JP6548895B2 - ヒーターユニット及び浸炭炉 - Google Patents

Description

本発明は、ワークの浸炭処理を行う浸炭炉用のヒーターユニットに関する。

被処理体の熱処理を行う熱処理炉内には、炉内雰囲気を加熱するためのヒーターが設けられる。熱処理炉に用いられるヒーターとして、例えば、特許文献１には連続熱処理炉に用いられる面状金属ヒーターが記載されている。また、特許文献２には、加熱炉の内壁に沿って配置されたカンタル（登録商標）ヒーターが記載されている。特許文献３には、発熱体の形状がＵ字形のヒーター又はＵ字形の発熱体を連ねた蛇腹状のヒーターが記載されている。特許文献４には、加熱炉の側壁から水平に挿入されるように設けられた蛇腹状のヒーターが記載されている。このように、熱処理炉用のヒーターには、様々な種類のものがある。

上記のようなヒーターは、低炭素鋼のワークに浸炭処理を施す浸炭炉にも採用される。浸炭炉の炉壁は、外壁（鉄皮）と複数の断熱材で構成されることが一般的である。浸炭炉用のヒーターは、炉壁の最も内側に位置する断熱材（以下、「第１の断熱材」という）に面して配置される。

しかし、ヒーターは、熱を発熱体から放射状に放出する構造であるため、炉内側だけでなく、外壁側に対しても熱が放出する。即ち、上記の第１の断熱材にも熱が供給されることになり、第１の断熱材の炉内側表面の温度は９００℃近くになってしまう。

一方、浸炭炉内においては、浸炭処理中に導入される浸炭ガスや、浸炭処理後に残留する浸炭ガスにより、炉内にスーティング（煤が付着する現象）が発生する。スーティングは、温度が７００〜８００℃となった際に特に発生しやすく、その温度域においては煤の付着量が多くなる。

前述の通り、第１の断熱材の炉内側表面の温度は９００℃であるため、第１の断熱材の外壁側表面の温度は、８００℃以下の温度となる。即ち、第１の断熱材の外壁側表面の温度は、スーティングが発生し始める温度となる。このため、従来の浸炭炉においては、第１の断熱材と、第１の断熱材の更に外側に位置する断熱材（以下、「第２の断熱材」という）との間でスーティングが発生していた。

第１の断熱材と第２の断熱材との間でスーティングが発生し続けると、断熱材間で煤の厚みが増していく。これにより、第１の断熱材が炉内側に押し出されていく。そのままの状態が続くと、第１の断熱材の浮き上がりや炉内側への脱落が起こるおそれがある。このため、従来は、断熱材間に付着した煤を燃焼して除去するバーンアウトを実施していた。

特開２０１２−２３３６４９号公報 特開平１０−２７３３９６号公報 特開２０００−２５２０４７号公報 特開２００１−７４２２６号公報

しかしながら、バーンアウトを実施している間は、ワークの浸炭処理を行うことができない。即ち、定期的にバーンアウトを実施することは、生産性を低下させる要因となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、断熱材の外壁側表面におけるスーティングの発生を抑制し、生産性を向上させることを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、浸炭炉用ヒーターユニットであって、炉内雰囲気を加熱するヒーターと、ヒーターの輻射熱を反射する反射板を有したヒーター支持部材とを備え、前記ヒーター支持部材に前記ヒーターの発熱部が取り付けられ、前記発熱部を構成する発熱体が蛇腹状に形成され、前記ヒーター支持部材には、前記発熱体の曲線部前面と前記反射板の端部背面を覆う凹部が設けられていることを特徴としている。
また、別の観点による本発明は、浸炭炉用ヒーターユニットであって、炉内雰囲気を加熱するヒーターと、ヒーターの輻射熱を反射する反射板を有したヒーター支持部材とを備え、前記ヒーター支持部材に前記ヒーターの発熱部が取り付けられ、前記発熱部を構成する発熱体が蛇腹状に形成され、前記ヒーター支持部材は、前記発熱体の直線部の長手方向に沿って延びた、該発熱体の直線部を支持する直線支持部を有し、前記直線支持部は、前記発熱体の隣り合う直線部間に突出するように形成され、前記直線支持部の端部は、前記発熱体の曲線部の近傍に位置し、前記ヒーター支持部材には、前記発熱体の曲線部前面と前記反射板の端部背面を覆う凹部が設けられていることを特徴としている。

