JP3535630B2 - 熱処理炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼の熱処理、すな
わち、浸炭、浸炭窒化、窒化処理等に用いられる熱処理
炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼の熱処理、すなわち、浸炭、浸炭窒
化、窒化処理等に用いられる熱処理炉は炉内第１層とし
て耐火断熱煉瓦が用いられ、炉内温度が約７００〜１１
００℃の高温に維持される。

【０００３】従来、前記のごとき耐火断熱煉瓦について
は、日本工業規格（ＪＩＳ）等において鉄分の含有量に
ついての規制はなく、一般には約２．５重量％の鉄分が
含まれていた。

【０００４】また、前記のごとく、炉内温度が約７００
〜１０００℃の高温に維持されると炉外側面（入口扉等
を含む）に断熱材を設けて外部断熱を図る必要がある。

【０００５】そこで一般には、図５に示すように、炉内
第１層の耐火断熱煉瓦１の外側面にシリカボ−ドあるい
はセラミックファイバ−等のボ−ド系断熱材２を設けて
外部断熱を図っている。

【０００６】さらに、従来、熱処理炉内加熱手段として
熱効率の優れたラジアントチュ−ブ型バ−ナとして、い
わゆる、シングルエンドバ−ナ３が採用されている。

【０００７】図中、４は入口扉、５は中間扉、６はハ−
スレ−ル、７は該ハ−スレ−ル６を支持する耐火煉瓦、
８はファン、９はファンスタンドである。

【０００８】なお、前記熱処理炉の中間扉５側には、一
般に焼入れベスティブル（図示せず）が連続させて設け
られ、入口扉４側には、装入装置等が必要に応じて設け
られる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記構成の熱処理炉に
おいて、耐火断熱煉瓦１中の鉄分の量が多いと、雰囲気
中のＣＯが該耐火断熱煉瓦中の鉄分と作用して該耐火断
熱煉瓦中にカ−ボンが蓄積されるなどの現象が確認され
た。

【００１０】そして、やがて炉内雰囲気がス−ティング
現象により乱されたり、また、前記耐火耐熱煉瓦中に蓄
積されたカ−ボンによる該耐火断熱煉瓦の劣化等、炉壁
構造への悪影響等生じていた。

【００１１】また、前記熱処理炉の外部断熱について言
えば、炉外側面、すなわち、前記ボ−ド系断熱材２の表
面温度が平均で８０〜９０℃、高温部では１００℃を越
える場合があった。そしてその結果として、工場内が高
温となり、作業環境が悪化するとともに、熱放散による
エネルギ−損失も大きく不経済であった。

【００１２】そこで炉外側面からの熱放散の減少を図る
ため、従来は、図示のごとく前記ボ−ド系断熱材２を複
数枚（二層）とし、さらには耐火断熱煉瓦１の厚みを増
すなどして対応していた。

【００１３】しかしながら、設備コストの面等において
前記ボ−ド系断熱材２等の厚みを増すことにはおのずと
限度があり、この限度内で達成できる放熱量の減少分は
僅かであった。

【００１４】しかも、前記ボ−ド系断熱材２等の厚みを
増すことに伴い、炉外側面の面積も増加、すなわち、放
熱面積も増加するため、実際の放熱量の減少はさらに小
さいものであった。

【００１５】また、熱処理炉の加熱手段として使用され
ているシングルエンドバ−ナ３の熱効率は約７０％であ
り、約３０％は大気中に捨てられているのが現状であ
る。

【００１６】しかも該シングルエンドバ−ナ３は内管、
外管からなるが、局部過熱し易く、その結果、外管の温
度分布が悪くなり、炉内温度分布に悪影響を及ぼし、ま
た、局部過熱によるラジアントチュ−ブの変形、酸化
等、耐久性に問題が残されていた。

