JP4270739B2 - 熱間加工用支持体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、建設機械、電機製品、農業機械等の各種部品を、例えば鍛造（塑性）加工によって製造する際に、被加熱体であるビレット材等の鋼材を加熱するために使用される熱間加工用支持体及び該熱間加工用支持体を使用した誘導加熱炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種機械部品を温熱間鍛造加工によって製造する際には、被加熱体であるビレット材が、予め、加熱炉によって加熱された後に、鍛造加工されるようになっている。このような鍛造加工用加熱炉としては、燃焼式加熱炉に替わって、図４に示すような、誘導加熱炉が普及している。誘導加熱炉は、ビレット材４が搬送される炉心管１１にコイルを巻回した構造をとり、当該コイルに通電することによって、炉心管内を搬送されるビレット材４が電磁誘導加熱される仕組みとなっている。
即ち、当該炉心管１１は被加工材であるビレット材４を熱間加工する際の支持体として機能している。
【０００３】
そのような熱間加工用支持体は、目的に応じて、実公平２−４１２０号公報、実公昭６２−１３７２２号公報に開示されたような単管構造、特開平１０−２７２５３４号公報に開示されたような二重管構造等、種々の形状のものが用いられるが、これらの熱間加工用支持体を構成する材質としては、熱効率を向上させ、強度を確保する観点から、高熱伝導率、高強度、高輻射率を有し、アルカリ、アルミニウム、炭酸ガス、酸化雰囲気等に対する耐磨耗性に優れる、炭化珪素質の耐火セラミックを使用することが好ましいとされている（特開平１０−２７２５３４号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱間加工用支持体の材料として炭化珪素質の耐火セラミックを用いた場合でも、耐食性、耐衝撃性が不足しているために該支持体が腐食し、或いは破損する等の問題が生じる場合があり、未だ熱間加工用支持体を構成する材料としての必要条件を充分に満足しているとは言えなかった。
【０００５】
そのような腐食、破損等は、後に説明するように、熱間加工用支持体の加熱温度が高いほど発生しやすく、特に炉心管の出口から１００〜５００ｍｍの領域において、大きさ２０〜１００ｍｍ程度の損耗が局部的に発生することが分かっている。
従来、誘導加熱炉の炉心管は、一本の長さが３００〜８００ｍｍ程度の熱間加工用支持体を複数本並べることにより構成されているが、その一部のみが損耗し、健全な部分が多く残っている支持体を、一本丸ごと交換しなければならないことが問題となっていた。
【０００６】
そこで、実用新案登録第３０５７１９８号公報には、熱間加工用支持体を底部材とその他の部分に分割し、該底部材に、一体的に作られた、被加熱体を摺動させるレールを設けた誘導加熱装置が開示されている。これは、分割された底部材の２本のレール上の突起により被加熱体を支えるが、レール部分に破損や消耗が生じた場合には、底部材のみを交換できるようにすることで、破損等があっても交換作業が簡易に行え、経済性及び省資源性の向上が図られるとされている。
【０００７】
しかしながら、この誘導加熱装置では、レール部分に破損や消耗が生じた場合には分割された底部材のみを交換できるが、熱間加工用支持体全長において一律に同じ材質及び同じ長さの底部材を用いており、前述したような、破損等が生じやすい部分とそうでない部分を考慮していないと思われる。従って、破損等が生じることが前提であり、破損が生じやすい部分については度々交換を要することになると考えられる。しかも、一律に同じ長さの底部材を用いていることから、破損した部分のみを無駄なく交換することはできないと考えられる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、交換対応性及び耐反応性の高い熱間加工用支持体及び該熱間加工用支持体を使用してなる誘導加熱炉を提供することにある。
【０００９】
即ち、本発明によれば、被加熱体を炉心管の外部から誘導コイルによって加熱する熱間加工用支持体であって、被加熱体を載置する第一支持部材と、当該第一支持部材を保持する第二支持部材からなり、当該第一支持部材が、被加熱体の搬送方向に対し、複数に分割され、且つ当該第一支持部材が、単層若しくは複層にて構成されていることを特徴とする熱間加工用支持体、が提供される。
【００１０】
本発明の熱間加工用支持体は、前記第一支持部材の表層として、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア、又は炭化クロムのうち少なくとも１種からなることが好ましい。前記第一支持部材の長さとしては、１０〜３００ｍｍであることが好ましい。
また、第一支持部材が複層にて構成されている場合、その表層の厚みは、２ｍｍ以上であることが好ましい。第二支持部材としては、炭化珪素質、窒化珪素質、若しくは金属珪素含浸炭化珪素質の焼結体からなることが好ましい。