本発明に係るヒーターユニットを浸炭炉に取り付ければ、ヒーターの発熱部が輻射熱を反射するヒーター支持部材に取り付けられていることにより、発熱部から外壁側に放出される輻射熱をヒーター支持部材で反射させることができる。これにより、炉壁の最も内側にある断熱材の炉内側表面の温度を下げることができる。このため、その断熱材の炉内側表面でスーティングを発生させることができる。即ち、炉壁の最も内側に位置する断熱材の外壁側表面でスーティングが発生することを防ぐことができる。

本発明によれば、スーティングの発生に起因する断熱材の浮き上がりや脱落を防ぐことができる。その結果、バーンアウトの実施周期を長くすることが可能となり、生産性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る浸炭炉の概略構成を示す平面図である。 図１中のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施形態に係るヒーターユニットの概略構成を示す正面図である。 本発明の実施形態に係るヒーターユニットの概略構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るヒーターの概略構成を示す正面図である。 図３中のＢ−Ｂ断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るヒーターユニットについて、図面を参照しながら説明する。以下の説明においては、本実施形態に係るヒーターユニットを浸炭処理に係る一連の熱処理を行う連続式浸炭炉に適用した例を示す。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に示すように、本実施形態に係る浸炭炉１は、平面視において方形状の外形を有している。その浸炭炉１の四隅のうちの一隅の炉床には、ワークＷを搬入する搬入口２が形成されている。図１，図２に示すように、浸炭炉内の中央部には、一方の側壁から他方の側壁に向かって延びるようにして耐熱レンガ３が配置されている。耐熱レンガ３は、炉床及び天井部に接するように設けられている。搬入口２から搬入されたワークＷは、その耐熱レンガ３の周囲に沿って搬送される。ワーク搬送方向Ｔの下流にある浸炭炉１の側壁部には、ワークＷを搬出する搬出口４が形成されている。

浸炭炉１の炉壁５は、鉄皮等から成る外壁６と、外壁６の内側に設けられた断熱材７で構成されている。断熱材７は、炉壁５の最も内側に位置する第１の断熱材７ａと、第１の断熱材７ａの外側に設けられた第２の断熱材７ｂで構成された複層構造となっている。なお、炉壁５を構成する断熱材７は、例えばロスリム（登録商標）ボード等の高性能断熱材を用いることが好ましい。

また、炉内には、昇降式の仕切扉８（図２には不図示）が複数設けられている。これらの各仕切扉８が閉じている場合には、仕切扉８、炉壁５、耐熱レンガ３により複数の密閉空間が形成される。各密閉空間は、ワークＷに所望の熱処理を施す熱処理室９として機能する。

本実施形態に係る浸炭炉１では、仕切扉８により炉内が８つに区分けされる。各熱処理室９は、搬入口２が形成された熱処理室を第１昇温室９ａとして、搬送方向Ｔに沿って順に、第２昇温室９ｂ、第１浸炭室９ｃ、第２浸炭室９ｄ、第３浸炭室９ｅ、拡散室９ｆ、降温室９ｇ、焼入れ室９ｈとして機能する。

また、浸炭炉１の側壁部および耐熱レンガ３には、炉内雰囲気を加熱するヒーターユニット１０が設けられている。ヒーターユニット１０は、温度の低い状態で搬入されたワークＷを加熱するために、搬送ラインの前半の熱処理室９に配置されている。本実施形態においては、第１昇温室９ａから第２浸炭室９ｄまでの各熱処理室９に設けられている。

