ゾーンにて冷却処理を行うローラハース連続炉を用いた熱処理装置であって、前記加熱炉内もしくは冷却ゾーンで前記ワークを搬送方向及び逆方向へオシレートしながら加熱もしくは冷却処理を施すものである。
また、ボイラ伝熱エレメントは、チューブの軸方向にオシレートしながら、加熱もしくは冷却処理されることが望ましい。
かつ、ボイラ伝熱エレメントは、チューブの軸方向にオシレートしながら加熱処理することで、パネル幅方向のメタル温度分布の不均一化が抑制され、熱変形を大幅に低減できる。
かつ、ボイラ伝熱エレメントは、チューブの軸方向にオシレートしながら冷却処理することで、パネル幅方向のメタル温度分布の不均一化が抑制され、熱変形を大幅に低減できる。
本実施形態に係る熱処理装置1は、図6及び図7に示すように、直線状に設けたローラライン10を備えている。このローラライン10には、図6に白抜矢印2で示す搬送方向の上流側から順に、加熱化炉20及び冷却ゾーン40が直線的に配設されている。なお、ローラライン10は、搬送方向と直交する方向に多数の搬送ローラ11を所定のピッチで平行に配設したもので、搬入ゾーン3の搬送ローラ11、後述する加熱炉20内の炉内ローラ24、後述する冷却ゾーン40内の搬送ローラ44、及び搬出ゾーン4の搬送ローラ11を具備して構成されるローラハース連続炉が用いられている。
出口開口23の搬送方向下流側には冷却ゾーン40が設けられ、出口扉23aを開いて加熱炉20内から搬出されたワークHEがこの冷却ゾーン40へ供給される。この場合、出口扉23aと後述する冷却ゾーン40の入口開口42との間は、ワークの熱を均一に保つために可能な限り接近した位置関係にあることが望ましい。
上述した炉内ローラ24は、例えば回転方向の選択切換が可能な炉内ローラ電動機25を駆動源とするチェーン駆動により、ワークHEを搬送方向へ移動させる方向の正回転と、搬送方向とは逆方向へ移動させる方向の逆回転(正回転と逆向きの回転)から、いずれか一方を選択して切り換えることができる。このような炉内ローラ24の正回転及び逆回転の切換操作は、図示しない制御部から出力される制御信号に基づいて、炉内ローラ電動機25の回転方向を選択切換することにより実施される。
図示の構成では、例えば省エネルギ化を目的として、燃焼後の排ガスが保有する排熱で燃焼用の空気を予熱する熱交換器27を備えていても良い。
ワークHEは、閉空間とした炉内空間21内で高温雰囲気温度による加熱を所定時間受けた後、出口扉23aを開いて冷却ゾーン40へ送出される。
また、炉内ローラ24は、例えば図2に示すように、ワークHEの幅Wと一致する長手方向に均一な温度分布を得るため、内部に介在させた断熱材30の幅(断熱材幅)を炉内幅より幅広としたものを使用することが望ましい。
このような加熱炉20の停止動作では、例えば炉内温度が150℃程度に温度低下するまで炉内ローラ24を回転させることにより、炉内ローラ24の熱変形を抑制することが望ましい。
入口開口42及び出口開口43は、搬送方向の両端部に設けられており、図7に示すように、上下に開閉する入口扉42a及び出口扉43aを備えることが炉内温度分布を均一化するために望ましい。但し、入口と出口の開口面積を小さくすれば、炉内側からの放熱の影響が小さくなるので、部分的な開口を入口もしくは出口に設けても良い。たとえば図6に示すように、入口扉42a及び出口扉43aを設けていない場合も可能である。
冷却ゾーン40でワークHEを急冷する冷却処理工程では、入口扉42a及び出口扉43aがともに閉じた閉空間の状態から、入口扉42aのみを開いてワークHEを冷却空間41内に導入した後、入口扉42aを閉じて再度閉空間を形成する。このとき、入口扉42aの開操作は、加熱炉20の出口扉23aの開操作と略同時に行われ、ワークHEの搬送には、加熱炉20内の炉内ローラ24及び冷却ゾーン40内の搬送ローラ44が使用される。なお、入口扉42a及び出口扉43aがない場合には、当然ながら開閉操作は不要となる。
このようなワークHEの冷却工程においても、例えば搬送ローラ電動機38によるチェーン駆動される搬送ローラ44を正回転及び逆回転させることにより、ワークHEを搬送方向及び逆方向へオシレートしながら冷却処理を実施することで、均一に冷却することが望ましい。
なお、上述した冷却工程において、冷却空間41に入口扉42a及び出口扉43aがない場合には、当然ながら開閉操作は不要となる。
なお、炉内ローラ24の回転については、上述した180度ずつの正逆交互の回転に限定されることはなく、ローラピッチ(Lp)と炉内ローラ24が回転して移動する外周の周長(Lo)とが等しくなれば(Lp=Lo)良い。
また、加熱時に炉内ローラ24と接触するワークHEの位置についても、オシレート速度が一定であれば、接触長さが全面で均一になるよう分散される。この結果、加熱中のワークHEが炉内ローラ24と接触する長さは、全ての接触面において均一になるので、低温の炉内ローラ24から受ける熱影響も均一になる。換言すれば、加熱中のオシレートにより、ワークHEの温度分布を均一化することができる。
ここで、縦軸の温度比は、温度ムラ許容値の温度比(保持中の最大温度差/規格値)を示している。分母の規格値は、例えば日本工業規格(JIS Z3700「溶接後熱処理方法」)等において定めた許容値であり、この場合、メタル材質により異なるが、50〜85℃である。
図3で、低接触のラインは、ワークの荷重条件が最小負荷状態に相当する。また、高接触のラインは、ワークの荷重条件が最大負荷状態に相当する。
