JP5966225B2

JP5966225B2 - 熱処理炉

Info

Publication number: JP5966225B2
Application number: JP2012072698A
Authority: JP
Inventors: 貴弘藤田
Original assignee: Dowa Thermotech Co Ltd
Current assignee: Dowa Thermotech Co Ltd
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: JP2013204872A

Description

本発明は、金属の浸炭処理、窒化処理、その他の金属の熱処理に使用する熱処理炉に関する。

従来、炉内第１層に耐火レンガ２０、第２層以降にセラミックファイバー等のボード系断熱材２１と耐熱素材の超微粒子状の無定形シリカ、熱伝導を遮断する物質などを混合した高性能断熱材２３を使用した熱処理炉であって、炉外放熱量の減少を図った省エネルギー炉（特許文献１、本図２参照）が提供されている。

その他、炉内第１層にセラミックフェルトの断熱材２２、第２層に高性能断熱材２３（商品名：マイクロサーム・日本マイクロサーム株式会社製）によって形成された熱処理炉であって、レンガを使用した場合と比べて炉体の厚さを薄くすることができ、また、シーズニング時間も短縮でき雰囲気を安定させ易い熱処理炉（特許文献２、本図３参照）が提供されている。

さらに、加熱膨張性断熱材からなる芯部を、アルミナ・シリカ系のセラミックファイバーからなる加熱収縮性断熱材で一部又は全面を被覆することにより、熱間時に収縮せず、断熱材間の収縮による隙間や亀裂を生じさせない複合断熱材が提供されている（特許文献３）。

前記特許文献１及び図２に開示した耐火レンガ２０に断熱材２１、高性能断熱材２３を取り付ける場合及び前記特許文献２及び図３に開示したセラミックフェルトの断熱材２２に高性能断熱材２３を取り付ける場合には、いずれも前記断熱材２１及び高性能断熱材２３を貫通して炉殻に達する金属からなる止め具２４が使用されている。図中、２５は雰囲気撹拌用ファン、２６はヒーター、２７はワーク、２８はワーク搬送用レールである。

また、前記特許文献３に開示した複合断熱材を熱処理炉に適用する場合は、それぞれの芯部の露出部分を炉殻に向けて配置し、それぞれの複合断熱材は、それぞれ炉殻に設けたアンカーボルトに引っ掛け、またはバインダ、紐等で複数枚を一体化して上記アンカーボルトに固定する、とされている。また、前記複合断熱材を構成するセラミックファイバーは柔らかいため寸法精度よく段積みで炉体を構成することが難しいという問題を有する。
特開平９−７９７６１号公報特開２００７−９３１６０号公報特開平６−２７１３６２号公報その他、従来の熱処理炉では、断熱材間の固定・支持にスタッドボルト等の止め具が使用されている（特開平１−２９６０８３号公報、特開平１−１５０７８９号公報、実開平３−９２７３３号公報等）。

前記アンカーボルトあるいはスタットボルト等の止め具による断熱材の固定・支持は、該止め具を介して加熱室内の熱が炉外に放散されるという問題があった。その他、築炉時における止め具の準備、断熱材の加工等に手数を要し、さらに断熱材の交換等にも手数を要するという問題があった。

本発明は、従来、脆く、また、熱収縮が大きいため炉内高温部への使用が難しいとされる、主としてセラミック微粒子からなる微細多孔構造の断熱材を炉内高音部に使用することによって炉体を構成し、断熱材の使用量の削減を図り、炉の小型化、該炉の小型化に伴う炉体表面積の縮小、さらに炉体の表面からの炉外放熱量を削減、すなわち、加熱コストを削減することを目的とする。該断熱材はセラミック微粒子を焼結することなくプレス圧縮成形によって製造され、前記のごとく、脆く、熱収縮が大きいが極めて優れた断熱性を有する。

さらに、本発明は、前記断熱材の固定・支持のために止め具を必要とせず、したがって、加熱室内部の熱が前記止め具を介して炉外に放散されることがなく、同時に前記止め具の使用に伴う築炉時の断熱材の加工や断熱材交換などのコストの低減を図ることができる経済的な熱処理炉を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る熱処理炉は、セラミック微粒子のプレス圧縮成形品からなる加熱収縮性断熱材と加熱膨張性断熱材とを止め具を用いることなく上下方向にのみ交互に重ね合わせて床部と両側壁部が構成され、前記と同様の断熱材を止め具を用いることなく上下方向にのみ交互に重ね合わせて前記両側壁部の上部に天井部が構成されてなることを特徴とする（請求項１）。

