JP4982763B2

JP4982763B2 - 連続熱処理炉

Info

Publication number: JP4982763B2
Application number: JP2005286133A
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: JP2007093161A

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連続熱処理炉に関する。

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、このような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、優れた断熱性を持つ材料を用いれば熱効率の良い炉を製造できるが断熱性の良い材料を使用したものの、必ずしも熱効率の良い炉にならなかった。

本発明の目的は前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、本発明の連続熱処理炉は、被処理体を加熱して処理する連続熱処理炉であって、複数の熱処理室を有し、各熱処理室の炉体の天井部、床部及び側壁が、金属製の炉殻層と、前記炉殻層の内側に設けたセラミックブロックからなる断熱層と、前記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、前記炉体内に、被処理体を載せる複数本のローラを設けたことを特徴とする。

また、前記各熱処理室を区画するシャッターを有し、前記シャッターが、セラミックブロックからなる断熱層と、この断熱層の両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ていることを特徴とする。

また、前記連続熱処理炉は、ガスバーナを用いた加熱器を備えたことを特徴とする。

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、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、適切な熱伝導率及び厚さの断熱層およびセラミックファイバー層とすることで、断熱性に優れ蓄熱の少ない部材の特性を生かし、従来と比較して熱効率の優れた炉とすることができる。また、断熱層とセラミックファイバー層を薄くできたため、従来より６０〜２１０ｍｍほど長さを短くすることができ、これによりローラーハース上にワーク（トレイ）が載った場合でも、ローラーハースを支えるスパンが従来より短いため、耐荷重も向上する。

また、耐荷重の向上が不要な場合、スパンが従来より短くなったため、同じ耐荷重の設計をする場合、ローラーハースの直径を小さくすることができる。さらにはローラーハースの間隔も広げることができ、ローラーハースのコストを削減することができる。

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の熱処理を行う連続熱処理炉１は、複数に区画された熱処理室２と、油槽室３とを備えている。

上流側の熱処理室２を構成する炉体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を開閉する中間シャッター１６が設けられている。下流側の熱処理室２の炉体５と油槽室３は、搬出口１５及びシャッター１１を介して連通するようになっている。各熱処理室２は例えば加熱ゾーン６Ａ、降温ゾーン６Ｂ、均熱ゾーン６Ｃとして用いられ、各ゾーン６Ａ、６Ｂ、６Ｃ内には、夫々被処理体Ｗを載せるローラハース２０と、炉体５の各ゾーン内の雰囲気を攪拌するファン２１と、雰囲気を加熱する加熱器２２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装置と、炉体５内から排気を行う排気装置が設けられている。

図２及び図３に示すように、各熱処理室２の炉体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、炉体５の前側壁５ａ、後側壁５ｂ、左側壁５ｃ、右側壁５ｄ、天井部ｅ及び床部５ｆを総て断熱層３２とセラミックファイバー層３３とを備えた構造とすることにより、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において均等に蓄熱され、また、炉外に放散される熱も均等になるので、炉体５内の温度分布の均一性を良好にすることができる。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のが好ましい。シャッター１１において搬入口１０及び搬出口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４１が設けられている。一方、前側壁５ａ及び後側壁５ｂにおいて、搬入口１０及び搬出口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。

中間シャッター１６は、断熱層３２と、この断熱層３２を挟んで両側に積層されたセラミックファイバー層３３ととにより構成される。

また、図２に示すように、ローラハース２０の各ローラは左側壁５ｃ、右側壁５ｄにより支えら、所望の間隔を開けて前後方向に並べられている。

図１〜図３に示すように、加熱器２２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、ガスバーナ５８内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連続熱処理炉１を用いた被処理体Ｗの処理について説明する。先ず、連続熱処理炉１の操業開始時には、ガスバーナ５８を用いた加熱器２２の加熱により、熱処理室２の炉体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、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ので、炉体５内の温度分布を均一にすることができる。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２２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４内の昇温とシーズニングを行った後、被処理体Ｗをテーブル１２に載置し、被処理体Ｗを上流側の熱処理室２の搬入口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内のローラハース２０上に被処理体Ｗを移動させ、プッシャーを炉体５から退避させ、シャッター１１によって搬入口１０を閉じる。

