JP2018080891A - 壁面材および熱処理炉 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理炉の壁面を構成する壁面材において、断熱性能を有するとともに、熱輻射率を大きくすることにより、被加熱物を効率的に加熱することができる壁面材、およびその壁面材を備えた熱処理炉を提供すること。
【解決手段】被加熱物９０を加熱するための熱処理炉１の内壁面に設置する壁面材３であって、壁面材３は、断熱材４、および輻射材５を有し、断熱材４の材料は、輻射材５の材料よりも断熱性が高い材料であり、輻射材５の材料は、断熱材４の材料よりも熱輻射率が大きい材料であり、輻射材５は、壁面材３の表面５１に露出している。
【選択図】図２

Description

本発明は、壁面材および熱処理炉に関し、さらに詳しくは、熱処理炉の壁面を構成する断熱材を有する壁面材、およびその壁面材を備えた熱処理炉に関する。

熱処理炉は、壁面材として断熱レンガ、セラミック壁面材等が用いられている。これまでの壁面材は、主に断熱性能が着目されていた。これまで、熱処理炉は、例えば、特許文献１に示されるように、鋼板製の炉殻内に断熱材製の炉壁を内張状に配設して成る構造の熱処理炉が用いられている。

特開２００２−２７７１６７号公報

被加熱物は、熱対流による加熱に加え、熱処理炉の内壁面に設置された壁面材の表面から、輻射伝熱を受けて昇温するため、輻射伝熱の効率は壁面材の表面の熱輻射率に依存する。また、壁面材は、ラジアントチューブバーナ式等のヒータ、あるいは直火燃焼方式等のバーナの燃焼熱を吸収して、輻射により被加熱物を加熱する役割を担っている。

しかし、壁面材は、従来、主に断熱性に着目して材料が選定されており、壁面材の表面の熱輻射率は重視されてこなかった。例えば、セラミック壁面材は、シリカ、アルミナが主成分であり、熱輻射率は、０．４程度であり、高いとはいえない熱輻射率である。

本発明が解決しようとする課題は、熱処理炉の壁面を構成する壁面材において、断熱性能を有するとともに、熱輻射率を大きくすることにより、被加熱物を効率的に加熱することができる壁面材、およびその壁面材を備えた熱処理炉を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明にかかる壁面材は、被加熱物を加熱するための熱処理炉の内壁面に設置する壁面材であって、前記壁面材は、断熱材、および輻射材を有し、前記断熱材の材料は、前記輻射材の材料よりも断熱性が高い材料であり、前記輻射材の材料は、前記断熱材の材料よりも熱輻射率が大きい材料であり、前記輻射材は、前記壁面材の表面に露出していることを要旨とする。

ここで、前記断熱材の表面に、前記輻射材からなる表層が形成されているとよい。

また、前記輻射材は、プレート状であり、前記断熱材の表面に設置されているとよい。

また、前記輻射材は、布状体であり、前記断熱材の表面を覆っているとよい。

また、前記輻射材は、前記断熱材の表面に一体的に接合された層として形成されているとよい。

そして、前記輻射材の材料は、炭化ケイ素であるとよい。

一方、本発明にかかる熱処理炉は、炉内に被加熱物を収容することができる炉体と、前記炉体の内壁面に設置される上記の壁面材と、被加熱物を加熱する熱源と、を有し、前記被加熱物を加熱することを要旨とする。

ここで、前記壁面材は、別体として構成する前記断熱材、および前記輻射材が、前記炉体にたいして前記輻射材が前記炉内に面するように、共通の固定部材にて固定されているとよい。

上記発明にかかる壁面材においては、壁面材は、断熱材および輻射材を有している。ここで、断熱材は、熱処理炉内の熱を熱処理炉外にたいして遮断できる。また、輻射材は、熱処理炉の内壁面に設置する壁面材の表面のうち、熱処理炉の内側の表面に露出させて用いることで、被加熱物を輻射伝熱により加熱できる。

