JP5588661B2 - ミスト冷却装置及び熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、ミスト冷却装置及び熱処理装置に関するものである。

特許文献１には、金属等の被処理物に対する熱処理に用いられ、被処理物を冷却するためのミスト冷却装置が開示されている。ミスト冷却装置は、加熱された被処理物にミスト状の冷却液を噴射し、冷却液の気化潜熱により冷却を行うため、従来のガス噴射型冷却装置に比べその冷却能力は高い。また、ミストの噴射量や噴射時間を調整することで、従来の浸漬型冷却装置では難しかった被処理物の冷却速度の制御を容易に行うことができる。

特開平１１−１５３３８６号公報

しかしながら、上述した従来技術には、以下のような課題が存在する。
被処理物の熱処理においては、被処理物を所定の組織に変態させるため、所定の冷却パターンによって冷却する場合がある。例えば、被処理物の種類によっては、ある期間では急速な冷却を行う一方で、他の期間では歪みや曲がり等の発生を防止するために冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却するものがある。上記従来技術では、このような異なる冷却速度での冷却を、ミストの噴射量及び噴射時間を調整することで行っていた。しかし、ミストの噴射量及び噴射時間のみの調整では、広い範囲の冷却速度で冷却することが難しく、被処理物の種類によっては、必要な冷却速度を確保できない虞があった。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、被処理物を広い範囲の冷却速度で冷却できるミスト冷却装置及び熱処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、加熱された被処理物に冷却用ミストを噴射して冷却するミスト冷却装置であって、冷却用ミストを噴射する第１ノズルと、該第１ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径より小さい粒径の冷却用ミストを噴射する第２ノズルとを有する、という構成を採用する。
本発明では、第１ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径が第２ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径より大きいことから、第１ノズルの冷却用ミスト一粒あたりの気化潜熱量は、第２ノズルの冷却用ミストより大きくなる。そのため、第１ノズルを用いた冷却では、第２ノズルを用いるよりも急速に被処理物を冷却することが可能となる。一方、第２ノズルを用いた冷却では、第１ノズルを用いるよりも冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却することが可能となる。

また、本発明は、第１ノズル及び第２ノズルが冷却用ミストを拡散して噴射し、第１ノズルにおける冷却用ミストの拡散角は、第２ノズルにおける冷却用ミストの拡散角よりも狭い、という構成を採用する。

また、本発明は、被処理物の冷却パターンに応じて、第１ノズル及び第２ノズルの各噴射量をそれぞれ制御する制御部を有する、という構成を採用する。

また、本発明は、制御部が被処理物の冷却パターンに応じて、冷却用ミストの噴射を第１ノズルと第２ノズルとの間で切り替える、という構成を採用する。

また、本発明は、被処理物に対して熱処理を行う熱処理装置であって、請求項１から４のいずれか一項に記載のミスト冷却装置を有する、という構成を採用する。

また、本発明は、加熱された被処理物に冷却用ミストを噴射して冷却するミスト冷却方法であって、冷却用ミストを噴射する第１ノズルと、第１ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径より小さい粒径の冷却用ミストを噴射する第２ノズルと、を用いて被処理物を冷却する冷却工程を有する、という方法を採用する。
本発明では、第１ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径が第２ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径より大きいことから、第１ノズルの冷却用ミスト一粒あたりの気化潜熱量は、第２ノズルの冷却用ミストより大きくなる。そのため、第１ノズルを用いた冷却では、第２ノズルを用いるよりも急速に被処理物を冷却することが可能となる。一方、第２ノズルを用いた冷却では、第１ノズルを用いるよりも冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却することが可能となる。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、急速に冷却できる第１ノズルと、冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却できる第２ノズルとを備えることで、熱処理の被処理物を広い範囲の冷却速度で冷却できるという効果がある。そのため、ある期間では急速な冷却を行う一方で、他の期間では歪みや曲がり等の発生を防止するために冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却できるという効果がある。

熱処理装置１の全体構成図である。 冷却室３の構成を示す概略図である。 第１ノズル３５及び第２ノズル４５の概略図である。 被処理物Ｍに対する熱処理方法を説明するためのグラフである。 被処理物Ｍの表面及び内部の温度差を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図１から図５を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の説明では、熱処理装置として２室型の熱処理装置の例を示す。

