JP6372138B2

JP6372138B2 - 熱処理方法

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Publication number: JP6372138B2
Application number: JP2014076571A
Authority: JP
Inventors: 真一郡山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2034-04-02
Also published as: JP2015196893A

Description

本発明は、複数のワークを搬送しつつ、当該複数のワークに対して熱処理を行う熱処理方法に関する。

従来、熱処理炉において、ワークを搬送しつつ、当該ワークに対して熱処理を行う技術が広く知られている。

例えば、特許文献１には、長尺の板状のワークを搬送しつつ、当該ワークに塗装を行うと共に、塗装されたワークを加熱する技術が開示されている。
特許文献１の技術においては、ワークの搬送速度に応じて、ファンによって炉内に供給される熱風の量を調整することにより、ワークを均一に加熱することを実現している。

しかしながら、特許文献１の技術を用いて、複数のワークに対して熱処理を行う場合、単位時間あたり（例えば、１回の操業あたり）のワークの処理数を変更することを考慮していないため、単位時間あたりのワークの処理数が少ないときには、ワークが存在しない無駄なスペースが炉内に形成され、ワークを加熱するためのエネルギーが無駄に消費されることとなる。

特開２００５−１５８７３号公報

本発明は、複数のワークに対して効率的に熱処理を行い、省エネルギーを実現可能な熱処理方法を提供することを課題とする。

本発明に係る熱処理方法は、複数のワークを搬送しつつ、当該複数のワークに対して熱処理を行う熱処理方法であって、前記ワークの温度変化が定義された複数の熱処理パターンを用意する工程と、熱処理が行われる前記ワークの数に基づいて、前記複数の熱処理パターンのうちの一つを選択する工程と、選択された一つの熱処理パターンに従って、前記複数のワークに対して熱処理を行う工程と、を含む。

本発明によれば、複数のワークに対して効率的に熱処理を行い、省エネルギーを実現できる。

本発明に係る熱処理炉を示す図。複数の熱処理パターンを示す図であり、（ａ）は、操業度が１００の場合における熱処理パターンを示す図、（ｂ）は、操業度が７５の場合における熱処理パターンを示す図、（ｃ）は、操業度が５０の場合における熱処理パターンを示す図。操業度と、当該操業度に応じた熱処理パターンに従って熱処理が施された複数のワークの硬度との関係を示す図。ワークの昇温時間と、単位時間あたりの使用エネルギーとの関係の一例を示す図。従来の熱処理工程の情報を示す図であり、（ａ）は、操業度が１００の場合における従来の熱処理工程の情報を示す図、（ｂ）は、操業度が５０の場合における従来の熱処理工程の情報を示す図。操業度が５０の場合における本発明に係る熱処理工程の情報を示す図。熱処理パターンの別形態を示す図。

以下では、図面を参照して、本発明に係る熱処理方法の一実施形態である熱処理工程について説明する。
前記熱処理工程は、熱処理炉１を用いて、複数のワークＷ・Ｗ・・・に所定の熱処理（本実施形態においては、時効処理）を行う工程である。
熱処理炉１は、複数のワークＷ・Ｗ・・・を搬送しつつ、複数のワークＷ・Ｗ・・・に熱処理を行う装置である。
ワークＷは、熱処理炉１の処理対象としての部材（例えば、アルミニウム合金）である。

図１に示すように、熱処理炉１は、炉体１０と、搬送装置２０と、制御装置３０とを具備する。

炉体１０は、内部にトンネル状の空間が形成された中空の部材である。
炉体１０は、その内部の雰囲気を加熱する、バーナー等の熱源（不図示）と、炉体１０の内部の雰囲気を循環させるファン（不図示）と、炉体１０の内部の雰囲気の温度を計測する、熱電対等の温度センサ（不図示）とを有する。