また、断熱材の材料は、輻射材の材料よりも断熱性が高く、輻射材の材料は、断熱材の材料よりも熱輻射率が大きいため、断熱材により断熱性能を有するとともに、輻射材により熱輻射率を大きくすることができる。熱輻射率を大きくすると、輻射材は自らがより早く昇温しやすく、かつ輻射材と温度差のある被加熱物を、より早く輻射伝熱により加熱できる。そのため、被加熱物の昇温速度、および昇温効率を向上させることができる。

ここで、断熱材の表面に、輻射材からなる表層が形成されている場合には、壁面材の表面に輻射材の表層を形成することができる。そのため、壁面材は、壁面材の表面に輻射材の表層が形成されていない場合と比べて、被加熱物を輻射材からの輻射伝熱により、効率よく、昇温速度、および昇温効率を向上させて加熱できる。なお、壁面材の表面に輻射材の表層が形成されていない場合とは、壁面材の表面に輻射材が、点在して露出して形成されている場合等を示す。

また、輻射材は、プレート状であり、断熱材の表面に設置されている場合には、プレート状に製作した輻射材を、断熱材の表面に固定できるため、迅速かつ簡易に壁面材を製作できる。

また、輻射材は、布状体であり、断熱材の表面を覆っている場合には、布状体の輻射材を、断熱材の表面の形状に沿って覆うことができるため、断熱材の形状にかかわらず、壁面材を容易に製作できる。

また、輻射材は、断熱材の表面に一体的に接合された層として形成されている場合には、断熱材の表面に複雑な凹凸形状等が形成されている場合でも、断熱材の表面に密着して輻射材を形成できる。そのため、輻射材は、断熱材の表面側への輻射を無視できる程度にすることができるとともに、熱処理炉の内側への熱輻射率の大きい壁面材を製作できる。また、昇温速度、および昇温効率を向上させて加熱できる壁面材を容易に製作できる。

そして、輻射材の材料は、炭化ケイ素である場合には、炭化ケイ素の熱輻射率は、０．９程度であり、種々の耐熱性材料の中で高い熱輻射率である。そのため、被加熱物の昇温速度、および昇温効率を向上させて加熱できる。また、炭化ケイ素の耐熱温度は１５００℃程度であるため、耐熱性能の高い輻射材を製作できる。また、炭化ケイ素は、紛体として容易に利用でき、プレート状、布状体等、種々の形態のものも利用可能であるため、各種輻射材を、容易に製作できる。

一方、上記発明にかかる熱処理炉によれば、簡素な構成で、断熱性能を有するとともに、熱輻射率を大きくすることにより、被加熱物の昇温速度、および昇温効率を向上させることができる。

ここで、壁面材は、別体として構成する断熱材、および輻射材が、炉体にたいして輻射材が炉内に面するように、共通の固定部材にて固定されている場合には、別体の断熱材、および輻射材を、共通の固定部材にて固定できる。そのため、炉体にたいして壁面材を簡易に設置できる。

本発明の一実施形態の熱処理炉を示す模式図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）本発明の一実施形態の壁面材の変形例１を示す模式図である。（ｂ）本発明の一実施形態の壁面材の変形例２を示す模式図である。（ｃ）本発明の一実施形態の壁面材の変形例３を示す模式図である。 （ａ）実施例の解析シミュレーション時における炉体温度および被加熱物である材料の温度変化を示す分布図である。（ｂ）（ａ）の拡大図である。

以下、本発明の一実施形態の壁面材および熱処理炉について、図面を参照しながら説明する。

［熱処理炉］
まず、本発明の一実施形態の壁面材および熱処理炉において、被加熱物９０を熱処理する熱処理炉１について説明する。図１は、本発明の一実施形態の熱処理炉を示す模式図である。

図１に示すように、熱処理炉１は、炉体２を本体としてなっている。炉体２は、金属からなり、雰囲気加熱炉と称される形式のものであるが、他に、真空炉、あるいは大気炉であってもよい。また、炉体２の内壁面の略全域に無機酸化物よりなる壁面材３が形成され、内部空間に被加熱物９０を収容することができる。

熱処理炉１は、必要に応じて以下のような構成を有する炉体２の一端部に、被加熱物９０の出入口１６が設けられている。また、出入口１６を開閉するための扉８が設けられている。扉８は、駆動装置６１により昇降駆動される。また、炉体２内の全長にわたって、被加熱物９０を搬送するハースローラ１４が設けられている。

