JP2014077629A - 内部に保護ガスが導入される気密工業炉、特に、チャンバ炉、プッシャ炉、ロータリーハース炉またはリング型ハース炉 - Google Patents

Abstract

【課題】気密工業炉において、複数の金属ワークからなるバッチの均一な高品質の熱処理工程を確実なものにし、かつ熱処理の省エネルギー化を可能にする。
【解決手段】本発明に従って、複数の金属ワークからなるバッチを熱処理するための、内部に保護ガスが導入される工業炉であって、（ａ）熱処理チャンバの入口に設けられ、第１の気密閉鎖装置を含み、かつ該第１の気密閉鎖装置によって周囲に対して密閉可能な入口エアロックと、（ｂ）熱処理チャンバとその下流に位置する焼入設備との間に配置された第３の気密閉鎖装置とを含み、バッチの装入及び取出し中に、熱処理チャンバ内に導入された保護ガスの圧力を維持することができるように構成されていることを特徴とする工業炉が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、「閉鎖システム」とも呼ばれ、複数の金属ワークからなるバッチを熱処理するための気密工業炉、特に、チャンバ炉、プッシャ炉、ロータリーハース炉（回転炉床炉）またはリング型ハース炉であって、炉内に保護ガスが導入されるものに関する。

概ね上記の一般的なタイプに属する工業炉が知られている。そのような工業炉の特に高いスループット率に対する需要は、少量多品種生産に対応する非常に柔軟な生産システムに関連付けられており、そのため、自動化されたチャンバ炉設備に加えて、連続運転炉設備も確立されている。連続運転炉設備においては、主に、１列または複数列のプッシャ炉設備、ロータリーハース炉及びリング型ハース炉が用いられる。

例えば、DE 199 47 482 B2（特許文献１）によれば、ロータリーハース炉内のペレットの特別な配置または離れ離れの配置によって、ロータリーハース炉の利用の最適化を行うことが知られている。

DE 107 58 728 A1（特許文献２）によれば、バルク材でシェルを処理するのに適している中空のハブを備えたリング型ハース炉が提唱されている。

さらに、DE 35 06 131 C1（特許文献３）には、ロータリーハース炉からのバッチの取出しが時間非依存であり、かつ加熱工程が別に設けられた予熱ゾーンにおいて行われるような方法及び装置が開示されている。

この点に関し、時間に依存しないバッチの取出し及び別に設けられた予熱ゾーンにおける加熱工程は、少なくともエネルギーの観点からコストが掛かることが分かった。

一般的に知られている先行技術によれば、一般的な工業炉設備は、概ね、標準的な熱処理工程、例えば、浸炭、窒化、硬化、焼なまし、焼戻しなどに適している。

複数のワークにて同時に１若しくは複数の浸炭硬化層深さを実現するために、コンパクトで省スペースなデザインが特徴の、１列または複数列のプッシャ炉が確立されている。

プッシャ原理に従って作動する連続炉は、保護ガス雰囲気の有無にかかわらず、複数の装入部品の熱処理に適している。高温熱処理炉及び焼入設備は、通常、一体化された装置を形成する。後者は、清浄システム及びチャージ移送システムとともに、予熱及び焼戻しのための低温熱処理炉に連結されて、複合設備を形成する。例えば、後者によって、大重量のバッチの処理を問題なく行うことができる。

高温熱処理炉に強力な再循環ファンを設けることにより、熱処理チャンバの個々のゾーン（例えば、加熱ゾーン、浸炭ゾーン、拡散ゾーンなど）における保護ガスの均一な分配と、ワークの周りでの高反応性ガス流の十分な循環とが保証される。このシステム及び最適化された熱力学並びにバーナシステムにより、熱処理結果の最適な均一性及び再現性が確実なものになる。