被処理体Ｗを熱処理室２に搬入させたら、炉体５内を約９５０℃程度に昇温させる。被処理体Ｗが十分に予備加熱された後、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、上流側の炉体５の搬出口１５を開口し、ローラハース２０を駆動して、被処理体Ｗを上流側から下流側の熱処理室２に移動させ、搬出口１５を通過させ、炉体５の降温ゾーン６Ｂに移動させ、中間シャッター１６によって搬出口１５を閉じ、降温ゾーン６Ｂ内で被処理体Ｗを降温させながら降温処理を行う。そして、下流側の炉体５の搬入口１０を開口させ、ローラハース２０を駆動して、被処理体Ｗを上流側から下流側に移動させ、搬入口１０を通過させ炉体５の均熱ゾーン６Ｃに移動させ、中間シャッター１６によって搬入口１０を閉じ、均熱ゾーン６Ｃ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２２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、熱処理室２における熱処理の時間を短縮することができる。

熱処理室２の均熱ゾーン６Ｃにおいて均熱処理が終了した後、下流側の炉体５の搬出口１５を開いて、ローラハース２０を駆動して被処理体Ｗを更に下流側に移動させ、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。このようにして、連続熱処理炉１における一連の処理が終了する。

連続熱処理炉１の操業終了時には、熱処理室２において、加熱器２２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２２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。

かかる連続熱処理炉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２２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。

さらに、ガスバーナ５８を用いた加熱器２２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、熱処理室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。

本発明の連続熱処理炉においては、例えば断熱層３２の断熱材（セラミックブロック）としては、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・℃程度とする。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単に厚くすれば良いのではない。断熱材の組み合わせ、厚さにより、断熱性と炉の表面からの放散熱の量、すなわちこれらのバランスが適切であることが必要である。本発明により前記断熱材と特性、厚さ、前記セラミックファイバーの特性、厚さについて、ローラーハースを持つ熱処理炉について好適なものを提供できるようになった。

また、ローラーは炉殻外の支持部（図示しない）によりにより両端部が支持されている。ローラー２０の好ましい材質は耐熱鋼である。

このような連続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となる。

また、本発明の連続熱処理炉では、断熱層とセラミックファイバー層を、側壁と天井及び床について同じ厚さにする。また、ファンによる強制撹拌を行なうのが好ましい。

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。

（比較例）

連続熱処理炉における耐火レンガの厚さを１１５ｍｍ、耐火レンガの熱伝導率を０．１ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃、断熱層（シリカ＃１０００）の厚さを６５ｍｍ、断熱層の熱伝導率を０．０４ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃、セラミックファイバーの厚さを５０、セラミックファイバーの熱伝導率を０．０６ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃とした。

このようにした連続熱処理炉では、入熱が約１００，０００ｋｃａｌ／ｈに対して処理品加熱は約３２．５％、炉表面からの放散熱は約５９．１％、その他の部分からの放散熱は約８．４％、炉表面壁温度は１０１℃／ｍ²、放散熱量は７９４ｋｃａｌ／ｈ・ｍ²であった。

以上のことから本発明の連続熱処理炉によれば処理品加熱に比較例より約１５％の熱量が有効に使用されているのがわかる。また、炉表面壁から逃げる熱が少ないため、表面温度や放散熱量が少ないため、エネルギーロス、エネルギーコストを抑えることができることがわかる。

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、前記実施例では、熱処理室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も適用することができる。

本発明は、鋼材の浸炭処理、窒化処理などを行う連続熱処理炉に利用できる。

本発明の連続熱処理炉の縦断側面図である。図１に示す熱処理炉の要部の縦断側面図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１連続熱処理炉
２熱処理室
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
６Ａゾーン
６Ｂ降温ゾーン
６Ｃ均熱ゾーン
１０搬入口
１１シャッター
１２テーブル
１５搬出口
１６中間シャッター
２０ローラハース
２１ファン
２２加熱器
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
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連続熱処理炉であって、複数の熱処理室を有し、各熱処理室の炉体の天井部、床部及び側壁が、金属製の炉殻層と、前記炉殻層の内側に設けたセラミックブロックからなる断熱層と、前記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、前記炉体内に、被処理体を載せる複数本のローラを設けたことを特徴とする連続熱処理炉。
前記各熱処理室を区画するシャッターを有し、前記シャッターが、セラミックブロックからなる断熱層と、この断熱層の両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ていることを特徴とする請求項１記載の連続熱処理炉。
ガスバーナを用いた加熱器を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の連続熱処理炉。
前記断熱層が、厚さ７５〜１５０ｍｍ、熱伝導率０．０１〜０．０３ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃としたセラミックブロックからなり、前記セラミックファイバー層が、厚さ５０〜１００ｍｍ、熱伝導率０．０４〜０．０８ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の連続熱処理炉。
前記断熱層が、シリカ系のセラミックブロックからなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の連続熱処理炉。