JP6948746B2 - 熱処理炉 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理炉に関し、特に焼入用の熱処理炉に関する。

従来、被処理物としての鋼の焼入加熱中の酸化、脱炭及び浸炭等の表面の改質層の生成を防ぐ光輝加熱を実施するとき、炉内雰囲気ガスとして、燃料（ブタンなど）と空気を原料とする変成ガスを用いる、焼入用の熱処理炉が知られている（例えば特許文献１参照）。

実開昭５７−９２７５７号公報

しかし、焼入用の熱処理炉で上記変成ガスを用いるためには、燃料の消費が必要不可欠であり、エネルギー効率の点で改善の余地がある。また、所望の変成ガスを生成させるためには、熟練度を有するカーボンポテンシャル（ＣＰ）コントロールが必要不可欠である。更に、品質的には、シリコン、マンガン、クロム等の難還元金属成分を含む合金鋼の焼入加熱においては、従来の変成ガスを雰囲気ガスとして用いるとき、被処理物の表面において粒界酸化が起こり、焼入後にその表面を研削等する機械加工が必要であった。

本発明の目的は、焼入用の熱処理炉において、変成ガスを用いずに、鋼等の被処理物の表面における脱炭等による改質層の発現を好適に防ぐことを可能にする構成を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様は、
焼入加熱室に中性ガス又は不活性ガスを供給するように構成されたガス供給部と、
少なくとも一部がグラファイト系材料製である前記焼入加熱室の内部構造物と
を備えた熱処理炉
を提供する。

好ましくは、前記焼入加熱室においては、被処理物が搬送される空間を加熱手段から隔てるようにグラファイト系材料製マッフルが設けられている。前記焼入加熱室内に被処理物を搬送するベルトは、従来の耐熱性金属ベルトであってもよいが、より好ましくはグラファイト系材料製であるとよい。前記焼入加熱室の下流側の焼入油槽への被処理物の落下空間の少なくとも一部を区画形成するマッフルは、グラファイト系材料製であってもよいが、より好ましくは、グラファイト系材料以外の材料であって所定レベル以上の耐酸化性能を有する材料で作製されるとよい。

好ましくは、前述の熱処理炉は、前記焼入加熱室の下流側の焼入油槽から前記焼入加熱室内へのオイルの流入を防止するように構成されたオイル流入防止手段を更に備える。前記オイル流入防止手段は、前記焼入加熱室と前記焼入油槽との間に流体カーテンを形成するように構成された流体カーテン形成部を備えるとよい。前記流体カーテン形成部は、前記焼入加熱室と前記焼入油槽との間にオイルカーテンを形成するように構成されたオイルカーテン形成装置と、前記オイルカーテンを受け入れるように前記焼入加熱室と前記焼入油槽との間に設けられたオイル受入部とを備えているとよい。前記オイル受入部は、前記焼入油槽とつながり、泡抑制部を備えるとよい。

前述の熱処理炉は、前記焼入加熱室の下流側の焼入油槽への被処理物の落下空間における油煙を処理するように構成された油煙処理装置を更に備えるとよい。

また、好ましくは、前述の熱処理炉は、前記焼入加熱室と前記焼入加熱室の下流側の焼入槽との間に流体カーテンを形成するように構成された流体カーテン形成部を更に備える。

本発明の上記一態様によれば、上記構成を備えるので、焼入用の熱処理炉において、変成ガスを用いずに、被処理物の表面における脱炭等による改質層の発現を好適に防ぐことが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る熱処理炉の一部の概略構成図である。 図１の熱処理炉における雰囲気ガスコントロールを説明するための図である。 図１の熱処理炉における表示装置の表示例を表す図である。 図１の熱処理炉における雰囲気ガスコントロールを説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る熱処理炉の一部の概略構成図である。

以下、本発明に係る実施形態を添付図に基づいて説明する。同一の部品（又は構成）には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

本発明の第１実施形態に係る熱処理炉１０の一部の概略構成を図１に示す。熱処理炉１０は、焼入加熱室１２と、焼入油槽１４とを備える。焼入加熱室１２の下流側に、焼入油槽１４が設けられている。図１から明らかなように、焼入油槽１４は、焼入加熱室１２よりも鉛直方向下方側に位置している。なお、熱処理炉１０は、図１には示していないが、焼入油槽１４の下流側に焼戻用加熱室を備える。

焼入加熱室１２には、被処理物Ｗの搬送手段つまり搬送装置としてメッシュベルトコンベア１６が設けられている。メッシュベルトコンベア１６のメッシュベルト１８は無端ベルトであり、第１ローラ２０及び第２ローラ２２などに巻き回されている。メッシュベルト１８は、焼入加熱室１２内を循環移動することができる。なお、ここでは、第１ローラ２０が駆動ローラであり、電動駆動される。ただし、第１ローラ２０は駆動ドラムと称される場合もあり、例えばこのとき従動ローラである第２ローラ２２は従動ドラムと称され得る。

