JP2020105541A

JP2020105541A - 浸炭設備および浸炭設備のバーンアウト終了判定方法

Info

Publication number: JP2020105541A
Application number: JP2018242343A
Authority: JP
Inventors: 斌孫; Bin Sun; 克成清水; Katsunari Shimizu; 巧智日高; Kochi Hidaka; 孝治常吉; Koji Tsuneyoshi
Original assignee: Dowa Thermotech Co Ltd; TYK Corp
Current assignee: Dowa Thermotech Co Ltd; TYK Corp
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: JP7240172B2

Abstract

【課題】より簡易な構造の浸炭設備でバーンアウトの終了タイミングの判定を実施できるようにする。【解決手段】浸炭処理が行われる浸炭室２と、浸炭室２に接続されたガス供給管４と、ガス供給管４に接続された空気供給源６と、浸炭室２内の水素ガス圧力を測定する水素センサ１３と、水素センサ１３で測定された水素ガス圧力に基づいてバーンアウトが終了したか否かの判定を行うように構成された制御部１５と、を備えるように浸炭設備１を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、浸炭設備および浸炭設備のバーンアウト終了判定方法に関する。

ガス浸炭炉や真空浸炭炉等の浸炭設備においては、浸炭処理が繰り返し実施されると、浸炭処理に伴い発生する遊離炭素が煤として浸炭室内に堆積する。浸炭室に多量に煤が堆積した状態で浸炭処理が実施されると、浸炭処理品質の低下や浸炭室内で使用される治具およびヒータの寿命低下が懸念される。このため、浸炭設備においては、定期的なメンテナンス作業として、浸炭室に空気を供給しながら浸炭室を加熱することにより、煤を燃焼させて除去する作業が実施される。本明細書においては、このような煤を燃焼させて除去する作業を“バーンアウト”と称す。

バーンアウトの実施中は浸炭処理を行うことができないため、生産性の観点からはバーンアウトに費やされる時間は短い方が好ましい。一方で、煤の除去が不十分な状態でバーンアウトを終了させると、浸炭処理品質の低下が懸念されることから、十分に煤が除去されたタイミングでバーンアウトを終了させることが好ましい。バーンアウトの終了判定方法として、特許文献１には真空浸炭炉のバーンアウト方法が開示されている。

特開２００７−１３１９３６号公報

特許文献１のバーンアウト方法においては、ＣＯ₂濃度計とＯ₂濃度計を用いて排ガスのＣＯ₂濃度とＯ₂濃度を監視し、温度計を用いて断熱材内部の温度を監視している。そして、排気ガスのＣＯ₂濃度が減少し、Ｏ₂濃度が増加し、かつ断熱材の温度が急激に低下したタイミングでバーンアウトが終了したと判定している。しかしながら、特許文献１の方法を実施するにあたっては、ＣＯ₂濃度計、Ｏ₂濃度計および断熱材温度を測定するための温度計が必要になり、炉の構造が複雑になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、より簡易な構造の浸炭設備でバーンアウトの終了タイミングの判定を実施できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一態様は、浸炭設備であって、浸炭処理が行われる浸炭室と、前記浸炭室に接続されたガス供給管と、前記ガス供給管に接続された空気供給源と、前記浸炭室内の水素ガス圧力を測定する水素センサと、前記水素センサで測定された水素ガス圧力に基づいてバーンアウトが終了したか否かの判定を行うように構成された制御部と、を備えたことを特徴としている。

別の観点による本発明の一態様は、浸炭設備のバーンアウト終了判定方法であって、浸炭処理が行われた浸炭室に空気を供給して、前記浸炭室内に堆積した煤のバーンアウトを実施する際に、前記浸炭室内の水素ガス圧力を測定し、測定された水素ガス圧力に基づいて前記バーンアウトが終了したか否かの判定を行うことを特徴としている。

