JP5831485B2 - 熱処理炉の温度分布計測方法 - Google Patents

Description

この発明は、熱処理炉内に板厚が異なる２個の鋼材を炉幅方向に並べて配置して熱処理する際の、熱処理炉の温度分布計測方法に関する。

鋼材は、性質を改善するために、熱処理炉で焼入れ、焼戻し、焼きならし、焼き鈍し等の熱処理が施される。熱処理炉には直火式とラジアントチューブ（放射管）式があり、焼入れ、焼きならし、焼戻しには、ラジアントチューブ式連続炉が使用され、焼戻しには熱効率の良い直火式連続炉が使用されることが多い。ラジアントチューブ式連続炉は、炉内雰囲気の均一性が高く、炉幅方向の温度差が小さいため、鋼材の昇温挙動に対する炉幅方向での温度分布の影響が小さい。
熱処理に際しては、鋼材の性質を均一にするために、熱処理炉内の温度と処理時間を管理することが重要である。従来より、炉内の温度測定値から鋼材温度を計算し、その結果に基づいて、熱処理炉から鋼材を出す（抽出する）タイミングを決めることが行われている。

鋼材の抽出は、鋼材全体で熱処理が完了している状態で行われるべきであるため、熱処理炉の複数点に温度センサを設置して炉内の温度分布を計測し、その計測値から鋼材の温度分布を算出し、鋼材の最も温度が低い部分が予め設定された温度になった時点で行われる必要がある。
一方、熱処理の効率化やコスト削減を目的として、熱処理炉内に板厚が異なる２個の鋼材を炉幅方向に並べて配置し、同時に熱処理することが行われる。その場合、板厚の厚い鋼材の吸熱量は板厚の薄い鋼材よりも大きいため、鋼材装入直後の炉内温度は、炉幅方向において板厚の厚い鋼材が配置された位置の方が低くなる。

特許文献１には、熱処理炉内に装入する鋼材に、鋼材温度算出のための基準点を複数設け、前記基準点に対応する各位置で炉内雰囲気温度を測定し、その測定値から求めた炉内雰囲気温度分布に基づいて伝導熱量を計算することにより、各基準点の鋼材温度を算出することが記載されている。また、熱処理炉内の幅方向に複数の熱電対を配置し、各熱電対による温度測定値を線形補間することにより、熱処理炉の幅方向の温度分布を算出することも記載されている。

特開２００５−１０５２９１号公報

熱処理炉内に板厚が異なる２個の鋼材を炉幅方向に並べて配置し、同時に熱処理する場合に、線形補間を行って炉幅方向の温度分布を算出する方法を適用すると、以下のような問題点が生じる。
すなわち、例えば、炉幅方向に配置する温度センサを２個として、温度センサを鋼材の板幅方向中心に１個ずつ配置した場合、温度測定値を線形補間して算出された炉幅方向の温度分布では、板厚の厚い鋼材の炉壁側端部が最も低い温度となる。しかし、本来、鋼材の幅方向で最も温度上昇しにくい部分は幅方向中心であるため、幅方向中心の温度が最も低い温度分布が得られるべきである。

つまり、線形補間を行う温度分布計測方法では、炉幅方向における温度センサの設置個数が少ない場合、炉幅方向の温度分布を精度良く把握することができない。その結果、鋼材の抽出タイミングが遅くなったり早くなったりするという問題点がある。すなわち、無駄に加熱されることでエネルギーが浪費されたり、十分に加熱していない状態で熱処理炉から抽出されたりする恐れがある。
この発明の課題は、熱処理炉内に板厚が異なる２個の鋼材を炉幅方向に並べて配置して熱処理する際の、熱処理炉の温度分布計測方法であって、炉幅方向における温度センサの設置個数が少ない方法で、実際の温度分布との差が従来の方法よりも小さい温度分布を得られるようにすることである。

上記課題を解決するために、この発明の一態様に係る熱処理炉の温度分布計測方法は、熱処理炉内に板厚が異なる２個の鋼材を炉幅方向に並べ、板厚の厚い鋼材の板幅方向中央位置が前記熱処理炉の幅方向中央位置に対して板厚の薄い鋼材の板幅方向中央位置と反対側になるように配置して熱処理する際に、前記熱処理炉の幅方向中央位置に第１の温度センサを配置し、前記熱処理炉の板厚の厚い鋼材が配置される側の第１の内壁と前記幅方向中央位置との中間位置に第２の温度センサを配置して、前記第２の温度センサによる温度測定値を、前記第１の内壁と前記幅方向中央位置との間の炉内温度と推定し、前記第１の温度センサによる温度測定値を、前記熱処理炉の板厚の薄い鋼材が配置される側の第２の内壁と前記幅方向中央位置との間の炉内温度と推定して、前記熱処理炉内の炉幅方向の温度分布を得ることを特徴とする。