本発明では、予め、炉体設計に基づいて必要とする大きさ及び厚さのセラミック微粒子の圧縮成形品からなる加熱収縮性断熱材と加熱膨張性断熱材とが成形あるいはカットにより準備される。そして、両断熱材を、止め具を用いることなく上下方向にのみ交互に重ね合わせて炉体が構成される。

前記両断熱材を上下方向にのみ交互に重ね合わせてあるので、セラミック微粒子の圧縮成形品からなる脆い加熱収縮性断熱材であっても、築炉時の割れや欠けなどの破損を防止することができる。また、止め具を用いないため、止め具に対応させるための断熱材側の加工を省略することができ、また、その加工による断熱材の割れや欠けなどの破損の発生も防止できる。

さらに、高温に加熱した時に、加熱収縮性断熱材の加熱収縮分が加熱膨張性断熱材によって補われて、断熱材全体としての変形が防止される。

前記本発明によれば、前記優れた断熱性を有する断熱材の使用により、炉の小型化、該小型化に伴う前記の各効果を得ることができ、さらに止め具を必要としないため該止め具を介して炉外に熱が放散されることがない。

本発明の実施の一形態は、前記加熱膨張性断熱材の厚さ（段積みされた断熱材同士が接触した面に略垂直）方向の熱膨張率が水平方向の熱膨張率より大きいことを特徴とする（請求項２）。この実施の一形態によれば、前記加熱収縮性断熱材の収縮率に合わせて前記加熱膨張性断熱材の厚さ選定が容易である。もっとも、実質的に厚さ方向のみに膨張する加熱膨張性断熱材であることが好ましい。なお、前記熱膨張率は室温から９５０℃までの平均値とする。

本発明の実施の一形態は、前記加熱膨張性断熱材と前記加熱収縮性断熱材について、それぞれの水平方向の熱膨張率の絶対値の和が５％以内であることを特徴とする（請求項３）。この実施の一形態によれば、加熱・冷却時に両断熱材間に発生する摩擦による応力を低減し、両断熱材の破壊やクラックの発生を防止することができる。なお、前記熱膨張率は室温から９５０℃までの平均値とする。

本発明の実施の一形態は、前記加熱収縮性断熱材および／または前記加熱膨張性断熱材の周囲を耐熱クロス繊維で覆ったことを特徴とする（請求項４）この実施の一形態によれば、断熱材単品の場合に割れたり、欠けたりし易い前記加熱収縮性断熱材を元の形状に保持することができ、築炉時、その他の取り扱いが容易であり、完成炉体の耐久性も向上させられる。

本発明の実施の一形態は、前記天井部を構成する断熱材が前記両側壁部の上部間に載置された支持部材上に交互に段積みされてなることを特徴とする（請求項５）。この実施の一形態によれば、天井部に段積みされた断熱材が前記両側壁部に均等に支持されて炉体内の断熱材の安定が図られる。

本発明は、炉の小型化、炉外への放熱量を削減、すなわち、加熱コストを削減した熱処理炉を提供する。さらには、築炉時の断熱材の加工や断熱材の交換などのコストの低減を図ることができる経済的熱処理炉を提供する。

図１は、本発明の実施の一形態を示し熱処理炉の断面模式図である。図２は、従来の熱処理炉の断面図である。図３は、従来の熱処理炉の断面図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施の一形態の熱処理炉の断面模式図である。図中、１は，セラミック粒子のプレス圧縮成形品からなる加熱収縮性断熱材（以下「プレス圧縮成形品」という。）であり、焼結されていないため、脆く、圧縮強さも１ＭＰａに満たない程度で非常に弱い。該プレス圧縮成形品１は、段積み個所に合わせたサイズに成形あるいはカットして準備される。

本発明の具体的な加熱収縮性断熱材として、マイクロサーム（日本マイクロサーム株式会社製）、ＷＤＳ（ユタカ産業株式会社製）が挙げられる。

また、２は加熱膨張性断熱材であり、厚さ（主面に垂直）方向の熱膨張率が水平方向の熱膨張率よりも大きい特性を有する。一例として、加熱すると膨張する材料であるパーミキュライトと断熱性に優れたセラミックファイバー、バインダー等からなる加熱膨張性断熱材であり、前記プレス圧縮成形品と同様に段積み個所に合わせたサイズに成形あるいはカットして準備される。