より簡易な構造の浸炭設備でバーンアウトの終了タイミングの判定を実施することができる。

本発明の一実施形態に係る浸炭設備の概略構成を示す図であり、Ｚ方向（高さ方向）に垂直な断面を示している。本発明の別の実施形態に係る浸炭設備の概略構成を示す図であり、Ｚ方向（高さ方向）に垂直な断面を示している。図２の浸炭設備の概略構成を示す図であり、Ｙ方向（幅方向）に垂直な断面を示している。水素センサを備えた浸炭設備でバーンアウトを実施した際の浸炭室内の圧力（全圧）、水素ガス圧力および水素センサの温度の履歴を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本実施形態の浸炭設備１の概略構成を示す図である。浸炭設備１は、ワークの浸炭処理が行われる浸炭室２を備えており、図１においては、浸炭室２の高さ方向であるＺ方向に垂直な断面が示されている。なお、Ｘ方向は浸炭室２の奥行き方向であり、Ｙ方向は浸炭室２の幅方向である。浸炭室２は、例えばＳＳ４００等の鋼材からなる炉壁２ａ〜２ｄを有し、炉壁２ａ〜２ｄの内部には断熱材３が配置されている。本実施形態においては、浸炭室２のＸ方向に垂直な面を有する炉壁２ａ、２ｃのうち、一方の炉壁２ｃは開閉式の扉（以下、“扉２ｃ”）で構成され、扉２ｃの開放時にワークの搬入や搬出等が行われる。浸炭室２のＹ方向に垂直な面を有する炉壁２ｂ、２ｄのうち、一方の炉壁２ｂにはガス供給管４が接続されている。炉壁２ｂから延びるガス供給管４は、途中で分岐し、バルブを介して、浸炭ガス供給源５と、空気を供給する空気供給源６とに接続されている。ガス供給管４から供給されるガスは、浸炭ガスと空気との間で適宜切り替えられることで浸炭処理またはバーンアウトが実施される。なお、浸炭ガスの供給系と、空気の供給系とは別の系であってもよい。ガス供給管４が接続された炉壁２ｂに対向する炉壁２ｄには、排気用ポート７が設けられ、排気用ポート７には排気管８が接続されている。排気管８は、排気ポンプ９（例えば真空ポンプ）に接続されている。浸炭室２の扉２ｃに対向する炉壁２ａには、浸炭室２内の温度を測定する温度計１０と、浸炭室２内の圧力を測定する圧力計１１とが設けられている。

また、扉２ｃに対向する炉壁２ａには、浸炭室２内の水素ガス圧力を測定する水素センサ１３を備えた水素濃度計１２が設けられている。本実施形態の水素センサ１３は、炉壁２ａに設けられたポート１４内に位置している。水素センサ１３の位置は特に限定されず、水素センサ１３の推奨使用温度に応じて適宜変更される。水素センサ１３の種類や形式等は特に限定されないが、浸炭室２のより近い箇所に水素センサ１３が配置される場合には、より高い耐熱性を有する水素センサ１３が用いられることが好ましい。また、水素センサ１３は浸炭室２外に配置されていてもよい。この場合、例えばポート１４を介して浸炭室２から排出されたサンプリングガスの水素ガス圧力が測定される。一方、浸炭室２内の水素ガス圧力の変化に、より精度良く追従して水素ガス圧力の測定を行うためには、水素センサ１３の位置は浸炭室２に近いほど好ましい。

浸炭設備１が真空浸炭設備である場合、浸炭室２を保護する観点からはバーンアウトを真空状態で行うことが好ましい。すなわち、真空状態でバーンアウトを行う場合には、真空下でも測定精度の高い水素センサ１３が用いられることが好ましい。浸炭設備１が真空浸炭設備である場合においては、耐熱性と、真空下における測定精度の確保の観点から、例えば推奨使用温度が４００〜６００℃のプロトン導電体を用いた水素センサ１３が採用され得る。プロトン伝導体を用いた水素センサは、水素の圧力を電気的に取り出すことが可能であり、測定値が炉内の圧力や共存ガスに依存しないため、好適である。