更に、本発明によれば、上記した熱間加工用支持体を使用してなる誘導加熱炉、が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、誘導加熱炉の一般的な構成について図面を参照しながら概説した上で、本発明の熱間加工用支持体１について詳細に説明する。
但し、本発明は図示の実施例に限定されるものではない。
【００１２】
図４は、誘導加熱炉の一般的な構成を示す縦断面図である。
誘導加熱炉は、炉心管内部を電磁誘導により加熱する加熱炉であって、例えば円筒状のビレット材４等を鍛造加工するために用いられるものである。
【００１３】
誘導加熱炉は、炉心管１１を外殻１４で固定してなる複数の熱間加工用支持体１（以下、単に「支持体」という。）からなり、各支持体は、ビレット材４を所定温度に加熱するために必要な長さになるように、所定の個数が並列されている。
また、各支持体１は、ビレット材４を連続的に送り込めるように炉心管１１開口部が一致するように、水平方向に並列されている。
【００１４】
炉心管１１は、図示の如くビレット材４が送り込まれる側の開口端にフランジ部１１ａが設けられる場合もあるが、フランジ部１１ａ以外は一定の厚さを有する管状構造になっている。また、炉心管１１の外周面は、全体にわたって、断熱材１２によって覆われている。
【００１５】
炉心管１１には、断熱材１２を介して銅製のコイル導管１３が巻回されている。このコイル導管１３は、断面四角形の中空パイプ状になっており、その外周面は絶縁材によって被覆されている。更に、コイル導管１３の内部には、冷却水が通流されるようになっている。
【００１６】
炉心管１１は、ノンアスベスト等の耐熱材によって構成された外殻１４の中心部に、水平状態に架設されて、各端部がアルミナセメント１５によって、外殻１４に固定されている。
【００１７】
誘導加熱炉においては、コイル導管１３への通電による電磁誘導によって炉心管１１内部が加熱される。従って、誘導加熱炉入口側の炉心管１１開口部からプッシャー、ピンチローラー等によって炉心管１１内にビレット材４を連続的に送り込むことにより、例えば図３に示すような炉心管構造を有する誘導加熱炉においては、ビレット材４が、各支持体２１・２２・２３の炉心管１１内を順番に通過し、順次加熱され、最後の支持体２３における炉心管１１内では、１２００℃程度の高温に加熱される。
【００１８】
図３は、誘導加熱炉において、３本の支持体２１・２２・２３によって炉心管１１を構成した場合の模式図である。例えば、この炉心管内でビレット材４を１２００℃まで温めていく場合には、およそ第２支持体２２の中間部分において、その温度は１１００℃を超えることになる。誘導加熱炉の支持体は、目的に応じた材質を用いてはいるが、この１１００℃以上になる領域において、溶損や摩耗による腐食が観察されている。
【００１９】
そこで、本発明の熱間加工用支持体１は、図１、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、被加熱体を載置する第一支持部材２と、該第一支持部材２を保持する第二支持部材３から構成し、該第一支持部材２を被加熱体の搬送方向に対し、複数に分割するようにする。このようにすることで、腐食の予想される温度領域に交換対応性の高い前記第一支持部材２を配置しておくことができ、無駄なく容易に炉心管を修復することができる。
本発明の熱間加工用支持体は、誘導加熱炉の炉心管全長において使用できることはもちろんであるが、炉心管の一部にのみ使用してもよい。前述したように、支持体の損耗の生じやすいのは炉心管が高温になる出口側であり、この部分に本発明の支持体を適宜使用すればよいと考えられる。即ち、実際の誘導加熱炉それぞれに応じて、コストが最小限になるように従来の支持体と、本発明の支持体を組み合わせてもよいということである。
【００２０】
このとき、第一支持部材２としては、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又は炭化クロムのうち少なくとも１種からなることが好ましい。第一支持部材２は、加熱されたビレット材４による溶損や摩耗に強く耐反応性の高い、これらの材質材質により作製されており、しかも、炉心管１１内の要求特性の厳しい部分に対応できる、幾つかの材質により作製されているので、その要求特性に応じ、且つコスト面を考慮した上で、適宜、各材質の支持部材を配置することができる。
尚、これらの材質は、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア、炭化クロムの順でより耐反応性が高くなるので、その順に温度条件的に厳しい部分に当てはめていくと好適となる。
【００２１】
また、第一支持部材２の長さとしては、１０ｍｍから３００ｍｍであることが好ましく、更には、損耗の生じやすい温度領域においては、第一支持部材２の長さとして、２０ｍｍから１００ｍｍであることが好ましい。
【００２２】