焼入加熱室１２は、加熱手段つまり加熱装置としてヒータ２４を備える。ヒータ２４は、複数本設けられている。ここでは、ヒータ２４は、それぞれ、被処理物Ｗの搬送方向に直交する方向に、つまり幅方向に延びるように延在する。図１では、ヒータ２４は、焼入加熱室１２の上下にそれぞれ設けられているが、幅方向におけるその左右側部にも設けられてもよい。メッシュベルトコンベア１６により搬送される被処理物Ｗは、ヒータ２４間の加熱空間（加熱領域又は加熱エリア）ＨＳを通過する。ヒータ２４は、焼入加熱室１２の上下に設けられることに限定されず、当然のことながら、例えばそのいずれか一方のみなど、種々の配置又は配列で設けられてもよい。また、ヒータ２４は、電気加熱式の加熱装置であっても、燃焼加熱式の加熱装置であってもよい。燃焼加熱式の加熱装置には、例えば、ラジアントチューブバーナがある。ラジアントチューブバーナは、ラジアントチューブ内で燃料を燃焼させ、その放射熱により加熱する方式のバーナである。

焼入加熱室１２に雰囲気ガスを供給するように構成されたガス供給部２６が設けられている。ここでは、雰囲気ガスとして、中性ガスである窒素ガスが用いられる。しかし、雰囲気ガスは中性ガスであることに限定されず、Ａｒガス等の不活性ガスであってもよい。ガス供給部２６は、焼入加熱室１２に開口する導入部２８を備える供給管３０と、供給管３０に設けられたバルブ３２とを備える。供給管３０は窒素ガスタンク３３につなげられている。なお、図１では、１つの導入部２８のみを示すが、導入部２８の数は複数であってもよい。また、図１に示す以外の箇所に、導入部２８は設けられてもよい。また、ガスタンクは窒素ガスタンク３３に限定されず、雰囲気ガスとして用いられるガス、つまり中性ガス又は不活性ガスに応じたガスタンクとされる。

焼入加熱室１２の内部構造物は、グラファイト系材料で作製されている。図１に示すように、メッシュベルトコンベア１６で被処理物Ｗが搬送される搬送空間つまり上記加熱空間ＨＳを、ヒータ２４から隔てるように、隔壁つまりマッフル３４が設けられている。このマッフル３４は、グラファイト系材料製であり、特にここではグラファイト製である。マッフル３４としてのシート状つまり板状のグラファイトつまりグラファイト板は、例えば、冷間静水圧成形法（ＣＩＰ）により作製可能である。よって、被処理物Ｗは、グラファイトマッフル３４の輻射熱で加熱された窒素ガス雰囲気の、グラファイトマッフル３４で囲まれたトンネル内を通過するように搬送される。焼入加熱室１２の内部構造物であるマッフル３４はその全てがグラファイト系材料製であるとよいが、その少なくとも一部をグラファイト系材料製としてもよい。また、ここでは、加熱空間ＨＳを定めるトンネルがその全周にわたってグラファイトマッフル３４で構成されているが、そのトンネルの一部のみがマッフル３４で構成されてもよい。なお、焼入加熱室１２の内部構造物としてのマッフル３４の一部又は全部は、他のグラファイト系材料で作製されてもよく、具体的にはグラファイト系材料であるＣ／Ｃコンポジットで作製されてもよい。なお、マッフル以外の焼入加熱室１２の内部構造物の少なくとも一部が、グラファイト系材料で作製されてもよい。

ここでは、メッシュベルト１８も、グラファイト系材料製であり、より具体的にはグラファイト製である。ただし、メッシュベルト１８も、マッフル３４と同様に、他のグラファイト系材料で、例えばＣ／Ｃコンポジットで作製されてもよい。しかし、メッシュベルト１８は、グラファイト系材料製であることに限定されず、例えば耐熱性金属ベルトであってもよい。なお、搬送装置は、メッシュベルト１８等を用いるものに限定されず、ローラ搬送装置として構成されてもよい。

メッシュベルトコンベア１６の（図１左端の）搬入端には外気遮断構造３６が適用されている。外気遮断構造３６は、メッシュベルト１８の炉内に入る側の入口絞り部３６ａと、メッシュベルト１８の炉内から出る側の出口絞り部３６ｂとを有する。図１に示すように、入口絞り部３６ａと出口絞り部３６ｂとを互いに接近させて、実質的にメッシュベルト１８の出入口を１つにする。これにより、メッシュベルト１８の出入口を分けたときのそれらの差圧による炉内への外気の吸引を防ぎ、炉内雰囲気の安定化を図ることが可能になる。

更に、メッシュベルトコンベア１６の搬入端には、複数のカーテン体３６ｃが設けられている。カーテン体３６ｃは、可撓性を有し、ここではシート状であるが、他の形状を有してもよく、例えば線状又は紐状であってもよい。複数のカーテン体３６ｃは、鉛直方向上側から下側に垂れ下がるように吊り下げられている。なお、カーテン体３６ｃは、ここではニッケル系薄板材から作られている。しかし、カーテン体３６ｃは、他の材料から製造されてもよく、例えば炭素系材料、ガラス系材料、セラミック系材料の他、鉄鋼材料やチタン系材料等で熱処理温度において十分な強度と可撓性を持つ金属材料から作製されてもよい。

