JP4982762B2

JP4982762B2 - 熱処理炉

Info

Publication number: JP4982762B2
Application number: JP2005286132A
Authority: JP
Inventors: 広良鈴木; 文隆虻川; 健一北本; 亘竹内; 淳高橋; 一良藤田
Original assignee: Dowa Thermotech Co Ltd
Current assignee: Dowa Thermotech Co Ltd
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP2007093160A

Description

本発明は、鋼材の浸炭処理や窒化処理などに用いられる熱処理炉に関する。

従来、鋼材の熱処理に使用される熱処理炉の炉体は、耐火性を有するレンガ層を備え、レンガ層の外側に断熱材が設けられた構成となっている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−７９７６１号公報

しかしながら、従来の熱処理炉にあっては、炉体にレンガを用いているため炉壁が厚くなり、炉内の容積を広くできない問題があった。また、シーズニング時にはレンガに吸着されていた酸素が高温により炉内に放出されるため、炉内雰囲気を安定させるまでに時間がかかり、シーズニング時間を短縮することが難しい問題があった。

また、セラミックレールを支える耐火レンガは炉殻で支えられており、この炉殻からは多くの熱が放散される。この炉殻は従来より断熱効果が優れた断熱構造とされているので、断熱性の劣る耐火レンガ部分との熱放散の差が顕著となり、炉内の熱の分布（バランス）が非常に悪くなることがわかった。

本発明の目的は上記の欠点を除くようにしたものである。

前記課題を解決するため、本発明の熱処理炉は、被処理体を加熱して処理する炉体を有する熱処理炉であって、前記炉体の天井部、床部及び側壁が、夫々金属製の炉殻層と、この炉殻層の内側に設けた断熱層と、この断熱層の内側に設けたセラミックファイバー層とによって構成され、前記断熱層がセラミックブロックであって、前記炉体内に、炉体内の雰囲気を攪拌するファンと、被処理体を載せる複数本のセラミックレールと、ガスバーナを用いた加熱器が設けられており、前記セラミックレールは長手方向に複数分割されており、その夫々が耐火レンガを介して前記床部によって支持されており、前記加熱器は前記セラミックレールの下側に延びているラジアントチューブを有し、このラジアントチューブの一端部にガスバーナが設けられ、他端部に蓄熱体が備えられており、ガスバーナから、ラジアントチューブ内に燃焼ガスを供給することにより、炉体内が加熱され、さらに、前記熱処理炉に、前記ラジアントチューブ内部に冷風を供給する手段が備えられており、前記床部を構成する断熱層とセラミックファイバー層の厚さが、前記天井部及び側壁を構成する断熱層とセラミックファイバー層の厚さより１０％〜５０％大きいことを特徴とする。

また、前記炉殻層は、金属製であることを特徴とする。

本発明によれば、炉体を金属製の炉殻層と、断熱層と、セラミックファイバー層とによって構成したことにより、レンガを用いた場合と比較して、炉体の厚さを薄くすることができ、従って、炉体の容積を広くすることができる。炉体を大型化することなく、ガスバーナを用いた加熱器を備えることができる。さらに、シーズニングの際、炉体にレンガを用いた場合よりも雰囲気を安定させ易くなり、シーズニングに要する時間を短縮することができる。また、レールをセラミック製としたのでレールのたるみを少なくすることができる。また、ガスバーナを用いたことにより、電気ヒータより昇温や降温の効率を向上させることができる。

また、炉体内に搬入可能な被処理体の容積を増加でき、処理能力を向上させることができる。また、ガスバーナを用いた加熱器を使用することにより電気ヒータを用いた場合に比較して加熱効率を向上し、加熱に要するコストを削減できる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。

図１に示すように、鋼材である被処理体Ｗの浸炭処理を行う浸炭処理装置１は、本発明の熱処理炉２と、油槽室３とを備えている。

熱処理炉２の炉体５の前側壁５ａには、被処理体Ｗを搬入させるための搬入口１０と、搬入口１０を開閉するシャッター１１が設けられている。搬入口１０の前方には、被処理体Ｗを載置するテーブル１２が設けられている。炉体５の後側壁５ｂには、被処理体Ｗを搬出させるための搬出口１５と、搬出口１５を開閉するシャッター１６が設けられている。炉体５と油槽室３は、搬出口１５を介して連通するようになっている。炉体５内には、被処理体Ｗを載せるための３列のＳｉＣなどのセラミックレール２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃと、炉体５内の雰囲気を攪拌するファン２１と、炉体５内の雰囲気を加熱する加熱器２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄとが設けられている。また、図示はしないが、炉体５内に浸炭ガスや窒素ガスなどを供給する供給炉と、炉体５内から排気を行う排気路が設けられている。