図３，図４に示すように、本実施形態に係るヒーターユニット１０は、発熱源となるヒーター２０と、ヒーター支持部材３０から構成されている。図５に示すように、本実施形態に係るヒーター２０は、発熱体２１（例えばカンタル線）で構成される発熱部Ｇと、発熱体２１の両端部に接続されたリード線２２で構成される。発熱体２１は、１本の管状部材であり、一方のリード線２２との接続箇所から他方のリード線２２との接続箇所までの間で、繰り返し折り曲げられるようにして蛇腹状に形成されている。

発熱体２１の直線部２１ａは、図５に示すようなヒーター正面視において、発熱部Ｇの長手方向に対して垂直となるように形成されている。ここで、本明細書における「発熱部」とは、図５に示すようなヒーター正面視において、発熱体２１に接する水平面と鉛直面に囲まれた部分を指す。本実施形態における発熱部Ｇは、図５に示す破線で囲まれた部分となる。なお、本実施形態においては、ヒーター正面視における発熱部Ｇの長さが、水平方向Ｈの長さより鉛直方向Ｖの方が長いため、鉛直方向Ｖが発熱部Ｇの長手方向となる。

発熱体２１は、発熱中に熱膨張によって伸びが生じるが、この伸びが同一方向に蓄積していくと、ヒーター２０がヒーター支持部材３０から外れるおそれがある。例えば、発熱体２１の直線部２１ａが発熱部Ｇの長手方向に向いている場合には、同一方向の伸びが蓄積しやすい。このため、ヒーター２０がヒーター支持部材３０から脱落するおそれがある。また、同一方向の伸びが蓄積しやすい状態では、直線部２１ａが熱膨張で長くなることによって、図４に示すような平面視において、発熱体２１の曲線部２１ｂが直線部２１ａの前方又は後方に位置するような反りが生じるおそれがある。これにより、ヒーター２０としての平面性が損なわれ、熱分布が不均一になるおそれがある。

これに対して、本実施形態に係る発熱体２１の直線部２１ａは、前述の通り、発熱部Ｇの長手方向に対して垂直となるように形成されている。このため、熱膨張による伸びの蓄積を軽減することができる。これにより、ヒーター２０がヒーター支持部材３０から外れる等の不具合の発生を抑制することができる。また、直線部２１ａが発熱部Ｇの長手方向に向いている場合に比べて、発熱体２１の熱膨張による反りを抑制することができる。これにより、ヒーター２０としての平面性を維持することができるため、熱分布が不均一になることを防ぐことができる。

また、本実施形態に係る発熱体２１は、図６の縦断面図に示すように、直線部２１ａが一直線上に並ぶような形状を有している。即ち、ヒーター２０の発熱体２１は、側面視において、任意の１平面に対して全ての直線部２１ａが接するように平面状に形成されている。このように発熱体２１が側面視において平面状に形成されていることにより、炉内雰囲気に対する発熱体２１の放熱量を均一にすることが可能となり、炉内温度を均一にしやすくなる。これにより、浸炭処理品質を向上させることができる。

図３，図４に示すように、ヒーター支持部材３０は、リアプレート３１と、ヒーター２０の輻射熱を反射する反射板３２と、発熱体２１の炉内側への移動を制限するサポート部材３３で構成されている。なお、本実施形態においては、リアプレート３１はＳｉＣで形成され、反射板３２及びサポート部材３３はムライトで形成されている。

図３，図４に示すように、リアプレート３１とサポート部材３３は、ボルト固定されている。サポート部材３３は、リアプレート３１の両側端部と中央部にそれぞれ設けられている。図４の平面視で示されるように、各サポート部材３３には、発熱体２１の直線部２１ａの長手方向に突出する突出部３３ａが形成されている。このように突出部３３ａが形成されていることにより、凹部３３ｂも形成される。凹部３３ｂは、発熱体２１の曲線部前面と反射板端部の背面を覆うように形成されている。

