JP2015074800A

JP2015074800A - 熱処理炉の制御方法

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Publication number: JP2015074800A
Application number: JP2013211260A
Authority: JP
Inventors: 加藤　浩二; Koji Kato; 浩二加藤; 勝也菊池; Katsuya Kikuchi
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-04-20

Abstract

【課題】加熱用バーナと炉内に冷却エアを導入するエアノズルとを備える炉圧を調整可能な熱処理炉において、鋼製品を第１温度とこれよりも低い第２温度の２段階の温度で正確に連続して等温熱処理するための熱処理炉の制御方法の提供。【解決手段】加熱用バーナの出力調整により炉内を第１温度に維持する第１等温熱処理ステップと、加熱用バーナによる燃焼を少なくとも維持しつつ出力調整して炉内を第２温度まで下降させる温度下降ステップと、加熱用バーナの出力調整により炉内を第２温度に維持する第２等温熱処理ステップと、を含み、第１等温熱処理ステップの間、炉圧を一定に維持する炉圧維持ステップと、温度下降ステップの間に、炉圧を所定の正圧まで下げる第１炉圧低下ステップと、冷却エアを導入する冷却エア導入ステップと、炉圧を更に所定の負圧まで下げる第２炉圧低下ステップと、を含む鋼製品の熱処理のための熱処理炉の制御方法。【選択図】図２

Description

本発明は、加熱用バーナと炉内に冷却エアを導入するエアノズルとを備える熱処理炉における鋼製品の熱処理のための該熱処理炉の制御方法に関し、特に、２段階の温度で等温熱処理を連続して行うための熱処理炉の制御方法に関する。

鋼製品の組織制御を行う目的で各種の熱処理が行われる。ここで時効硬化型合金のような熱処理を要する鋼材からなる鋼製品では、該鋼材を所定速度で加熱し、時効温度で保持した後に、所定速度で冷却を行って、所望の内部組織を与える。かかる連続熱処理では、温度制御機構付きの熱処理炉が用いられる。例えば、空気により燃料を燃焼させる大気バーナを具備した大気熱処理炉を用いた場合にあっては、この大気バーナの出力調整によって上記したような連続熱処理の温度制御をするのである。

例えば、特許文献１では、複数の加熱ゾーンのそれぞれに複数の加熱用大気バーナを与え、各加熱ゾーンで独立して温度制御を行い得る熱処理炉を開示している。従来、かかる炉における冷却速度の温度制御は、全バーナの燃料及び空気の供給量を徐々に減少させて燃焼を絞っていく出力調整によっていたが、熱処理炉に設置されている全バーナを過剰空気比で燃焼させておいて、一方で排気ダンパーを全開として排ガスによる抜熱を促進して制御することで広い温度範囲において温度制御を可能にできるとしている。また、加熱ゾーン毎に複数設置されているバーナの一部ずつを消火していくことで、より広い温度範囲において温度制御が可能であるとも述べている。更に、全バーナの消火後であっても、炉内に空気の量を調整しながらこれを投入することで、冷却速度を引き続き制御できるとも述べている。

ところで、特許文献１でも述べられているように、大気バーナの出力調整はこれに導入される空気及び燃料の供給量の増減で行われ得る。また、排気ダンパーを併せて用いて、抜熱を促進した上で大気バーナの出力調整を行うことで、特に、低い温度領域における温度制御を高い精度で行い得る。同様に、大気バーナの燃焼フレーム自体の温度を下げることでも広い温度範囲で高い精度の温度制御を与え得る。

例えば、特許文献２では、大気バーナに導入される燃料に対する空気の比を増減することで形成される燃焼フレームの温度調整をできることについて述べ、燃焼状態を変更する場合にあっても、燃料と空気の流量比率（空気比）を大きく乱すことなく一定の流量比率で大気バーナの燃焼制御を行う制御方法について開示している。ここではあらかじめ得られた混合比率制御プログラムに従って制御を行うとしている。

更に、特許文献３では、空気及び燃料の供給量比（空気量／燃料量）を広い範囲で変更できるよう、大気バーナの周囲に空気ノズルを設けた大気バーナユニットを開示している。例えば、かかる大気バーナユニットを単室炉に設置して加熱を行なう場合にあっては、低い温度領域では、大気バーナに供給する空気及び燃料の供給量比（空気量／燃料量）を高くするとともに、空気ノズルからも空気を吹き込んで、炉全体としての該供給量比（空気量／燃料量）をより高くするとしている。これによれば、炉圧を低下させることなく、低い温度の燃焼フレームを形成でき、高い精度の温度制御が可能となるとしている。