図２及び図３に示すように、炉体５は、例えば鋼板などの金属製の炉殻層３１と、炉殻層３１の内側に積層された断熱層３２と、断熱層３２の内側に積層された耐火性を有するセラミックファイバー層３３とによって構成された３層構造になっている。断熱層３２としては、シリカ系の材質、例えばマイクロサーム（日本マイクロサーム株式会社製）などを用いると良い。セラミックファイバー層３３としては、例えばＡｌ₂Ｏ₃又はＳｉ₂Ｏ₃などのセラミック材をフェルト状にしたものを用いると良い。このように、断熱層３２の内側に耐火層としてセラミックファイバー層３３を備えた構造にすると、断熱層３２の内側に耐火層としてレンガを備えた構造と比較して、炉体５の厚さを薄くすることができる。従って、炉体５内の容積を広くすることができる。また、断熱層３２の内側にセラミックファイバー層３３を設けることにより、断熱層３２が劣化することを防止できる。さらに、シーズニングの際、炉体５にレンガを用いた場合よりも炉体５内の雰囲気を安定させ易くなり、シーズニングに要する時間を短縮することができる。また、炉体５にレンガを用いた場合、レンガに微量の鉄分が含有されていることにより、浸炭処理等に炉体５内に供給されたＣＯが作用して、レンガ中にカーボンが蓄積されたり、スーティング現象が生じたりする問題があるが、セラミックファイバーには鉄分が殆ど含まれていないので、カーボンの蓄積やスーティングを抑制させることができる。

シャッター１１も、炉体５と同様に、炉殻層３１と、炉殻層３１の内側に積層された断熱層３２と、断熱層３２の内側に積層されたセラミックファイバー層３３とによって構成された３層構造になっている。シャッター１１において搬入口１０に面する側の周縁部、即ち、セラミックファイバー層３３の周縁部には、例えば鋼板などの金属製のシール４１が設けられている。一方、前側壁５ａにおいて、搬入口１０の外側の周縁部、即ち炉殻層３１の外面には、例えば鋼板などの金属製のシール４２が設けられている。また、シール４２に沿って、グラファイトパッキン４３が設けられている。これらシール４１，４２がグラファイトパッキン４３を挟んで互いに密着することにより、搬入口１０が確実に閉塞されるようになっている。また、シール４１によってシャッター１１のセラミックファイバー層３３の周縁部が保護され、セラミックファイバー層３３が損傷することを防止している。

シャッター１６も、炉体５と同様に、炉殻層３１と、炉殻層３１の内側に積層された断熱層３２と、断熱層３２の内側に積層されたセラミックファイバー層３３とによって構成された３層構造になっている。シャッター１６において搬出口１５に面する側の周縁部、即ち、セラミックファイバー層３３の周縁部には、例えば鋼板などの金属製のシール４５が設けられている。一方、後側壁５ｂにおいて、搬出口１５の外側の周縁部、即ち炉殻層３１の外面には、例えば鋼板などの金属製のシール４６が設けられている。これらシール４５，４６が互いに密着することにより、搬出口１５が確実に閉塞されるようになっている。また、シール４５によってシャッター１６のセラミックファイバー層３３の周縁部が保護され、セラミックファイバー層３３が損傷することを防止している。

図２に示すように、各セラミックレール２０Ａ〜２０Ｃは、それぞれ長手方向に分割された複数のセラミック体２３よりなり炉体５内の下部において前後方向に連設されており、また、図３に示すように左右方向に並べて設けられている。

なお、４７は左右両側に位置するセラミックレール２０Ａ，２０Ｃの外側部に夫々長手方向に突設して設けた、被処理体Ｗの横振れ防止用ガイドであり、被処理体Ｗはセラミックレール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの上面で支持される。

また、各セラミックレール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、そのそれぞれを構成するセラミック体２３の長手方向の両端部及び、その中間部において床部に突設した耐火レンガ４８によって支持され、各セラミックレール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの底面に長手方向に設けた凸部４９を、各耐火レンガ４８の上面に長手方向に設けた凹部５０に嵌合せしめることにより固定される。