さらに、個々の熱処理ゾーン間に中間扉を設けることによって、個々の領域において種々の炭素濃度（Ｃレベル）及び所要の温度差を設定することが可能になる。

プッシャ炉の他に、全く同じデザインの部品を大量に処理するために、ひいては高スループット率を達成するために、連続熱処理設備に用いるためのロータリーハース炉及びリング型ハース炉も確立されている。

様々なリング型ハース炉の形態で互いに隣接する種々の熱処理ゾーンのプロセスに関連した配置を行うことによって、この場合もやはり、同じ設備内で同時に異なる浸炭硬化層深さを達成することが可能である。浸炭段階中の様々な滞留時間を、対応するプロセス制御構成により、個々に制御することができる。

ロータリーハース炉は、円盤炉床を有し、ゾーン分離のない広い処理空間を有する炉である。リング型ハース炉は、輪状（ドーナッツ状）の炉床及び熱処理空間を有する炉であり、ここでは、いくつかの熱処理ゾーンが中間扉によって互いから隔てられている。

プッシャ炉とは対照的に、リング型ハース炉の基本的な長所は、中央の炉床駆動装置にあり、そのおかげで、複数の駆動モータは必須ではない。また、バッチを炉床に対して相対的に変位させる必要がないので、ワークの搬送に有利である。これにより、バッチ搬送体及び及び炉床の機械的荷重が非常に小さくなって、より軽量のバッチ搬送体を用いることができる。

円盤炉床を有するロータリーハース炉は、通常、小容量の炉であることが望ましい。その理由は、そうしなければ、炉の空間と、従って炉のガス消費量とが過大になるからである。このタイプの炉は、装入及び取出しが手動または自動で行われ、かつ他の設備構成要素に結合させることができる。そのような炉のタイプは、主として枚葉式の装入及び取出しに適しており、従って、主にプレス硬化工程前のワークの浸炭や再加熱に用いられる。

リング型ハース炉は、枚葉装入及びバッチ装入のいずれにも適している。枚葉装入の場合は、主に、装入後にプレス硬化が行われるのに対して、バッチ装入の場合は、主として、装入後に油浴、塩浴またはガス浴にて焼入が行われる。

しかしながら、これらの一般的に説明してきた工業炉設備に関して、或る欠点が判明している。それは、複数のワークからなるバッチを高温熱処理炉内に装入したり取り出したりする間に扉を頻繁に開けると、炉の内部圧力または過剰圧力が低下し、炉内Ｃレベルが低下するので、炉雰囲気が乱されるという欠点である。

その結果、ワークのエッジ酸化が起こり得るので、ワークの処理は質の点で悪影響を受ける。さらに、所望の炉圧力及び所要のＣレベルを回復させるために、扉を閉めた後に、大量の保護ガスを炉内に繰り返し送入しなければならない。従って、熱処理工程が阻害されるだけでなく、エネルギー損失というデメリットもある。

DE 199 47 482 B2 DE 107 58 728 A1 DE 35 06 131 C1

本発明は、冒頭で述べた一般的なタイプの、内部に保護ガスが導入される気密工業炉の問題に鑑みてなされたものであり、熱処理チャンバの入口と、該チャンバの下流端及びその下流に位置する焼入設備（例えば、油浴、塩浴または高圧ガス焼入設備など）の上流端の間とにそれぞれ配置された気密仕切りシステムを用いて、複数の金属ワークからなるバッチの均一な高品質の熱処理工程を確実なものにし、かつ熱処理の省エネルギー化を可能にするような炉を製造することを目的とする。

本発明によれば、この問題は、請求項１〜９に記載の構成要件によって解決される。

本発明の構成要件に基づいて、様々な設備構成を用いて、本発明を有利に実施することができる。

例えば、請求項１によれば、複数の金属ワークからなるバッチを熱処理するための、内部に保護ガスが導入される工業炉であって、
（ａ）図１のように熱処理チャンバの入口に配置され、第１の気密閉鎖装置を含み、かつ該第１の気密閉鎖装置によって周囲に対して密閉可能な入口エアロックと、
（ｂ）熱処理チャンバとその下流に位置する焼入設備との間に配置された第３の気密閉鎖装置とを含み、
これらの気密閉鎖装置をプロセスに関連付けて相互作用させることにより、バッチの装入及び取出し中に、熱処理チャンバ内における保護ガスの印加圧力を維持することができるように構成された工業炉が提供される。