浸炭設備１は、水素センサ１３で測定された水素ガス圧力の測定値が入力される制御部１５を備えている。制御部１５は、水素ガス圧力の測定値と所定の閾値とを対比し、水素ガス圧力の測定値が所定の閾値以下となっているか否かを判定し、水素ガス圧力の測定値が所定の閾値以下となっていた場合にバーンアウトが終了したと判定する制御を行うように構成されている。また、制御部１５は、バーンアウトが終了したと判定した際にオペレーターにバーンアウトが終了した旨を通知する信号を出力する。例えば制御部１５は、ディスプレイやランプ等の表示部（不図示）に信号を出力してバーンアウトが終了した旨を表示させたり、音響発生部（不図示）に信号を出力してバーンアウトが終了した旨を音によってオペレーターに通知するように構成されていてもよい。なお、バーンアウト終了後の煤の残存量は、その後の浸炭処理の品質に影響を与えることから、上記の所定の閾値は、要求される浸炭処理の品質基準に応じて適宜変更される。閾値は、０．１Ｐａ以下の値に設定されることが好ましい。

本実施形態の浸炭設備１は以上のように構成されている。なお、浸炭設備１は、浸炭室２内を加熱するヒータやワークの支持部材等の浸炭処理に必要な構成を有している。このような浸炭設備１で繰り返し浸炭処理が実施された後は定期的にバーンアウトが実施される。

本実施形態の浸炭設備１におけるバーンアウトは例えば以下のように実施される。

まず、浸炭室２内の温度が８５０〜９５０℃に設定され、浸炭室２内が排気される。このとき、浸炭設備１が真空浸炭設備である場合は、浸炭室２の構成部品保護の観点から浸炭室２内の圧力が１〜４０ｋＰａに設定されることが好ましい。その後、浸炭室２内の大きさに応じて設定された量の空気が浸炭室２内に導入される。これにより、浸炭室２内に堆積した煤の燃焼反応が開始される。本実施形態では、バーンアウト実施時の供給ガスが空気であるため、煤の燃焼には空気中の水蒸気に含まれる酸素も使用され、水素ガスが発生する。すなわち、本実施形態のバーンアウトにおいては、いわゆる水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂）が起こる。

ここで発生する水素ガスの濃度は水素センサ１３によって監視される。そして、浸炭室２内の水素ガス圧力の測定値が制御部１５に送信され、制御部１５は、水素ガス圧力の測定値が所定の閾値（例えば０．１Ｐａ）以下となっているか判定を行う。浸炭室２内の煤の量は、バーンアウトの実施時間と共に減少していくため、水性ガスシフト反応も時間と共に起こりにくくなる。すなわち、水素ガスの発生量は徐々に減少し、浸炭室２内の水素ガス圧力は減少していく。したがって、バーンアウト時に水素ガス圧力を監視しておくことで、水素ガス圧力の測定値が所定の閾値以下となるタイミングを見極めることができる。制御部１５は、水素ガス圧力が所定の閾値以下となった際にバーンアウトが終了したと判定する。

以上のように本実施形態の浸炭設備１によれば、浸炭室２内の水素ガス圧力に基づいてバーンアウトが終了したか否かを判定することができる。すなわち、本実施形態の浸炭設備１においては、従来のようなＯ₂濃度計、ＣＯ₂濃度計、断熱材温度を測定するための温度計といった多くの計測器を用いることなく、より簡易な構成の浸炭設備１でバーンアウト終了の判定を行うことが可能となる。

さらに、本実施形態のような浸炭設備１においては、バーンアウトを行う際に浸炭室２内の温度を下げて煤の存在を確認する必要がないため、バーンアウト終了後の浸炭室２内の温度を高く保つことができる。このため、浸炭処理を再開するための浸炭処理温度までの再加熱時間を短縮することができ、バーンアウト終了後、速やかに浸炭処理を再開することができる。これにより浸炭処理品の生産性を向上させることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば浸炭室２に対するガス供給管４や排気管８、温度計１０、圧力計１１、水素濃度計１２の配置は上記実施形態で説明されたものに限定されない。例えば、上記実施形態の浸炭設備１においては水素センサ１３用のポート１４が設けられていたが、図２および図３に示すように、浸炭設備１は、浸炭室２に設けられた排気用ポート７に水素センサ１３が挿入された構成であってもよい。図３に示す例では、排気用ポート７は、浸炭室２からＸ方向に沿って延びる水平部７ａと、水平部７ａからＺ方向の下方に向かって延びる鉛直部７ｂとを有している。水素センサ１３は、排気用ポート７の水平部７ａに挿入され、排気ポンプ９に接続される排気管８は排気用ポート７の鉛直部７ｂに接続されている。このように、排気用ポート７に水素センサ１３が挿入される構成であれば、水素センサ１３用のポート１４が不要となり、浸炭設備１の構成をより簡易なものとすることができる。また、浸炭設備１が真空浸炭設備である場合、浸炭室２内には雰囲気を攪拌するためのファンが設けられないために浸炭室内３内の水素ガス濃度が不均一となる箇所が発生しやすいが、排気用ポート７に水素センサ１３が配置されることによって、浸炭室２内の水素ガスが検知されやすくなり、浸炭室２内の水素ガス圧力をより精度良く測定することができる。

