JP4709362B2

JP4709362B2 - 熱風吹き込み型流動層炉及びこれを用いた熱処理装置

Info

Publication number: JP4709362B2
Application number: JP2000294701A
Authority: JP
Inventors: 崇之酒井
Original assignee: 旭テック株式会社
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: JP2002107064A; CN1468362A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱風を直接容器内に吹き込んでワークピースを熱処理する熱風吹き込み型流動層炉、及びこれを用いた熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋳造材や展伸材用のアルミニウム（Ａｌ）合金として、Ａｌ−Ｓｉ系Ａｌ合金や、Ａｌ−Ｓｉ系Ａｌ合金を基本組成として、さらに他元素のＣｕ、Ｍｇなどを含有した多元Ａｌ−Ｓｉ系合金が用いられている。これは、鋳造材や展伸材において重要な特性である溶湯の流動性、鋳型充填性等が他の合金と比較して優れていること、鋳造割れがほとんど起こらないこと、他の元素と組み合わせることにより強度や伸びの大きい合金が得られること、熱膨張係数が小さく、耐摩耗性が良いこと等の理由によるものである。
【０００３】
Ａｌ−Ｓｉ系合金に少量のＭｇを添加した合金として、ＡＣ４Ａ、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨがあり、これらの合金はＭｇ₂Ｓｉの中間相の析出による熱処理効果で強度を高めているものである。特に、ＡＣ４Ｃや、Ｆｅを０．２０質量％以下に制限して靭性を高めたＡＣ４ＣＨは自動車などの車両ホイール用合金として用いられている。
また、展伸材用のＡｌ合金としても、Ｃｕを含んだ２０００系合金や、Ｍｇ、Ｓｉを含んだ６０００系合金などがＭｇ₂ＳｉやＡｌ₂Ｃｕ等中間相の析出硬化によりその強度を高めている。
【０００４】
上記のように、熱処理型Ａｌ合金の高強度化は、他元素の添加とそれによる中間相の時効析出によって得られるものであり、時効析出のための熱処理は溶体化処理、及び時効処理からなる。溶体化処理は、凝固時に晶出した非平衡相を高温で固溶化させ、その後水冷することによって常温で均一な固溶体を得る熱処理である。溶体化処理に引き続く時効処理は、比較的低温で保持し、固溶させた元素を中間析出相として析出させ硬化させるものであり、これらの熱処理によりＡｌ合金の機械的特性の向上が図られている。
【０００５】
従来、このようなＡｌ合金の溶体化処理及び時効処理としては、空気を熱媒体としたトンネル炉などの雰囲気炉が用いられているが、昇温速度が遅いほか、温度の振れが約±５℃と大きく、そのため、より高い温度での溶体化処理ができない等の問題があった。
また、従来の雰囲気炉を用いた熱処理方法においては、溶体化温度までの昇温速度が遅く昇温に時間がかかり、しかも溶体化温度において３時間を超えて保持することで溶体化処理を行っているため、溶体化処理全体の時間が約４時間以上かかるという問題がある。さらに、従来のトンネル炉などの雰囲気炉では、処理装置が大型となり装置初期コストが高価とならざるを得ず、また、運転操作が煩雑で人手が多くかかる上に昇温及び温度保持のための熱エネルギーが膨大であるため、運転コストも高くなるという問題があった。
【０００６】
そこで、最近になり、Ａｌ合金の溶体化処理及び時効処理として流動層炉を用いることが、特開２０００−１７４１３公報において提案されている。なお、特開２０００−１７４１３公報では、具体的な流動層形式を示していない。