メッシュベルトコンベア１６の搬出端（つまり、図１において第２ローラ２２側の端部）には、焼入加熱室１２の下流側の焼入油槽１４が設けられている。焼入加熱室１２の（図１中右側の）搬出端には、鉛直方向に延びるシュート１３が設けられている。シュート１３は、加熱空間ＨＳのうちの後述する落下空間の下方に位置付けられている。シュート１３は、焼入油槽１４の中にまで延在する。シュート１３は焼入油槽１４の油面Ｓには達していないが、焼入油槽１４のオイル内にまで延びてもよい。焼入油槽１４はシュート１３を介して焼入加熱室１２内に連通している。したがって、焼入油槽１４の油面Ｓまで、焼入加熱室１２内と概ね同じ上記雰囲気ガスとすることができる。すなわち、油面Ｓと接するガスは、変成ガスと異なり、水素及び一酸化炭素を含まない中性ガスである窒素ガスであるため、焼入油の酸化等の反応の可能性を極めて低く抑えることができる。なお、油面Ｓの酸化を更に防ぐように、以下で説明するカーテンＣと油面Ｓとの間に更に、中性ガス又は不活性ガスを、例えば窒素ガスを供給してもよい。例えば、上記窒素ガスタンク３３に更なる供給管がつなげられて、その供給管を介して、窒素ガスがオイルカーテンＣと油面Ｓとの間に供給されるとよい。

熱処理炉１０は、焼入油槽１４から焼入加熱室１２内へのオイル（例えば油煙）の流入を防止するように構成されたオイル流入防止手段ＯＰを更に備える。オイル流入防止装置とも換言され得るオイル流入防止手段ＯＰは、ここでは、流体カーテン形成部４０を備える。具体的には、オイル流入防止手段ＯＰとして、焼入加熱室１２と焼入油槽１４との間に流体カーテンを形成するように構成された流体カーテン形成部４０が設けられている。流体カーテン形成部４０は、シュート１３に設けられている。流体カーテン形成部４０は、ここではオイルカーテンを形成するように構成されているが、例えば窒素ガスでエアーカーテンを形成するように構成されてもよい。この場合、後述する供給口４６はガス供給口となり得、窒素ガス等のタンクに接続され得る。

流体カーテン形成部４０は、焼入加熱室１２と焼入油槽１４との間にオイルカーテンＣを形成するように構成されたオイルカーテン形成装置４２を備える。油槽１４内からオイルを汲み出す油路４３が設けられている。この油路４３にオイルポンプ４４が設けられている。油路４３は、シュート１３の位置に設けられたオイル供給口４６を有する。オイルカーテン形成装置４２は、そのオイル供給口４６から出たオイルの流れを整えてオイルカーテンＣを形成するように整流部材４８を備える。整流部材４８はシュート１３に設けられたオイル送出口４９とオイル供給口４６との間に延在するように設けられている。整流部材４８は滑らかな凹湾曲面４８ａを備える。凹湾曲面４８ａに沿って、オイル供給口４６から流れ出たオイルが流れることができ、それにより図１に示すようなオイルカーテンＣが形成される。

更に、流体カーテン形成部４０は、オイルカーテンＣを受け入れるように焼入加熱室１２と焼入油槽１４との間に設けられたオイル受入部５０を備える。オイル受入部５０は、オイルカーテン形成装置４２が生成したオイルカーテンを受け入れるように、オイルカーテン形成装置４２の整流部材４８と対向する位置に設けられている。より具体的には、オイル受入部５０はシュート１３に開口するように設けられている。オイル受入部５０は、オイルカーテンＣが焼入油槽１４の油面Ｓに直接的に衝突することなく、オイルカーテンＣを受け入れるように所定の位置に設けられている。オイル受入部５０は、その下方で、焼入油槽１４とつながる。また、オイル受入部５０は、泡抑制部５２を備える。泡抑制部５２は、オイルカーテンＣの受け入れに伴って生じたオイルの泡を抑制するように、好ましくは消失させるように設けられている。ここでは、泡抑制部５２はラビリンス構造の油路を有する部材として構成されているが、そのような泡抑制効果をもたらす種々の装置又は構造物とされてもよい。