図１から分かるように、熱処理チャンバの下流に位置する焼入設備は、請求項２によれば、出口エアロックとして構成され、かつ第３の気密閉鎖装置によって熱処理チャンバから密閉可能に隔てられている。

特に入口エアロックが縦型タイプである場合（図２）、該入口エアロックは、請求項３によれば、互いに対して上下に配置された第１及び第２のエアロックチャンバと、第１及び第２のエアロックチャンバ内において該両チャンバ間を移動可能な昇降リフトとして構成可能な第２の気密閉鎖装置とを含み、両エアロックチャンバは、第２の気密閉鎖装置によって互いから密閉可能に隔てられており、
（ａ）第１のエアロックチャンバは、第１の気密閉鎖装置によって周囲に対して密閉可能であり、
（ｂ）第２のエアロックチャンバは、開扉時にガスを通過させることができるガス通過用扉によって、熱処理チャンバに対して密閉可能である。

入口エアロックが横型タイプである場合（図３、図４）、該入口エアロックは、請求項４に従って、第２の気密閉鎖装置を含み、かつ該第２の気密閉鎖装置によって熱処理チャンバから隔てられている。

請求項５によれば、バッチの装入及び取出しを上記保護ガスの圧力を維持した状態で行うことができるように構成されたガス供給接続口、保護ガス供給ライン及び使用済みガス搬送ラインが提供されている（図４）。

さらに、請求項６によれば、保護ガスを下流で利用するための保護ガス抽気システムが、入口エアロックと、出口エアロックとして構成されている焼入設備とに含まれるように構成される。

請求項７によれば、上記いずれの場合においても、工業炉は炉制御装置をさらに含み、該炉制御装置を用いて、熱処理プログラムに組み込まれた保護ガス抽気のプロセスステップを実行することにより、保護ガスの下流での利用を有利に制御することができる。

請求項８によれば、工業炉内において存在しかつ必要とされる保護ガスは、恒久的にかつエネルギー効率よく得られる。

最後に、請求項９によれば、特にリング型ハース炉として構成されている工業炉の場合、バッチを搬送するためにリング型炉床を作動させる駆動装置は、１つあればよい。

これらの構成要件により、本発明は、特に、一方ではワークに対する熱処理の質を向上させ、他方ではエネルギー効率の良い保護ガスの利用性を向上させる可能性を生み出す。

炉の熱処理チャンバを、該チャンバの上流に位置する入口エアロックと、下流に位置する焼入設備とによって気密分離すると、結果として、有利にも、熱処理チャンバ内の圧力またはＣレベルを低下させることなく炉へのバッチの装入及び取出しを行うことが可能になる。炉の入口及び出口にエアロックを設けるだけでよいので、熱処理工程は、それゆえ、かなり連続化され、装入後の炉の新鮮なガスの必要量はかなりの程度まで減少する。

１列または複数列の配置に対して、本発明の解決策はまた、熱処理結果の最適化と、保護ガスの注入量減少とを同時に達成することができるので、効率を最大化する。それゆえ、例えばワークを硬化させるコストを大幅に削減することができる。発明に従って構成されるプッシャ式設備は、それゆえ、改良された、経済的な生産操業を保証する。

さらに、本発明に従って必要な機能を備えた設備は、高温熱処理炉の保護ガスを、設備の他の部分において、または炉自体において、燃焼ガスとして連続的に再利用する可能性を提供する。このことは、従来のよく見られかつ頻繁な、装入及び取出し中の、中断を伴う圧力変動に関して、特に有利である。