【００１７】さらに、一般に熱処理炉では、所定の処理
温度での保持時間が長くなると、熱エネルギ−消費にし
める炉外放熱損失の割合が増加し、６０％を越える場合
もあった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記事情に
鑑みなされたもので、耐火断熱煉瓦の意識的改造と炉外
放熱量の減少を図り、さらにバ−ナの熱効率を向上させ
た省エネルギ−タイプの経済的な熱処理炉を提供するこ
とを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる熱処理炉
は、炉内第１層として、特別に製造された鉄分１重量％
以下の耐火断熱煉瓦が使用される。また、複数層からな
る炉壁を有し、前記炉内第１層の耐火断熱煉瓦の外側面
にシリカボードあるいはセラミックファイバー等のボー
ド系断熱材が第２層として設けられ、第３層として４０
０℃における熱伝導率０．０５ｋｃａｌ／ｍｈ℃以下の
断熱材が設けられる。さらに、加熱手段として熱効率８
０％以上、好ましくは熱効率９０％以上の燃焼蓄熱交番
方式の蓄熱式バーナが設けられる。そして前記各構成が
有効に組み合わされる。

【００２０】

【発明に実施の形態】図１及び図２には本発明の実施の
形態の一例が示されている。なお、前記従来例と同様部
材には同符号を付して、以下に説明する。

【００２１】図中、１ａは、炉内第１層の鉄分１重量％
以下にして特別に製造された耐火断熱煉瓦、２は、炉内
第２層の前記従来と同様のシリカボードあるいはセラミ
ックファイバー等のボード系断熱材である。

【００２２】本発明では、前記炉内第２層のボード系断
熱材２の外側面に炉内第３層として４００℃における熱
伝導率０．０５ｋｃａｌ／ｍｈ℃以下の断熱材１０（以
下「本件断熱材」と言う。）が設けられる。

【００２３】図１及び図２に示した実施の形態において
は、前記従来例と異なり、ボード系断熱材２が一枚（一
層）とされ、その次の層に前記本件断熱材１０が設けら
れる。

【００２４】すなわち、炉天井部１１、炉床部１２及び
入口扉４を構成する前記耐火断熱煉瓦１ａ及びボ−ド系
断熱材２に次ぐ炉内より第３層及び中間扉５を構成する
耐火断熱煉瓦１ａに次ぐ炉内より第２層に本件断熱材１
０が設けられている。

【００２５】前記本件断熱材１０の熱伝導率は、微細多
孔構造を利用して得られ、具体的には９０％以上の容積
が空孔とされ、該空孔が空気で占められた耐熱素材の超
微粒子状の無定型シリカ、輻射熱を遮断する添加物質等
を混合して構成される。

【００２６】なお、熱伝導率の測定温度を４００℃とし
たのは、内側温度を７００℃としたの場合に外側温度が
１００℃であったため、その中間を採用したものであ
る。

【００２７】本発明は、また、加熱手段として、熱効率
８０％以上、好ましくは熱効率９０％以上の燃焼蓄熱交
番方式の蓄熱式バ−ナ１３を設けるものである。

【００２８】具体的には、図１に示すようにラジアント
チュ−ブ１４がＷ型、あるいはさらにＵ型に構成され、
その両端にそれぞれバ−ナ１５、１６及び蓄熱体１７、
１８を設け、該両端のバ−ナ１５、１６及び蓄熱体１
７、１８を交互に切り換え着火燃焼制御する方式（以下
「燃焼蓄熱交番方式」と言う。）が採用され、炉内均熱
化のために炉内両側面に沿って設けられる。

【００２９】図４には、前記燃焼蓄熱交番方式を採用し
た蓄熱バ−ナ１３の原理図が示されている。図中、１４
が前記ラジアントチュ−ブに該当し、該ラジアントチュ
−ブ１４の両端にそれぞれ前記バ−ナ１５、１６及び蓄
熱体１７、１８が設けられ、該バ−ナ１５、１６及び蓄
熱体１７、１８を交互に切り換え着火制御するものであ
る。

