JP6007870B2 - 雰囲気熱処理炉 - Google Patents

Description

本発明は、薄板鋼板や厚板鋼板などの被処理材を熱処理する雰囲気熱処理炉であって、炉内に残留するガスを炉外に放散する雰囲気熱処理炉に関する。

一般に、鋼帯の連続熱処理炉や金属製品の雰囲気熱処理炉（焼鈍炉）では、炉内での被処理材の酸化を極力防止するため、炉内雰囲気ガスとして非酸化性もしくは還元性のガスが使用される。例えば、鋼帯の連続熱処理炉では、通常、炉内雰囲気ガスとしてＨ_２とＮ_２の混合ガスが使用される。

ところで、雰囲気熱処理炉の炉壁には、従来、レンガ系耐火物や不定形耐火物が用いられてきたが、最近は、これらに代わり断熱性の高いファイバー系耐火物の使用比率が高まっている。このファイバー系耐火物は極細の繊維状物質からなり、気孔率が高く優れた断熱性を有する。しかしながら、このファイバー系耐火物は、気孔率が高い故に空気や水分を吸収し易い。そのため、雰囲気熱処理炉の建設直後や補修あるいは点検の際に雰囲気熱処理炉を大気開放すると、その内部に大量の空気や水分を吸収した状態になる。また、雰囲気熱処理炉の建設や炉壁の修理の際には、炉壁を形成する炉壁耐火物を接合するために水分を多く含んだバインダーが使用されるため、大気中の水分や空気に加えバインダーの水分も炉壁耐火物の内部に吸収される。

雰囲気熱処理炉の操業では、操業開始時に炉内に残留するガスを炉外に放散（パージ）する。その際、上記のような炉壁耐火物に保持されている空気や水分も炉外に放散する必要がある。従来、炉の開放後に再び操業を開始する際には、雰囲気ガスを炉内空間に直接送気している。しかしながら、この方法では、炉壁耐火物の内部に入り込んだ空気や水分はなかなか抜け難い。また、最近では、炉体表面からの放散熱量を低減するために、炉壁に断熱性に優れた断熱材が使用され、炉壁の外表面（鉄皮表面）の温度が８０℃程度以下に保たれるようにしている。そのため、特に鉄皮内面近傍の炉壁耐火物に残留した水分は蒸発気化され難く、炉内の酸素濃度や露点を低下させるために著しく長時間を要する。例えば、雰囲気ガスとして、露点が−７０℃、含有酸素濃度が０．０５ｐｐｍである高純度のＮ_２を炉内空間に直接送気しても、ほとんどの場合、３０日経過後の炉内の酸素濃度は２０〜３０ｐｐｍ、露点は−３０℃程度であった。このように酸素濃度と露点とがなかなか低下しないのは、炉壁耐火物の内部に残留している空気や水分が拡散により少しずつ炉内空間に出てくるためである。

そこで、例えば特許文献１には、炉壁耐火物から炉内空間に向けて温度が５０〜１２０℃の雰囲気ガスを送気して、この雰囲気ガスに炉壁耐火物の内部に残留した空気および水分を随伴させて炉内空間側に排出する技術が開示されている。

特開平７−１７３５２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているように送気する雰囲気ガスの温度を５０〜１２０℃にするには、加熱装置が必要とされるため、設備導入費用が嵩むという問題があった。また、特許文献１に記載の技術では、炉内の雰囲気ガスの流動状態が十分に把握されておらず、雰囲気ガスを炉内空間に向けて送気する雰囲気ガス投入口のレイアウトは経験的に決められているに過ぎない。そのため、特許文献１に記載の技術によって炉壁耐火物に保持されている空気や水分を十分に炉外に放散できるとは言い難く、改善の余地が残されている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、雰囲気ガスの温度や流量を変更せずに炉壁耐火物に起因して炉内空間に残留する空気や水分を効率よく炉外に放散できる雰囲気熱処理炉を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る雰囲気熱処理炉は、被処理材を熱処理する雰囲気熱処理炉の操業開始時に、炉内空間に残留する空気や水分を雰囲気ガスに置換して炉外に放散する雰囲気熱処理炉であって、雰囲気熱処理炉の炉壁を形成する炉壁耐火物の炉内空間側の最外表面から炉内空間に向けて雰囲気ガスを送気する複数の雰囲気ガス投入口を備え、炉内空間の単位体積当たりの前記雰囲気ガス投入口の数が１個／ｍ^３以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る雰囲気熱処理炉は、上記発明において、前記雰囲気ガス投入口は、炉壁に対して斜めとなる複数の方向に雰囲気ガスを送気することを特徴とする。