各突出部３３ａは、図３に示すように、発熱体２１の曲線部２１ｂを覆うような長さを有している。このため、発熱体２１が炉内側に移動しそうになったとしても、その突出部３３ａ（以下、「曲線支持部３３ａ」という）によって、発熱体２１の曲線部２１ｂの移動を制限することができる。これにより、ヒーター２０がヒーター支持部材３０から外れることを防ぐことができる。

また、曲線支持部３３ａは、図３に示すような正面視において、発熱体２１の曲線部２１ｂを全て覆ってはおらず、曲線部２１ｂの一部のみを覆っている。これにより、発熱体２１の曲線部２１ｂが露出する面積が増え、炉内側に放出する熱量を増やすことができる。

また、曲線支持部３３ａは複数設けられているが、各曲線支持部３３ａは、発熱体２１の隣り合う曲線部２１ｂの間隔Ｐと、同一の間隔で設けられている。このため、ヒーター正面視において露出する各曲線部２１ｂの面積がそれぞれ等しくなる。これにより、発熱体２１から炉内側に放出される熱量を均一にすることができる。その結果、炉内雰囲気の均熱を保つことが可能となり、浸炭処理品質を向上させることができる。

また、発熱体２１の曲線部２１ｂ及び反射板３２の端部が凹部３３ｂに配置される構造とすることで、発熱体２１と反射板３２との間に形成される隙間の設定を容易に行うことが可能となる。また、曲線部２１ｂが凹部３３ｂに配置されていることにより、発熱体２１の熱膨張に伴うヒーター２０の設定位置からのずれを防ぐことができる。

なお、発熱体２１と反射板３２との間には、５ｍｍ以上の隙間が形成されていることが好ましい。これにより、後述の輻射熱を反射させる効果を向上させることが可能となる。一方、発熱体２１と反射板３２との隙間は、２００ｍｍ以下であることが好ましい。隙間が２００ｍｍを超えると、炉内容積を大きくすることが必要となり、炉の大型化につながってしまう。発熱体２１と反射板３２の更に好ましい隙間は、５ｍｍ〜１００ｍｍである。

また、リアプレート３１と反射板３２との間には、５ｍｍ以上、２００ｍｍ以下の隙間が形成されていることが好ましい。リアプレート３１と反射板３２の隙間が大きくなると、炉の大型化につながる。リアプレート３１と反射板３２の更に好ましい隙間は、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下である。

また、図４に示すように、リアプレート３１の背面には、固定金具３４の先端部が取り付けられている。固定金具３４の先端部は二又形状となっており、リアプレート３１を貫通した状態となっている。また、固定金具３４の各先端部には、それぞれ平板部材３６が取り付けられている。一方、固定金具３４の後端部は、図１に示すように、炉壁５の外壁６に取り付けられるか、あるいは、耐熱レンガ３に埋め込まれた状態となっている。このように固定金具３４が取り付けられることで、リアプレート３１の前倒れを防ぐことができる。これにより、ヒーターユニット１０が炉内側に倒れることを防いでいる。

また、反射板３２には、発熱体２１の直線部２１ａを支持する直線支持部３２ａが設けられている。直線支持部３２ａは、図６に示す側面視において、発熱体２１の隣り合う直線部２１ａ間に突出するように形成されている。

また、図３，図６に示すように、ヒーター２０の発熱部Ｇと第１の断熱材７ａとの間には、反射板３２を支持する反射板支持ブロック３５が設けられている。反射板３２の最も下方に位置する直線支持部３２ａは、下面が反射板支持ブロック３５に接した状態となっている。これにより、反射板３２の鉛直方向の位置が拘束される。なお、反射板支持ブロック３５は、耐火レンガであるＳＫ３８で形成されている。