【００３０】図中、１９は燃料供給管、２０は燃料切換
装置、２１は燃焼空気供給管、２２は排気管、２３は燃
焼空気及び排気の切換装置である。

【００３１】前記蓄熱式バ−ナ１３は、例えば、一方の
バ−ナ１６からは蓄熱体１８を介して高温に予熱された
燃焼空気を用いて高温の燃焼ガスを発生させ、ラジアン
トチュ−ブ１４から炉内に熱を伝達し、他方の休止中の
バ−ナ１５においては発生した燃焼ガスを、該バ−ナ１
５を通路として蓄熱体１７に導き、該蓄熱体１７を加熱
した後排出するものであり、前記切り換え着火燃焼制御
を交互に行うものである。

【００３２】なお、前記Ｗ型、あるいはＵ型の蓄熱式バ
−ナを設けた場合には、該蓄熱式バ−ナ１３を容易に交
換、あるいは補修等できる構成にすることが望ましい。
その場合には、ア−チ型耐火断熱煉瓦で構成された炉天
井部１１の両側に前記蓄熱式バ−ナ１３の長手方向が挿
入自在の長穴２４を設け、該長穴２４に前記蓄熱式バ−
ナ１３を挿入設置後、前記長穴２４を着脱自在の異形煉
瓦２５で塞ぐ構成にすればよい。

【００３３】さらに、図１及び図２に示すように、前記
ハースレール６を、炉内の幅方向及び長さ方向に適当間
隔Ｘ及びＹをあけて炉床部１２に自立させた耐火煉瓦７
で支持すると、従来の炉内幅全体にハースレール支持用
の耐火煉瓦を設けた場合に比べてファン８による雰囲気
の流れの均一化が図られ、炉内温度分布も向上し、処理
製品の品質ムラを防止できる。

【００３４】前記請求項１の発明によれば、耐火断熱煉
瓦中の鉄分の量が極めて少ないため雰囲気中のＣＯが作
用して該耐火断熱煉瓦中にカ−ボンが蓄積されることが
なく、したがって、カ−ボン除去作業が不要となり炉の
操業率を向上させることができ、さらに炉内雰囲気がス
−ティング現象によって乱されたりすることがなく、さ
らにまた、前記耐火断熱煉瓦中に蓄積されたカ−ボンに
よる該耐火断熱煉瓦の劣化が防止され、その耐久性を向
上させることができる。

【００３５】また、前記請求項１の発明によれば、一つ
の実験値であるが、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すよう
に、炉外側面温度を大幅に低下させ、熱放散によるエネ
ルギー損失を減少させることができるため、炉内への投
入熱量を減少でき、さらに炉の加熱装置の小型化、設備
費の減少等、経済的である効果が得られる。

【００３６】すなわち、図３（Ａ）は、図１及び図２に
示した本発明の熱処理炉の炉壁構造の各部における温度
の測定結果であり、同図（Ｂ）は、図５に示した従来構
造の熱処理炉の炉壁構造における各部の温度の測定結果
である。

【００３７】具体的には、図３（Ａ）は、耐火断熱煉瓦
１ａの厚さ１１５ｍｍ、シリカボ−ド系断熱材２の厚さ
６５ｍｍ、本件断熱材１０の厚さ５０ｍｍ、全体の厚さ
２３０ｍｍにおいて、炉内温度が９３０℃の場合の各部
の温度であり、炉外側面の温度は７８℃であった。な
お、測定時の炉外の大気温度は２０℃であった。

【００３８】図３（Ｂ）は、耐火断熱煉瓦１の厚さ１１
５ｍｍ、２枚のシリカボ−ド系断熱材２の厚さ合計１１
５ｍｍ、全体の厚さ２３０ｍｍにおいて、前記図３
（Ａ）の場合と同じ条件、すなわち、炉内温度９３０
℃、炉外の大気温度２０℃の場合の各部の温度であり、
炉外側面の温度は１０２℃であった。

