JP7086481B2 - 連続浸炭炉 - Google Patents

Description

本発明は、連続浸炭炉に関する。

連続浸炭炉は、搬送路が配置された炉内に、搬送方向に沿って複数の処理室を配置し、炉内に搬入したワークを複数の処理室内に順次搬送しながら、浸炭処理を行うものである。
ワークは、パレット等の冶具上に並べて配置され、そのパレットを複数段積み重ねた荷姿の状態で搬送路を搬送される。

連続浸炭炉では、浸炭処理用ガスとして、窒素等のキャリアガスと共に、ワークの鋼中への炭素の侵入を促進させる炭化水素ガス等のエンリッチガスを供給する。エンリッチガスは、処理室のうち浸炭処理を行う浸炭室に供給されるものであるが、処理を促進させるために、ワークの搬送方向において浸炭室の上流側に設けられた昇温室においても、エンリッチガスが供給される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３－１８５１８９号公報

昇温室は炉内に搬入されたワークを、浸炭処理に適した温度まで昇温させる処理室である。ワークを昇温させる過程において、ワークの荷姿内部に温度差が生じることがある。温度差がある状態でエンリッチガスを供給すると、十分に昇温されていないワークに酸化反応が起きて、ワークの表面にスケールが発生する可能性がある。

連続浸炭炉において、浸炭処理におけるスケールの発生を低減することが求められている。

本発明の連続浸炭炉は、
複数段積み重ねた各冶具上に複数個並べて配置された荷姿で搬入されたワークを、搬送路で搬送しながら浸炭処理を行うものであって、
前記搬送路上に設けられ、搬入された前記ワークを昇温させる昇温室と、
前記昇温室に対して、前記搬送路の下流側に設けられ、昇温された前記ワークに浸炭処理を行う浸炭室と、
前記昇温室および前記浸炭室に対して、炭化水素ガスを含む浸炭処理用ガスを供給するガス供給装置と、
前記ガス供給装置の、前記昇温室と前記浸炭室への前記浸炭処理用ガスの供給量を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記昇温室に搬入された前記ワークの荷姿内部の温度差が、スケールが発生する可能性のある温度差を示す閾値以上である場合、前記温度差が大きくなるほど、前記昇温室に供給する炭化水素ガスの量を減少させる制御を行う。

本発明によれば、昇温室に搬入された荷姿内部の温度差に応じて昇温室への炭化水素ガスを減少させる制御を行う。これによって、スケールの発生を低減することができる。

連続浸炭炉の構成を示す図である。 制御装置を示すブロック図である。 （ａ）は、連続浸炭炉で処理するワークの一例を示す図であり、（ｂ）は連続浸炭炉に搬入する荷姿を示す図である。 荷姿の温度差を示す図である。 スケールの発生箇所を示す図である。 各ギヤの単重量と、荷姿の総重量を示す表である。 制御装置における、昇温室へのブタンガスの供給量を決定する処理を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態に係る連続浸炭炉について、図面を参照して説明する。
図１は、連続浸炭炉の構成を示す図である。
図１に示すように、連続浸炭炉は、炉１の内部に、例えばベルトコンベア等で構成された搬送路２が配置され、搬送方向に沿って仕切り扉３で区切られた複数の処理室が配置された構成となっている。炉１の、搬送方向上流側の端部にはワークの搬入口４ａが設置され、搬送方向下流側の端部にはワークの搬出口４ｂが設置されている。搬入口４ａおよび搬出口４ｂには、開閉扉５が設置されている。炉１の内部に搬入されたワークが、搬送路２上を搬送されて複数の処理室を順次通過することで、浸炭処理が行われる。詳細は後述するが、ワークは冶具に積載された荷姿Ｆの状態で炉１内に搬入される。

複数の処理室として、搬送方向上流側から、昇温室１１、浸炭室１２、拡散室１３および焼入室１４が配置されている。
昇温室１１は、搬入されたワークを加熱して浸炭処理に適切な温度に昇温させる。浸炭室１２は、昇温されたワークに炭素を付与して浸炭させる。拡散室１３は、ワークに付与された炭素をワークの内部に拡散させる。焼入室１４は、浸炭処理されたワークを焼入れする。