特開２００２−３３２５２２号公報特開平５−１１８５２９号公報特開２００６−１８３０６３号公報

ところで、鋼材によっては、所定速度で加熱し、第１の時効温度で保持した後に、所定速度で冷却を行って、更に、第２の時効温度で保持し、その後所定速度で冷却を行うことを必要とするような、２段時効型合金からなる場合もある。このような２段階連続等温熱処理でも正確な温度調整を求められる。また、特に、第１の等温熱処理に引き続き、第２の等温熱処理に移行するにあたって炉内温度が不安定になりやすい。

本発明は、上記したような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、加熱用バーナと炉内に冷却エアを導入するエアノズルとを備える炉圧を調整可能な熱処理炉において、鋼製品を第１温度とこれよりも低い第２温度の２段階の温度で正確に連続して等温熱処理するための熱処理炉の制御方法を提供することにある。

本発明による熱処理炉の制御方法は、加熱用バーナと炉内に冷却エアを導入するエアノズルとを備える炉圧を調整可能な熱処理炉において鋼製品を第１温度とこれよりも低い第２温度の２段階の温度で連続して等温熱処理するための該熱処理炉の制御方法であって、前記加熱用バーナの出力調整により炉内を前記第１温度に維持する第１等温熱処理ステップと、前記加熱用バーナによる燃焼を少なくとも維持しつつ出力調整して炉内を前記第２温度まで下降させる温度下降ステップと、前記加熱用バーナの出力調整により炉内を前記第２温度に維持する第２等温熱処理ステップと、を含み、前記第１等温熱処理ステップの間、前記炉圧を一定に維持する炉圧維持ステップと、前記温度下降ステップの間に、前記炉圧を所定の正圧まで下げる第１炉圧低下ステップと、前記冷却エアを導入する冷却エア導入ステップと、前記炉圧を更に所定の負圧まで下げる第２炉圧低下ステップと、を含むことを特徴とする。

かかる発明によれば、特に、温度下降ステップにおいて第１炉圧低下ステップ、冷却エア導入ステップ、第２炉圧低下ステップをそれぞれ順に経ることで、比較的速い降温速度を確保するとともに加熱用バーナでの燃焼を維持でき、鋼製品を２段階の温度で正確に連続して等温熱処理することができる。

上記した発明において、前記冷却エア導入ステップは、段階的に前記冷却エアの導入量を増加させることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、温度下降ステップにおいて比較的速い降温速度を簡単な方法で得ることができるとともに炉内温度を正確に制御できる。

上記した発明において、前記第２等温熱処理ステップは、前記炉圧を再び少なくとも正圧まで上げる炉圧上昇ステップをさらに含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、加熱用バーナによる燃焼を維持したまま炉内温度をより正確に制御できる。

上記した発明において、前記第１炉圧低下ステップ、前記第２炉圧低下ステップ及び前記炉圧上昇ステップは、前記炉圧を段階的に変化させるステップであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、温度下降ステップにおける比較的速い降温速度と第２等温熱処理ステップでの炉内温度の正確な制御を簡単な方法で得ることができる。

上記した発明において、前記第１温度及び前記第２温度はそれぞれ６５０〜７５０℃及び５５０〜６５０℃の温度範囲内であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、鋼製品の２段階の温度での連続した等温熱処理において、炉内温度の正確な制御を容易にさせ得る。

本発明による制御方法に用いる大気熱処理炉の要部の（ａ）断面図、（ｂ）正面図である。本発明による制御方法の１つの実施例を示すフロー図である。２段階の等温熱処理の要部における冷却エア量及び炉圧設定値を示す熱処理線図である。