【００３９】すなわち、従来例に比べて炉外側面温度を
約２５％低下させることができ、結果として熱放散によ
るエネルギー損失を約２５％減少できたものである。

【００４０】また、本発明によれば前記蓄熱式バーナの
使用により、排気熱を燃焼空気の予熱に有効利用し高温
の燃焼ガスを発生せしめ、もって燃料を大幅に節約でき
経済的であるとともに、同時にＣＯ_２の大気中への排出
量を減少せしめ、地球温暖化防止等の環境保全に役立つ
ものである。

【００４１】

【００４２】

【００４３】

【００４４】

【００４５】前記請求項１の発明によれば、カーボン除
去作業の不要、炉内雰囲気の乱れ防止、耐火断熱煉瓦の
耐久性の向上、熱放射によるエネルギー損失の減少、燃
料節約及び地球環境保全が可能であり、前記請求項２及
び３の発明によれば、ファンによる雰囲気の流れの均一
化が図られ、炉内温度分布も向上し、処理製品の品質ム
ラを防止して品質の向上を図ることができる。

【００４６】前記図１及び図２に示した本願の熱処理炉
と図５に示した従来構造の熱処理炉における入熱及び出
熱を比較測定した熱勘定表をイかに示す。

【００４７】

【表１】 前記表１は、出願人会社の最も標準的な炉における処理
重量５５０ｋｇ／チャージ、炉温９３０℃×６ｈ／サイ
クルの浸炭処理における熱勘定表である。

【００４８】前記熱勘定表によれば、本願の熱処理炉
は、従来炉に比べて炉壁の熱放散量が２５％減少し、ま
た、排ガス損失については、排ガス顕熱を燃焼空気の予
熱に有効利用することで７０％減少し、結果として燃料
の節約が３０％に達することが確認される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱処理炉の縦断側面図である。

【図２】本発明の熱処理炉の一部を断面にした正面図で
ある。

【図３】本発明の熱処理炉及び従来構造の熱処理炉にお
ける炉壁構造各部の温度測定線図である

【図４】本願燃焼蓄熱交番方式の蓄熱式バ−ナの原理図
である。

【図５】従来構造の熱処理炉の縦断側面図である。

【符号の説明】

１ 耐火断熱煉瓦 １ａ 耐火断熱煉瓦 １０ 本件断熱材 １３ 蓄熱式バ−ナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 勇一 東京都千代田区丸の内一丁目８番２号 同和鉱業株式会社内 (72)発明者 熊谷 明夫 東京都千代田区丸の内一丁目８番２号 同和鉱業株式会社内 (72)発明者 四▲条▼ 隆幹 東京都千代田区丸の内一丁目８番２号 同和鉱業株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−103435（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−45709（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−102241（ＪＰ，Ｕ) 実開 平６−14895（ＪＰ，Ｕ) 実開 平７−6692（ＪＰ，Ｕ) 国際公開94／015149（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F27D 1/00 C21D 1/00 112 C21D 1/52 C21D 9/00 101 F27B 17/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄分１重量％以下の耐火断熱煉瓦を炉内
   第１層とし、シリカボードあるいはセラミックファイバ
   ー等のボード系断熱材を炉内第２層とし、４００℃にけ
   る熱伝導率０．０５ｋｃａｌ／ｍｈ℃以下の断熱材を炉
   内第３層とし、さらに熱効率８０％以上の燃焼蓄熱交番
   方式の蓄熱式バーナが炉内両側面に沿って設けられてな
   ることを特徴とする熱処理炉。
2. 【請求項２】 ハースレールが炉内幅方向及び長さ方向
   に間隔をあけて炉床部に自立させた耐火煉瓦で支持さ
   れ、炉天井部に耐熱性ファンが設置された請求項１記載
   の熱処理炉。
3. 【請求項３】 炉天井部に燃焼蓄熱交番方式の蓄熱式バ
   ーナの長手方向が挿入自在の長穴が設けられ、該長穴に
   前記蓄熱式バーナが挿入設置され、さらに前記長穴が異
   形煉瓦で塞がれてなる請求項１又は２に記載の熱処理
   炉。