連続浸炭炉は、各処理室の内部にガスを供給するガス供給装置６を備えている。
ガス供給装置６は、炉１内の雰囲気のベースガスとなるキャリアガスを、各処理室に供給する。キャリアガスは、例えば窒素等を主成分とする。ガス供給装置６は、また、昇温室１１および浸炭室１２に対しては、キャリアガスと共にエンリッチガスを供給する。エンリッチガスは、炭化水素ガスＣ_nＨ_2n+2を主成分とするガスであり、エンリッチガスによってワークへの炭素の浸入を促進させる。ガス供給装置６は、浸炭処理を行う浸炭室１２に加えて、ワークの昇温を行う昇温室１１でもエンリッチガスを供給することで、浸炭処理を促進させる。実施の形態では、エンリッチガスとしてブタンガスを用いる例を説明する。

連続浸炭炉は、また、昇温室１１に配置された加熱器７を備える。加熱器７は、例えば、炉１の内壁に配設されたラジアントチューブ７１と、ラジアントチューブ７１の端部に設けられたガスバーナ７２とによって構成される。ガスバーナ７２が噴射する燃焼ガスがラジアントチューブ７１内に供給されることによって、昇温室１１に搬入されたワークが加熱されるようになっている。なお、図示は省略するが、加熱器７は浸炭室１２および拡散室１３にも配置されている。

昇温室１１においては、ワークは９５０℃程度まで昇温される。浸炭室１２および拡散室１３においては、約９５０℃程度の温度を維持したまま、浸炭処理および拡散処理が行われる。焼入室１４においては、ワークは約８６０℃程度に降温され、所定時間、焼入れが行われる。焼入後、ワークは不図示の油槽に浸漬されることによって油焼き入れが行われ、搬出口４ｂより炉１外に搬出される。

図１では図示は省略しているが、各処理室には、処理室内の温度を検出する温度センサや、処理室内のガスの濃度を検出するガス濃度センサ等の、各種のセンサが設置されている。

連続浸炭炉は、連続浸炭炉の動作を制御する制御装置８を備える。
制御装置８は、例えば、ＣＰＵ等のプロセッサとＲＯＭおよびＲＡＭ等のメモリを備えた汎用のコンピュータにより構成することができる。メモリに格納したプログラムをプロセッサが実行することにより、連続浸炭炉の動作制御の機能を実現する。
図２は、制御装置８の機能構成を示すブロック図である。
図２に示すように、制御装置８は、搬送制御部８１、扉開閉制御部８２、加熱制御部８３、ガス供給制御部８４および記憶部８５を備える。記憶部８５はメモリによって構成される。
制御装置８は、作業員が操作する入力装置９に接続され、作業員の操作による入力信号が入力される。制御装置８は、また、温度センサＴＳおよびガス濃度センサＧＳ等の各種センサに接続され、各センサの検出信号が入力される。

記憶部８５は、連続浸炭炉の動作制御に必要な各種のデータを格納する。
搬送制御部８１は、搬送路２の駆動機構（不図示）を制御し、各処理室におけるワークの処理時間を管理する。
扉開閉制御部８２は、入力装置９の入力信号等に基づいて、搬入口４ａおよび搬出口４ｂの扉の開閉を制御する。扉開閉制御部８２は、また、各処理室の仕切り扉３の開閉を制御する。
加熱制御部８３は、温度センサＴＳの検出信号等に基づいて、各処理室に配置された加熱器７を制御して、各処理室の温度を管理する。
ガス供給制御部８４は、ガス濃度センサＧＳの検出信号等に基づいてガス供給装置６を制御し、各処理室へのガス供給量を管理する。
図２に示した機能構成はあくまで一例であり、制御装置８は、他にも連続浸炭炉の動作を制御する各種の機能構成を備えているが、説明は省略する。

連続浸炭炉において浸炭処理されるワークは、特定のものに限定されないが、例えば、自動変速機を構成するギヤとすることができる。ギヤは、例えば、リダクションギヤ、ファイナルギヤ、またはドライブギヤ等がある。