搬送装置２０は、複数のワークＷ・Ｗ・・・が炉体１０内のトンネル状の空間を通過するように、複数のワークＷ・Ｗ・・・を直線状に搬送する。また、搬送装置２０は、複数のワークＷ・Ｗ・・・を搬送方向に沿って一列とした状態で搬送する。搬送装置２０によって炉体１０内に搬送されたワークＷ・Ｗ・・・は、炉体１０内において熱処理が施されることとなる。搬送装置２０としては、ローラコンベヤまたはチェーンコンベヤ等を適用可能である。
なお、図１における黒塗り矢印は、搬送装置２０による複数のワークＷ・Ｗ・・・の搬送方向を示している。

制御装置３０は、炉体１０に設けられた部材（前記熱源等）と、搬送装置２０とを制御する装置である。
制御装置３０は、前記熱源、および前記温度センサと電気的に接続されており、前記温度センサによって計測された炉体１０内の温度に基づいて、前記熱源の制御（例えば、ＰＩＤ制御）を行う。
さらに、制御装置３０は、前記ファン、および搬送装置２０と電気的に接続されており、前記ファンの風量、および搬送装置２０の搬送速度を制御可能に構成されている。

制御装置３０には、炉体１０内におけるワークＷの温度変化が定義された複数の熱処理パターンが格納されている。制御装置３０は、熱処理炉１の操業度に応じて、前記複数の熱処理パターンから一つを選択し、選択した熱処理パターンに従って、炉体１０に設けられた部材（前記熱源等）と、搬送装置２０とを制御する。
ここで、操業度とは、熱処理炉１が一回の操業において熱処理可能なワークＷの最大数に対する、実際に熱処理されるワークＷの数の割合である。
本実施形態においては、熱処理炉１が一回の操業において熱処理可能なワークＷの最大数を１００とする。この場合、例えば、熱処理炉１が一回の操業で実際に熱処理するワークＷの数が１００であれば、操業度が１００となり、熱処理炉１が一回の操業で実際に熱処理するワークＷの数が５０であれば、操業度が５０となる。
なお、操業度は、例えば、作業者によって制御装置３０に入力される。

図２に、前記複数の熱処理パターンとしての、三つの熱処理パターンＰ１００・Ｐ７５・Ｐ５０を示す。
図２（ａ）は、操業度が１００の場合に選択される熱処理パターンＰ１００を示すグラフである。図２（ａ）のグラフにおける横軸は、ワークＷの熱処理開始からの経過時間、同じく縦軸は、ワークＷの温度を示している。
図２（ａ）に示すように、熱処理パターンＰ１００は、昇温時間ｔ＿ｈ１の間に熱処理温度ＴａまでワークＷの温度を上昇させ、均熱時間ｔ＿ｓの間、ワークＷの温度を熱処理温度Ｔａに保持することを示している。また、熱処理パターンＰ１００は、熱処理時間ｔ１の間、ワークＷに熱処理を行うことを示している（ｔ１＝ｔ＿ｈ１＋ｔ＿ｓ）。

図２（ｂ）は、操業度が７５の場合に選択される熱処理パターンＰ７５を示すグラフである。図２（ｂ）のグラフにおける横軸は、ワークＷの熱処理開始からの経過時間、同じく縦軸は、ワークＷの温度を示している。
図２（ｂ）に示すように、熱処理パターンＰ７５は、昇温時間ｔ＿ｈ２の間に熱処理温度ＴａまでワークＷの温度を上昇させ、均熱時間ｔ＿ｓの間、ワークＷの温度を熱処理温度Ｔａに保持することを示している。また、熱処理パターンＰ７５は、熱処理時間ｔ２の間、ワークＷに熱処理を行うことを示している（ｔ２＝ｔ＿ｈ２＋ｔ＿ｓ）。
なお、昇温時間ｔ＿ｈ２は、昇温時間ｔ＿ｈ１よりも大きく設定されている（ｔ＿ｈ２＞ｔ＿ｈ１）。
また、熱処理時間ｔ２は、熱処理時間ｔ１の約１．３３倍に設定されている（ｔ２＝ｔ１＊（１００／７５））。