また、反射板３２の各直線支持部３２ａは、発熱体２１の異常加熱を防ぐ役割も有している。発熱体２１が蛇腹状に形成される場合、発熱体２１の曲線部２１ｂの内側において熱が集中するため、異常加熱が生じやすくなる。これに対して、本実施形態に係る各直線支持部３２ａは、各直線支持部３２ａの長さが発熱体２１の直線部２１ａの長さに等しくなるように形成されている。これにより、直線支持部３２ａを介して曲線部２１ｂの内側に集中する熱を逃がしやすくすることができる。その結果、発熱体２１の曲線部２１ｂにおける異常加熱を防ぐことが可能となる。

本実施形態に係るヒーターユニット１０は、上記のように構成される。

このようなヒーターユニット１０においても、従来と同様に、発熱体２１から放射状に熱が放出される。即ち、放出される熱は、炉内側だけなく、リアプレート側（外壁側）にも放出される。しかしながら、本実施形態に係るヒーターユニット１０は、発熱部Ｇのリアプレート３１側に輻射熱を反射する反射板３２が設けられている。このため、リアプレート３１側に放出される輻射熱は、反射板３２で反射されることになる。これにより、リアプレート３１の背面（外壁側の表面）の温度上昇を抑制することができる。

その結果、ヒーターユニット１０と第１の断熱材７ａとの間の温度は、スーティングが発生しやすい温度となる。即ち、ヒーターユニット１０と第１の断熱材７ａとの間でスーティングが発生しやすくなり、第１の断熱材７ａと第２の断熱材７ｂとの間では、スーティングが発生し難くなる。これにより、スーティングの進行に起因する第１の断熱材７ａの浮き上がりや脱落等の発生を防ぐことが可能となる。

一方で、ヒーターユニット１０と第１の断熱材７ａとの間においては、スーティングが進行し続けることになる。このため、依然として定期的なバーンアウトを実施する必要はある。しかし、ヒーターユニット１０は、リアプレート３１に固定金具３４が取り付けられていることから、炉内側に倒れることはない。また、本実施形態においては、ヒーター２０の発熱体２１は、曲線支持部３３ａによって、炉内側への移動が制限されている。

このため、スーティングがある程度進行しても、発熱体２１が炉内側に脱落する等の問題は起こらず、所望の熱処理を行うことは可能である。その結果、従来よりもバーンアウト作業を実施する頻度を少なくすることが可能となる。これにより、次のメンテナンスまでのワークＷの浸炭処理量を増やすことができ、生産性を向上させることができる。

なお、ヒーター２０の発熱体２１、反射板３２、リアプレート３１は、図４に示すような平面視において互いに平行となるように配置されることが好ましい。これにより、発熱体２１から放出される輻射熱及び反射板３２で反射される輻射熱の熱量分布が均一となり、炉内雰囲気の温度分布も均一となる。その結果、浸炭処理時の温度ムラを防ぐことが可能となる。さらに、リアプレート３１が受ける伝熱量のバラつきも抑えることが可能となり、リアプレート背面に生じる煤の析出量のバラつきも抑えることができる。

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。

例えば、上記実施形態では、ヒーター支持部材３０をリアプレート３１、反射板３２、サポート部材３３で構成することとしたが、ヒーター支持部材３０の構成及び各部材の固定方法は、上記実施形態で説明したものに限定されない。上記実施形態で説明した断熱材間のスーティングの発生を防ぐ効果は、ヒーター２０の発熱部Ｇが、反射部材を備えたヒーター支持部材３０に取り付けられていれば享受することができる。また、反射部材は、板形状でなくとも良い。また、炉壁５を構成する断熱材７は、単層構造であっても良い。

また、上記実施形態では、ヒーター２０の発熱体として、カンタル線を用いることとしたが、発熱体はこれに限定されることはない。例えば、蛇腹状に配置したラジアントチューブの端末部においてガスを燃焼させる、いわゆるガスバーナー方式の発熱体を用いても良い。この場合であっても、ヒーター２０の発熱部Ｇの背面側には、反射板３２が設けられることになるため、リアプレート３１の背面側の温度を低くすることができる。