従来から公知の流動層としては、例えば、図５(a)(b)(c)のような構造のものが用いられている。図５(a)(b)はいわゆる間接加熱方式の流動層であり、分散板５０の上部に砂などの粒状物５４を配置し、分散板５０の下部に空気室５２を設け、空気室５２から分散板５０の細孔５５を介して空気（冷風）Ａを上方に吹き込むことにより、分散板５０上の粒状物５４を流動させて流動層を形成しているものである。加熱方式として、図５(a)では、容器５８の外周に電熱線、ガスなどによる加熱手段５９を設け、容器５８を加熱することによって粒状物５４を加熱し流動層中に挿入するワークピースを加熱するものである。図５(b)においては、流動層中にラジアントチューブ６０を配設して、粒状物５４を加熱し流動層中に挿入するワークピースを加熱するものである。
【０００７】
上記の間接加熱方式の流動層によれば、加熱効率が悪く、流動層内において加熱手段近傍とそれ以外の部分での温度分布が生じる等の欠点がある。
一方、図５(c)は直接加熱方式であり、熱風Ｂを分散板５０の細孔５５を介して上方に吹き込むことにより、粒状物５４を流動させて流動層を形成すると同時に粒状物５４を加熱し流動層中に挿入するワークピースを加熱するものである。この熱風による直接加熱方式の流動層によれば、流動層内の温度分布が良好であるという利点を有する。また、従来の流動層の場合、細孔５５を通して粒状物５４が落下しないように、図６に示すごとく、細孔５５上方に傘５６を設けることが必要となる。また、上記方式の流動層では、分散板の下部に空気室が必要で、装置が大型化するという問題があった。また、砂など粒状物の重量を支持するために、分散板の強度を所定以上に大きく作製することが必要となり、設備が大掛かりになるとともにコスト高になるという問題もあった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来方式の流動層を改良し、設備コストが安価で、省スペースであり、熱エネルギーロスを防止することができる、Ａｌ合金等の金属の熱処理炉として好適に用いることが出来る特定構造の熱風吹き込み型流動層炉を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明によれば、容器内に粒状物が充填され、この粒状物が容器内に吹き込まれる熱風により流動化されて流動層が形成され、ワークピースが該流動層内で熱処理される流動層炉であって、該流動層内に片持ち型の分散パイプが配設され、該分散パイプに下向きに設けられた吹出口から、前記熱風が吹き出されると共に、該容器の底部に、水抜き機構を備えたことを特徴とする熱風吹き込み型流動層炉が提供される。
【００１１】
また、本発明によれば、上記した流動層炉を、溶体化処理炉及び時効処理炉として用いた熱処理装置であって、前記溶体化処理炉と前記時効処理炉の他に、耐熱集塵機、熱交換器を備え、前記溶体化処理炉から出る排ガスを前記耐熱集塵機により除塵した後、前記熱交換器によって前記排ガスの持つ廃熱を回収し、前記時効処理炉の熱源として再利用することを特徴とする熱処理装置が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明は、容器内に粒状物が充填され、この粒状物が容器内に吹き込まれる熱風により流動化されて流動層が形成され、ワークピースが流動層内で熱処理される流動層炉の改良に関するものであり、片持ち型の分散パイプを流動層内に配設し、この分散パイプに下向きに設けた吹出口から熱風を吹き出すようにした点に特徴を有するものである。
上記のように、分散パイプを流動層内に配設するとともに分散パイプとして片持ち型を用い、熱風の吹出口を下向きにしたことにより、従来の多孔板（分散板）を用いる場合に必要な流動層下部の空気室が不要となり、また砂など粒状物の重量を支持するために、多孔板の強度を所定以上に大きくし設備が大掛かりになるといった問題も解消する。また、分散パイプが片持ち型であるため、流動層炉内の温度の上昇、下降に伴う熱膨張、熱収縮による割れ、クラック等の発生を防止できる。