図１は、本実施形態に係る熱処理装置１の全体構成図である。
熱処理装置１は、被処理物Ｍに対して焼き入れ等の熱処理を施すものであって、加熱室２と、冷却室（ミスト冷却装置）３とを有している。加熱室２と冷却室３とは、隣接して配置されている。加熱室２と冷却室３との間には開閉自在な隔壁４が設けられている。隔壁４の開放時には、加熱室２から冷却室３へ向けて被処理物Ｍを搬送するための搬送経路が形成され、隔壁４の遮蔽時には、加熱室２及び冷却室３がそれぞれ密閉状態となる。

被処理物Ｍは、熱処理装置１によって熱処理が施されるものであって、所定量の炭素を含有した鋼等の金属材料（合金含む）からなる。被処理物Ｍは、熱処理によって目的とする所定の組織に変態する。また、目的の組織以外への変態を防止し且つ目的の組織に一様に変態させるために、所定の冷却パターン（例えば急冷期間と緩冷期間とを有するパターン）によって冷却される。以下の説明に用いる各図面では、被処理物Ｍを直方体形状に表しているが、その形状や大きさ、一度に処理する個数等は様々なものが存在する。被処理物Ｍとしては、ダイス鋼（ＳＫＤ材）やハイス鋼（ＳＫＨ材）等の鋼を対象としている。本実施形態では、被処理物Ｍとしてダイス鋼（ＳＫＤ６１）を例示して以下説明する。

次に、冷却室３の構成を、図２及び図３を参照して説明する。
図２は、本実施形態に係る冷却室３の構成を示す概略図である。なお、図２は、図１のＡ−Ａ線から見た断面図を用いている。図３は、冷却室３に設置されている第１ノズル３５及び第２ノズル４５の概略図であって、（ａ）は第１ノズル３５の側面図、（ｂ）は第２ノズル４５の側面図である。

図２に示すように、冷却室３は、容器１０と、搬送部２０と、第１冷却系３０と、第２冷却系４０と、温度計測器５０と、制御部６０とを有している。
容器１０は、冷却室３の外殻を構成し、内部に密閉した空間を形成可能な略円筒状の容器である。容器１０の上部には、被処理物Ｍからの受熱により気化した冷却液を再び液化する液化器（液化トラップ）１１が設置されている。

搬送部２０は、被処理物Ｍを加熱室２から冷却室３へ搬入し、さらに冷却室３から外部に搬出するためのものであって、容器１０の中心軸と平行する方向で被処理物Ｍを搬送するものである。搬送部２０は、一対の支持フレーム２１と、複数の搬送ローラ２２と、不図示のローラ駆動部とを有している。

一対の支持フレーム２１は、容器１０の内側底部に立設され、複数の搬送ローラ２２を介して被処理物Ｍを下方から支持するものである。一対の支持フレーム２１は、被処理物Ｍの搬送方向に延在して設けられている。複数の搬送ローラ２２は、回転することで被処理物Ｍを円滑に搬送するものであり、一対の支持フレーム２１の互いに対向する面に、搬送方向に所定の間隔をあけて回転自在に設けられている。不図示のローラ駆動部は搬送ローラ２２を回転させるものである。また、本実施形態の被処理物Ｍは直接に搬送ローラ２２に載置されず、トレー２３を介して搬送ローラ２２に載置される。トレー２３には、冷却用ミストを通過させるために、例えばメッシュ状のもの、又は板材に複数の孔部（パンチング孔等）が形成されたものが用いられる。

第１冷却系３０は、加熱されて容器１０内に設けられた被処理物Ｍに対して冷却液をミスト状に噴射して、被処理物Ｍを冷却するものである。また、第１冷却系３０は、被処理物Ｍを急速に冷却するときに使用されるものである。第１冷却系３０は、第１回収管３１と、第１熱交換器３２と、第１ポンプ３３と、第１供給管３４と、複数の第１ノズル３５とを有している。なお、使用される冷却液としては、例えば水、油、ソルト又はフッ素系不活性液体等が用いられる。

第１回収管３１は、容器１０内に供給された冷却液、及び被処理物Ｍからの受熱により気化した後に液化器１１によって再液化された冷却液を回収する管部材である。なお、第１回収管３１に回収されるときの冷却液は、被処理物Ｍからの受熱により加熱されている。第１熱交換器３２は、回収された冷却液を冷却する熱交換器である。

