JP6017246B2

JP6017246B2 - 熱処理炉

Info

Publication number: JP6017246B2
Application number: JP2012213555A
Authority: JP
Inventors: 恒孝山田
Original assignee: Dowa Thermotech Co Ltd
Current assignee: Dowa Thermotech Co Ltd
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: JP2014066468A

Description

本発明は、熱処理炉および熱処理炉で用いられる反射板断熱材に関するものである。

従来、加熱炉や熱処理炉等の炉体には、外壁に沿って断熱層が設けられ、さらに省エネルギーを目的として、熱反射板を用いることが提案されている。

特許文献１では、炉内側から順にセラミックファイバー層、シリカ系材質のセラミックブロックからなる断熱層、および炉殻層で炉体が構成された浸炭処理や窒化処理などに用いられる熱処理炉が開示されている。

特許文献２では、第１層として鉄分１重量％以下の耐火断熱煉瓦が使用され、第２層以降に例えば無定型シリカからなる微細多孔構造等の断熱材からなる断熱構造を有する浸炭処理や窒化処理などに用いられる熱処理炉が開示されている。

そして、特許文献３では、断熱材が設けられたケーシングの炉内側に、複数枚の反射板を積層してなるリフレクタを備えた断熱構造を有するセラミックス素体の焼成などに用いられる熱処理炉が開示されている。

特開２００７−９３１６０号公報特開平９−７９７６１号公報特開２０１２−２１７４２号公報

しかしながら、最高使用温度が８００〜１１００℃になる高温雰囲気炉では、浸炭雰囲気または酸化雰囲気中での断熱材の劣化の抑制が課題となる。

特許文献１、２に記載された炉の構造では、断熱材の乖離によるコンタミネーションや、断熱材に水分が吸着することによる断熱性能低下という問題がある。さらに、微細多孔構造断熱材は、極めて脆く、耐久性が低い。また、これらの特許文献に記載された浸炭処理や窒化処理に用いられる熱処理炉は、熱反射板が設けられていないものである。

特許文献３に記載された熱処理炉においては、複数の反射板による断熱材は、不活性ガス中や真空中であれば初期の反射率や断熱性能を維持できるが、高温の浸炭雰囲気または酸化雰囲気中では、反射板が浸炭または酸化されて変色し、断熱効果が大幅に低下する。また、熱反射率が低下して、目的とする省エネルギー効果が期待できなくなる。さらに、炉内のガスをファンで攪拌しながら熱処理した場合、反射板の間の対流の影響を受けやすくなる。

一方、炉の小型化に対応するためには、断熱層の厚さは、従来と同等またはそれよりも薄いことが望ましい。さらに、従来の小型の熱処理炉は炉内が狭いために作業性が悪く、メンテナンスの際には、外壁（炉殻）および脆くなった微細多孔構造の断熱材等を崩れないように注意して外す必要がある。したがって、メンテナンス性を向上することが望まれる。

本発明の目的は、これらの事情に鑑みてなされたものであり、高温の浸炭雰囲気あるいは酸化雰囲気で長時間使用した場合でも、断熱性能や熱反射率が低下することがない反射板断熱材を備えた熱処理炉を提供することにある。

上記問題を解決するため、本発明は、被処理体を８５０℃〜１１００℃で熱処理する熱処理炉であって、炉内に反射板断熱材を備え、前記反射板断熱材は、熱を反射する複数の反射板が、間隔を有して面同士が並列に配置され、密閉されたケース内に収容されていることを特徴とする、熱処理炉を提供する。

この熱処理炉において、外周を覆う炉殻層と、前記炉殻層の内側に設けられた断熱層と、前記断熱層の内側に設けられた前記反射板断熱材とを備えてもよい。

また、前記反射板断熱材が、炉内の側壁および天井の表面に設置されていてもよい。さらに、炉内に、雰囲気撹拌用ファンが設けられていてもよい。そして、８５０℃以上の浸炭雰囲気中で前記被処理体が熱処理されてもよい。