また、前記加熱膨張性断熱材２と前記加熱収縮性断熱材１について、それぞれの水平方向の熱膨張率の絶対値の和が５％以内とされる。

なお、必要に応じて、前記プレス圧縮成形品１および／または加熱膨張性断熱材２の周囲がアルミナファイバークロス繊維等によって覆われる。好ましくは、前記プレス成形品１および／または加熱膨張性断熱材２の周囲に前記アルミナファイバークロス繊維等をセラミック系セメント剤で接着するとよい。

本発明では、最初に、床部３が前記プレス圧縮成形品１と前記加熱膨張性断熱材２の段積みにより構成される。続いて、該床部３の両端部に両側壁部４、４が均等に段積みされる。

つぎに、該両側壁部４、４の上部間にセラミックあるいは耐熱鋼からなる棒状あるいは板状の支持部材６が載置され、該支持部材６上に前記プレス圧縮成形品１と前記加熱膨張性断熱材２が交互に段積みされて天井部５が構成される。

また、前記炉体の段積み構成において、高温加熱時には前記プレス圧縮成形品１と前記加熱膨張性断熱材２の炉内側がそれぞれ外側に比べて高温に加熱されて加熱収縮率及び加熱膨張率が外側よりも大きくなることを考慮して両断熱材の厚さを決めることが望ましい。

なお、図１中、２５は雰囲気攪拌用ファン、２６はヒーター、２７はワーク、２８はワーク搬送用レールである。

＜炉形態＞

鋼製の炉殻の中に、加熱収縮性断熱材１の厚さ５０ｍｍのマイクロサーム（商品名、日本マイクロサーム株式会社製）と加熱膨張性断熱材２の厚さ３．４ｍｍのマット２０（商品名、住友スリーエム株式会社製）を交互に段積みして、床部３、両側壁部４，４及び天井部５を構成した。図中、６は天井部５を支持する支持部材でありアルミナ製の丸棒である（図１参照）。

上記マイクロサームは、超微細なシリカ粒子他からなり、接着バインダーを使用しないプレス圧縮成形品であり、非常に脆く、室温〜１０５０℃の収縮率（熱膨張率がマイナス）で最大２％の収縮率であり、室温〜９５０℃の平均で２％未満の収縮が起き、熱伝導率が静止空気よりも低い。

また、前記マット２０は、バーミキュライト、セラミック繊維、ポリマーの混合物からなり、厚み方向の膨張倍率が約３倍であり、水平方向（面方向）の膨張は無視できる程度（室温〜９５０℃の熱膨張率の平均で２％以下）である。

前記のように断熱材を重ねて築炉を行い、また、炉内加熱ヒーターを配置し、炉内容積：２．１８ｍ^３、炉体側面の表面積：１７．９０ｍ^２、断熱材の厚さ：合計２３０ｍｍの直方体の炉を作製した。なお、試験目的のためワークを支えるレール、雰囲気攪拌ファンは設置していない。

（比較例１）
構成の炉殻の中に、炉内側から、耐火レンガ：１１５ｍｍ厚、シリカボード＃１０００：６５ｍｍ厚、シリカボード＃６５０：５０ｍｍ厚の断熱材で炉が形成されている以外は実施例１と同様に築炉した（前記特許文献１、図２参照）。ただし、シリカボード２１はスタッドボルトで炉殻に固定した。

すなわち、実施例１と比較例１は、炉内の容積、炉体側面の表面積（炉の外形寸法）、断熱材の厚さの合計が同じであり、断熱材の構成の異なるものである。

炉内容積：１．５５ｍ^３、炉体側面の表面積：１３．９１ｍ^２、断熱材の厚さ：合計１７５ｍｍである以外は、実施例１と同様に、加熱収縮性断熱材としてマイクロサームと加熱膨張性断熱材としてマット２０を用いて直方体の炉を作製した。