本発明による１つの実施例について、図１乃至図３を用いて詳細に説明する。

図１には、本発明による制御の対象とする熱処理炉の例を示した。該熱処理炉は、炉内に冷却エアを導入するためのエアノズル１２を含む加熱用のバーナ１０を備える大気熱処理炉である。バーナ１０は、燃料ガスとその燃焼に用いる燃焼用エアとを導いて燃焼フレームを得るための燃焼ノズル１１をバーナタイル１３の中央に備える。また、その周囲には等角度で配置された６個のエアノズル１２を備えている。エアノズル１２はその向きを燃焼ノズル１１と略平行に向け、炉外の空気を冷却エアとして炉内に供給することができる。バーナ１０は、熱処理炉に複数備えられる。例えば、熱処理炉の前方、中央、後方の３つのゾーンに２基ずつ、計６基備えられる。熱処理炉の炉内温度は設定温度に対してバーナの出力を調整することで制御される。熱処理炉はその他、図示しない炉圧制御弁、冷却エアダンパ、排ガスアシストダンパを備える。

図２には、鋼製品の２段階の等温熱処理のフローを示した。これによれば、まず昇温工程（Ｓ１）では、冷却エアダンパを閉位置、排ガスアシストダンパを半開位置にしてバーナ１０の出力を調整して炉内を第１温度まで加熱する。本実施例では、６５０〜７５０℃の温度範囲で第１温度が設定される。

次いで、バーナ１０の出力調整により炉内を所定温度（「第１温度」とする。）に維持する（Ｓ２）。かかる第１等温熱処理工程において、冷却エアダンパ及び排ガスアシストダンパの位置は昇温時のまま、すなわち、それぞれ閉位置及び半開位置である。図３を併せて参照すると、第１等温熱処理工程において炉圧設定値はゲージ圧で３Ｐａである。熱処理炉の炉圧は、かかる炉圧設定値に対応し、炉圧制御弁によって制御される。なお、バーナ１０は、設定温度に対応してその出力を制御されるが、炉圧設定値や後述する冷却エアの導入量からは、出力の制御を独立させている。

次いで、炉圧を所定の正圧まで下げてバーナ１０の出力調整により炉内温度を下降させる（Ｓ３）。かかる第１炉圧低下工程では、まず、必要に応じてバーナ１０の空気比テーブルを空気比の高い、すなわち燃料ガスに対する燃焼用エアの比の高い空気比テーブルに切り替える。これにより、燃焼フレームの温度を低下させ得る。次に、排ガスアシストダンパを全開位置にした上で、炉圧を所定の正圧まで下げる。すなわち、炉圧設定値は降温開始時において第１等温熱処理工程時のままとし、降温開始から所定時間（ｔ１）後にゲージ圧で１Ｐａとする。

引き続き、冷却エアをエアノズル１２から導入し、さらに炉内温度を下降させる（Ｓ４）。かかる冷却エア導入工程では、炉圧設定値を１Ｐａとしてから所定時間（ｔ２）後に単位時間あたりの導入量を所定の導入量の５０％として冷却エアの導入を開始し、その所定時間（ｔ３）後に単位時間あたりの導入量を所定の導入量（１００％）として冷却エアの導入量を段階的に増加させる。

次いで、炉圧を更に所定の負圧まで低下させる（Ｓ５）。かかる第２炉圧低下工程では、冷却エアの導入量を１００％としてから所定時間（ｔ４）後に炉圧設定値を０Ｐａとし、そのさらに所定時間（ｔ５）後に−１００Ｐａと段階的に低下させる。

上記した第１炉圧低下工程Ｓ３、冷却エア導入工程Ｓ４及び第１炉圧低下工程Ｓ５は、第１温度からこれより低い温度である第２温度まで温度を下降させる温度下降工程に含まれる。温度下降工程において、バーナ１０はその燃焼を維持させ続け第２温度まで温度を下降させるよう設定温度に対応して出力調整される。本実施例においては５５０〜６５０℃の範囲において第２温度が設定される。なお、冷却エアを導入することで、燃焼フレームを低温にすることができるとともに、かかる燃焼フレームでの炉内の攪拌により炉内雰囲気の均熱化を促進でき、低温でも正確な温度で制御し得る。

第２等温熱処理工程では、冷却エアの単位時間あたりの導入量を１００％のまま一定にして、バーナ１０の出力調整により炉内を第２温度に維持する（Ｓ６）。ここで、冷却エアダンパ及び排ガスアシストダンパの位置は温度下降工程Ｓ３〜Ｓ５と同じ、すなわち、それぞれ閉位置及び全開位置である。そして、バーナ１０ではその燃焼を維持させ続け、炉内温度を維持するよう出力調整される。