前記反射板断熱材は、不活性ガスあるいは還元性ガスを循環させるガス流入口および流出口が設けられていてもよい。また、前記反射板断熱材の前記複数の反射板は、炉内側が熱反射率５０％以上のニッケル基合金の超耐熱合金からなり、炉外側がステンレスからなるものでもよい。

本発明によれば、熱処理炉内が高温の浸炭雰囲気や酸化雰囲気中であっても、反射板断熱材の反射板が浸炭または酸化されにくく、熱反射率および断熱性能を維持することができる。

本発明にかかる反射板断熱材の例を示す断面図である。本発明にかかる反射板断熱材の異なる例を示す断面図である。本発明にかかる熱処理炉の例を示す断面図である。本発明にかかる熱処理炉の異なる例を示す断面図である。実施例で用いた反射板断熱材を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明にかかる反射板断熱材の実施形態の一例を示す。

反射板断熱材１は、直方体のケース２と、その内部に収容された複数の反射板Ｒで構成されている。ケース２の材質は、耐熱性および耐酸化性に優れた例えばステンレスであり、ＳＵＳ３１０等が用いられる。複数の反射板Ｒは、ケース２の内部に、所定の間隔を有して面同士が並列に収容され、上下が支持部材３で支持されている。複数の反射板Ｒは、互いの面が平行であることが好ましいが、厳密に平行でなくても、略平行であればよい。

ケース２は、直方体の一面が開口になっている本体と、その開口面を塞ぐ蓋とからなる。例えば図１では手前側または奥側の一面が開口面であり、蓋を開放した状態で複数の反射板Ｒをケース２の本体内に装入し、支持部材３の位置に合わせて各反射板Ｒを所定の位置に収容した後、開口面を蓋で塞ぐ。蓋は、溶接やろう接等で隙間を完全に密封するように取り付けても良いが、完全な気密状態に密封されなくても良い。蓋は、炉内の浸炭ガスや酸化ガスのケース２内への侵入を概ね抑制できれば良く、メンテナンス性を考慮すれば、例えば単にはめ込んで取り付けたり、あるいはネジ止め等で固定しても良い。

反射板Ｒの材質は、耐熱性に優れるとともに熱反射率が高い金属板であり、ステンレスや耐熱合金等が好適である。反射板Ｒは複数枚が用いられ、高温部と低温部とで、反射板Ｒの材質を変えても良い。炉内側１１の高温部（本明細書では７００℃〜１０００℃程度の温度域）では、酸化性ガスや浸炭性ガス中でも熱反射率の経時劣化が小さい材質、例えば９５０℃の浸炭ガス雰囲気中で１週間保持した後の熱反射率が５０％以上のものが好ましい。具体的には、ニッケル基合金の超耐熱合金、例えば「ヘインズアロイ」（登録商標）が好ましい。炉外側１２の低温部（本明細書では７００℃未満の温度域）では、浸炭されることはないが、酸化は起こる温度域であるため、酸化されにくいステンレス、例えばＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１０等を用いることが好ましい。さらに温度が低く酸化されにくい温度領域では、ステンレスにＡｇめっき等を施して熱反射率を高めたものを使用すると良い。反射板Ｒの枚数は、合計で８〜１２枚程度が好ましい。枚数が少なすぎると断熱効果が低くなる。一方、枚数が多すぎると、反射板Ｒを収容するケース２が厚くなり、炉内に多くのスペースを要するので、小型の熱処理炉では使用しにくくなる。さらに、低温部の複数の反射板の間に、黒体の板を配置することが好ましい。黒体の板は、市販の黒色の鉄板やＳＵＳなどの表面に耐熱性の黒体塗料を塗布したものであり、反射板だけを配置した場合と比べて断熱効果がさらに向上することがわかってきた。