第１ポンプ３３は、容器１０内から回収され第１回収管３１内に導入された冷却液を、第１供給管３４に吐出し、第１ノズル３５に向けて流動させるものである。第１ポンプ３３には、第１インバータ３６が接続されている。第１インバータ３６は、後述する制御部６０の指示に従って第１ポンプ３３を駆動するものである。なお、第１ポンプ３３を、第１供給管３４に対して並列に複数台配置してもよい。複数の第１ポンプ３３が並列配置されることで、１台のポンプでは作り出せない大きな流量を作り出すことができ、第１冷却系３０における冷却液の流量の調整幅を広く設定することが可能となる。

第１供給管３４は、第１ポンプ３３から吐出された冷却液を、後述する複数の第１ノズル３５にそれぞれ供給する管部材である。なお、第１供給管３４に、第１ノズル３５への冷却液の供給を遮断するためのバルブ（図示せず）を設置してもよい。

第１ノズル３５は、加熱されて容器１０内に設けられた被処理物Ｍに対してミスト状の冷却液（冷却用ミスト）を噴射して、被処理物Ｍを冷却するものである。また、第１ノズル３５は、被処理物Ｍを急速に冷却するときに使用されるものである。第１ノズル３５は、容器１０の内壁に被処理物Ｍを取り囲むようにして複数設けられ、且つ容器１０の中心軸方向に複数並んで設けられている。これは、被処理物Ｍにおけるミストの当たらない部分を極力無くし、被処理物Ｍを均一に冷却することで、冷却の不均一性を原因とする被処理物Ｍの歪み等の発生を防止するためである。

図３に示すように、第１ノズル３５は１つの噴射口３５ａを備え、噴射口３５ａから冷却用ミストを拡散して噴射するものである。第１ノズル３５から噴射される冷却用ミストの粒径は、後述する第２ノズル４５から噴射される冷却用ミストの粒径よりも大きく設定されている。第１ノズル３５から噴射される冷却用ミストの粒径が大きいため、一粒あたりのミストの気化潜熱量が大きくなっている。

また、第１ノズル３５から拡散して噴射される冷却用ミストの拡散角は、凡そ１５°に設定されている。第１ノズル３５における冷却用ミストの拡散角は、第２ノズル４５における冷却用ミストの拡散角よりも狭く設定されている。第１ノズル３５は、その噴射口３５ａが容器１０内に設置された被処理物Ｍに対向する向きで、容器１０の内壁に設置されている。

図２に示すように、第２冷却系４０は、加熱されて容器１０内に設けられた被処理物Ｍに対して冷却液をミスト状に噴射して、被処理物Ｍを冷却するものである。また、第２冷却系４０は、被処理物Ｍの冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却するときに使用されるものである。第２冷却系４０は、第２回収管４１と、第２熱交換器４２と、第２ポンプ４３と、第２供給管４４と、複数の第２ノズル４５とを有している。なお、使用される冷却液としては、例えば水、油、ソルト又はフッ素系不活性液体等が用いられる。第２ノズル４５以外の第２冷却系４０の構成は第１冷却系３０と同様のものであるため、その説明を省略し、以下、第２ノズル４５について説明する。

第２ノズル４５は、加熱されて容器１０内に設けられた被処理物Ｍに対してミスト状の冷却液（冷却用ミスト）を噴射して、被処理物Ｍを冷却するものである。また、第２ノズル４５は、被処理物Ｍの冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却するときに使用されるものである。第２ノズル４５は、容器１０の内壁に被処理物Ｍを取り囲むようにして複数設けられ、且つ容器１０の中心軸方向に複数並んで設けられている。これは、被処理物Ｍにおけるミストの当たらない部分を極力無くし、被処理物Ｍを均一に冷却することで、冷却の不均一性を原因とする被処理物Ｍの歪み等の発生を防止するためである。

図３に示すように、第２ノズル４５は複数（本実施形態では７つ）の噴射口４５ａを備え、複数の噴射口４５ａから冷却用ミストを拡散して噴射するものである。複数の噴射口４５ａのうちの１つが第２ノズル４５の先端中央部に配置され、その他の噴射口４５ａが先端中央部の周りに並んで配置されている。第２ノズル４５から噴射される冷却用ミストの粒径は、第１ノズル３５から噴射される冷却用ミストの粒径よりも小さく設定されている。第２ノズル４５から噴射される冷却用ミストの粒径が小さいため、一粒あたりのミストの気化潜熱量が小さくなっている。また、第２ノズル４５から噴射される冷却用ミストの粒径が小さいため、第２ノズル４５から噴射された冷却用ミストの容器１０内での空間滞在時間が、第１ノズル３５から噴射された冷却用ミストに比べ長くなる。さらに、冷却用ミストの粒径が小さいため、第２ノズル４５から噴射された冷却用ミストは容器１０内の空間を、第１ノズル３５から噴射された冷却用ミストに比べて不規則に流動できる。