なお、焼入油槽１４には、焼入油槽１４から焼戻用加熱室に向けて被処理物Ｗを搬送するためのコンベア５４が設けられている。

上記構成を備える熱処理炉１０は、制御装置６０を備える。制御装置６０は、処理部（例えばＣＰＵ）、記憶部（例えばＲＯＭ、ＲＡＭ）、入出力ポート等を備える所謂コンピュータである。制御装置６０には、焼入加熱室１２内の雰囲気ガスの温度を検出するための温度センサ６２、焼入加熱室１２内の雰囲気ガスのガス成分（濃度）を検出するための第１ガスセンサ６４及び第２ガスセンサ６５が接続されている。第１ガスセンサ６４は、ここでは酸素センサであり、第２ガスセンサ６５はＣＯセンサであるが、熱処理炉１０は酸素センサ、ＣＯセンサ及び／又はＣＯ_２センサ等のうちの１つ又は複数のガスセンサを備えることができる。制御装置６０は、所定のプログラムに従って、焼入加熱室１２内の特に加熱空間ＨＳの雰囲気ガスを好適な状態に保ち、かつ、被処理物１２の熱処理を好適に行うことを可能にするように、第１ローラ２０の駆動モータの回転、ヒータ２４の作動、バルブ３２の開度（例えば開閉）、オイルポンプ４４の作動などを制御する。このように、制御装置６０は、機能モジュールつまり機能部として、第１ローラ２０の駆動モータの制御部、ヒータ２４の制御部、ガス供給部２６のバルブ３２の制御部、オイルポンプ４４の制御部を有している。各機能モジュールは、記憶部に記憶されたプログラムを制御装置６０の処理部によって実行することで実現される。ただし、これら機能モジュールは、１つの制御装置６０で実現されることに限定されず、例えば複数の制御装置により個別に実現されてもよい。なお、制御装置６０は、表示装置６８につなげられていて、そこに制御装置６０による処理結果、焼入加熱室１２内の雰囲気ガスの各種値などを表示する。制御装置６０への入力装置つまりキーボード等の入力手段の説明は省略する。

上記制御装置６０は、焼入加熱中に、被処理物Ｗの光輝熱処理を行うためのプログラムやデータを記憶する。被処理物Ｗは、種々の材料のものであり得るが、ここでは鉄鋼材料製である。図２にエリンガム図Ｅの一部を概念的に示す。ただし、エリンガム図とは、横軸に温度、縦軸に生成ギブズエネルギーをとって、様々な酸化物について、各温度における標準生成ギブズエネルギー（ΔＧ^０）をプロットしたグラフである。図２のエリンガム図Ｅにおける線Ｌ１は、鉄（Ｆｅ）及び酸化鉄（ＦｅＯ）の標準生成ギブスエネルギーの近似的な直線であり、線Ｌ２は、２Ｃ＋Ｏ_２＝２ＣＯの反応における標準生成ギブスエネルギーの近似的な直線である。被処理物Ｗが鉄鋼材料であるとき、図２のグラフにおいて線Ｌ１と線Ｌ２との両方に対して下方の領域ＧＡに、焼入加熱中の焼入加熱室１２内の雰囲気ガスにおけるΔＧ^０（標準生成ギブスエネルギー）が位置するように、光輝熱処理を行うためのプログラム等は規定されている。領域ＧＡは鉄の還元領域であるとともに、炭素の還元領域でもあるので、焼入加熱中の被処理物Ｗが酸化したり脱炭したりする不具合は生じない。このとき、雰囲気ガスにおけるΔＧ^０が領域ＧＡ（第１所定領域）のうち更に特定の領域（第２所定領域）に位置するようにプログラム等は規定されているとなおよい。なお、被処理物Ｗの成分に応じて線Ｌ１を又はそれに加えて更に指定される線を、その成分に応じた酸化物の直線とすることができる。このため、制御装置６０は種々の酸化物のデータを記憶し、ユーザは入力手段で１つ又は複数の酸化物を指定することができる。

制御装置６０は、また、酸素分圧演算部、ＣＯ分圧演算部、ΔＧ^０（標準生成ギブスエネルギー）演算部の各機能を担う機能部を有する。酸素分圧演算部は、第１ガスセンサ６４の出力に基づき演算する。ＣＯ分圧演算部は、第２ガスセンサ６５の出力に基づいて演算する。ΔＧ^０演算部は、温度センサ６２の出力に基づき、酸素分圧演算部及びＣＯ分圧演算部でそれぞれ算出された算出結果を参照して運転中の熱処理炉１０の炉内雰囲気ガスのΔＧ^０を算出する。その算出結果に基づいて光輝熱処理を好適に実行するべく、算出結果のΔＧ^０が上記領域ＧＡに位置するように、更に好ましくは第２所定領域に位置するように、制御装置６０はバルブ３２等を制御する。

ΔＧ^０の算出方法は幾つかあるが、以下に代表的な計算方法を示す。なお、採用するΔＧ^０の算出方法に応じて、センサ６２、６４、６５等の各種センサは選択され、それに適した場所に設けられるとよい。

（１）式を用いて酸素分圧と絶対温度に基づいてΔＧ^０を算出することができる。この場合、Ｐ（Ｏ_２）は酸素分圧であり、Ｔは絶対温度であり、Ｒは気体定数である。
ΔＧ^０＝ＲＴｌｎＰ（Ｏ_２） ……（１）