図３の（ａ）は、ワークＷの一例としてリダクションギヤを示す模式図であり、図３の（ｂ）は、連続浸炭炉に搬入される荷姿を示す模式図である。
図３の（ａ）では、簡略化したものを図示しているが、ワークＷであるリダクションギヤは、シャフトに歯車がスプライン嵌合した構成となっている。
連続浸炭炉では、処理効率を高めるために、複数のワークＷを同時に炉１内に搬入して処理を行う。そのため、図３の（ｂ）に示すように、複数のワークＷを、冶具であるパレット１００に載せて搬入する。なお、図３の（ｂ）では、簡略化したパレット１００を図示している。

パレット１００の幅方向および奥行き方向に沿って、ワークＷの支持部１０１が複数配置されている。なお、図３の（ｂ）では支持部１０１を簡略化した仮想線として図示している。

パレット１００には、パレット１００同士を高さ方向に接続するジョイント１０２が設けられている。連続浸炭炉へは、それぞれにワークＷを積載したパレット１００を、ジョイント１０２を介して高さ方向に段積みした状態で搬入される。「荷姿Ｆ」とは、ワークが積載された状態で段積みされたパレット１００の、幅方向、奥行き方向および高さ方向を含む全体、すなわち炉１内に搬入される搬送物全体を意味するものである。
図３では、ワークＷをリダクションギヤとした場合について説明したが、ファイナルギヤまたはドライブギヤについても、同様に段積みされたパレット１００に積載され、連続浸炭炉に搬入される。また、図３の（ｂ）では、荷姿Ｆの一例として、パレット１００を３段に積んだ状態を図示しているが、段積みする数は適宜増減可能である。

制御装置８のガス供給制御部８４（図２参照）は、ワークＷを積載した荷姿Ｆの体積ＦＶが、昇温室１１の容積ＲＣに対して占める占有率ＳＰと、荷姿Ｆの総重量ＦＷに応じて、各処理室へのガスの供給量を管理する。特に、実施の形態において、ガス供給制御部８４は、ワークＷに酸化被膜（スケール）が発生することを防止する観点から、昇温室１１へのブタンガスの供給量の制御を行う。

連続浸炭炉では、ワークＷを昇温させた上で処理室の内部にブタンガスを導入することによって、処理室の内部に以下の化学反応が起きることによって、ワークＷの浸炭処理が行われる。
・ＣＨ₄＋ＣＯ₂→２ＣＯ＋２Ｈ₂
・ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂
なお、ブタンガスの化学式はＣ₄Ｈ₁₀だが、高温環境下では、ブタンガスはすぐにメタン（ＣＨ₄）に変化する。

ところが、ワークＷの昇温が十分でない場合、以下のように逆方向の反応が起きることがある。
・２ＣＯ＋２Ｈ₂→ＣＨ₄＋ＣＯ₂
・ＣＯ＋３Ｈ₂→ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ
ＣＯ₂やＨ₂ＯがワークＷに付着すると、ワークＷの鉄と反応してスケールを発生させる原因となる。
スケールの発生を防ぐために、昇温室１１においてワークＷを９５０℃程度まで昇温させるが、ワークＷは荷姿Ｆ状態（図３の（ｂ））で炉１内に搬入されるため、ワークＷは均一に加熱されるわけではなく、荷姿Ｆ内部の位置によって、温度差が生じることがある。

図４は、荷姿ＦにおけるワークＷのスケールの発生傾向を示す模式図である。３段に段積みしたパレット１００のワークＷの配置を格子状に示しており、スケールが発生したワークＷの配置位置を、ハッチングで示している。
図４に示すように、スケールは、３段に段積みしたパレット１００のうち、上段のパレット１００に積載したワークＷにはスケールの発生はないが、中段と下段のパレット１００においては、幅方向中心と奥行き方向中心が交差する中央部付近に積載したワークＷにスケールが発生する傾向がある。

図５は、昇温室１１における荷姿Ｆの温度分布の測定データである。
実線は、図４において示した位置Ｐ１のワークＷの温度を示し、破線は図４において示した位置Ｐ２の載置したワークＷの温度を示している。位置Ｐ１は、上段のパレット１００の、中央部から離れた位置、すなわち荷姿Ｆの外側に位置するワークＷである。位置Ｐ２は、スケールが発生しやすい傾向がある、中段のパレット１００の中央部付近のワークＷであり、すなわち荷姿Ｆの内側に位置するワークＷである。