バッチの装入及び取出しは、本発明に従ってエアロックを用いて行うが、設備のデザインに応じて、１つの同じエアロックを用いて装入及び取出しを行ってもよいし、あるいは複数のエアロックを用いてもよい。出口エアロックは通常、焼入設備の一部であり、焼入設備は、高温熱処理炉とともに一体化された装置を形成する。

先行技術によれば、リング型ハース炉は、本発明に従って構成されるエアロックとは対照的に、気密でない内部扉によって１若しくは複数の輪状（ドーナッツ状）処理チャンバに連結されている炉である。それゆえ、装入及び取出し手順の間に、熱処理工程における前述の欠点、例えば同様にプッシャ炉に関して既に説明したような欠点が生じる。

従って、本発明の利点は、炉がチャンバ炉であるか、プッシャ炉であるか、ロータリーハース炉であるか、リング型ハース炉であるかに関係なく、普遍的に機能することである。

全体として、炉の熱処理チャンバからエアロックを気密分離することによって、熱処理工程における装入及び取出し手順の悪影響を回避することができる。

リング型ハース炉の場合にも、プッシャ炉の場合と同じように、本発明は、省エネルギーシステムの連続使用を保証する。ここでは、熱処理チャンバ内で用いられた保護ガスを、設備の他の部分または炉のための燃焼ガスとして利用することができる。

設備のスループット率ではなく主に柔軟性を重視する場合、高温熱処理炉として雰囲気チャンバ炉を使用することが好ましい。雰囲気チャンバ炉は、熱処理チャンバと焼入設備との組合せを特徴とする。通常は、熱処理の全ステップ、例えば、加熱、浸炭、拡散、硬化温度への降温などが熱処理チャンバ内で次々に行われる。上記雰囲気チャンバ炉は、炉を通過するバッチの経路に関して、基本的に２つのタイプに分類することができる。１つ目のタイプの雰囲気チャンバ炉では、バッチは、炉の焼入設備から装入されかつ取り出される。２つ目のタイプの雰囲気チャンバ炉では、バッチは、熱処理チャンバから装入され、焼入設備から取り出される。

これらの雰囲気チャンバ炉を見ると、プッシャ炉、ロータリーハース炉またはリング型ハース炉の場合と同様に、実質的に同じ熱処理工程が行われる。本発明は、これらのタイプの炉にとどまることなく、ある程度別のタイプの炉にも適用範囲を広げることができる。というのも、本発明は、手動で装入される枚葉式ソリューションから完全自動化ソリューションまで幅広い範囲をカバーすることができ、必要な全ての構成要素を含む設備において、様々な設備構成要素を用いることができるからである。このとき、これらの構成要素は、予熱炉、焼なまし炉、洗浄機、バッチ貯蔵設備及びバッチ搬送システムであり得る。

既存の雰囲気チャンバ炉の欠点は、バッチの装入及び取出し中に炉内の圧力及びＣレベルが低下する点と、炉の大きな扉の開放が原因で炉がかなりの程度まで冷却される点とにおいて、既存のプッシャ炉、ロータリーハース炉及びリング型ハース炉の欠点と同様である。

この場合もやはり、本発明の実施形態は、熱処理チャンバと焼入設備との間の気密分離によって、焼入設備からの装入及び取出しを可能にする。この方法により、そして特別なガス供給ライン及び対応する炉制御装置の提供により、熱処理チャンバ内のガス雰囲気に悪影響を及ぼすことなく、バッチの装入及び取出しが行われる。

熱処理チャンバにおいて装入がなされる雰囲気チャンバ炉に対して、プッシャ炉に関して説明したのと同じような方法で、上流装入エアロックがさらに装備される。

この場合もやはり、保護ガスが設備の他の部分または炉自体のための燃焼ガスとして利用されるような、上記の省エネルギーシステムの連続使用が可能になる。

本発明について例示的な構造を用いて説明するが、これらの例は各々、任意選択で、チャンバ炉、プッシャ炉、ロータリーハース炉またはリング型ハース炉において実現することができる。