また、ＣＯ−Ｏ_２間反応
２Ｃ＋Ｏ_２＝２ＣＯ ……（２）
に着目して、（３）式を用いてＣＯ分圧と絶対温度に基づいてΔＧ^０を算出することができる。この場合、Ｐ（ＣＯ）はＣＯ分圧であり、Ｔは絶対温度であり、Ｒは気体定数である。また、ΔＧ^０（２）は関係式［ΔＧ^０（２）＝−２２１０００−１７９．６Ｔ（Ｊ・ｍｏｌ^−１）］から求まる値である。
ΔＧ^０＝ＲＴｌｎＰ（Ｏ_２）＝ΔＧ^０（２）＋２ＲＴｌｎＰ（ＣＯ）……（３）

このように、（１）式を用いて酸素分圧に基づいてΔＧ^０を算出することができる。また（３）式を用いて、一酸化炭素分圧（ＣＯ分圧）に基づいてΔＧ^０を求めることができる。

ここでは、精度を高めるために（１）式によるΔＧ^０＝ＲＴｌｎＰ（Ｏ_２）、（３）式によるΔＧ^０＝ΔＧ^０（２）＋２ＲＴｌｎＰ（ＣＯ）をそれぞれ算出し、それらの例えば平均値をΔＧ^０として算出することで、ΔＧ^０の算出精度を高めるようにしている。そのため、上述の通り、熱処理炉１０は酸素センサである第１ガスセンサ６４及びＣＯセンサである第２ガスセンサ６５を備える。ただし、例えば、（１）式のみを用いてΔＧ^０を算出する場合には、第２ガスセンサは設けられなくてもよい。また、ＣＯ−Ｏ_２間反応に着目し（３）式を用いてΔＧ^０を算出する場合においては、ガスセンサとしては第２ガスセンサ６５を設ければよい。

図３に制御装置６０につなげられた表示装置６８の表示例を示す。表示装置６８は、制御装置６０のΔＧ^０演算部が生成した雰囲気ガスのΔＧ^０のプロットＰを、表示しているエリンガム図Ｅ上に表示する。なお、線Ｌ１及び線Ｌ２は図２のそれらと同じである。これにより、熱処理炉１０内の熱処理の雰囲気ガスの状態を可視化でき、その見える化を図ることが可能になる。

さて、上記構成の熱処理炉１０での焼入れ、つまり焼入れ焼き戻しの前段部分について説明する。被処理物Ｗは、熱処理炉１０での処理の前に、その表面に付着した皮膜や油などを除去するための前処理を施されている。ここで除去の目的とされるものとしては、リン酸塩皮膜や加工油を例示できる。前処理された被処理物Ｗは、搬入端でメッシュベルトコンベア１６に載せられ、カーテン体３６ｃを押し退けつつ炉内つまり焼入加熱室１２内の加熱空間ＨＳに入り、搬出端にまで送られて、自重による自然落下により焼入油槽１４に投入される。焼入加熱室１２内の雰囲気ガスは、窒素ガス雰囲気に置換されていて、かつ、ヒータ２４の作動により焼入温度に維持されている。焼入温度は所定の温度であり、被処理物に応じて設定されるとよい。

一般に窒素ガスの雰囲気ガスは、微量の酸素を含む。この酸素は、マッフル３４やメッシュベルト１８を構成するグラファイトと反応して一酸化炭素（ＣＯ）となり、キャリアガスを兼ねる雰囲気ガスと共に、熱処理炉１０の部材の隙間などから熱処理炉１０の外部に放出される。このため、窒素ガス雰囲気は、より低酸素濃度を有するようになり、被処理物の酸化や脱炭等はより一層生じ難くなる。

そして、焼入加熱室を通過した被処理物Ｗは、焼入油槽１４に投入されるとき、オイルカーテンＣを突き破り、油面Ｓに到達する。オイルカーテンＣは被処理物Ｗにより破られるが直ぐに膜状のカーテンの状態に戻るので、被処理物Ｗが油面Ｓを突き破ることで生じ得る油滴や油煙（以下、油煙等）はオイルカーテンＣにより遮断される。これにより、油煙等のオイルが焼入加熱室１２内に入ることを好適に防ぐことができる。よって、上記光輝熱処理を好適に生じさせることが可能になる。

また、オイル受入部５０によりオイルカーテンＣが受け入れられるので、オイルカーテンＣにより油面Ｓにオイルの泡が生じることを防ぐことができる。更にオイル受入部５０の泡抑制部５２により、オイルカーテンＣの受け入れに伴ってオイル受入部５０内で生じたオイルの泡も抑制され得、好ましくは消失させられる。したがって、オイルカーテンＣに使われたオイルは、実質的に泡を伴わずに油槽１４に戻ることができる。したがって、油煙等の発生をより好適に防ぐことが可能になる。

なお、こうして焼入れされた被処理物Ｗは、コンベア５４で、焼入油槽１４から焼戻用加熱室に向けて搬送される。

以上説明したように、上記構成の熱処理炉１０によれば、特に炉内雰囲気ガスとして窒素ガスが供給され、かつ、焼入加熱室１２内のマッフル３４等の炉内構造物つまり内部構造物がグラファイト材料製である。したがって、上で説明したように、より低酸素濃度の窒素雰囲気ガスで焼入加熱を行うことが可能になり、よって焼入加熱中の、被処理物Ｗの表面での酸化や脱炭等による改質層の発現を十分に防ぐことが可能になる。