炉体２は、不活性ガス雰囲気中で被加熱物９０の加熱を行うものであり、本発明の一実施形態では、不活性ガスとしてＮ_２ガスを用い、Ｎ_２ガス発生装置（Ｎ_２ガスボンベ）２１からＮ_２ガスが配管２２を経て炉体２内に供給されるようになっている。また、開閉弁２３が配管２２に設けられている。

炉体２の内部には、撹拌用のファン２５、および被加熱物９０を加熱する熱源であるラジアントチューブバーナ式のヒータ１１が設けられている。加熱されたヒータ１１に生じた熱により、炉体２の内部が昇温され、被加熱物９０は、熱対流による加熱に加え、炉体２の内壁面に設置された壁面材３の表面から、輻射伝熱を受けて昇温する。

炉体２の内壁面には、壁面材３が設置されている。熱処理炉１は、次に説明する図２の壁面材３の構成により、簡素な構成で、断熱性能を有するとともに、熱輻射率を大きくすることにより、被加熱物９０の昇温速度、および昇温効率を向上させることができる。

［壁面材］
次に、本発明の一実施形態の壁面材３について説明する。図２に、図１のＡ−Ａ線断面図を示す。

図２に示すように、壁面材３は、断熱材４、および輻射材５より構成されている。また、輻射材５は、壁面材３における、炉体２の内側の表面５１に露出して形成されている。

また、壁面材３は、断熱材４の表面４１に、輻射材５からなる表層５０が形成されている。輻射材５は、プレート状に形成されてあり、炉体２の内壁面に断熱材４とともに、密着して固定部材であるピン１５およびナット１５１にて固定されている。ピン１５およびナット１５１は、断熱材４および輻射材５の共通の固定部材である。ピン１５は、炉体２にたいして溶接にて固定されている。また、断熱材４および輻射材５は、ピン１５に装着後、ナット１５１にて一体的に固定されている。

また、断熱材４の材料は、輻射材５の材料よりも断熱性が高い材料であり、輻射材５の材料は、断熱材４の材料よりも熱輻射率が大きい材料である。

断熱性が高い材料とは、炉内の熱が、炉外へ伝達することを阻止できる割合の高い材料ということであり、材料の熱伝導率が低ければ、高い断熱性を得ることができる。

断熱材４の材料としては、断熱レンガ、あるいはセラミック壁面材が使用可能である。また、輻射材５の材料としては、熱輻射率が大きく、かつ耐熱性能が高い材料が好適であり、炭化ケイ素が使用可能である。

壁面材３を構成する断熱材４は、熱処理炉１内の熱を熱処理炉１外にたいして遮断する。また、壁面材３を構成する輻射材５は、被加熱物９０を輻射伝熱により加熱する。

ヒータ１１により発生した熱は、撹拌用のファン２５により、炉体２の内部を対流して、雰囲気加熱により輻射材５を加熱するとともに、直接、輻射材５を輻射で加熱する。加熱された輻射材５は表面５１からの熱輻射により、炉体２内の輻射材５よりも温度の低い被加熱物９０を加熱する。

被加熱物９０の加熱には、輻射による寄与が大きいが、伝熱による寄与もあってもよい。

熱輻射率を大きくすると、輻射材５は自らがより早く昇温しやすく、かつ輻射材５よりも低温の被加熱物９０を、より早く輻射伝熱により加熱できる。そのため、被加熱物９０の昇温速度、および昇温効率を向上させることができる。

断熱材４の材料は、輻射材５の材料よりも断熱性が高く、輻射材５の材料は、断熱材４の材料よりも熱輻射率が大きいため、断熱材４により断熱性能を有するとともに、輻射材５により熱輻射率を大きくすることができる。

本発明の壁面材３においては、断熱材４の表面４１に、輻射材５からなる表層５０が形成されているため、炉体２内に面した壁面材３の表面５１に輻射材５の表層５０が形成された状態となっている。そのため、壁面材３は、壁面材３の表面５１に輻射材５の表層５０が形成されていない場合と比べて、被加熱物９０を、輻射材５からの輻射伝熱により、効率よく、昇温速度、および昇温効率を向上させて加熱できる。