水素センサが設けられた浸炭設備においてバーンアウトを実施した。本実施例における浸炭設備は、図２および図３に示される構造を有しており、水素センサは排気用ポートに挿入されている。また、水素センサは、推奨使用温度が４００〜６００℃のプロトン導電体を用いたセンサである。

バーンアウトを実施するにあたり、まず、浸炭室の温度を９００℃に設定し、浸炭室内の排気を行う。次に、浸炭室内の排気によって浸炭室内の圧力を０．１ｋＰａとした後、１０Ｌ／ｍｉｎの流量で浸炭室内に空気を導入する。これにより浸炭室内の煤の燃焼が開始される。その後の浸炭室内の圧力（全圧）の変化、水素センサで測定された浸炭室内の水素ガス圧力の変化、および水素センサの温度の変化の履歴を図４に示す。

図４に示すように、水素ガス圧力は時間の経過と共に減少していき、７０分が経過したあたりで水素ガス圧力が０．１Ｐａ程度となり、それ以上減少しなくなった。これは、浸炭室内の煤が十分に除去されたことにより水性ガスシフト反応が起こらなくなったことを意味する。すなわち、水素センサを用いることで、浸炭室内の水素ガス圧力に基づいてバーンアウト終了のタイミングを判定することができる。なお、水素ガス圧力が０．１Ｐａ程度になった後は、浸炭室内の排気を維持したまま、浸炭室内への空気の導入を停止し、ヒータをオフにすることでバーンアウトを終了する。また、バーンアウトの終了後、浸炭室内の温度が２００℃以下にまで下がった段階で、浸炭室内を目視したところ、煤の存在は確認されなかった。その後、当該浸炭設備でワークの浸炭処理を実施したが、浸炭品質への影響は確認されなかった。したがって、本実施例によるバーンアウト終了判定は適正に行われていることがわかった。

本発明は、浸炭設備のバーンアウトに利用することができる。

１浸炭設備
２浸炭室
２ａ炉壁
２ｂ炉壁
２ｃ扉（炉壁）
２ｄ炉壁
３断熱材
４ガス供給管
５浸炭ガス供給源
６空気供給源
７排気用ポート
７ａ排気用ポートの水平部
７ｂ排気用ポートの鉛直部
８排気管
９排気ポンプ
１０温度計
１１圧力計
１２水素濃度計
１３水素センサ
１４ポート
１５制御部

Claims

浸炭処理が行われる浸炭室と、
前記浸炭室に接続されたガス供給管と、
前記ガス供給管に接続された空気供給源と、
前記浸炭室内の水素ガス圧力を測定する水素センサと、
前記水素センサで測定された水素ガス圧力に基づいてバーンアウトが終了したか否かの判定を行うように構成された制御部と、を備えた、浸炭設備。
前記水素センサは、前記浸炭室の排気用ポートに位置している、請求項１に記載の浸炭設備。
浸炭処理が行われた浸炭室に空気を供給してバーンアウトを実施する際に、前記浸炭室内の水素ガス圧力を測定し、
測定された水素ガス圧力に基づいて前記バーンアウトが終了したか否かの判定を行う、浸炭設備のバーンアウトの終了判定方法。
前記浸炭室の排気用ポートに位置する水素センサで前記水素ガス圧力を測定する、請求項３に記載の浸炭設備のバーンアウトの終了判定方法。