なお、第２等温熱処理工程では、炉圧を再び少なくとも正圧まで上げてもよい。すなわち、第２等温熱処理工程開始後、所定時間（ｔ７）後に、炉圧設定値を０Ｐａに、その所定時間（ｔ８）後に炉圧設定値を１Ｐａへ、さらに所定時間（ｔ９）後に炉圧設定値を３Ｐａへと段階的に上げるのである。これにより、第２等温熱処理工程中のバーナ１０の燃焼を維持したまま炉内温度の変化を抑制して炉内温度をより正確に制御できる。

第２等温熱処理工程の後、冷却工程では炉内温度は冷却制御される（Ｓ７）。冷却工程Ｓ７では公知の冷却方法を採用できるので、ここでは説明を省略する。

なお、上記した所定時間ｔ１〜ｔ９は、鋼製品の装入量や第１及び第２温度、温度下降工程での目標とする降温速度などにより適宜定められる。すなわち、所定時間ｔ１〜ｔ９に基づく排ガスアシストダンパの動作や炉圧設定値は予め定められた所定時間で切り替わるシーケンス制御によるものである。

以上のような熱処理炉の制御方法によれば、第２等温熱処理工程Ｓ６までバーナ１０による燃焼を維持し続けるので再点火により炉内温度を不安定にさせることがない。また、温度下降工程では、まず、炉圧を所定の正圧まで下降させるので第１温度に近い高温域での炉内温度を安定して正確に制御することができ、さらに炉内温度を第１温度より下降させてから冷却エアの導入を行うので温度下降工程での降温速度を比較的速いものとしつつも炉内温度を安定して正確に制御することができる。さらに炉圧を所定の負圧まで下げるので、温度下降工程での低温域でも降温速度を比較的速いものとしつつも炉内温度を安定して正確に制御することができる。これにより、鋼製品を２段階の温度で正確に連続して等温熱処理することができる。特に、本実施例においては、鋼製品の炉内への装入量や熱処理温度に合わせて、温度下降工程において１５〜５０℃／ｈの降温速度で正確に制御できる。

また、温度下降工程において、炉圧を段階的に下げ、又は上げ、冷却エアの導入量を段階的に増加させるので、簡単な方法で正確な温度制御を行うことができる。

特に、上記した実施例においては、第１温度を６５０〜７５０℃の範囲、第２温度を５５０〜６５０℃の範囲で定め、正確な温度制御を容易に達成することができた。

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく改変例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例を見出すことができるだろう。

１０バーナ
１１燃焼ノズル
１２エアノズル

Claims

加熱用バーナと炉内に冷却エアを導入するエアノズルとを備え炉圧を調整可能な熱処理炉において鋼製品を第１温度とこれよりも低い第２温度の２段階の温度で連続して等温熱処理するための該熱処理炉の制御方法であって、
前記加熱用バーナの出力調整により炉内を前記第１温度に維持する第１等温熱処理ステップと、
前記加熱用バーナによる燃焼を少なくとも維持しつつ出力調整して炉内を前記第２温度まで下降させる温度下降ステップと、
前記加熱用バーナの出力調整により炉内を前記第２温度に維持する第２等温熱処理ステップと、を含み、
前記第１等温熱処理ステップの間、前記炉圧を一定に維持する炉圧維持ステップと、
前記温度下降ステップの間に、
前記炉圧を所定の正圧まで下げる第１炉圧低下ステップと、
前記冷却エアを導入する冷却エア導入ステップと、
前記炉圧を更に所定の負圧まで下げる第２炉圧低下ステップと、を含むことを特徴とする熱処理炉の制御方法。
前記冷却エア導入ステップは、段階的に前記冷却エアの導入量を増加させることを特徴とする請求項１記載の熱処理炉の制御方法。
前記第２等温熱処理ステップの間に、前記炉圧を再び少なくとも正圧まで上げる炉圧上昇ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱処理炉の制御方法。
前記第１炉圧低下ステップ、前記第２炉圧低下ステップ及び前記炉圧上昇ステップは、前記炉圧を段階的に変化させるステップであることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の熱処理炉の制御方法。
前記第１温度及び前記第２温度はそれぞれ６５０〜７５０℃及び５５０〜６５０℃の温度範囲内であることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の熱処理炉の制御方法。