また、ケース２内での反射板Ｒ同士の間隔は、０．５ｃｍ〜５ｃｍ、さらには１ｃｍ〜４ｃｍが好ましい。間隔が狭すぎると、反射板Ｒ同士が熱変形した際に接触して断熱性が低下する可能性があり、広すぎるとケース２が厚くなりすぎる。

以上の構成を有する本発明の反射板断熱材１にあっては、複数の反射板Ｒが、略密閉されたケース２内に収容されているので、酸化性ガスや浸炭性ガスの侵入を防止または抑制して、ケース２内の反射板の酸化や浸炭を防ぐ。尚、ケース２の外側の表面は、酸化や浸炭によって黒く変色しても、ケース２内の反射板Ｒにより熱反射および断熱効果を維持することができる。

また、ケース２は略密閉されているが、加熱膨張等により、蓋と本体との隙間から炉内雰囲気ガスがケース２内に侵入する可能性がある。そのため、図２に示すように、ケース２に、不活性ガスあるいは還元性ガスを循環させるガス流入口４および流出口５を設けて、ケース２内の雰囲気を不活性ガスあるいは還元性ガスを流すことにより制御し、反射板Ｒの変色を抑制しても良い。

さらに、図２に示すように、炉外側１２のケース２の外側に、さらに断熱材６を取り付けて、ケース２の外周から外部への熱伝導による放熱を抑制しても良い。この断熱材６は、例えば真空断熱パネルや多孔質断熱材等、従来断熱材として使用されてきたものを用いれば良い。

また、本発明においては、反射板断熱材１を、炉内側１１と炉外側１２とで複数（例えば２個）の別体のケースで構成してもよい。例えば、炉内側１１の反射板断熱材１のケースには、ニッケル基合金の超耐熱合金等からなる反射板Ｒを収容し、炉外側１２の反射板断熱材１のケースには、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１０等からなる反射板Ｒを収容する。この場合にも、上記実施形態と同様、外部への熱伝導による放熱を抑制することができる。また、複数のケースの間（接続部）に、フェルト状の断熱パッキンシールなどの断熱材を配置することが好ましく、これにより固体熱伝導が抑制され、断熱性能をさらに向上させることができる。

図３は、本発明にかかる反射板断熱材１を用いた高温熱処理炉１０の一例を示す。熱処理炉１０の外側表面を形成する例えば鉄やステンレス等の金属材料からなる炉殻２１の内側の、天井部および側壁部に、例えば真空断熱材や多孔質断熱材等による断熱層２２が形成されている。床部には、セラミックブロックや耐熱レンガ等の断熱構造材２３が配置されている。そして、天井部および側壁部の断熱層２２の内表面に、例えば図１または図２に示す本発明の反射板断熱材１が設けられる。反射板断熱材１は、なるべく天井および側壁の全面に設け、熱処理炉１０の内部の熱処理室２４を取り囲むようにすることが効果的であるが、必ずしも全面を覆っていなくても構わない。また、反射板断熱材１のケースの内部の反射板Ｒの表面は、熱処理室２４の天井部や側壁部の面に略平行とし、反射効果を大きくするような配置とすることが好ましい。熱処理室２４内には、例えば被処理体２０を囲むようにヒータ２５が設けられ、熱処理室２４内が８００℃〜１１００℃、浸炭処理において好ましくは８５０℃〜１０５０℃程度に加熱されて、熱処理室２４に搬入された被処理体２０に対して浸炭等の熱処理が行われる。

図４は、本発明にかかる高温熱処理炉３０の異なる実施形態の例を示し、図３の構成に加えて、炉内上部に雰囲気撹拌用のファン２６を設けたものである。従来、複数の反射板からなる反射板断熱材を用いた熱処理炉では、雰囲気を撹拌することにより、反射板Ｒの間に処理ガスが流れ込んで断熱性が低下するという問題が生じていたが、本発明では、反射板Ｒがケース２で覆われているため、反射板Ｒの間に、比較的温度の低い処理ガスが入り込むことがなく、断熱性を維持できる。また、複数の反射板の間に対流が起こって炉内の雰囲気や温度分布に影響を与えることもない。しかも、メンテナンス時には、ケース２ごと取り出すことができるので、炉の中で長時間作業をすることなく交換等が行える。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