また、上記実施形態では、浸炭炉１のワーク搬入方向が鉛直方向であったが、本願発明に係るヒーターユニット１０は、ワーク搬入方向が水平方向である浸炭炉にも適用することができる。また、ヒーター２０やヒーター支持部材３０を図３のような平面視において曲率を持つように形成し、円形状の炉に適用することも可能である。また、ヒーターユニット１０は、連続式浸炭炉に限らず、バッチ式浸炭炉にも適用することができる。

本発明は、ワークの浸炭処理を行う浸炭炉に適用することができる。

１ 浸炭炉
２ 搬入口
３ 耐熱レンガ
４ 搬出口
５ 炉壁
６ 外壁
７ 断熱材
７ａ 第１の断熱材
７ｂ 第２の断熱材
８ 仕切扉
９ 熱処理室
９ａ 第１昇温室
９ｂ 第２昇温室
９ｃ 第１浸炭室
９ｄ 第２浸炭室
９ｅ 第３浸炭室
９ｆ 拡散室
９ｇ 降温室
９ｈ 焼入れ室
１０ ヒーターユニット
２０ ヒーター
２１ 発熱体
２１ａ 発熱体の直線部
２１ｂ 発熱体の曲線部
２２ リード線
３０ ヒーター支持部材
３１ リアプレート
３２ 反射板
３２ａ 直線支持部
３３ サポート部材
３３ａ 曲線支持部
３３ｂ 凹部
３４ 固定金具
３５ 反射板支持ブロック
３６ 平板部材
Ｇ 発熱部
Ｈ 水平方向
Ｐ 曲線部の間隔
Ｔ ワーク搬送方向
Ｖ 鉛直方向
Ｗ ワーク

Claims (9)

1. 炉内雰囲気を加熱するヒーターと、
   ヒーターの輻射熱を反射する反射板を有したヒーター支持部材とを備え、
   前記ヒーター支持部材に前記ヒーターの発熱部が取り付けられ、
   前記発熱部を構成する発熱体が蛇腹状に形成され、
   前記ヒーター支持部材には、前記発熱体の曲線部前面と前記反射板の端部背面を覆う凹部が設けられている、浸炭炉用ヒーターユニット。
2. 前記ヒーター支持部材は、前記発熱体の直線部を支持する直線支持部を有し、
   前記直線支持部は、前記発熱体の隣り合う直線部間に突出するように形成されている、請求項１に記載の浸炭炉用ヒーターユニット。
3. 炉内雰囲気を加熱するヒーターと、
   ヒーターの輻射熱を反射する反射板を有したヒーター支持部材とを備え、
   前記ヒーター支持部材に前記ヒーターの発熱部が取り付けられ、
   前記発熱部を構成する発熱体が蛇腹状に形成され、
   前記ヒーター支持部材は、前記発熱体の直線部の長手方向に沿って延びた、該発熱体の直線部を支持する直線支持部を有し、
   前記直線支持部は、前記発熱体の隣り合う直線部間に突出するように形成され、
   前記直線支持部の端部は、前記発熱体の曲線部の近傍に位置し、
   前記ヒーター支持部材には、前記発熱体の曲線部前面と前記反射板の端部背面を覆う凹部が設けられている、浸炭炉用ヒーターユニット。
4. 前記ヒーター支持部材は、前記反射板の背面側にリアプレートを備えている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の浸炭炉用ヒーターユニット。
5. 前記発熱体と前記反射板と前記リアプレートは、平面視において互いに平行となるように配置されている、請求項４に記載の浸炭炉用ヒーターユニット。
6. 前記発熱体の直線部は、正面視において前記発熱部の長手方向に対して垂直となっている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の浸炭炉用ヒーターユニット。
7. 前記ヒーター支持部材は、正面視において前記発熱体の曲線部の一部を覆う曲線支持部を有している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の浸炭炉用ヒーターユニット。
8. 前記発熱体が側面視において平面状に形成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の浸炭炉用ヒーターユニット。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載された浸炭炉用ヒーターユニットを備えた、ワークに浸炭処理を施す浸炭炉。

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