また、上で説明したように、流体カーテン形成部４０といったオイル流入防止手段ＯＰが設けられる。これにより、焼入加熱室１２へのオイルの流入を好適に防ぐことができ、よってその焼入加熱を更に好適に行うことが可能になる。

なお、上記熱処理炉１０では、オイル流入防止手段ＯＰとして流体カーテン形成部４０を設けたが、流体カーテン形成部に加えて、或いは、流体カーテン形成部４０の代わりに、焼入加熱室１２へのオイルの流入を防ぐための種々の構成を備えてもよい。例えば、シュート１３に油煙等を吸引するためのポンプを設けてもよい。なお、後述する第２実施形態の熱処理炉１０Ａはこのような構成を備える。

ここで、上記熱処理炉１０による雰囲気ガスコントロールについて更に説明する。

焼入処理が行われる被処理物Ｗとしての鉄鋼材料としては、炭素（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）などのうちの少なくとも１つの成分を所定割合含むものがある。例えば、機械構造用炭素鋼（ＳＣ材）、機械構造用合金鋼などがある。機械構造用合金鋼は、機械構造用炭素鋼にクロムやマンガンなどの元素を添加したものであり、マンガンクロム鋼（ＳＭｎＣ）、クロム鋼（ＳＣｒ）、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）を例示できる。

例えばこのような機械構造用合金鋼では、従来の変成ガスを用いた焼入加熱のとき、表面層の結晶粒界が雰囲気ガス中の酸素によって酸化される粒界酸化などの内部酸化現象が生じる場合がある。内部酸化では、クロム酸化物、マンガン酸化物などが生じ得る。このような内部酸化は、異常破損等の原因となり得るので、その熱処理後に、表面層を研削するなどの機械加工を施すことが一般に行われる。

また、従来の変成ガスを用いた焼入加熱では、特に炭化水素ガスなどの還元性ガスを多くして還元性を高めた変成ガス（例えばＲＸガス）を雰囲気ガスとして用いるとき、浸炭や煤が発生する虞が生じるとともに、ＣＯ分圧やＣＯ_２分圧を安定的に保つのが難しい。

更に、脱炭を防ぐためには、雰囲気ガスのカーボンポテンシャル（ＣＰ）のコントロールが必要である。しかし、カーボンポテンシャルは温度によって変化するので、雰囲気ガスの制御には熟練度を要する。

図４に、エリンガム図Ｅの一部を概念的に示す。このエリンガム図上には、上記線Ｌ１（鉄（Ｆｅ）及び酸化鉄（ＦｅＯ）の標準生成ギブスエネルギーの近似的な直線）及び、線Ｌ２（２Ｃ＋Ｏ_２＝２ＣＯの反応における標準生成ギブスエネルギーの近似的な直線）を示している。更にこのエリンガム図上には、クロム（Ｃｒ）及びクロム酸化物（Ｃｒ_２Ｏ_３）の標準生成ギブスエネルギーの近似的な直線である直線Ｌ３も示している。焼入加熱の雰囲気ガスとして変成ガスを用いるとき、詳細な説明は省くが、雰囲気ガスのΔＧ^０のプロットＰは、上記の酸化、脱炭及び浸炭などを考慮して、図４のグラフにおいて線Ｌ１及び線Ｌ２に対して下方の狭い領域ＧＡ１に位置することが要求される。この領域ＧＡ１は線Ｌ３に対して上方の領域であり、雰囲気ガスのΔＧ^０のプロットＰを領域ＧＡ１に位置づけることで、Ｃｒの酸化が生じるようになる。これに対して、本実施形態に係る熱処理炉１０では、雰囲気ガスとして窒素ガスを用い、かつ、焼入加熱室の内部構造物をグラファイト材料製としているので、被処理物の表面の酸化、脱炭及び浸炭などを考慮しても、線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の下方の領域ＧＡ２に雰囲気ガスのΔＧ^０のプロットＰを容易かつ確実に位置づけることができる。したがって、例えば被処理物がクロム鋼であるとき、Ｃｒ等の粒界酸化等の内部酸化を好適に防ぎつつ、被処理物の酸化、脱炭等も好適に防ぐことが可能になる。

つまり、上記熱処理炉１０では、上記構成により、窒素ガスを用いた低酸素雰囲気を容易に実現でき、雰囲気ガスのΔＧ^０のプロットＰを、図４のグラフにおいて線Ｌ２と線Ｌ３とに対して下側の領域ＧＡ２に位置づければよい。これは、雰囲気ガスコントロールを容易にし、被処理物の安定的な熱処理を容易に可能にする。このように、本実施形態に係る熱処理炉１０によれば、雰囲気ガスコントロールの点で極めて優れる。なお、領域ＧＡ２は第２所定領域の一例である。