また、本発明に係る雰囲気熱処理炉は、上記発明において、隣り合う前記雰囲気ガス投入口は、炉内空間における被処理材の進行方向に直交する別々の面上に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、雰囲気ガスの温度や流量を変更せずに炉壁耐火物に起因して炉内空間に残留する空気や水分を効率よく炉外に放散できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る雰囲気熱処理炉の概略構成を示す模式図である。 図２は、単位体積当たりの雰囲気ガス投入口の数と必要パージ時間との関係を例示する図である。 図３は、従来の雰囲気熱処理炉の概略構成を例示する図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である雰囲気熱処理炉について説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

まず、図１を参照して、本発明の一実施形態である雰囲気熱処理炉の概略構成について説明する。図１に示すように、本実施の形態の雰囲気熱処理炉１は、複数の雰囲気ガス投入口２が配設された雰囲気ガス送気配管３と、図示しない制御装置とを備える。

雰囲気ガス送気配管３は、図１に白抜き矢印で示す被処理材の進行方向Ｓに沿って、雰囲気熱処理炉の炉壁Ｗを形成する炉壁耐火物４の炉内空間Ａ側の最外面上に、複数本配設されている。各雰囲気ガス送気配管３には、複数の雰囲気ガス投入口２が設けられている。

制御装置は、ワークステーションやパーソナルコンピュータなどの情報処理装置によって構成され、炉内空間Ａ内への雰囲気ガスの送気を制御する。

ここで、本実施の形態では、炉内空間Ａ側の最外表面に雰囲気ガス送気配管３を配設して雰囲気ガス投入口２の数を容易に加減できることから、雰囲気ガス投入口２は、炉内空間Ａの単位体積当たりの数が１個／ｍ^３以上となるように設けられている。これに対し、例えば特許文献１に記載された従来の雰囲気熱処理炉では、雰囲気ガス投入口は炉壁Ｗの外側に経験的にレイアウトされ、その炉内空間の単位体積当たりの数は０．３個／ｍ^３程度であった。本実施の形態により、炉壁耐火物４の内部に残留した空気や水分の流動状態が良くなり、炉内空間Ａ側に排出されやすくなる。したがって、雰囲気ガスの温度を上げたり、雰囲気ガスの流量を増加させたりすることなく、パージに必要な時間を短縮できる。さらに、雰囲気ガス投入口２の数が増加したことにより、雰囲気ガス投入口２が異物の詰まりにより閉鎖された場合にも、雰囲気熱処理炉１全体のパージ効率が落ちるリスクを低減できる。

図２は、単位体積当たりの雰囲気ガス投入口２の数と操業開始前のパージに必要な時間（必要パージ時間）との関係を例示する図である。図２において、従来の雰囲気熱処理炉のように、単位体積当たりの雰囲気ガス投入口の数が０．３個／ｍ^３である場合の必要パージ時間を１．００とした。これに対し、単位体積当たりの雰囲気ガス投入口２の数が１個／ｍ^３の雰囲気熱処理炉１による必要パージ時間は０．８０であった。また、単位体積当たりの雰囲気ガス投入口２の数が２．５個／ｍ^３の雰囲気熱処理炉１による必要パージ時間も０．８０となった。これにより、単位体積当たりの雰囲気ガス投入口２の数を１個／ｍ^３以上とすれば、必要パージ時間を短縮できることがわかる。

また、各雰囲気ガス投入口２の向きは、図１に矢印で示すように、炉壁Ｗに対して斜めに雰囲気ガスを送気するように、複数方向に可変となっている。なお、炉壁Ｗに対して斜めとなる複数の方向に同時に雰囲気ガスを送気可能に構成してもよい。これに対し、例えば特許文献１のような従来の雰囲気熱処理炉では、図３に示すように、雰囲気ガス投入口２の向きは、炉壁Ｗに垂直な方向であった。本実施の形態のように炉壁Ｗに対して斜めに雰囲気ガスを送気することにより、炉内空間Ａの炉壁Ｗ付近の残留ガスの流動性が良くなる。