誘導加熱炉においては、前述したように、支持体が１１００℃以上になる領域において損耗が発生し、特に最高温度付近、即ち、炉心管出口付近において損耗が激しくなる。その損耗は、加熱炉の設計及び処理する被加熱体４の径により変化するが、炉心管出口から約１００ｍｍから５００ｍｍ程度の部分で顕著となり、損耗の状態としては、支持部材の表層が被加熱体と接触している形状で削られるように摩耗していく。その損耗は、被加熱体の搬送方向に対して、２０ｍｍから１００ｍｍ程度の大きさで発生することが、これまでに使用された炉心管の観察により分かっている。
【００２３】
これらのことより、損耗が発生しにくい部分においては、第一支持部材２を３００ｍｍまで長くすることにより、該支持部材の生産コストを下げ、第一支持部材２の安定性を向上させることができる。これ以上長くすると、一つの支持部材中に破損の発生の可能性が高くなり、破損の生じた部分だけ交換できるという本発明の効果を失うことになる。
また、第一支持部材２が１０ｍｍより短いと、第二支持部材３上に該第一支持部材２を安定的に保持することは困難となり、また、被加熱体４による衝撃に対する抵抗も弱くなってしまう。
更に、損耗が発生しやすい部分においては、第一支持部材２を２０から１００ｍｍの長さの部材とすると、その発生する損耗に応じて、無駄なく部材を交換でき、また、載置される温度に応じた材質により作製された該支持部材を適宜用いることができることとなる。
【００２４】
本発明の熱間加工用支持体１における実施形態としては、特に制限はないが、例えば図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように、第一支持部材２として、被加熱体４に接する面がＶ字形をしているものが好ましい。本発明において想定している被加熱体４は円柱形状のものであるので、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、第一支持部材２がＵ字状若しくは平板状であると一点での接触となり接触面圧が上昇し損耗しやすくなるからである。これに対し、第一支持部材２がＶ字状であれば、図５に示すように、接触面５が２点となり接触面圧が低下することから損耗をより防ぐことができることとなる。
【００２５】
また、第一支持部材２を支える第二支持部材３としては、第一支持部材２の安定性の面から該第一支持部材２の下面と同一の形状をとり、できるだけ隙間なく接することができる形状をとることが好ましく、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように、Ｕ字状、半円状、若しくはＶ字状の形状であることが好ましい。これは、第二支持部材３の周囲を包んでいる加熱コイル１３が円形状をしているため、第二支持部材３も円形状に近い方が断熱層を多くとれるためである。
【００２６】
支持体を単に短く分割するだけでは、被加熱体が該支持体上を圧力かけながら移動していく際に、その衝撃や摩擦により分割体が移動したり、破損する可能性が大きく、その場合には、誘導コイルに偏った荷重がかかり、コイルの変形や破損につながる可能性がある。
本発明では、以上説明した実施形態のように、荷重、衝撃に対する対策として第二支持部材３を使用し、耐反応性を第一支持部材２にて付与するという構成を採用することにより、使用に耐えうる安定性を実現し、更に長寿命を実現することができた。
【００２７】
本発明において、第一支持部材２は、単層若しくは複層にて構成されていてもよい。複層で構成される場合には、前述したように、その表層面が窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又は炭化クロムのうち少なくとも１種からなることが好ましい。表層ではない、第二支持部材３に接する層においても、表層と同様の材質であってもよく、また、後述する第二支持部材３と同様の材質であってもよい。複層で構成された第一支持部材２の作製方法としては、あらかじめ分割しておいた各成形体をそれぞれ焼成し、次いで、該各成形体を適当に加工して組み合せるとよい。このように、第一支持部材２が複層に構成されている場合は、第一支持部材２の表層の厚みは、２ｍｍ以上であることが好ましい。該表層は、被加熱体と接触するため、耐反応性及び耐衝撃性を必要とするためである。
【００２８】
また、本発明の第二支持部材３としては、窒化珪素質、炭化珪素質、若しくは金属珪素含浸炭化珪素質の焼結体からなることが好ましい。
第二支持部材３は、支持部材を載置する支持体の構成部分であるため、少なくとも被加工材の加熱条件（温度、雰囲気等）における強度と高い熱伝導率を有する材質で構成することが必要であり、この他にも耐熱性、耐衝撃性、及び耐食性を備えた材質で構成することが好ましく、均一かつ速やかな加熱を担保するべく比熱が小さい材質により構成することが好ましい。
【００２９】
従って、本発明においては支持体の第二支持部材３を耐火セラミックの中でも特に上記特性に優れる炭化珪素質（以下、「ＳｉＣ質」と記す。）、窒化珪素質（以下、「Ｓｉ₃Ｎ₄質」と記す。）、若しくは金属珪素含浸炭化珪素質（以下、「Ｓｉ−ＳｉＣ質」と記す。）からなる焼結体により構成することとした。