（比較例２）
炉内側から、セラミックフェルト：７５ｍｍ厚、マイクロサーム：５０ｍｍ厚、マイクロサーム：５０ｍｍ厚の断熱材で炉が形成されている以外は実施例２と同用の炉を作製した。（前記特許文献２、図３参照）。ただし、マイクロサームはスタッドボルトで炉殻に固定している。

炉体は直方体であり、炉内容積：１．５５ｍ^３、炉体側面の表面積：１３．９１ｍ^２、断熱材の厚さ：合計１７５ｍｍである。

すなわち、実施例２と比較例２は炉内の容積、炉体側面の表面積（炉の外形寸法）、断熱材の厚さは同じであり、断熱材の構成の異なるものである。

＜耐熱性の評価・測定条件＞
上記実施例１、２、比較例１、２の炉について、断熱性能の差を調査した。加熱温度：９５０℃、雰囲気ガス：変成ガス、ワーク（処理品）なし、炉体表面温度測定：ハンディ型表面温度計（Ｋ型熱電対）、炉体表面輻射率測定：ハンディ型放射線温度計とした。

＜手順＞
１．炉内を上記条件で昇温・加熱・ガス供給を実施した。

２．断熱材の蓄熱がほぼ平衡状態に達するように、前記加熱後、１日保持した。

３．その後、炉体表面温度を３００ｍｍ間隔で表面温度計を用いて測定。

４．放射温度計で炉体表面温度を測定、ハンディ型表面温度計測定値と同じになるように輻射率を変更・読み取る。

５．測定した炉体表面温度・輻射率から輻射熱と伝熱熱量を計算、炉体表面積で割り単位面積当たりの放射熱量を算出。

前記実施例１、２及び比較例１、２の放熱評価（熱損失評価）は前記表１の通りである。

単位面積の放散熱量は、実施例１：２４２Ｗ／ｍ^２、比較例１：８３２Ｗ／ｍ^２、実施例２：３１７Ｗ／ｍ^２、比較例２：５０１Ｗ／ｍ^２であり、また、炉体の表面からの放散熱量合計は、実施例１：４３２７Ｗ、比較例１：１４９０１Ｗ、実施例２：４４０３Ｗ、比較例２：６９７０Ｗであった。

以上により、実施例１は比較例１と比べ放散熱量の低減率が７１％であった。実施例２は比較例２と比べ放散熱量の低減率が３６．８％であり、大幅な放散熱量の低減が達成された。

また、実施例１、２の炉の築炉時、前記加熱時において、脆い加熱収縮性断熱材の損傷はなく、両断熱材を良好に維持することができた。

（比較例３）
断熱材をマイクロサームのみとして段積みする以外は実施例１と同に炉を作製した。すなわち、断熱材の合計の厚さ：２３０ｍｍの全てをマイクロサームで構成した。

上記を前記条件で９５０℃まで加熱したところ、炉内側のマイクロサームの部分が炉殻側と比べて大きく収縮し、また、段積みされたマイクロサームの重さにより、マイクロサームにクラックが発生して崩れてしまい、炉として使用不能となった。

１加熱収縮性断熱材
２加熱膨張性断熱材
３床部
４壁部
５天井部
６支持部材
２０耐火レンガ
２１ボード系断熱材
２２セラミックフェルトの断熱材
２３高性能断熱材
２４止め具
２５雰囲気攪拌用ファン
２６ヒーター
２７ワーク
２８ワーク搬送用レール

Claims

セラミック微粒子のプレス圧縮成形品からなる加熱収縮性断熱材と加熱膨張性断熱材とを止め具を用いることなく上下方向にのみ交互に重ね合わせて床部と両側壁部が構成され、前記と同様の断熱材を止め具を用いることなく上下方向にのみ交互に重ね合わせて前記両側壁部の上部に天井部が構成されてなることを特徴とする熱処理炉。
前記加熱膨張性断熱材の厚さ方向の熱膨張率が水平方向の熱膨張率より大きいことを特徴とする請求項１に記載の熱処理炉。
前記加熱膨張性断熱材と前記加熱収縮性断熱材についてそれぞれの水平方向の熱膨張率の絶対値の和が５％以内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱処理炉。
前記加熱収縮性断熱材及び／又は前記加熱膨張性断熱材の周囲を耐熱クロス繊維で覆ったことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の熱処理炉。
前記天井部を構成する断熱材が前記両側壁部の上部間に載置された支持部材上に交互に段積みされてなることを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の熱処理炉。