図２（ｃ）は、操業度が５０の場合に選択される熱処理パターンＰ５０を示すグラフである。図２（ｃ）のグラフにおける横軸は、ワークＷの熱処理開始からの経過時間、同じく縦軸は、ワークＷの温度を示している。
図２（ｃ）に示すように、熱処理パターンＰ５０は、昇温時間ｔ＿ｈ３の間に熱処理温度ＴａまでワークＷの温度を上昇させ、均熱時間ｔ＿ｓの間、ワークＷの温度を熱処理温度Ｔａに保持することを示している。また、熱処理パターンＰ５０は、熱処理時間ｔ３の間、ワークＷに熱処理を行うことを示している（ｔ３＝ｔ＿ｈ３＋ｔ＿ｓ）。
なお、昇温時間ｔ＿ｈ３は、昇温時間ｔ＿ｈ２よりも大きく設定されている（ｔ＿ｈ３＞ｔ＿ｈ２）。
また、熱処理時間ｔ３は、熱処理時間ｔ１の２倍に設定されている（ｔ３＝ｔ１＊（１００／５０））。

このように、制御装置３０には、操業度に応じた三つの熱処理パターンＰ１００・Ｐ７５・Ｐ５０が格納されている。
熱処理パターンＰ１００・Ｐ７５・Ｐ５０においては、熱処理温度はＴａで同一であり、均熱時間はｔ＿ｓで同一であるが、昇温時間が互いに異なっている。熱処理パターンＰ１００・Ｐ７５・Ｐ５０においては、昇温時間を調整することによって、操業度ごとに異なる熱処理時間を設定している。
なお、本発明に係る複数の熱処理パターンは、ワークに対して所定の熱処理を行った際に、当該ワークが所望の特性を有するように設定される。
本実施形態においては、熱処理炉１がワークＷに対して時効処理を行うため、図３に示すように、操業度ごとに異なる熱処理時間を設定した場合でも、熱処理炉１によって熱処理されたワークＷの硬度が規格範囲内に入るように、熱処理パターンＰ１００・Ｐ７５・Ｐ５０が設定されている。
なお、図３は、操業度と、当該操業度に応じた熱処理パターンに従って熱処理が施された複数のワークＷの硬度との関係を示す図である。

操業度ごとに異なる熱処理時間を設定する場合、各ワークＷが炉体１０内に位置している時間を変更する必要がある。これは、設定する熱処理時間に応じて、搬送装置２０の搬送速度を変更することによって実現できる。つまり、操業度が１００よりも小さい場合には、熱処理時間を長くするため、搬送装置２０の搬送速度を小さくすればよい。
本実施形態の場合、熱処理炉１の一回の操業に要する時間は、操業度が１００の場合を基準に設定されていて、常に一定であるため、操業度に応じて搬送装置２０の搬送速度を変更することにより、ワークＷが存在しない無駄なスペースが、炉体１０内における搬送装置２０上に形成されることを防止できる。例えば、操業度が５０の場合は、操業度が１００の場合に比べて半分の搬送速度に変更することにより、搬送装置２０上に無駄なスペースが形成されることを防止できる。

また、操業度ごとに異なる熱処理時間を設定する場合、前述のようにワークＷの均熱時間は一定であるため、ワークＷの昇温時間を変更する必要がある。これは、設定する熱処理時間に応じて、前記ファンの風量を変更することによって実現できる。
なお、前記ファンの風量は、熱処理炉１の単位時間あたりの使用エネルギーに比例する。
また、ワークＷの昇温時間を長くするためには、前記ファンの風量を小さくする必要がある。
そのため、図４に示すように、昇温時間が長くなるにつれて、単位時間あたりの使用エネルギーが小さくなる。
つまり、操業度が小さくなるにつれて、単位時間あたりの使用エネルギーが小さくなる。
具体的には、操業度が１００の場合には、昇温時間ｔ＿ｈ１に対して、単位時間あたりの使用エネルギーが１００となる。操業度が７５の場合には、昇温時間ｔ＿ｈ２に対して、単位時間あたりの使用エネルギーが８５となる。操業度が５０の場合には、昇温時間ｔ＿ｈ３に対して、単位時間あたりの使用エネルギーが７５となる。
なお、図４は、ワークＷの昇温時間と、単位時間あたりの使用エネルギーとの関係の一例を示す図である。