また、第２ノズル４５から拡散して噴射される冷却用ミストの拡散角は、凡そ７５°に設定されている。第２ノズル４５における冷却用ミストの拡散角は、第１ノズル３５における冷却用ミストの拡散角よりも広く設定されている。第２ノズル４５は、複数の噴射口４５ａのうちの中央に位置する噴射口４５ａが、容器１０内に設置された被処理物Ｍに対向する向きで、容器１０の内壁に設置されている。

温度計測器５０は、容器１０内に設けられ、冷却中の被処理物Ｍの表面温度を非接触で計測できる計測器である。温度計測器５０は制御部６０と電気的に接続（図示せず）されており、制御部６０に対して温度の計測値が出力される。

制御部６０は、被処理物Ｍの冷却パターンに応じて、温度計測器５０が計測した被処理物Ｍの温度に基づき、第１インバータ３６を介して第１ポンプ３３の駆動を制御し且つ第２インバータ４６を介して第２ポンプ４３の駆動を制御するものである。制御部６０は、第１ポンプ３３と第２ポンプ４３との駆動をそれぞれ個別に制御可能である。また、制御部６０は、第１ポンプ３３及び第２ポンプ４３のいずれか一方のみを駆動させることも可能である。

また、制御部６０はデータ保持用のメモリを備え、該メモリに冷却用ミストの単位時間あたりの供給量と被処理物Ｍの表面温度と内部温度との相関関係をテーブルデータとして保持している。制御部６０はこのテーブルデータを用いて、温度計測器５０の計測結果（被処理物Ｍの表面温度）から被処理物Ｍの内部温度を計測可能な構成となっている。なお、上記相関関係のテーブルデータは、例えば予備実験やシミュレーション等により作成される。

続いて、本実施形態に係る熱処理装置１において、加熱された被処理物Ｍを冷却室３で冷却する手順（冷却工程）について、図４及び図５を参照して説明する。なお、以下の説明では、焼入れ温度に保持された被処理物Ｍを、マルテンサイト組織の状態に変態させる焼入れ処理について説明する。

図４は、被処理物Ｍに対する熱処理方法を説明するためのグラフである。図４において、縦軸は温度を、横軸は時間を示す。また、図４において、実線Ｔｓは被処理物Ｍの表面の温度変化を、破線Ｔｃは被処理物Ｍの内部の温度変化を示す。

図５は、被処理物Ｍの表面及び内部の温度差を説明するための断面図である。図５（ａ）ないし図５（ｃ）は、図４の時間経過に伴って順次変化する被処理物Ｍの温度分布の状態を示すものであり、図５（ａ）は時間Ｔ１における温度分布を、図５（ｂ）は時間Ｔ２における温度分布を、図５（ｃ）は時間Ｔ３における温度分布を示す。なお、図５においては温度の高温低温を、網点の濃淡で示している。

図４に示すように、本実施形態の熱処理方法では、まず、オーステナイト組織の状態まで加熱（１０００℃程度）した被処理物Ｍを、マルテンサイト組織に変態し始める変態点Ｍｓの近傍であって該変態点Ｍｓより高い目標温度Ｔａまで、時間Ｔ０から第１冷却系３０を用いて冷却する（第１急冷処理Ｓ１）。

目標温度Ｔａは、被処理物Ｍがパーライト組織に変態し始める変態点Ｐｓより低く、被処理物Ｍがマルテンサイト組織に変態し始める変態点Ｍｓより高い範囲において設定されている。本実施形態では、被処理物Ｍがダイス鋼（ＳＫＤ６１）であるので、目標温度Ｔａは、３７０℃〜５５０℃の間において設定されている。なお、目標温度Ｔａは、後述する第２急冷処理Ｓ４におけるプロセスを考慮して、変態点Ｍｓ近傍の温度（変態点Ｍｓより十数℃度程度高い温度）に設定することが好ましい。