次に、本発明の第２実施形態に係る熱処理炉１０Ａについて図５に基づいて説明する。以下では、上記熱処理炉１０との相違点について、本第２実施形態に係る熱処理炉１０Ａを説明する。以下で特に言及しない構成及び効果等については、熱処理炉１０Ａは上記熱処理炉１０について説明した構成を同様に有し、それと同様又はそれ以上の効果を奏する。

図５の熱処理炉１０Ａでは、炉内のつまり加熱空間ＨＳの昇温部ＨＳ１、均熱部ＨＳ２、落下部ＨＳ３の３つの空間の間に仕切カーテン７０、７２を設置している。これにより、各空間ＨＳ１、ＨＳ２、ＨＳ３の雰囲気を、他の隣接する空間の雰囲気から、実質的に遮断することが可能になる。特に、仕切カーテン７２を設けることで、仮に落下部ＨＳ３の空間（以下、落下空間）に油煙等のオイルが進入しても、より確実にそれの更なる上流側への流入を防ぐことが可能になる。なお、図５の仕切カーテン７０、７２は、上記カーテン体３６ｃと同じニッケル系材料製であるが、ニッケル系材料以外のセラミック材料などの耐熱性材料で作製可能である。また、仕切カーテン７０、７２は、図５では、メッシュベルトコンベア１６のメッシュベルト１８から離れているが、メッシュベルト１８に接するぐらいの位置まで延びてもよい。これは本第２実施形態及び上記第１実施形態における加熱空間ＨＳへの搬入端のカーテン体３６ｃでも同様である。なお、仕切カーテン７０、７２の各々は、１枚であることに限定されず、複数枚であってもよい。

また、仕切カーテンに代えて又はそれに加えて、ドロップアーチという炉内の内部構造物が下方に張り出した部分を設けてもよい。この場合、ドロップアーチはＣ／Ｃコンポジットなどのグラファイト系材料製であるとよい。このような炭素系のドロップアーチを設けることで、雰囲気ガスをより好適に低酸素雰囲気とすることができる。なお、ドロップアーチは、上記マッフル３４と一体的に構成されても、マッフル３４とは別体で構成されてマッフル３４と離しても接していてもよい。

更に、熱処理炉１０Ａは、油煙処理装置７４を備える。油煙処理装置７４は、ポンプ７６と、油煙回収通路７８とを有する。ここでは、ポンプ７６は制御装置６０につながり、制御装置６０により制御されるが、オペレータにより操作される電源ＯＮ−ＯＦＦスイッチのみを有してもよい。油煙回収通路７８はポンプ７６につながり、吸込口８０、８２を有する。吸込口８０は、落下空間につながる。吸込口８２は、オイル受入部５０につながる。これにより、それらにおいて油煙等が生じても、その油煙等を吸引して排出処理することが可能になり、よって加熱空間ＨＳに油煙等が至るのをより確実に防ぐことが可能になる。ただし、吸込口８０、８２は、いずれか一方のみ、例えば吸込口８０のみでもよい。なお、ポンプ７６により吸引された油煙等は、燃焼処理等されるとよい。この場合、その燃焼熱は、熱処理炉の加熱空間ＨＳの一部又は全部の加熱に用いられてもよい。

更に、熱処理炉１０Ａでは、落下空間の一部を区画形成するマッフル３４ａをＳｉＣを主原料とする部材で構成する。ＳｉＣを主原料とする部材として、ここではＳｉＣレンガが用いられる。ＳｉＣレンガは、所定レベル以上の耐酸化性能を有するだけでなく、高温耐酸・耐アルカリ腐食性能及び高温強度の点でも優れる。したがって、シュート１３のすぐ上流に位置する、ここでは真上に位置する落下空間に仮に油煙等が進入しても、マッフル３４ａは油煙等との反応により実質的に減少することなく、マッフルとして発熱効果をより長く維持することが可能になる。ただし、落下空間を区画形成するマッフル３４ａなどのより多くのマッフルはＳｉＣを主原料とする部材で作製されてもよく、それ以外の種々の耐酸化性能に優れた材料で作製されてもよい。なお、これは、マッフル３４ａがグラファイト系材料で作製されることを排除するものではない。

なお、熱処理炉１０Ａでは、仕切カーテン７０、７２により、加熱空間ＨＳは昇温部ＨＳ１、均熱部ＨＳ２、落下部（つまり落下空間）ＨＳ３の３つの空間に実質的に分けられている。これに対応するように、それらの空間の各々に上記各種センサは設けられるとよい。これにより、熱処理炉１０Ａにおいて、雰囲気ガスコントロールをより好適に行うことが可能になる。具体的には、上記の温度センサ６２、第１ガスセンサ６４及び第２ガスセンサ６５が、それら空間ＨＳ１、ＨＳ２、ＨＳ３の各々に設けられるのがなお好ましいということは言うまでもないであろう。

以上、本発明に係る実施形態及びその変形例について説明したが、本発明はそれらに限定されない。本願の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、種々の置換、変更が可能である。