この方法によれば、前記第１の内壁および第２の内壁と前記幅方向中央位置との中間位置にそれぞれ温度センサを配置して、両温度センサによる温度測定値を線形補間することにより熱処理炉の幅方向の温度分布を算出する方法と比較して、実際の炉内温度分布により近い炉内温度分布計測値が得られる。
この方法は、板厚の厚い鋼材の幅方向端部が、前記幅方向中央位置より前記第２の内壁側にはみ出して配置されている場合にも好適である。
前記熱処理炉としては、炉内雰囲気の均一性が高く、炉幅方向の温度差が小さいラジアントチューブ式連続炉を使用することが好ましい。

この発明の温度分布計測方法によれば、炉幅方向の温度センサの設置個数が２個と少ないにも関わらず、実際の温度分布との差が従来の方法よりも小さい温度分布を得ることができる。

この発明の実施形態に相当する方法を説明する図であって、炉幅方向での温度センサの配置を示す断面図（ａ）と、その方法で得られる炉幅方向での炉内温度分布を示すグラフ（ｂ）である。 比較例に相当する方法を説明する図であって、炉幅方向での温度センサの配置を示す断面図（ａ）と、その方法で得られる炉幅方向での炉内温度分布を示すグラフ（ｂ）である。 この発明の実施形態に相当する方法を説明する図であって、炉幅方向での温度センサの配置を示す断面図（ａ）と、その方法で得られる炉幅方向での炉内温度分布を示すグラフ（ｂ）である。 比較例に相当する方法を説明する図であって、炉幅方向での温度センサの配置を示す断面図（ａ）と、その方法で得られる炉幅方向での炉内温度分布を示すグラフ（ｂ）と、線形補間を行わない方法で得られる炉幅方向での炉内温度分布を示すグラフ（ｃ）である。

以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明はこの実施形態に限定されない。
この実施形態では、ラジアントチューブ式連続炉内に、板厚が異なる２個の鋼材を炉幅方向に並べて配置して熱処理する際の、炉内の温度分布計測方法について説明する。
図１（ａ）に示すように、この実施形態の方法では、ラジアントチューブ式連続処理炉内に、板厚が異なる２個の鋼材１，２を炉幅方向に並べ、板厚の厚い鋼材１の板幅方向中央位置が熱処理炉の幅方向中央位置（ラインＬ１の位置）に対して板厚の薄い鋼材２の板幅方向中央位置と反対側になるように配置して熱処理する。炉内の上部には、炉幅方向中央位置Ｌ１に第１の温度センサ３が配置されているとともに、板厚の厚い鋼材１が配置される側の第１の内壁４と炉幅方向中央位置Ｌ１との中間位置（ラインＬ２の位置）に、第２の温度センサ５が配置されている。

そして、第２の温度センサ５による温度測定値Ｔ２を、第１の内壁４と炉幅方向中央位置Ｌ１との間の炉内温度と推定し、第１の温度センサ３による温度測定値Ｔ１を、板厚の薄い鋼材２が配置される側の第２の内壁６と炉幅方向中央位置Ｌ１との間の炉内温度と推定する。これにより、図１（ｂ）に示す炉幅方向での炉内温度分布、すなわち、炉内温度Ｔと炉幅方向との関係を示すグラフが得られる。
この炉内温度分布に基づいて鋼材の抽出タイミングを判断する場合、厚い鋼材１の幅方向中心部（本来、最も温度が低いはずの部分）での温度に近い、温度測定値Ｔ２を用いて算出された鋼材温度が最も低い値となるため、正しいタイミングで抽出が行われる可能性が高い。

次に、炉幅方向に配置する２個の温度センサ３，５の配置を、鋼材１，２の板幅方向中心に１個ずつ配置し、温度測定値を線形補間して板幅方向の温度分布を算出する方法（比較例の方法）について、図２を用いて説明する。
この方法では、図２（ａ）に示すように、第２の温度センサ５の位置は図１（ａ）と同じであるが、第１の温度センサ３を、第２の内壁６と炉幅方向中央位置Ｌ１との中間位置（ラインＬ３の位置）に配置している。そして、第２の温度センサ５による温度測定値Ｔ２と第１の温度センサ３による温度測定値Ｔ１を線形補間することにより、図２（ｂ）に示す炉幅方向での炉内温度分布を得る。