図１〜図３に示すように、加熱器２２Ａ，２２Ｂは、セラミックレール２０Ａの一方の側に、前後に並べて設けられている。加熱器２２Ｃ，２２Ｄは、セラミックレール２０Ｃの他方の側に、前後に並べて設けられている。各加熱器２２Ａ〜２２Ｄは、略Ｕ字形状のラジアントチューブ５７と、ラジアントチューブ５７の一端部に設けられたガスバーナ５８とによって構成されている。即ちガスバーナ５８から燃焼ガスを噴射させ、ラジアントチューブ５７内に燃焼ガスが供給されることにより、炉体５内が加熱されるようになっている。さらに、ラジアントチューブ５７の他端部には蓄熱体が備えられており、ラジアントチューブ５７の一端側から燃焼ガスを噴射させる際、他端側では蓄熱が行われる。この燃焼ガスの噴射と蓄熱を、ラジアントチューブ５７の一端側と他端側とで交互に切り換えて行い、蓄熱を利用して熱効率を向上させることができるようになっている。また、ラジアントチューブ５７内に冷風を供給することにより、ラジアントチューブ５７を迅速に冷却させ、炉体５内を降温させることができる。これにより、電気ヒータよりも降温を迅速に行うことができる。

図１に示すように、油槽室３には、被処理体Ｗを載置させる載置台６１と、油槽６２とが備えられている。また、被処理体Ｗを油槽室３内から搬出するための搬出口６３が形成されており、搬出口６３を開閉するシャッター６４が設けられている。搬出口６３の後方には、被処理体Ｗを載置するテーブル６５が設けられている。

次に、以上のように構成された浸炭処理装置１を用いた被処理体Ｗの処理について説明する。先ず、浸炭処理装置１の操業開始時には、熱処理炉２において、加熱器２２Ａ〜２２Ｄの加熱により、炉体５内の昇温とシーズニングを行う。炉体５は断熱層３２によって高い断熱性を有するので、昇温を効率的に行うことができる。また、セラミックファイバー層３３から炉体５内に放出される酸素や水蒸気の量が少ないので、炉体５内の雰囲気を迅速に安定させることができる。従って、昇温とシーズニングに要する時間を短縮することができる。さらに、ガスバーナ５８を用いた加熱器２２Ａ〜２２Ｄを使用することにより、電気ヒータを用いて加熱する場合と比較して効率的に加熱することができるので、昇温とシーズニングに要する時間を大幅に短縮することができ、また、加熱に要するコストを削減できる。炉体５内の温度は約８５０℃程度にする。

炉体５内の昇温とシーズニングを行ったら、被処理体Ｗを熱処理炉２に搬入させる。先ず、被処理体Ｗをテーブル１２に載置して、搬入口１０を開口させ、被処理体Ｗを図示しないプッシャーによって前方から後方に押して、搬入口１０を通過させて炉体５内のセラミックレール２０Ａ〜２０Ｃ上に被処理体Ｗを移動させる。そして、プッシャーを炉体５から退出させ、シャッター１１によって搬入口１０を閉じる。

被処理体Ｗを熱処理炉２に搬入させたら、炉体５内を約９５０℃程度に昇温させる。そして、被処理体Ｗが十分に予備加熱されたら、炉体５内に浸炭ガスを供給して、浸炭処理を行う。続いて拡散処理を行った後、炉体５内を降温させながら降温処理を行う。そして、炉体５内を約８５０℃程度にして、均熱処理を行う。このように浸炭、拡散、降温、均熱などの熱処理を行う間も、炉体５全体が断熱層３２とセラミックファイバー層３３とを備えた構造になっているため、炉体５内の雰囲気の温度分布を良好に維持することができる。従って、処理むらを防止できる。また、ガスバーナ５８を用いた加熱器２２Ａ〜２２Ｄにより、電気ヒータを用いて加熱する場合よりも温度を良好に調節することができる。従って、熱処理炉２における熱処理の時間を短縮することができる。

熱処理炉２において均熱処理が終了したら、搬入口１０、搬出口１５を開いて、搬入口１０から炉体５内に図示しないプッシャーを進入させ、被処理体Ｗをプッシャーによって前方から後方に押して、搬出口１５を通過させて炉体５内から油槽室３に被処理体Ｗを移動させる。そして、被処理体Ｗを載せた載置台６１を下降させ、被処理体Ｗを油槽６２に浸漬させて、油焼入れを行う。その後、被処理体Ｗを油槽６２から引き上げ、搬出口６３を開いて被処理体Ｗを油槽室３から搬出してテーブル６５に移動させる。こうして、浸炭処理装置１における一連の処理が終了する。