図５に示すように、搬入直後は位置Ｐ１およびＰ２のワークＷに大きな温度差は無いが、昇温室１１の加熱が始まると、温度差が開き、１０分経過後には３００℃程度の温度差が生じている。
このような温度差が生じる要因は、昇温室１１では、内壁に配置されたラジアントチューブ７１（図１参照）によって、荷姿Ｆの外側からワークＷが加熱されるため、ラジアントチューブ７１から離れた荷姿Ｆの内側のワークＷには熱が伝達されにくいためと考えられる。

図５に示すように、搬入から２５分経過すると昇温が進んで位置Ｐ１および位置Ｐ２の温度差は６０℃程度と小さくなるが、荷姿Ｆの内側の昇温が進んでいない段階で昇温室１１にブタンガスが供給されることによって、前記したようにＣＯ₂やＨ₂Ｏが発生し、荷姿Ｆの内側にスケールが発生する。

なお、下段のパレット１００よりも中段のパレット１００の方がスケールが発生する範囲が広いが、これは下段のパレット１００が搬送路２に近く、中段のパレット１００よりも搬送路２を介して熱が伝達されやすいためと考えられる。

このように、昇温室１１において荷姿Ｆ内部に温度差が生じるが、昇温室１１の容積ＲＣに占める荷姿Ｆ全体の体積ＦＶの占有率ＳＰが高いほど、荷姿Ｆの内側には熱が伝わりにくくなるため、温度差が大きくなる傾向がある。

さらに、荷姿Ｆ全体の総重量が重いほど、熱容量が大きくなって加熱に時間がかかり、荷姿Ｆの内側には熱が伝わりにくくなるため、温度差が大きくなる傾向がある。
ここで、荷姿Ｆの総重量は、積載されるワークＷ単体の重量は、ワークＷ単体の重量と、パレット１００への積載数によって決定される。
図６は、各ギヤの重量を示す図である。
図６に示すように、リダクションギヤは、単体の重量ではドライブギヤより重いものの、ファイナルギヤよりは軽い。しかしながら、リダクションギヤはパレット１００への積載数が多いため、パレット１００に積載した際の総重量は、３つのギヤの中で最も重くなる。そのため、パレット１００を積み重ねた荷姿Ｆにおける総重量もリダクションギヤが最も重くなる。結果として、３つのギヤの中では、リダクションギヤにおいて、スケールが比較的発生しやすい。

以上説明したように、荷姿Ｆの昇温室１１に対する占有率ＳＰと荷姿Ｆの総重量ＦＷとに応じて荷姿Ｆ内部の温度差が生じる。そして、温度差が生じる状態で、昇温室１１にブタンガスを供給すると、荷姿Ｆの温度が低い箇所で酸化反応が起きてスケールが発生する原因となる。
そこで、制御装置８のガス供給制御部８４は、荷姿Ｆの占有率ＳＰと総重量ＦＷに応じた温度差に基づいて、昇温室１１におけるブタンガスの供給量を減少させる制御を行う。

ここで、ブタンガスの供給量を減少させるための制御の一例を説明する。
図７は、制御装置８における、昇温室１１へのブタンガスの供給量を決定する処理を説明するフローチャートである。
制御装置８の記憶部８５に、昇温室１１の容積ＲＣ、荷姿Ｆの昇温室１１における占有率ＳＰと総重量ＦＷに応じた荷姿Ｆ内部の温度差ＴＤを定義するテーブルＴ１、温度差の閾値ＴＨ、昇温室１１へのブタンガスの基準供給量ＳＡ、および温度差ＴＤに応じたブタンガスの減少量ＤＡを定義するテーブルＴ２を予め記憶させておく。これらのデータは、予め試験等を行って作成する。なお、テーブルＴ１とテーブルＴ２に代えて、計算式としても良い。