本発明に従って構成され、かつ縦型タイプの入口エアロックを備えた工業炉設備の原理を概略的に示した図。 図１に従う入口エアロックの詳細。 横型タイプの入口エアロックの詳細。 本発明に従って構成され、かつ図３に従って横型タイプの入口エアロックを備えた工業炉設備の原理を概略的に示した図。

図１ないし図４には、本発明に従って構成された工業炉１が示されており、いずれの場合にも、入口エアロック２が備わっている。入口エアロック２は、第１の気密閉鎖装置２．２．１によって、周囲に対して密閉可能である。図１及び図４によれば、熱処理チャンバ３と、その下流に位置しかつ出口エアロック４．１として構成されている焼入設備４との間に、第３の気密閉鎖装置３．１が配置されている。こうすることにより、複数の金属ワークからなるバッチ５の装入及び取出し中に、熱処理チャンバ３内に導入された保護ガス（図示せず）の圧力の維持を確実にすることができる。

図１及び図２を参照すると、縦型タイプの入口エアロック２が示されている。縦型タイプの入口エアロック２は、互いに対して上下に配置された第１のエアロックチャンバ２．２及び第２のエアロックチャンバ２．３と、第１及び第２のエアロックチャンバ内において該両チャンバ間を移動可能な昇降リフトとして構成されている第２の気密閉鎖装置２．２．２とを含む。第１及び第２のエアロックチャンバは、図１及び図２に概略的に示されているように、第２の気密閉鎖装置２．２．２によって互いから密閉可能に隔てられている。第１のエアロックチャンバ２．２は、第１の気密閉鎖装置２．２．１によって周囲に対して密閉可能であり、第２のエアロックチャンバ２．３は、開扉時にガスを通過させることができるガス通過用扉２．３．１によって、熱処理チャンバ３に対して密閉可能である。

次に、図３及び図４を参照すると、横型タイプの入口エアロック２が示されている。横型タイプの入口エアロック２は、第２の気密閉鎖装置２．２．２を含み、かつ第２の気密閉鎖装置２．２．２によって熱処理チャンバ３に対して密閉可能に隔てられていることが分かる。

図４は、バッチ５の装入及び取出しを保護するためのガス供給接続口２．５、保護ガス供給ライン２．６及び使用済みガス搬送ライン２．７を示しており、こうすることにより、均一な高品質の熱処理工程を実現し、かつ複数の金属ワークからなるバッチの熱処理の省エネルギー化を可能にする。

この効果は、さらに、保護ガスを下流で利用するための保護ガス抽気システム２．８が、入口エアロック２と、出口エアロック４．１として構成されている焼入設備４とにそれぞれ接続されているという事実によって可能になる。

使用される炉制御装置（図示せず）において、熱処理プログラムに組み込まれたプロセスステップを実行することにより、保護ガスを下流で利用するための保護ガス抽気システム２．８を効率的に制御することができる。

従って、工業炉のタイプとは関係なく、必要とされる保護ガスは、恒久的にかつエネルギー効率よく得られる。

リング型ハース炉として構成されている工業炉１においては、バッチ５を搬送するためにリング型炉床を作動させる駆動装置が１つだけ用いられている。

本発明に従う炉設備は、従来の技術的ノウハウを用いて製造することができる。本発明に従う炉設備の所与の稼働は実用的価値が高く、均一な高品質の熱処理工程と、複数の金属ワークからなるバッチの熱処理の省エネルギー化と特徴とする。