浸炭処理装置１の操業終了時には、熱処理炉２において、加熱器２２Ａ〜２２Ｄの加熱を停止させ、炉体５内の温度を降温させる。炉体５は、レンガより蓄熱量が少ないセラミックファイバー層３３を用いた構造になっており、また、ガスバーナ５８を用いた加熱器２２Ａ〜２２Ｄによって迅速に冷却することができるので、炉体５内を迅速に降温させることができる。

かかる浸炭処理装置１によれば、炉体５にレンガを用いず、炉体５を金属製の炉殻層３１と、炉殻層３１の内側に設けた断熱層３２と、断熱層３２の内側に設けたセラミックファイバー層３３とによって構成したことにより、レンガを用いた場合と比較して、炉体５の前側壁５ａ、後側壁５ｂ、左側壁５ｃ、右側壁５ｄ、天井部５ｅ及び床部５ｆの厚さを薄くすることができる。従って、炉体５内の容積を広くすることができる。そのため、炉体５を大型化することなく、ガスバーナ５８を用いた加熱器２２Ａ〜２２Ｄを配設することができる。また、炉体５内に搬入可能な被処理体Ｗの容積を増加させることができ、処理能力を向上させることができる。

また、セラミックレール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの両端部以外の中間部において耐火レンガ４８により支持することにより、セラミックレール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの中間における割れを無くすことができる。また、レール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃをセラミックとしたのでその劣化も防止できる。

さらに、ガスバーナ５８を用いた加熱器２２Ａ〜２２Ｄを使用することにより、電気ヒータを用いて加熱する場合と比較して、昇温や降温を迅速に行うことができる。従って、熱処理炉２における熱処理の時間を大幅に短縮することができる。また、電気ヒータを用いて加熱する場合と比較して、効率的に加熱することができ、加熱に要するコストを削減できる。

本発明の熱処理炉においては、例えば断熱層３２の断熱材としては、例えばシリカ系の材質のセラミックブロック（例えばマイクロサーム（日本マイクロサーム株式会社製）が好ましく、厚さを７５〜１５０ｍｍ、好ましくは８０〜１２０ｍｍ、熱伝導率を０．０１〜０．０３ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃、好ましくは０．０２ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃程度とする。

また、セラミックファイバー層３３としては、厚さを５０〜１００ｍｍ、好ましくは１００ｍｍ、熱伝導率を０．０４〜０．０８ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃、好ましくは０．０６ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃である。前記セラミックブロックの厚さが１００ｍｍ、前記セラミックファイバーの厚さが１００ｍｍのものを組み合わせたとき、蓄熱量は２６．４ＭＪ／ｍ²、放散熱量は理論上３８４Ｗ／ｍ²であった。前記セラミックブロック（断熱材）の厚さ、及び前記セラミックファイバーの厚さは、断熱性を上げるためには厚い程良いというものではない。断熱材を厚くすると炉殻の表面積が大きくなり、放散熱の絶対量が増加し、かえってエネルギー効率が悪くなることがわかり、本発明によると、前述の厚さの範囲が好ましいことがわかった。

本発明の炉内の断面積（炉内空間部）は０．１６〜２．２５ｍ²であることが好ましい。さらに好ましくは０．６４〜１．４４ｍ²である。この断面積に前記仕様の断熱材とセラミックファイバー層を適用するのが好ましく、前記エネルギー効率も最適となる。また本発明の炉内の長さは１．５〜１５ｍが好ましく、さらに好ましくは２〜１０ｍである。

前記熱伝導率及び蓄熱量を有する断熱材と、前記の熱伝導率及び蓄熱量を有するセラミックファイバー層（耐火材）とを組合せることにより、優れた断熱性と耐久性を有する炉を得ることができる。

前記の特性を有する断熱材はシリカ系のセラミックブロックなどが挙げられるが、耐熱温度は概ね１０００℃であり、例えば浸炭処理温度での耐熱性も本断熱材の単独使用でも問題ないように考えられる。しかしながら、断熱材の長期使用時の耐久性を考慮すると、表面により耐熱温度の高いセラミックファイバー層の耐火材を覆うことが必要であることがわかり、上記組合せを見出した。

また、前記の厚さの断熱材とセラミックファイバー層の組合せが好ましい。炉の断熱性を向上させるために断熱材及びセラミックファイバー層を前記の範囲よりも厚くすると、炉内温度の降温制御が難しくなり、また、炉体の表面の面積が大きくなり放散熱量が増加する。

エネルギー効率と炉の大きさ（設置スペース効率）を考慮すると、断熱材およびセラミックファイバーを本発明の範囲の厚さよりも厚くすることは不利であることがわかった。また、逆に断熱材及びセラミックファイバー層を前記範囲よりも薄くすると、断熱効果が十分に得られない。