また、壁面材３は、プレート状に製作した輻射材５を、断熱材４の表面４１に固定できるため、迅速かつ簡易に壁面材３を製作できる。

また、壁面材３は、別体の断熱材４、および輻射材５を、共通の固定部材であるピン１５およびナット１５１にて固定できる。そのため、炉体２にたいして壁面材３を簡易に設置できる。

また、輻射材５の材料として好適な、炭化ケイ素の熱輻射率は、０．９程度であり、種々の耐熱性材料の中で高い熱輻射率である。そのため、被加熱物９０の昇温速度、および昇温効率を向上させて加熱できる。また、炭化ケイ素の耐熱温度は１５００℃程度であるため、耐熱性能の高い輻射材５を製作できる。また、炭化ケイ素は、紛体として容易に利用でき、プレート状、布状体等、種々の形態のものも利用可能であるため、各種輻射材を、容易に製作できる。

［壁面材の変形例］
図３（ａ）に、本発明の一実施形態の壁面材の変形例１の模式図を示す。また、図３（ｂ）に、本発明の一実施形態の壁面材の変形例２の模式図を示す。また、図３（ｃ）に、本発明の一実施形態の壁面材の変形例３の模式図を示す。

図３（ａ）に示すように、炉体２の内壁面に設置された変形例１の壁面材３０は、断熱材４の表面４１に、布状体に形成された輻射材５５が覆われている。

輻射材５５は、布状体に形成されているため、断熱材４の表面４１の形状に沿って覆うことができる。そのため、断熱材４の形状にかかわらず、変形例１の壁面材３０を容易に製作できる。

また、図３（ｂ）に示すように、炉体２の内壁面に設置された変形例２の壁面材３１は、断熱材４の表面４１に一体的に接合された層である輻射材５６が形成されている。接合する前の輻射材５６の材料の状態は、ペースト状である。壁面材３１は、ペースト状の材料を断熱材４の表面４１に塗布して焼成することにより、断熱材４と輻射材５６が一体的に接合した構造とすることができる。

輻射材５６は、断熱材４の表面４１に一体的に接合されている。そのため、断熱材４の表面４１に複雑な凹凸形状等が形成されている場合でも、断熱材４の表面４１に密着して輻射材５６を形成できる。また、輻射材５６は、断熱材４の表面４１側への輻射が実質的に発生することがなく、炉体２内への熱輻射率の大きい壁面材３１を製作できる。また、昇温速度、および昇温効率を向上させて加熱できる変形例２の壁面材３１を、容易に製作できる。

なお、輻射材５６は、ペースト状の材料を断熱材４の表面４１に塗布して焼成する方法以外にも、化学気相成長、または化学気相蒸着等の薄膜を形成する蒸着法を使用して形成されているものでもよい。

また、図３（ｃ）に示すように、炉体２の内壁面に設置された変形例３の壁面材４０は、無数の空隙４３を有する多孔質層が形成されている断熱材４２と、断熱材４２の多孔質層よりも見かけ密度が大きい緻密層が形成されている輻射材４４とが、一体的に積層されている。

断熱材４２は、輻射材４４よりも見かけ密度が小さいため、輻射材４４よりも熱伝導率を小さくできる。また、輻射材４４は、断熱材４２よりも見かけ密度が大きいため、断熱材４２よりも熱輻射率を大きくできる。そのため、壁面材を輻射材４４のみで構成する場合に比べて、断熱性能が高い変形例の壁面材４０を製作できる。

なお、壁面材４０は、断熱材４２の熱伝導率を輻射材４４よりも小さくできるとともに、輻射材４４の熱輻射率を断熱材４２よりも大きくできる形態であれば、断熱材４２と輻射材４４は、同材質であっても、異材質であってもよい。

また、壁面材３は、微粉末である輻射材５の材料を、断熱材４の材料にたいして練り込んで複合材料とした後、焼成等にて製作されたものでもよい。また、微粉末以外にも、断熱材４の材料にたいして練り込み可能な形態であるならば、微粉末以外の形態も使用できる。