【００１３】
本発明においては、熱風を直接流動層内に吹き込む形式の流動層炉を用いる。
流動層は、容器内に充填された粉粒体などの粒状物が容器内に吹き込まれた熱風により加熱され、且つ流動されることにより均一に混合されて形成されることになり、流動層内部の温度が略均一になるとともに伝熱効率が良いという特徴を有している。
本発明は、このような特徴を有する流動層を用いた炉において、熱風を流動層内に分散供給するための分散パイプを片持ち型構造とし、且つこの分散パイプの吹出口を下向きに設けたものである。
【００１４】
次に、本発明の熱風吹き込み型流動層炉を図面に基づいて更に詳細に説明する。
図１は、本発明に用いる熱風吹き込み型流動層炉の一例を示す概略図、図２は図１の概略平面図である。図１〜２において、１０は熱風発生装置であり、図示しないブロワより送られる空気がバーナ１２からの火炎により、例えば、７００〜８００℃等の所定温度まで暖められる。この熱風は配管２２及び熱風温度監視装置２４を経て、内部に粒状物３０が充填・収容された容器３２から構成されている流動層炉１６内に吹き込まれる。流動層炉１６内には、熱風の分散パイプ１４が配設されている。ここで、分散パイプ１４は、片持ち型構造となっており、圧力調整用ヘッダー１８と、圧力調整用ヘッダー１８から分岐する複数の分岐パイプ２０から構成されている。また、分岐パイプ２０には、図３に示すように、多数の吹出口２６が形成されており、これらの吹出口２６はそれそれ下向きに開口している。
【００１５】
上記のように、本発明で用いる分散パイプ１４は、片持ち型構造とすることが重要である。流動層炉１６内は、例えば５４０〜５５０℃等の高温に維持されているため、耐熱鋼等で構成されている分散パイプ１４は熱膨張する。ここで、分散パイプ１４が、その両端を支持する両持ち構造で構成される場合には、分散パイプ１４自体の熱膨張によるパイプ亀裂、破壊を防止するため熱膨張の逃げ構造を設ける等の必要がある。そこで、本発明では、分散パイプ１４を片持ち型構造として、高温下で熱膨張が生じてもパイプの亀裂、損傷が生じない構造としている。
【００１６】
また、分散パイプ１４は、圧力調整用ヘッダー１８と圧力調整用ヘッダー１８から分岐する複数の分岐パイプ２０から構成されている。そして、これらの圧力調整用ヘッダー１８及び分岐パイプ２０はともに流動層１６内に配設されている。
このように、本発明では、分散パイプ１４を、圧力調整用ヘッダー１８と圧力調整用ヘッダー１８から分岐する複数の分岐パイプ２０とから構成し、圧力調整用ヘッダー１８と分岐パイプ２０をともに容器３２内に形成される流動層内に配設することにより、図５(a)(b)(c)及び図６に示す従来の流動層のように、流動層下方に空気室を必要とせず、設備が大型化しない。また、片持ち構造の分散パイプ１４は強度的に曲げ応力に弱いが、本発明では、分散パイプ１４の下方から粒状物３０の流動層により支えられており、折れたりすることがない。
【００１７】
本発明の熱風吹き込み型流動層炉によれば、熱風はまず圧力調整用ヘッダー１８に導入されて一時滞留し、次いで、熱風は複数の各分岐パイプ２０から略均一の圧力で流動層１６内部に吹き込まれ、粒状物３０を流動化させるとともに粒状物３０を加熱する。このようにして、流動層炉１６内は、例えば、Ａｌ合金の溶体化処理の場合には５４０〜５５０℃に加熱され、しかも炉内温度の振れ幅は約６℃（±３℃）、１点での振れ幅は約３℃という炉内温度の均一性が達成され、かくして流動層炉１６内に存在するワークピース３４は迅速に加熱される。なお、３６は粒状物排出用バルブであり、適宜粒状物３０を外部に排出する。
【００１８】