線形補間の結果、得られた炉内温度分布は、第１の内壁４から第２の内壁６に向けて線形に上昇し、第１の内壁４に最も近い温度Ｔ４が第２の温度センサ５による温度測定値Ｔ２より低く、第２の内壁６に最も近い温度Ｔ６が第１の温度センサ３による温度測定値Ｔ１より高くなっている。
この炉内温度分布に基づいて鋼材の抽出タイミングを判断する場合、厚い鋼材１の第１の内壁４側の端部での温度Ｔ７を用いて算出された鋼材温度が使用されるが、温度Ｔ７は厚い鋼材１の幅方向中心部（本来、最も温度が低いはずの部分）の温度より高いため、抽出タイミングが遅くなる可能性が高い。

次に、板厚の厚い鋼材１の幅方向端部が、幅方向中央位置Ｌ１より第２の内壁６側にはみ出して配置され、薄い鋼材２がその隣に配置された状態で熱処理する場合について説明する。
図３（ａ）に示すように、２個の温度センサ３，５の配置を図１（ａ）と同じにして、この発明の実施形態を適用すると、第１の温度センサ３による温度測定値Ｔ１と第２の温度センサ５による温度測定値Ｔ２が略同じ値になり、図３（ｂ）に示す炉幅方向での炉内温度分布が得られる。この炉内温度分布は図１（ｂ）の炉内温度分布と異なる。

これに対して、図４（ａ）に示すように、２個の温度センサ３，５の配置を図２（ａ）と同じにすると、第２の温度センサ５による温度測定値Ｔ２と第１の温度センサ３による温度測定値Ｔ１を線形補間して得られる炉幅方向での炉内温度分布は、図４（ｂ）に示すように、図２（ｂ）と同じになる。
また、図４（ａ）の場合に、温度測定値Ｔ２と温度測定値Ｔ１を線形補間せず、温度測定値Ｔ２を第１の内壁４と炉幅方向中央位置Ｌ１との間の炉内温度と推定し、温度測定値Ｔ１を板厚の薄い鋼材２が配置される側の第２の内壁６と炉幅方向中央位置Ｌ１との間の炉内温度と推定すると、得られる炉幅方向での炉内温度分布は図４（ｃ）に示すようになる。

図３（ｂ）と図４（ｃ）を比較すると、第１の温度センサ３が炉幅方向中央位置Ｌ１に設置されている図３（ｂ）の温度分布の方が、炉幅方向中央位置Ｌ１に温度センサが設置されていない図４（ｃ）の温度分布よりも、実際の温度分布に近いものになっている。
つまり、第１の温度センサを、薄い鋼材の幅方向中心位置でなく炉幅方向中央位置に配置する理由は、板厚の厚い鋼材の幅方向端部が、炉幅方向中央位置より第２の内壁側にはみ出して配置され、薄い鋼材がその隣に配置された状態で熱処理する場合であっても、実際の炉内温度分布により近い炉内温度分布計測値を得るためである。

１ 板厚の厚い鋼材
２ 板厚の薄い鋼材
３ 第１の温度センサ
４ 第１の内壁
５ 第２の温度センサ
６ 第２の内壁
Ｌ１ 炉幅方向中央位置を示すライン
Ｌ２ 第１の内壁と炉幅方向中央位置との中間位置を示すライン
Ｌ３ 第２の内壁と炉幅方向中央位置との中間位置を示すライン

Claims (2)

1. 熱処理炉内に板厚が異なる２個の鋼材を炉幅方向に並べ、板厚の厚い鋼材の板幅方向中央位置が前記熱処理炉の幅方向中央位置に対して板厚の薄い鋼材の板幅方向中央位置と反対側になるように配置して熱処理する際に、前記熱処理炉の幅方向中央位置に第１の温度センサを配置し、前記熱処理炉の板厚の厚い鋼材が配置される側の第１の内壁と前記幅方向中央位置との中間位置に第２の温度センサを配置して、
   前記第２の温度センサによる温度測定値を、前記第１の内壁と前記幅方向中央位置との間の炉内温度と推定し、
   前記第１の温度センサによる温度測定値を、前記熱処理炉の板厚の薄い鋼材が配置される側の第２の内壁と前記幅方向中央位置との間の炉内温度と推定して、前記熱処理炉内の炉幅方向の温度分布を得ることを特徴とする熱処理炉の温度分布計測方法。
2. 板厚の厚い鋼材の幅方向端部が、前記幅方向中央位置より前記第２の内壁側にはみだして配置されている請求項１記載の熱処理炉の温度分布計測方法。

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