他にも、輻射材５は、壁面材３の表面５１に露出させることができる形態であれば、いかなる形態でもよい。

以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。図４（ａ）に、実施例の解析シミュレーション時における炉体温度および被加熱物である材料の温度変化を示す分布図、図４（ｂ）に、図４（ａ）の拡大図を示す。加熱テストは、下記条件をインプットした解析シミュレーションにて実施した。

［使用炉］
下記炉体条件の加熱炉を使用した。
（炉体条件）Ｎ_２ガス比率：１．２５ｋｇ／ｍ^３、炉体内表面積（輻射面積）：８．８２８ｍ^２／ｍ、風速：２ｍ／ｓ、熱輻射率：０．７５〜０．５９（輻射材なしの場合）、０．９（輻射材有りの場合）。

［被加熱物］
下記条件の被加熱物を使用した。
（被加熱物の条件）材質：中炭素鋼（０．４１５％Ｃ）、受熱表面積（輻射時）：５．７５ｍ^２／ｍ、熱輻射率：０．６、受熱表面積（対流時）：１．５３５ｍ^２／ｍ、重量：２２２２．２２ｋｇ／ｍ、移動速度：０ｍ／ｓ。

［加熱方法］
加熱炉の炉体内に、被加熱物である中炭素鋼を載置後、輻射材有りおよび輻射材なしの場合について、それぞれ炉体の温度は４００℃、中炭素鋼の温度は２５℃から、加熱を開始した。中炭素鋼の加熱は、炉体の温度が７６０℃に到達した後、中炭素鋼の温度が７５９．９℃以上７６０℃未満になるまで実施した。

［評価方法］
炉体の温度が４００℃から７６０℃に加熱される際の中炭素鋼の昇温状態について、解析シミュレーションを実施した後、それぞれ、輻射材有りおよび輻射材なしの場合について、比較評価を実施した。

［評価結果］
図４（ｂ）に示すように、輻射材を使用した場合には、輻射材を使用しない場合に比べて、材料の温度が７５０℃、および７５５℃に到達する時間が、それぞれ３０分早くなるという結果が得られた。この結果から、輻射材を使用した場合は、被加熱物を、より早く輻射伝熱により加熱でき、被加熱物の昇温速度、および昇温効率を向上させることができるという検証が得られた。

以上、本発明の実施形態および実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

１ 熱処理炉
２ 炉体
３、３０、３１、４０ 壁面材
４、４２ 断熱材
５、４４、５５、５６ 輻射材
１１ ヒータ（熱源）
１５ ピン（固定部材）
４１、５１ 表面
５０ 表層
９０ 被加熱物
１５１ ナット（固定部材）

Claims (8)

1. 被加熱物を加熱するための熱処理炉の内壁面に設置する壁面材であって、
   前記壁面材は、断熱材、および輻射材を有し、
   前記断熱材の材料は、前記輻射材の材料よりも断熱性が高い材料であり、
   前記輻射材の材料は、前記断熱材の材料よりも熱輻射率が大きい材料であり、
   前記輻射材は、前記壁面材の表面に露出していることを特徴とする壁面材。
2. 前記断熱材の表面に、前記輻射材からなる表層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の壁面材。
3. 前記輻射材は、プレート状であり、前記断熱材の表面に設置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の壁面材。
4. 前記輻射材は、布状体であり、前記断熱材の表面を覆っていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の壁面材。
5. 前記輻射材は、前記断熱材の表面に一体的に接合された層として形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の壁面材。
6. 前記輻射材の材料は、炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の壁面材。
7. 炉内に被加熱物を収容することができる炉体と、
   前記炉体の内壁面に設置される請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の壁面材と、
   被加熱物を加熱する熱源と、
   を有し、
   前記被加熱物を加熱することを特徴とする熱処理炉。
8. 前記壁面材は、別体として構成する前記断熱材、および前記輻射材が、前記炉体にたいして前記輻射材が前記炉内に面するように、共通の固定部材にて固定されていることを特徴とする請求項７に記載の熱処理炉。

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