例えば上記実施形態及び変形例の任意の一部同士の種々の組み合わせが可能である。例えば、第２実施形態の熱処理炉１０Ａにおける、落下空間を区画形成するマッフル３４ａは、第１実施形態の熱処理炉１０に適用されてもよい。また、油煙処理装置７４も同様に第１実施形態の熱処理炉１０に適用されてもよい。

上述の２つの実施形態では、熱処理炉１０、１０Ａは連続熱処理炉つまり連続炉であった。しかし、本発明は種々の熱処理炉に適用でき、例えば、いわゆるセミ連続炉、バッチ炉においても、技術的な矛盾が生じない範囲で、柔軟に適用できる。また、上記２つの実施形態では、焼入槽は焼入油槽１４であり、冷媒は油であった。しかし、焼入槽の冷媒は、油に限定されず、水であっても、水溶性焼入れ油であってもよい。なお、焼入加熱室と前記焼入加熱室の下流側の焼入槽との間に流体カーテンを形成するように構成された流体カーテン形成部４０は、その冷媒で流体カーテンを形成するとよい。具体的には、上記実施形態と同じように、焼入層の冷媒をくみ上げて、その冷媒で上記オイルカーテンＣのような流体カーテンを形成するとよい。この場合、流体カーテン形成部４０は、焼入加熱室と焼入槽との間に流体カーテンを形成するように構成された流体カーテン形成装置（上記オイルカーテン形成装置４２に相当）のみならず、流体カーテンを受け入れるように焼入加熱室と焼入槽との間に設けられた流体受入部（上記オイル受入部５０に相当）をも備えてもよい。そして、この流体受入部は、焼入槽とつながり、上記泡抑制部５２を備えるとよい。なお、焼入加熱室の下流側の焼入槽への被処理物の落下空間における冷媒を、例えば霧状の冷媒を処理するように構成された処理装置（上記油煙処理装置７４に相当）が更に設けられてもよい。ただし、この場合にも、冷媒以外の流体で、例えば窒素ガスのような中性ガス又は不活性ガスで流体カーテンを形成してもよい。

１０、１０Ａ 熱処理炉
１２ 焼入加熱室
１４ 焼入油槽
１６ メッシュベルトコンベア
１８ メッシュベルト
２４ ヒータ
２６ ガス供給部
３４、３４ａ マッフル
４０ 流体カーテン形成部
７０、７２ 仕切カーテン
７４ 油煙処理装置
ＨＳ 加熱空間
ＨＳ１ 昇温部
ＨＳ２ 均熱部
ＨＳ３ 落下部（落下空間）
ＯＰ オイル流入防止手段
Ｃ オイルカーテン

Claims (9)

1. 焼入加熱室と、該焼入加熱室の下流側かつ該焼入加熱室よりも鉛直方向下方側に位置している焼入槽とを備えた熱処理炉において、
   前記焼入加熱室に中性ガス又は不活性ガスを供給するように構成されたガス供給部と、
   少なくとも一部がグラファイト系材料製である前記焼入加熱室の内部構造物と、
   前記焼入加熱室と前記焼入槽との間に該焼入槽の冷媒で流体カーテンを形成するように構成された流体カーテン形成部であって、該流体カーテン形成部は、前記焼入槽の冷媒を汲み出して前記流体カーテンを形成するとともに前記流体カーテンに使われた冷媒が前記焼入槽に戻るように構成されていて、該流体カーテン形成部は、前記焼入層の冷媒を汲み出す流路であって前記焼入加熱室と前記焼入槽とを連通させるシュートの位置に設けられた冷媒供給口を有する流路に設けられているポンプと、前記冷媒供給口から出た冷媒の流れを整えて前記流体カーテンを形成するように設けられている整流部材とを備えている、流体カーテン形成部と
   を備えた熱処理炉。
2. 前記焼入加熱室においては、被処理物が搬送される空間を加熱手段から隔てるようにグラファイト系材料製マッフルが設けられている、
   請求項１に記載の熱処理炉。
3. 前記焼入加熱室内に被処理物を搬送するベルトは、グラファイト系材料製である、
   請求項１又は２に記載の熱処理炉。
4. 前記焼入加熱室の下流側の前記焼入槽への被処理物の落下空間の少なくとも一部を区画形成するマッフルは、グラファイト系材料以外の材料であって所定レベル以上の耐酸化性能を有する材料で作製されている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の熱処理炉。
5. 前記整流部材は、凹湾曲面を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱処理炉。
6. 前記流体カーテンを受け入れるように前記シュートに開口するように設けられた流体受入部であって、前記焼入槽とつながる、流体受入部
   を更に備えている、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の熱処理炉。
7. 前記流体受入部は、泡抑制部を備える、
   請求項６に記載の熱処理炉。
8. 前記焼入加熱室の下流側の前記焼入槽への被処理物の落下空間における冷媒を処理するように構成された処理装置を更に備える、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の熱処理炉。
9. 前記冷媒は油である、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の熱処理炉。

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