図７に示すように、連続浸炭炉に荷姿Ｆを搬入する際に、作業員が入力装置９（図２参照）を操作して、荷姿Ｆの体積ＦＶと総重量ＦＷを入力する（ステップＳ０１）。
入力装置９からの入力信号を受けると、ガス供給制御部８４は、入力された荷姿Ｆの体積ＦＶと、記憶部８５に予め記憶させた昇温室１１の容積ＲＣから、荷姿Ｆの昇温室１１における占有率ＳＰを算出する（ステップＳ０２）。
あるいは、入力装置９において、１つのパレット１００の重量、幅、奥行きおよび高さ、ワークＷ単体の重量、１つのパレット１００への積載数、パレット１００の段積数をそれぞれ入力するようにしても良い。制御装置８は、入力された情報から荷姿Ｆの体積ＦＶと総重量ＦＷを算出するようにしても良い。

ガス供給制御部８４は、テーブルＴ１を参照して、ステップＳ０２で算出した荷姿Ｆの占有率ＳＰと、ステップＳ０１で入力された荷姿Ｆの総重量ＦＷに応じた荷姿Ｆ内部の温度差ＴＤを取得する（ステップＳ０３）。
ガス供給制御部８４は、テーブルＴ１から取得した温度差ＴＤを、閾値ＴＨと比較する（ステップＳ０４）。閾値ＴＨは、スケールが発生する可能性のある温度差ＴＤを示す値である。
荷姿Ｆ内部の温度差ＴＤが閾値ＴＨを下回る場合（ステップＳ０４：Ｎｏ）、温度差ＴＤはワークＷにスケールを発生させる程度のものではないため、ガス供給制御部８４は、ガス供給装置６を制御して昇温室１１へ基準供給量ＳＡのブタンガスを供給する（ステップＳ０５）。

一方、荷姿Ｆ内部の温度差ＴＤが閾値ＴＨ以上である場合（ステップＳ０４：Ｙｅｓ）、ガス供給制御部８４は、テーブルＴ２を参照して、荷姿Ｆ内部の温度差ＴＤに応じた減少量ＤＡを取得する（ステップＳ０６）。テーブルＴ２において、荷姿Ｆ内部の温度差ＴＤが大きくなるほどブタンガスの減少量ＤＡが大きくなるように定義されている。

ガス供給制御部８４は、ガス供給装置６を制御して、基準供給量ＳＡから取得した減少量ＤＡを差し引いた量のブタンガスを、昇温室１１に供給する（ステップＳ０７）。
このように、昇温室１１へのブタンガスの供給量を減少させることで、荷姿Ｆ内部の温度が低い箇所で起きる酸化反応によるスケールの発生を防止する。
ここで、テーブルＴ２に定義するブタンガスの減少量ＤＡは、最大で基準供給量ＳＡと同量とすることができる。減少量ＤＡを基準供給量ＳＡと同量とした場合、ガス供給制御部８４は、昇温室１１にはキャリアガスの供給のみを行い、ブタンガスの供給は行わない。

詳細な説明は省略するが、ガス供給制御部８４は、昇温室１１においてブタンガスの供給量を減少させた分、浸炭室１２におけるブタンガスの供給量を増やす等の制御を行っても良い。

以上説明したように、実施の形態の連続浸炭炉は
（１）複数段積み重ねた各パレット１００（冶具）上に複数個並べて配置された荷姿Ｆで搬入されたワークＷを、搬送路２で搬送しながら浸炭処理を行うものであって、
搬送路２上に設けられ、搬入されたワークＷを昇温させる昇温室１１と、
昇温室１１に対して、搬送路２の下流側に設けられ、昇温されたワークＷに浸炭処理を行う浸炭室１２と、
昇温室１１および浸炭室１２に対して、炭化水素ガスを含むガス（浸炭処理用ガス）を供給するガス供給装置と、
ガス供給装置の、昇温室１１と浸炭室１２へのガスの供給量を制御する制御装置８のガス供給制御部８４（制御装置）と、を備え、
ガス供給制御部８４は、昇温室１１に搬入されたワークＷの荷姿Ｆ内部の温度差ＴＤに応じて、昇温室１１に供給する炭化水素ガスの量を減少させる制御を行う。
炭化水素ガスは、例えば、ブタンガスとすることができる。