また、本発明の熱風吹き込み型流動層炉においては、流動層を収容する容器３２の底部に、水抜き機構３８を備えることが重要である。粒状物３０を流動する熱風には水蒸気が含まれており、これが結露して容器３２の底部に滞留することが起こるが、この水を水抜き機構３８により外部に取出す。容器底部に水が滞留すると水蒸気爆発が発生することがあり、これを防止するためである。
【００１９】
次に、本発明の熱風吹き込み型流動層炉を用いた熱処理装置について、図４に基づいて説明する。
図４は、本発明の熱処理装置の一例を示す概略説明図で、流動層炉を、溶体化処理炉４０及び時効処理炉４１として用いた熱処理装置である。本熱処理装置は、流動層炉からなる溶体化処理炉４０、同じく流動層炉からなる時効処理炉４１、前記溶体化処理炉４０と前記時効処理炉４１を結ぶ配管系内に耐熱集塵機４２及び耐熱性の誘引・押込ファン４３を備えている。
【００２０】
バーナファン４４からの空気は、ＬＰＧなどの燃料ガスと熱風炉４５で混合燃焼し、約７５０℃の熱風を発生する。熱風は流動層炉からなる溶体化処理炉４０に導入され、粒状物を流動、加熱してＡｌ合金のワークピースを溶体化処理した後、炉圧調整ダンパ４６を介して約５２０℃で溶体化処理炉４０から排出され、パイロスクリーン（商標名）などの耐熱集塵機４２に高温のまま通して集塵される。集塵された排ガスは、次いで、耐熱性の誘引・押込ファン４３を介して時効処理炉４１に導入され、時効処理炉４１の熱源及び流動化ガスとして再利用されることになる。時効処理炉４１からの排ガスは、炉圧調整ダンパ４７を介して耐熱集塵機４８に導入され集塵後、誘引ファン４９を介して大気に放出される。
【００２１】
なお、耐熱集塵機４２及び誘引・押込ファン４３を経由した排ガスは、その一部を配管３７を介して熱風炉４５に回収することもできる。また、３９は希釈用ブロアであり、耐熱集塵機４２及び誘引・押込ファン４３を介して時効処理炉４１に導入される排ガスの温度調節を行うが、図示はしないが、熱交換器を耐熱集塵機４２の上流側に設置して、この排ガスに対して熱交換を行い、排ガスの温度調節を行うことも、温度調節の容易さ、集塵機の能力、長期の運転安定性を考慮すると望ましいものである。
【００２２】
本発明の熱処理装置によれば、溶体化処理炉４０で用いた熱風の熱エネルギーを下流側の時効処理炉４１において再利用することができ、熱エネルギーの有効利用を図ることができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づき、更に具体的に説明する。
（実施例）
図１〜２に示す熱風吹き込み型流動層炉を用いてＡｌ合金の溶体化処理を実施し、雰囲気炉を用いて時効処理を行った。
溶体化処理に用いた流動層炉は、一辺が１５００ｍｍ×１５００ｍｍの角タンク状で直胴部高さが７５０ｍｍ、下方部が台形状の流動層容器から構成されている。また、時効処理には、従来のトンネル炉（雰囲気炉）を用いた。粒状物としては、平均粒径が５０〜５００μｍの砂を用いた。
流動層中に配設する熱風の分散パイプとしては、図１１に示すように、片持ち型のもので、圧力調整用ヘッダーは、φ１７０ｍｍ×１４００ｍｍ、複数の分岐パイプは、φ５０ｍｍ×１２００ｍｍ×１２本のものを用いた。
【００２４】
熱処理の対象物としては、鋳造された車両用アルミホイール（１４ｋｇ）を用い、テストピースの採取位置は、アウターリム・フランジ、及びスポークの２ヶ所とした。上記アルミホイールの組成は、Ｓｉを７．０質量％、Ｍｇを０．３４質量％、Ｓｒを５０ｐｐｍ含有し、残部がＡｌであった。
熱処理条件としては、溶体化処理温度を５５０℃、時効処理温度を１９０℃とし、溶体化処理温度までの昇温時間、溶体化処理温度での保持時間、及び時効処理の昇温時間、保持時間を図７に示すスケジュールで実施した。
【００２５】
上記のようにして熱処理された車両用アルミホイールからテストピースを採取し（ｎ＝４）、それぞれ引張試験（引張強さ、０．２％耐力、伸び）を行った。得られた結果を図８に示す。