図５（ａ）に示すように、従来の熱処理工程においては、熱処理パターンＰ１００と同様の熱処理パターンを適用したとすると、操業度が１００の場合、熱処理時間がｔ１であり、単位時間あたりの使用エネルギーが１００であるため、エネルギー原単位は、１００／１００＝１．０となる。なお、熱処理時間がｔ１である場合、搬送装置の搬送速度がｖ１となっている。
そして、図５（ｂ）に示すように、操業度が５０となった場合、熱処理時間がｔ１、単位時間あたりの使用エネルギーが１００、と操業度が１００の場合と変わらないため、エネルギー原単位は、１００／５０＝２．０となって、操業度が１００の場合よりも大きくなる。
つまり、従来の熱処理工程においては、操業度が小さくなった場合でも、熱処理パターンは同一であるため、搬送装置の搬送速度が変化せず、ワークが存在しない無駄なスペースが炉体内における搬送装置上に形成され、ワークを加熱するためのエネルギーが無駄に消費されることとなる。さらに、ファンの風量も変化しないため、ワークの処理数に対して余分なエネルギーが消費されることとなる。

これに対して、図６に示すように、本発明に係る熱処理工程においては、操業度が５０となった場合、熱処理パターンＰ５０（図２（ｃ）参照）が選択され、熱処理時間がｔ１の２倍であるｔ３となるため、搬送装置２０の搬送速度がｖ１の半分であるｖ３に設定される。さらに、昇温時間がｔ＿ｈ３となるため、単位時間あたりの使用エネルギーが７５となる（図４参照）。
したがって、本発明に係る熱処理工程においては、操業度が５０となった場合、エネルギー原単位は、７５／５０＝１．５となり、従来の熱処理工程と比較して、効率的に熱処理を行うことができ、省エネルギーを実現できる。
また、操業度が７５となった場合においても、同様にエネルギー原単位を算出すると、従来の熱処理工程においては、１００／７５＝約１．３３であるのに対し、本発明に係る熱処理工程においては、８５／７５＝約１．１３となり、省エネルギーが実現されている。

以上のように、前記熱処理工程によれば、ワークＷの処理数に応じて熱処理炉１の処理能力を変更するため、熱処理炉１の操業状態の平準化、およびワークＷの余剰在庫の抑制等が実現できる。

なお、本実施形態においては、熱処理温度がＴａで同一である三つの熱処理パターンＰ１００・Ｐ７５・Ｐ５０を用いたが、ワークＷが所望の硬度を得ることができれば、熱処理温度Ｔａ以外の熱処理温度とした熱処理パターンを用いることも可能である。
例えば、図７に示すように、操業度が５０の場合における熱処理パターンは、熱処理パターンＰ５０と同一に設定しているが、操業度が７５の場合における熱処理パターンの熱処理温度を、Ｔａよりも高いＴｂとし、操業度が１００の場合における熱処理パターンの熱処理温度を、Ｔｂよりも高いＴｃとしてもよい。
この場合、ワークＷの均熱時間は、熱処理パターンごとに異なる値に設定される。

１熱処理炉
１０炉体
２０搬送装置
３０制御装置
Ｗワーク

Claims

炉体と搬送装置とを具備する熱処理炉を用いて、複数のワークを搬送しつつ、当該複数のワークに対して熱処理を行う熱処理方法であって、
前記ワークの熱処理温度と、前記ワークの熱処理開始から前記熱処理温度に到達するまでの昇温時間と、前記ワークを前記熱処理温度に保持する均熱時間とを含む、前記ワークの温度変化が定義された複数の熱処理パターンを用意する工程と、
前記熱処理炉が一回の操業において熱処理可能な前記ワークの最大数に対する、実際に熱処理される前記ワークの数の割合で定義される操業度に基づいて、前記複数の熱処理パターンのうちの一つを選択する工程と、
選択された一つの熱処理パターンに従って、前記複数のワークに対して熱処理を行う工程と、を含み、
前記操業度が相対的に小さいときに、前記昇温時間が相対的に長い前記熱処理パターンを選択する
ことを特徴とする熱処理方法。