［本発明例１］
図５に示す反射断熱材１として、厚さ１ｍｍのＳＵＳ３１０Ｓ製の直方体のケース２と、同じ材質のケースの蓋を準備した。このケース２の中に、ＳＵＳ３０４製の１０枚の反射板（図５におけるＲ１が２枚、Ｒ２が２枚、Ｒ３が２枚、Ｒ４が４枚）を、支持部材により反射板の板面が互いに略平行になるように並列に保持させた後、ケースの蓋を被せて密閉した。反射板の板厚は全て１．０ｍｍであり、炉内側から１枚目〜６枚目（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）の反射板の間隔はいずれも１０ｍｍとし、炉内側から６枚目と７枚目（Ｒ３の炉外側とＲ４の最も炉内側）の反射板の間隔は３０ｍｍとし、炉内側から７枚目〜１０枚目の反射板の間隔は２０ｍｍとした。また、ケース２の炉内側の面と炉内側から１枚目（Ｒ１の炉外側）の反射板、ケース２の炉外側の面と炉内側から１０枚目（Ｒ４の最も炉外側）の反射板の間隔は２０ｍｍとした。すなわち反射板断熱材１の厚さは１９２ｍｍ（２０ｃｍ以下）となった。

上記の構造の反射板断熱材１を、浸炭雰囲気、９５０℃の温度に１週間曝した後（ケース２の表面が黒色に変色）、反射板断熱材１の炉内側１１のケース２の表面温度を９５０℃としたときの、炉外側１２のケース２の表面から放出される輻射熱エネルギーを計算したところ、約２１Ｗ／ｍ^２であった。

［本発明例２］
図５に示すように、炉内側から順に、ヘインズアロイ製の反射板Ｒ１を２枚、ＳＵＳ３０４製の反射板Ｒ２を２枚、ＳＵＳ３０４の表面を鏡面磨きした反射板Ｒ３を２枚、ＳＵＳ３０４の表面にＡｇメッキを施した反射板Ｒ４を４枚、合計１０枚の反射板Ｒをケース２の内部に取り付けた以外は、本発明例１と同様の反射板断熱材を作製した。

本発明例１と同様の条件で、炉外側１２のケース２の表面から放出される輻射熱エネルギーを計算したところ、約１４Ｗ／ｍ^２であった。

［本発明例３］
炉内側から順に、ヘインズアロイ製の反射板Ｒ１を２枚、ＳＵＳ３０４製の反射板Ｒ２を２枚、ＳＵＳ３０４の表面を鏡面磨きした反射板Ｒ３を２枚、ＳＵＳ３０４の表面にＡｇメッキを施した反射板Ｒ４を３枚、合計９枚の反射板Ｒをケース２の内部に取り付けた以外は、本発明例１と同様の反射断熱材を作製した。

本発明例１と同様の条件で、炉外側１２のケース２の表面からの輻射熱エネルギーを計算したところ、約２０Ｗ／ｍ^２であった。すなわち本発明例１の反射断熱材よりも２１ｍｍ（約１０％）厚さを減じた本発明例３でも、本発明例１と同等以上の断熱性が得られた。

［本発明例４］
炉内側から順に、ヘインズアロイ製の反射板Ｒ１を２枚、ＳＵＳ３０４製の反射板Ｒ２を２枚、ＳＵＳ３０４の表面を鏡面磨きした反射板Ｒ３を２枚、ＳＵＳ３０４の表面に黒体塗料を塗布した黒体からなる板（炉内側１２から７枚目）を１枚、ＳＵＳ３０４の表面にＡｇメッキを施した反射板Ｒ４（炉内側１２から８枚目、９枚目、１０枚目）を３枚、合計１０枚の反射板Ｒをケース２の内部に取り付けた以外は、本発明例１と同様の反射断熱材を作製した。