連続浸炭炉では、浸炭処理を促進させるために、浸炭室１２の上流側に設けられた昇温室１１においても、エンリッチガスであるブタンガスを供給するが、昇温室１１では、ワークＷの荷姿Ｆ内部に温度差がある可能性があり、温度差がある状態で炭化水素ガスを供給すると、十分に昇温されていないワークＷに酸化反応が起きてスケールが発生する可能性がある。
そのため、制御装置８のガス供給制御部８４は、昇温室１１に搬入された荷姿Ｆ内部の温度差ＴＤに応じて、昇温室１１への炭化水素ガスを減少させる制御を行う。これによって、スケールの発生を低減することができる。

（２）昇温室１１の壁面に設けられ、荷姿Ｆを外側から加熱して昇温させる加熱器７（加熱装置）を備え、
ガス供給制御部８４は、昇温室１１に対する荷姿Ｆの占有率ＳＰと、荷姿Ｆの総重量ＦＷとに応じた荷姿Ｆ内部の温度差ＴＤに基づいて、昇温室１１に供給するブタンガスの減少量ＤＡを決定する。

昇温室１１において、荷姿Ｆは昇温室１１の壁面に設けられた加熱器７によって外側から昇温されるため、荷姿Ｆの昇温室１１における占有率ＳＰが大きいほど、荷姿Ｆの内側が昇温されにくくなるため、荷姿Ｆ内部の温度差ＴＤが大きくなる。また、荷姿Ｆの総重量ＦＷが大きいほど熱容量が大きくなるため、荷姿Ｆの内側の昇温に時間がかかって、荷姿Ｆ内部の温度差ＴＤが大きくなる。
よって、荷姿Ｆの昇温室１１に対する占有率ＳＰと総重量ＦＷに応じた温度差ＴＤに基づいて昇温室１１に供給するブタンガスの減少量ＤＡを決定することができ、浸炭処理の促進とスケールの発生の低減のバランスを取ることができる。

１ 炉
２ 搬送路
３ 仕切り扉
４ａ 搬入口
４ｂ 搬出口
５ 開閉扉
１１ 昇温室
１２ 浸炭室
１３ 拡散室
１４ 焼入室
６ ガス供給装置
７ 加熱器
７１ ラジアントチューブ
７２ ガスバーナ
８ 制御装置
８１ 搬送制御部
８２ 扉開閉制御部
８３ 加熱制御部
８４ ガス供給制御部
８５ 記憶部
９ 入力装置
ＴＳ 温度センサ
ＧＳ ガス濃度センサ
Ｗ ワーク
Ｆ 荷姿
１００ パレット
１０１ 支持部
１０２ ジョイント

Claims (3)

1. 複数段積み重ねた各冶具上に複数個並べて配置された荷姿で搬入されたワークを、搬送路で搬送しながら浸炭処理を行う連続浸炭炉であって、
   前記搬送路上に設けられ、搬入された前記ワークを昇温させる昇温室と、
   前記昇温室に対して、前記搬送路の下流側に設けられ、昇温された前記ワークに浸炭処理を行う浸炭室と、
   前記昇温室および前記浸炭室に対して、炭化水素ガスを含む浸炭処理用ガスを供給するガス供給装置と、
   前記ガス供給装置の、前記昇温室と前記浸炭室への前記浸炭処理用ガスの供給量を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記昇温室に搬入された前記ワークの荷姿内部の温度差が、スケールが発生する可能性のある温度差を示す閾値以上である場合、前記温度差が大きくなるほど、前記昇温室に供給する炭化水素ガスの量を減少させる制御を行うことを特徴とする連続浸炭炉。
2. 前記炭化水素ガスは、ブタンガスであることを特徴とする請求項１記載の連続浸炭炉。
3. 前記昇温室の壁面に設けられ、前記荷姿を外側から加熱して昇温させる加熱装置を備え、
   前記制御装置は、前記昇温室に対する前記荷姿の占有率と、前記荷姿の重量とに応じた前記荷姿内部の温度差に基づいて、前記昇温室に供給する前記炭化水素ガスの減少量を決定することを特徴とする請求項１または２記載の連続浸炭炉。

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