１ 工業炉
２ 入口エアロック
２．２ 第１のエアロックチャンバ
２．２．１ 第１の気密閉鎖装置
２．２．２ 第２の気密閉鎖装置
２．３ 第２のエアロックチャンバ
２．３．１ ガス通過用扉
２．４ ガス供給接続口
２．５ 保護ガス供給ライン
２．６ 使用済みガス搬送ライン
２．７ 保護ガス抽気システム
３ 熱処理チャンバ
３．１ 第３の気密閉鎖装置
４ 焼入設備
４．１ 出口エアロック
５ バッチ

Claims (9)

1. 複数の金属ワークからなるバッチ（５）を熱処理するための、内部に保護ガスが導入される、チャンバ炉、プッシャ炉またはリング型ハース炉等の工業炉（１）であって、
   （ａ）熱処理チャンバ（３）の入口に設けられ、第１の気密閉鎖装置（２．２．１）を含み、かつ該第１の気密閉鎖装置（２．２．１）によって周囲に対して密閉可能な入口エアロック（２）と、
   （ｂ）前記熱処理チャンバ（３）及びその下流に位置する焼入設備（４）の間に配置された第３の気密閉鎖装置（３．１）とを含み、
   前記バッチ（５）の装入及び取出し中に、前記熱処理チャンバ（３）内に導入された前記保護ガスの圧力を維持することができるように構成されていることを特徴とする工業炉（１）。
2. 前記焼入設備（４）が、出口エアロック（４．１）として構成され、かつ前記第３の気密閉鎖装置（３．１）によって前記熱処理チャンバ（３）から密閉可能に隔てられるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の工業炉（１）。
3. 前記入口エアロック（２）が縦型タイプであり、該入口エアロック（２）が、互いに対して上下に配置された第１のエアロックチャンバ（２．２）及び第２のエアロックチャンバ（２．３）と、前記第１及び第２のエアロックチャンバ内において該両チャンバ間を移動可能な昇降リフトとして構成可能な第２の気密閉鎖装置（２．２．２）とを含み、前記両エアロックチャンバが、前記第２の気密閉鎖装置（２．２．２）によって互いから密閉可能に隔てられており、
   ａ）前記第１のエアロックチャンバ（２．２）が、前記第１の気密閉鎖装置（２．２．１）によって周囲に対して密閉可能であり、
   ｂ）前記第２のエアロックチャンバ（２．３）が、ガス通過用扉（２．３．１）によって前記熱処理チャンバ（３）に対して密閉可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の工業炉（１）。
4. 前記入口エアロック（２）が横型タイプであり、該入口エアロック（２）が、第２の気密閉鎖装置（２．２．２）を含み、かつ該第２の気密閉鎖装置（２．２．２）によって前記熱処理チャンバ（３）から密閉可能に隔てられるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の工業炉（１）。
5. 前記バッチ（５）の前記装入及び取出しを前記保護ガスの圧力を維持した状態で行うことができるように構成されたガス供給接続口（２．５）、保護ガス供給ライン（２．６）及び使用済みガス搬送ライン（２．７）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１項に記載の工業炉（１）。
6. 前記保護ガスを下流で利用するための保護ガス抽気システム（２．８）が、前記入口エアロック（２）と、出口エアロック（４．１）として構成される前記焼入設備（４）とにそれぞれ接続されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のうちのいずれか１項に記載の工業炉（１）。
7. 炉制御装置をさらに含み、該炉制御装置を用いて、熱処理プログラムに組み込まれた保護ガス抽気（２．８）のプロセスステップを実行することにより、前記保護ガスの下流での利用を制御することができるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のうちのいずれか１項に記載の工業炉（１）。
8. 前記工業炉（１）内において必要とされる前記保護ガスが、恒久的にかつエネルギー効率よく得られるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のうちのいずれか１項に記載の工業炉（１）。
9. 前記工業炉（１）がリング型ハース炉として構成され、該工業炉（１）において、前記バッチ（５）を搬送するためにリング型炉床を作動させる駆動装置が１つだけ用いられるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のうちのいずれか１項に記載の工業炉（１）。

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