本発明例１と同様の条件で、炉外側１２のケース２の表面からの輻射熱エネルギーを計算したところ、約５Ｗ／ｍ^２であった。黒体の板を複数の反射板の間に配置したことにより、大幅に断熱性能が向上することがわかった。

［本発明例５］
炉内側から順に、ヘインズアロイ製の反射板Ｒ１を２枚、ＳＵＳ３０４製の反射板Ｒ２を２枚、ＳＵＳ３０４の表面を鏡面磨きした反射板Ｒ３を２枚、ＳＵＳ３０４の表面に黒体塗料を塗布した黒体からなる反射板Ｒ４（炉内側１２から７枚目）を１枚、ＳＵＳ３０４の表面にＡｇメッキを施した反射板Ｒ４（炉内側１２から８枚目）を１枚、合計８枚の反射板Ｒをケース２の内部に取り付けた以外は、本発明例１と同様の反射断熱材を作製した。

本発明例１と同様の条件で、炉外側１２のケース２の表面からの輻射熱エネルギーを計算したところ、約１７Ｗ／ｍ^２であった。すなわち、黒体の板を複数の反射板の間に配置することにより、本発明例１の反射断熱材よりも４２ｍｍ（約２０％）厚さを減じた本発明例５でも、本発明例１と同等以上の断熱性が得られた。

なお、本発明例１〜５の反射断熱材１の炉外側１２のケース２の外側に、厚さが５ｃｍの真空断熱パネルの断熱材６を取り付け、図３または図４に示す構造の熱処理炉１０を構築することにより、断熱性能およびメンテナンス性に優れた熱処理炉を提供することができる。

［比較例］
比較例として、反射板Ｒがケース２に収容されていない以外は、本発明例１と同様の構造のケース２の内部に反射板が１０枚保持された反射板断熱材１を作製した。

本発明例１と同様の条件で、炉外側１２の反射板の表面からの輻射熱エネルギーを計算したところ、約２０００Ｗ／ｍ^２であった。これは、反射板が浸炭により黒体（黒色）となったためで、断熱材としての役目をなしていないことを示す。

また、参考例として、反射板断熱材１の代わりに、無定型シリカ等からなる微細多孔構造の厚さ２００ｍｍの断熱材「マイクロサーム」（商標登録）を使用し、同様の熱条件に曝した。この場合の炉外側１２のマイクロサーム表面の放散熱（輻射エネルギーの他に熱伝導等による熱放散も含まれる）は約２１００Ｗ／ｍ^２であった。

本発明は、高温の浸炭処理や酸化処理などの熱処理炉に適用できる。

１反射板断熱材
２ケース
３支持部材
１０、３０熱処理炉
１１炉内側
１２炉外側
２０被処理体
２１炉殻
２２断熱層
２３断熱構造材
２４熱処理室
２５ヒータ
２６ファン
Ｒ反射板

Claims

被処理体を８５０℃〜１１００℃で熱処理する熱処理炉であって、
炉内に反射板断熱材を備え、
前記反射板断熱材は、熱を反射する複数の反射板が、間隔を有して面同士が並列に配置され、密閉されたケース内に収容されていることを特徴とする、熱処理炉。
外周を覆う炉殻層と、前記炉殻層の内側に設けられた断熱層と、前記断熱層の内側に設けられた前記反射板断熱材とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱処理炉。
前記反射板断熱材が、炉内の側壁および天井の表面に設置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱処理炉。
炉内に、雰囲気撹拌用ファンが設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の熱処理炉。
８５０℃以上の浸炭雰囲気中で前記被処理体が熱処理されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の熱処理炉。
前記反射板断熱材は、不活性ガスあるいは還元性ガスを循環させるガス流入口および流出口が設けられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の熱処理炉。
前記反射板断熱材の前記複数の反射板は、炉内側が熱反射率５０％以上のニッケル基合金の超耐熱合金からなり、炉外側がステンレスからなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の熱処理炉。