第１急冷処理Ｓ１では、被処理物Ｍを、パーライト組織に変態し始める変態点Ｐｓ（いわゆるパーライトノーズ）を避けるように、目標温度Ｔａまでミスト冷却で急冷する。本実施形態では、冷却室３に搬送された被処理物Ｍに対して、第１冷却系３０における第１ノズル３５から冷却液をミスト状に供給・噴射することで冷却を行う。

制御部６０が、第１インバータ３６を介して第１ポンプ３３を駆動する。このとき、第２冷却系４０の第２ポンプ４３は停止させておく。第１ポンプ３３の駆動により、容器１０から回収され第１回収管３１に導入された冷却液が、第１熱交換器３２によって冷却された後に、第１供給管３４に送り出される。第１供給管３４内を流動する冷却液は、複数の第１ノズル３５からミスト状に噴射される。第１ノズル３５の噴射口３５ａは被処理物Ｍに対向して設けられているので、第１ノズル３５から噴射された冷却用ミストは被処理物Ｍに付着する。付着した冷却用ミストが被処理物Ｍから気化潜熱を奪って気化することで、被処理物Ｍを冷却することができる。

第１ノズル３５から噴射される冷却用ミストの粒径は、第２ノズル４５から噴射される冷却用ミストの粒径よりも大きく設定されており、一粒あたりのミストの気化潜熱量が大きくなっている。そのため、被処理物Ｍから多くの気化潜熱を奪うことができ、被処理物Ｍを急速に冷却することができる。

また、第１ノズル３５から拡散して噴射される冷却用ミストの拡散角は凡そ１５°に設定されており、第１ノズル３５における冷却用ミストの拡散角は、第２ノズル４５における冷却用ミストの拡散角よりも狭く設定されている。そのため、第１ノズル３５から噴射された冷却用ミストを効率よく被処理物Ｍに当てることができ、被処理物Ｍを急速に冷却することができる。

ここで、ミスト冷却の基本的な冷却は気化潜熱による表面側からの冷却であるため、冷却用ミストの当たる度合いにより被処理物Ｍの表面及び内部に温度差が生じる（図５（ａ）参照）。例えば、図４における実線Ｔｓ及び破線Ｔｃが示すように、被処理物Ｍの表面の温度は、被処理物Ｍの内部の温度よりも温度低下が短時間で進行するため、時間経過とともに温度差が大きくなる。

次に、本実施形態の熱処理方法では、容器１０内に設けられた温度計測器５０の計測温度（すなわち被処理物Ｍの表面温度）が、目標温度Ｔａより低くなったときに、第２冷却系４０によって被処理物Ｍを冷却する（緩冷処理Ｓ２）。
緩冷処理Ｓ２では、第２冷却系４０を用いて、第１急冷処理Ｓ１よりも低い冷却効率で被処理物Ｍを冷却する。このとき、被処理物Ｍにおいては、熱伝導により高温の内部から低温の表面に熱が伝わることにより、表面及び内部での温度差が小さくなる。

制御部６０が、第１ポンプ３３の駆動を停止させ、第２インバータ４６を介して第２ポンプ４３を駆動する。すなわち、駆動するポンプが、第１ポンプ３３から第２ポンプ４３に切り替えられる（調整工程）。第２ポンプ４３の駆動により、容器１０から回収され第２回収管４１に導入された冷却液が、第２熱交換器４２によって冷却された後に、第２供給管４４に送り出される。第２供給管４４内を流動する冷却液は、複数の第２ノズル４５からミスト状に噴射される。第２ノズル４５は被処理物Ｍに向けて設けられているので、第２ノズル４５から噴射された冷却用ミストは被処理物Ｍに付着する。付着した冷却用ミストが被処理物Ｍから気化潜熱を奪って気化することで、被処理物Ｍを冷却することができる。

第２ノズル４５から噴射される冷却用ミストの粒径は、第１ノズル３５から噴射される冷却用ミストの粒径よりも小さく設定されており、一粒あたりのミストの気化潜熱量が小さくなっている。そのため、被処理物Ｍから奪う気化潜熱量が少なくなり、被処理物Ｍを緩やかに冷却することができる。被処理物Ｍの表面から奪われる熱量が少なくなり、且つ熱伝導により高温の内部から低温の表面に熱が伝わることで、表面及び内部での温度差が小さくなる。すなわち、被処理物Ｍの温度を均一化しながら冷却できる。