また、セラミックレール２０Ａ〜２０Ｃの好ましい材質はＳｉＣとし、このセラミックレールを支持する耐火レンガは熱伝導率が例えば０．１ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃程度である。

このような熱処理炉の一例では入熱が約１００，０００ｋｃａｌ／ｈに対して処理品加熱は約４６．８％、炉表面からの放散熱は約３５．７％、その他の部分からの放散熱は約１７．５％、炉表面壁温度は８３℃／ｍ²、放散熱量は７０８ｋｃａｌ／ｈ・ｍ²となった。これに対し、例えば従来の断熱構造の炉殻側から耐火レンガ１１５ｍｍ、シリカ系断熱材６５ｍｍ、セラミックファイバー５０ｍｍの組み合わせでは、処理品加熱は３２．５％、炉表面からの放散熱は５９．１％、その他の部分からの放散熱は約１０％となった。即ち本発明に比べ、処理品に用いられるエネルギーが小さく、本発明のエネルギー効率の高さがわかる。

本発明の炉の構成では、下部の耐火レンガからの放熱が大きく均熱がとりにくい。よって、本発明の熱処理炉では、断熱層とセラミックファイバー層を、側壁と天井に比べ床部を１０％〜５０％厚くすることが好ましい。また、ファンによる強制撹拌を行ない、ヒーターをセラミックレールより下にも配置する。更に、ＳｉＣのレールの長さを４００〜８００ｍｍ以下のものとし、耐火レンガの使用を減らす。また、耐火レンガの高さ２００〜３００ｍｍ×幅６０〜１２０ｍｍ×長さ９０〜２１０ｍｍのサイズのものを使用し、特に高さを上記範囲にすることにより、断熱材等とセラミックレールとの隙間を十分に取り、炉内雰囲気をファンで十分に撹拌できるようにしておくのが好ましい。上記構造とすることにより、炉体５内の雰囲気の温度分布を良好に維持することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態の一例を示したが、本発明はここで説明した形態に限定されない。例えば、本実施の形態では、熱処理炉２は浸炭処理を行うものとして説明したが、本発明は、窒化処理を行う熱処理炉に適用することもできる。

本発明は、鋼材の浸炭処理、窒化処理などを行う熱処理炉に利用できる。

浸炭処理装置の概略断面図である。本発明の熱処理炉の縦断正面図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１浸炭処理装置
２熱処理炉
３油槽室
５炉体
５ａ前側壁
５ｂ後側壁
５ｃ左側壁
５ｄ右側壁
５ｅ天井部
５ｆ床部
１０搬入口
１１シャッター
１２テーブル
１５搬出口
１６シャッター
２０Ａセラミックレール
２０Ｂセラミックレール
２０Ｃセラミックレール
２１ファン
２２Ａ加熱器
２２Ｂ加熱器
２２Ｃ加熱器
２２Ｄ加熱器
２３セラミック体
３１炉殻層
３２断熱層
３３セラミックファイバー層
４１シール
４２シール
４３グラファイトパッキン
４５シール
４６シール
４７ガイド
４８レンガ
４９凸部
５０凹部
５７ラジアントチューブ
５８ガスバーナ
６１載置台
６２油槽
６３搬出口
６４シャッター
６５テーブル
Ｗ被処理体

Claims

被処理体を加熱して処理する炉体を有する熱処理炉であって、
前記炉体の天井部、床部及び側壁が、夫々金属製の炉殻層と、この炉殻層の内側に設けた断熱層と、この断熱層の内側に設けたセラミックファイバー層とによって構成され、
前記断熱層がセラミックブロックであって、
前記炉体内に、炉体内の雰囲気を攪拌するファンと、被処理体を載せる複数本のセラミックレールと、ガスバーナを用いた加熱器が設けられており、
前記セラミックレールは長手方向に複数分割されており、その夫々が耐火レンガを介して前記床部によって支持されており、
前記加熱器は前記セラミックレールの下側に延びているラジアントチューブを有し、このラジアントチューブの一端部にガスバーナが設けられ、他端部に蓄熱体が備えられており、ガスバーナから、ラジアントチューブ内に燃焼ガスを供給することにより、炉体内が加熱され、さらに、前記熱処理炉に、前記ラジアントチューブ内部に冷風を供給する手段が備えられており、
前記床部を構成する断熱層とセラミックファイバー層の厚さが、前記天井部及び側壁を構成する断熱層とセラミックファイバー層の厚さより１０％〜５０％大きいことを特徴とする熱処理炉。