【００２６】
（比較例）
溶体化処理炉及び時効処理炉として従来のトンネル炉（雰囲気炉）を用い、溶体化処理温度を５４０℃、時効処理温度を１５５℃として、図９に示すスケジュールで、鋳造された車両用アルミホイールに熱処理を施した。その他の条件は実施例と同一である。
以上の条件で熱処理された車両用アルミホイールからテストピースを採取し（ｎ＝４）、それぞれ引張試験（引張強さ、０．２％耐力、伸び）を行った。得られた結果を図１０に示す。
【００２７】
（考察）
実施例及び比較例における引張試験の結果から明らかなように、実施例により得られた車両用アルミホイールは、アウターリム・フランジについて、その引張強さが３２６．２ＭＰａ以上、０．２％耐力が２６１．３ＭＰａ以上、伸びが１２．９％以上となることが判明した。
一方、比較例で示した従来のトンネル炉で得られるアルミホイールは、引張強さ、耐力及び伸びというの機械的特性において、実施例に比べて劣っていることがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱風吹き込み型流動層炉及び熱処理装置によれば、従来方式の流動層を改良し、設備コストが安価で、省スペースであり、熱エネルギーロスを防止することができ、Ａｌ合金等の金属の熱処理炉として好適に用いることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる熱風吹き込み型流動層炉の一実施例を示す概略図である。
【図２】図１の流動層炉の概略平面図である。
【図３】分岐パイプの斜視図である。
【図４】本発明の流動層炉を用いた熱処理装置の一実施例を示す説明図である。
【図５】従来の流動層を示す断面説明図で、(a)は間接加熱方式で容器加熱の流動層、(b)は間接加熱でラジアントチューブ方式の流動層、(c)は多孔板を用いた熱風吹き込み方式の流動層をそれぞれ示す。
【図６】多孔板の上部に傘を設けた流動層を示す断面説明図である。
【図７】実施例における熱処理スケジュールを示すグラフである。
【図８】実施例における引張試験結果を示すグラフである。
【図９】比較例における熱処理スケジュールを示すグラフである。
【図１０】比較例における引張試験結果を示すグラフである。
【図１１】実施例で用いた分散パイプを示す平面図である。
【符号の説明】
１０…熱風発生装置、１２…バーナ、１４…分散パイプ、１６…流動層炉、１８…圧力調整用ヘッダー、２０…分岐パイプ、２２…配管、２４…熱風温度監視装置、２６…吹出口、３０…粒状物、３２…容器、３４…ワークピース、３６…粒状物排出用バルブ、３７…配管、３８…水抜き機構、３９…希釈用ブロア、４０…溶体化処理炉、４１…時効処理炉、４２…耐熱集塵機、４３…耐熱性の誘引・押込ファン、４４…バーナファン、４５…熱風炉、４６…炉圧調整ダンパ、４７…炉圧調整ダンパ、４８…耐熱集塵機、４９…誘引ファン、５０…分散板、５２…空気室、５４…粒状物、５５…細孔、５６…傘、５８…容器、５９…加熱手段、６０…ラジアントチューブ。

Claims

容器内に粒状物が充填され、この粒状物が容器内に吹き込まれる熱風により流動化されて流動層が形成され、ワークピースが該流動層内で熱処理される流動層炉であって、
該流動層内に片持ち型の分散パイプが配設され、該分散パイプに下向きに設けられた吹出口から、前記熱風が吹き出されると共に、
該容器の底部に、水抜き機構を備えたことを特徴とする熱風吹き込み型流動層炉。
請求項１に記載の流動層炉を、溶体化処理炉及び時効処理炉として用いた熱処理装置であって、
前記溶体化処理炉と前記時効処理炉の他に、耐熱集塵機、熱交換器を備え、
前記溶体化処理炉から出る排ガスを前記耐熱集塵機により除塵した後、前記熱交換器によって前記排ガスの持つ廃熱を回収し、前記時効処理炉の熱源として再利用することを特徴とする熱処理装置。