また、第２ノズル４５から拡散して噴射される冷却用ミストの拡散角は凡そ７５°に設定されており、第２ノズル４５における冷却用ミストの拡散角は、第１ノズル３５における冷却用ミストの拡散角よりも広く設定されている。これに加えて、冷却用ミストの粒径が小さいため、第２ノズル４５から噴射された冷却用ミストは容器１０内の空間において、第１ノズル３５から噴射された冷却用ミストに比べて、より長い時間で滞在でき且つ不規則に流動できる。したがって、第２ノズル４５から噴射された冷却用ミストは、例えば被処理物Ｍの大きさや形状等から冷却用ミストが付着し難い箇所があったとしても、その付着し難い箇所に対しても付着することができる。すなわち、被処理物Ｍの温度を均一化しながら冷却できる。

緩冷処理Ｓ２では、高温の内部からの熱伝導により被処理物Ｍの全体の温度が目標温度Ｔａよりも高くなって、目的としない他の組織の変態点（例えば変態点Ｐｓ）に達してしまわないような冷却を実施する。すなわち、緩冷処理Ｓ２では、高温の内部の熱伝導による温度上昇を相殺するような冷却を実施する。また、緩冷処理Ｓ２においては、該冷却によって被処理物Ｍの表面温度が、Ｍｓ変態点に達してしまわないように、冷却効率（第２ノズル４５からの冷却用ミストの噴射量）を制御部６０によって調節する。

緩冷処理Ｓ２は、被処理物Ｍの内部の温度が目標温度Ｔａとほぼ等しくなるまで実施する。これにより、被処理物Ｍの全体の温度が目標温度Ｔａよりも高くなることを防止できる。なお、本実施形態の被処理物Ｍの内部の温度は、容器１０内に設けられた温度計測器５０の計測結果と、制御部６０のメモリに記録されたテーブルデータとを用い、両者を照会することで計測している。このような緩冷処理Ｓ２を経た被処理物Ｍは、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）と比べて表面及び内部の温度分布が緩和される。

次に、本実施形態の熱処理方法では、冷却用ミストの供給を停止して、被処理物Ｍを所定時間保持する（保持処理Ｓ３）。
保持処理Ｓ３では、冷却用ミストの供給を停止したまま所定時間保持することで、熱伝導により内部から表面に熱が伝わり、表面及び内部での温度差がさらに小さくなる。保持処理Ｓ３のミスト冷却停止期間は、被処理物Ｍの表面及び内部の温度差が所定の閾値（例えば１０℃）以内になるまで実施する。本実施形態では、保持処理Ｓ３のミスト冷却停止期間は、温度計測器５０及び制御部６０内のテーブルデータを用いて、被処理物Ｍの表面及び内部の温度をモニタリングしつつ、被処理物Ｍの表面及び内部の温度差が所定の閾値以内になった時に終了する。

なお、保持処理Ｓ３のミスト冷却停止期間は、緩冷処理Ｓ２の終了時における被処理物Ｍの表面及び内部の温度差と熱伝達率とから、被処理物Ｍの表面及び内部の温度差が所定の閾値以内になる時間を予測し、その時間が経過したときに終了する手法を用いてもよい。このような保持処理Ｓ３を経た被処理物Ｍは、図５（ｃ）に示すように、表面及び内部の温度がともに目標温度Ｔａとなるように均一化される。

最後に、本実施形態の熱処理方法では、被処理物Ｍを変態点Ｍｓ以下の温度まで冷却する（第２急冷処理Ｓ４）。
第２急冷処理Ｓ４では、第１急冷処理Ｓ１、緩冷処理Ｓ２及び保持処理Ｓ３を経ることで表面及び内部の温度差が緩和された状態の被処理物Ｍを、変態点Ｍｓ以下まで冷却することにより、被処理物Ｍの表面及び内部の組織をほぼ同時にマルテンサイト組織に変態させる。なお、目標温度Ｔａが、変態点Ｍｓより十数℃度程度高い温度であれば、第２急冷処理Ｓ４における冷却によって生じる被処理物Ｍの表面及び内部の温度差を微小に抑えることが可能となり、歪みや曲がりの発生を防止し品質の向上を図ることができる。