なお、本発明の支持体は第二支持部材３上面に支持層を形成するため、第二支持部材３については耐摩耗性や被加工材との反応性を考慮する必要はない。
【００３０】
ＳｉＣ質焼結体としては、例えばＳｉＯ₂結合のＳｉＣ焼結体やＳｉ₃Ｎ₄結合のＳｉＣ焼結体等が、Ｓｉ₃Ｎ₄質焼結体としては、例えばＳｉ₃Ｎ₄原料粉末に、イットリア等の焼結助剤を添加混合して成形後、焼成して得られるＳｉ₃Ｎ₄焼結体等が挙げられる。
【００３１】
上記いずれの焼結体もＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄のみで構成されている必要はなく、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄を主成分とするもの、具体的にはＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄が７５重量％以上焼結体中に含まれているものであれば足りる。
なお、第二支持部材３としてより高い熱伝導性が要求される場合にはＳｉＣ質焼結体を、耐衝撃性が要求される場合にはＳｉ₃Ｎ₄質焼結体を選択することが好ましい。
【００３２】
Ｓｉ−ＳｉＣ質焼結体とは、金属Ｓｉ及びＳｉＣを構成成分として含む焼結体をいい、例えば本出願人が既に開示した、ＳｉＣ粉体、黒鉛粉、有機質バインダー及び、水分又は有機溶剤を含有してなる成形用原料を成形し、当該成形体を金属Ｓｉ雰囲気で、かつ減圧の不活性ガス雰囲気又は真空中において、１３５０〜２５００℃で焼成してなるＳｉ−ＳｉＣ質焼結体等が挙げられる（特開平５−２７０９１７号公報）。
Ｓｉ−ＳｉＣ質焼結体は熱伝導性、強度に優れるため、本発明の支持体を構成する第二支持部材３として特に好適に用いることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、熱間加工用支持体を、被加熱体と接触する第一支持部材と前記第一支持部材を保持する第二支持部材から構成することにより、被加熱体に接触する支持部材を分割することができる。そのことによって、熱間加工用支持体に損耗等の不良が発生した場合に、コストを最小限に抑えた上で不良部分を交換することができる。更に、炉心管内の各部分における要求特性に応じた熱間加工用支持体によって炉心管を構成することができる。この結果、本発明の熱間加工用支持体及び本発明の熱間加工用支持体を使用してなる誘導加熱炉は、長期安定性及び信頼性の向上が図られるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の熱間加工用支持体の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】 本発明の熱間加工用支持体の一実施形態（ａ）第二支持部材がＵ字状のもの、（ｂ）第二支持部材が半円状のもの、（ｃ）第二支持部材がＶ字状のもの、を示す断面図である。
【図３】 誘導加熱炉の炉心管構造を示す模式図である。
【図４】 誘導加熱炉の一実施形態を示す断面図である。
【図５】 本発明の熱間加工用支持体における第一支持部材の一実施形態を示す断面図である。
【図６】 従来の誘導加熱炉における第一支持部材の一実施形態（ａ）第一支持部材が円形状のもの、（ｂ）第一支持部材が平板状のもの、を示す断面図である。
【符号の説明】
１…熱間加工用支持体、２…第一支持部材、３…第二支持部材、４…被加熱体（ビレット材）、５…接触面、１０…加熱ブロック、１１…炉心管、１１ａ…フランジ部、１２…断熱材、１３…コイル導管、１４…外殻、１５…セメント、２１…第一支持体、２２…第二支持体、２３…第三支持体。

Claims (6)

1. 被加熱体を炉心管の外部から誘導コイルによって加熱する熱間加工用支持体であって、
   被加熱体を載置する第一支持部材と、当該第一支持部材を保持する第二支持部材からなり、
   当該第一支持部材が、被加熱体の搬送方向に対し、複数に分割され、且つ当該第一支持部材が、単層若しくは複層にて構成されていることを特徴とする熱間加工用支持体。
2. 前記第一支持部材の表層が、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア、又は炭化クロムのうち少なくとも１種からなる請求項１に記載の熱間加工用支持体。
3. 前記第一支持部材の長さが、１０〜３００ｍｍである請求項１又は２に記載の熱間加工用支持体。
4. 前記第一支持部材の表層の厚みが、２ｍｍ以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱間加工用支持体。
5. 前記第二支持部材が、窒化珪素質、炭化珪素質、若しくは金属珪素含浸炭化珪素質の焼結体からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱間加工用支持体。
6. 請求項１〜５に記載の熱間加工用支持体を使用してなることを特徴とする誘導加熱炉。

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