また、隣り合う雰囲気ガス投入口２が、被処理材の進行方向Ｓに直交する同一面上に配設されないようにした。本実施の形態では、雰囲気ガス送気配管３の１本おきに、被処理材の進行方向Ｓに直交する同一面上にその雰囲気ガス投入口２を設け、雰囲気熱処理炉１全体の雰囲気ガス投入口２を千鳥配置にした。なお、本発明は、雰囲気ガス送気配管３の配設方向によらず、雰囲気熱処理炉１全体として雰囲気ガス投入口２が千鳥配置になっていればよい。これにより、炉内空間Ａの炉壁Ｗ付近での残留ガスの滞留を抑制でき、パージに必要な時間を短縮できる。

以上に説明したように、本実施の形態の雰囲気熱処理炉１によれば、炉壁耐火物４の炉内空間Ａ側の最外表面から炉内空間Ａに向けて多数の雰囲気ガス投入口２から雰囲気ガスを送気し、炉壁耐火物４の内部に残留する空気や水分の流動状態を良くして雰囲気ガスに置換して炉内空間Ａに排出させる。そのため、雰囲気ガスの温度を上げたり流量を増加させたりせずにパージに必要な時間を短縮して、炉壁耐火物４に起因して炉内空間に残留する空気や水分を効率よく炉外に放散できる。

また、本実施の形態の雰囲気熱処理炉１によれば、炉壁Ｗに対して斜めとなる複数の方向に雰囲気ガスを送気するので、炉内空間Ａの炉壁Ｗ付近の残留ガスの流動状態を良くすることができる。

また、本実施の形態の雰囲気熱処理炉１によれば、雰囲気ガス投入口２が被処理材の進行方向Ｓに直交する同一断面上に密集していないので、炉内空間Ａの炉壁Ｗ付近の残留ガスの滞留を抑制できる。

上記実施の形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様などに応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは上記記載から自明である。

［実施例］
板厚が０．１５〜０．５０ｍｍ、板幅が最大で１３００ｍｍの薄板鋼板を処理可能な雰囲気熱処理炉において、雰囲気熱処理炉を補修した後、操業開始前の必要パージ時間を計測した。従来の雰囲気熱処理炉では、単位体積当たりの雰囲気ガス投入口２の数は０．３個／ｍ^３であり、酸素濃度および露点が所定の目標値となるまでに５．５日を要した。一方、本実施例の雰囲気熱処理炉１では、単位体積当たりの雰囲気ガス投入口２の数は１個／ｍ^３であり、酸素濃度および露点が上記の所定の目標値となるまでに２．７日を要した。これにより、本実施例の雰囲気熱処理炉１によれば、従来の雰囲気熱処理炉と比較して、雰囲気熱処理炉のパージを効率よく行えることが確認できた。

１ 雰囲気熱処理炉
２ 雰囲気ガス投入口
３ 雰囲気ガス送気配管
４ 炉壁耐火物
Ａ 炉内空間
Ｗ 炉壁

Claims (3)

1. 炉内空間を進行する被処理材を熱処理する雰囲気熱処理炉の操業開始時に、前記炉内空間に残留する空気や水分を雰囲気ガスに置換して炉外に放散する雰囲気熱処理炉であって、
   前記雰囲気熱処理炉の炉壁を形成する炉壁耐火物の炉内空間側の最外表面において、前記炉内空間における前記被処理材の進行方向に沿って配設された複数本の雰囲気ガス送気配管と、
   前記雰囲気ガス送気配管の長さ方向に設けられ、前記炉壁耐火物の炉内空間側の最外表面から前記炉内空間に向けて雰囲気ガスを送気する複数の雰囲気ガス投入口を備え、
   前記炉内空間の単位体積当たりの前記雰囲気ガス投入口の数が１個／ｍ^３以上であり、
   前記炉壁耐火物は、ファイバー系耐火物で構成されていることを特徴とする雰囲気熱処理炉。
2. 前記雰囲気ガス投入口は、前記炉壁に対して斜めとなる複数の方向に前記雰囲気ガスを送気することを特徴とする請求項１に記載の雰囲気熱処理炉。
3. 前記雰囲気ガス投入口は、前記炉内空間における前記被処理材の進行方向に直交する同一面上に複数設けられていないことを特徴とする請求項１または２に記載の雰囲気熱処理炉。

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