第２急冷処理Ｓ４では、被処理物Ｍを、ベイナイト組織に変態し始める変態点Ｂｓを避けつつ、変態点Ｍｓ以下の温度までミスト冷却で急冷する。本実施形態では、第２急冷処理Ｓ４においても、制御部６０が第１インバータ３６を介して第１ポンプ３３を駆動させ（調整工程）、第１冷却系３０における第１ノズル３５から冷却液をミスト状に供給・噴射することで冷却を行う。すなわち、冷却開始時に急速な冷却が必要となるだけでなく、冷却工程の途中においても被処理物Ｍに対する急速な冷却が必要となる冷却パターンであっても、第１冷却系３０を用いた冷却を複数回実施することで、このような冷却パターンに対応することができる。

なお、第２急冷処理Ｓ４での冷却について、被処理物Ｍの温度が変態点Ｂｓと十分に離れており被処理物Ｍを急冷させる必要のない場合には、例えば緩冷処理Ｓ２で用いた第２冷却系４０によって被処理物Ｍを冷却してもよい。
以上で本実施形態の被処理物Ｍを冷却することで、その組織をマルテンサイト組織に変態させる冷却工程が終了する。

したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、急速に冷却できる第１ノズル３５と、冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却できる第２ノズル４５とを備えることで、加熱された被処理物Ｍを広い範囲の冷却速度で冷却できるという効果がある。そのため、ある期間では急速な冷却を行う一方で、他の期間では歪みや曲がり等の発生を防止するために冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却できるという効果がある。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、第１ノズル３５における冷却用ミストの拡散角は、第２ノズル４５における冷却用ミストの拡散角よりも狭く設定されているが、これに限定されるものではなく、冷却用ミストのそれぞれの粒径に差を持たせるのみで、拡散角は等しいものであってもよい。

また、上記実施形態では、冷却用ミストの噴射を第１ノズル３５と第２ノズル４５との間で切り替えているが、これに限定されるものではなく、第１ノズル３５及び第２ノズル４５から同時に冷却用ミストを噴射させつつ、各噴射量を制御部６０がそれぞれ制御・調整してもよい。

また、上記実施形態では、容器１０内に冷却液をミスト状に噴射する冷却系として、第１ノズル３５を有する第１冷却系３０と、第２ノズル４５を有する第２冷却系４０とが設置されているが、これに限定されるものではなく、１つの冷却系に第１ノズル３５及び第２ノズル４５のいずれもが設けられていてもよい。なお、この場合には、第１ノズル３５及び第２ノズル４５からの噴射量を調整する所定の噴射量調整部が上記１つの冷却系に設けられる。

また、上記実施形態では、冷却用ミストの噴射を行わない保持処理Ｓ３を設けているが、これに限定されるものではなく、緩冷処理Ｓ２の実施後、保持処理Ｓ３を実施せずに第２急冷処理Ｓ４を実施してもよい。

１…熱処理装置、３…冷却室（ミスト冷却装置）、３５…第１ノズル、４５…第２ノズル、６０…制御部、Ｍ…被処理物

Claims (5)

1. 加熱された被処理物に冷却用ミストを噴射して冷却するミスト冷却装置であって、
   冷却用ミストを噴射する第１ノズルと、
   該第１ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径より小さい粒径の冷却用ミストを噴射する第２ノズルと、
   前記被処理物の冷却開始から冷却終了までの種々の冷却パターンに応じて、前記第１ノズル及び前記第２ノズルの何れか一方あるいは両方から冷却用ミストを噴射させる制御部と
   を備えることを特徴とするミスト冷却装置。
2. 請求項１に記載のミスト冷却装置において、
   前記第１ノズル及び前記第２ノズルは、冷却用ミストを拡散して噴射し、
   前記第１ノズルにおける冷却用ミストの拡散角は、前記第２ノズルにおける冷却用ミストの拡散角よりも狭いことを特徴とするミスト冷却装置。
3. 請求項１又は２に記載のミスト冷却装置において、
   前記制御部は、前記被処理物の冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却する冷却パターンの場合には、前記第２ノズルから冷却用ミストを噴射させることを特徴とするミスト冷却装置。
4. 請求項３に記載のミスト冷却装置において、
   前記第１ノズルは、前記被処理物の左右側方並びに上方及び下方に設けられていることを特徴とするミスト冷却装置。
5. 被処理物に対して熱処理を行う熱処理装置であって、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のミスト冷却装置を有することを特徴とする熱処理装置。

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