すなわち、上述した炉内ローラ24と同様に、冷却空間41内の搬送ローラ44を正回転及び逆回転させることによってワークHEをオシレートさせれば、冷却処理によりワークHEの上下面(高さHの方向)に生じるメタル温度分布の不均一化を抑制することができる。換言すれば、冷却処理工程におけるワークHEの急冷時に、ワークHEの全面を均一に冷却できるようになり、この結果、ワークHEのメタル温度分布を均一にすることができる。従って、面外変形の原因となる冷却時に生じるメタル温度分布の不均一化を、特に、ワークHEの上下面方向(高さHの方向)に生じるメタル温度分布の不均一化を抑制できる。
なお、冷却ゾーン40には、冷却時に生じるダストの回収を容易に行うため、冷却ゾーン下部の適所に回収ホッパを設けてもよい。
この凹溝部28は、図4(a)に示す平面視において、ローラライン10の幅方向中心へ向けて傾斜し、かつ、搬送方向の下流側で交差するようにして設けられている。換言すれば、搬送方向を上にした各炉内ローラ24Aの平面視において、各炉内ローラ24Aの表面(外周面)には、略ハ字状となるように凹溝部28が形成されている。
また、上述した凹溝部28や凹凸部29は、冷却ゾーン40で使用する搬送ローラ44に形成してもよく、この場合、炉内ローラ24Bと同様の直進性を得ることができる。
すなわち、本実施形態に係る熱処理方法は、略平板形状のワークHEを回転する搬送ローラ11、炉内ローラ24及び搬送ローラ44の上に載置して搬送するローラライン10を設け、このローラライン10上に搬送方向上流側から加熱炉20及び冷却ゾーン40を配設し、加熱炉20内の高温雰囲気温度でワークHEを一定時間保持した後に冷却ゾーン40で急冷する加熱および冷却方法である。
なお、炉内ローラ24とワークHEとの接触長さをワークHEのローラ接触面側で均一化するために、例えば炉内ローラが回転して移動する外周の周長LoやローラピッチLpまたは炉内ロールの回転角度を制御することや、オシレート速度を適切に制御する。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
3 搬入ゾーン
4 搬出ゾーン
10 ローラライン
11 搬送ローラ
20 加熱炉
21 炉内空間
22,42 入口開口
23,43 出口開口
24,24A,24B 炉内ローラ
26 バーナ
28 凹溝部
29 凹凸部
40 冷却ゾーン
41 冷却空間
44 搬送ローラ
45 冷却ノズル
HE 伝熱エレメント(ワーク)
Claims (9)
- 回転するローラ上にワークを載置して搬送するローララインを設け、該ローラライン上に搬送方向上流側から加熱炉及び冷却ゾーンを配設し、前記加熱炉内の高温雰囲気温度で前記ワークを一定時間保持した後に前記冷却ゾーンにて冷却することで熱処理を行うローラハース連続炉を用いた熱処理装置であって、
前記加熱炉内で前記ワークを搬送方向及び逆方向へオシレートしながら加熱することを特徴とする熱処理装置。 - 前記加熱炉内で前記ワークを搬送方向及び逆方向へオシレートさせる炉内ローラは、隣接するローラ間の軸中心間距離であるローラピッチ(Lp)と、前記炉内ローラが回転して移動する外周の周長(Lo)が略等しくなるように配設されていることを特徴とする請求項1に記載の熱処理装置。
- 前記加熱炉内で前記ワークを搬送方向及び逆方向へオシレートさせる炉内ローラのオシレート速度は、前記ワーク及び前記炉内ローラの接触状態が下限の低接触から上限の高接触までの範囲内にあり、かつ、温度ムラ許容値の温度比(保持中の最大温度差/規格値)が1以下となるように制御されることを特徴とする請求項1または2に記載の熱処理装置。
- 前記冷却ゾーンで前記ワークを搬送方向及び逆方向へオシレートしながら冷却することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の熱処理装置。
- 前記加熱炉内及び/または前記冷却ゾーンで前記ワークを搬送方向及び逆方向へオシレートさせるローラの表面に、前記ローララインの幅方向中心へ向けて傾斜し、かつ、前記搬送方向の下流側で交差するようにして凹溝部または凹凸部を形成したことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の熱処理装置。
- 前記ワークは、ボイラ伝熱エレメントであり、チューブの軸方向に、オシレートすることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の熱処理装置。
- 回転するローラ上にワークを載置して搬送するローララインを設け、該ローラライン上に搬送方向上流側から加熱炉及び冷却ゾーンを配設し、前記加熱炉内の高温雰囲気温度で前記ワークを一定時間保持した後に前記冷却ゾーンにて冷却処理を行うローラハース連続炉を用いた熱処理方法であって、
前記加熱炉内にワーク搬送用の炉内ローラを備え、
炉内温度と異なる温度の前記炉内ローラと前記ワークとの接触長さが、前記ワークのローラ接触面側で均一になるように、前記ワークを搬送方向及び逆方向へオシレートしながら加熱処理を施すことを特徴とする熱処理方法。 - 前記冷却ゾーンで前記ワークを搬送方向及び逆方向へオシレートしながら冷却することを特徴とする請求項7に記載の熱処理方法。
- 前記ワークは、ボイラ伝熱エレメントであり、チューブの軸方向に、オシレートすることを特徴とする請求項7または8に記載の熱処理方法。
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