JP7253779B2

JP7253779B2 - 連続熱処理炉

Info

Publication number: JP7253779B2
Application number: JP2019021095A
Authority: JP
Inventors: 愼一 ▲高▼橋; 輝一神田
Original assignee: Kanto Yakin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Kanto Yakin Kogyo Co Ltd
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: JP2020128832A

Description

本発明は、鋼材等の被処理物の熱処理に使用される連続熱処理炉に関する。

熱処理炉において、鋼材等の被処理物の熱処理を行う際に、雰囲気ガスとして、アルゴンガス等の不活性ガスに代えて、変成ガスを用いることが、種々提案され、既に実用化されている。例えば、特許文献１は、加熱域及び冷却域を有する熱処理装置と、この熱処理装置における熱処理の雰囲気ガスとして使用される発熱型変成ガスを生成するためのガス発生装置とを有する熱処理炉の一例を開示する。このガス発生装置は、予め設定された混合割合で燃焼用空気と燃料とが混合された原料ガス（予混合ガス）を、燃焼室において燃焼用バーナにて燃焼させ（例えば不完全燃焼させ）、これにより変成ガスを生成するように構成されている。そして、変成ガス生成時に発生した熱エネルギーを有効に活用して省エネルギー効果を高めるべく、熱処理装置の加熱域の昇温部において、この変成ガスの熱で搬送されてくる被処理物を予熱するように、ガス発生装置は加熱域の昇温部に位置付けられている。

更に、特許文献２は、予熱室、加熱室及び冷却室が連続的に設けられていて、被処理物を予熱室で予熱した後、加熱室で加熱して熱処理を行う熱処理炉の一例を開示する。この熱処理炉では、予熱室の手前側に設けられた前室は、雰囲気ガスとして加熱室等で使用済みの変成ガスを燃焼させることによって生じる燃焼熱で被処理物を予熱する構成を更に備える。これにより、更なるエネルギー効率を向上させることを可能にする。

一方で、鋼又は鉄系合金鋼の表面に酸化鉄の黒色被膜を形成するための水蒸気処理（ホモ処理）が知られている。水蒸気処理は、表面処理の一種であり、酸化鉄の内でも四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）を材料の表面に形成する処理である。四酸化三鉄は硬く、耐食性に富む。この水蒸気処理では５００℃～５６０℃に加熱した過熱水蒸気を被処理材料に通じることが行われる。特許文献３は、この水蒸気処理において、一般に用いられている水蒸気に代えて、燃焼排ガスを利用することを開示する。

特公昭５８－２７３２３号公報特開２０１７－１６６７２１号公報特開昭６０－９２４６２号公報特開２０１４－７４５６６号公報

ところで、鋼等の熱処理では、その被処理物に求められる特性つまり熱処理の目的に応じて、雰囲気ガスの成分や温度を調整することが求められる。そして、そのような熱処理がなされた被処理物を種々の条件下で安定的に使用し続けるために、上記水蒸気処理が施される。そして、通常、これらの処理は、水蒸気処理の水蒸気が、焼きなましなどの熱処理に悪影響を及ぼさないように、別々に行われる。つまり、被処理物は、ある熱処理での加熱後に冷却されて例えば室温に戻され、その後の水蒸気処理で再度処理温度にまで加熱される。このような被処理物の温度変化を抑制することは、エネルギー効率改善の点で有効である。

そこで、本発明の目的は、エネルギー効率よく、ある熱処理に続いて、その熱処理とは異なる水蒸気処理を行うことを可能にする連続熱処理炉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、
第１加熱域と、該第１加熱域の下流側に設けられた第２加熱域とを備えた連続熱処理炉であって、
前記第１加熱域に被処理物の熱処理用の第１雰囲気ガスを供給するように構成された第１雰囲気ガス供給システムと、
前記第２加熱域に前記被処理物の水蒸気処理用の第２雰囲気ガスを供給するように構成された第２雰囲気ガス供給システムであって、前記第２雰囲気ガスを生成するべく燃焼用空気と燃料とを所定割合で燃焼させるように構成された第２雰囲気ガス生成装置を備える、第２雰囲気ガス供給システムと、
前記第１加熱域と前記第２加熱域との間での前記第１雰囲気ガスと前記第２雰囲気ガスとの混合を防ぐように設けられたガス遮断システムと
を備える、連続熱処理炉
を提供する。

好ましくは、前記ガス遮断システムは、前記第１加熱域の下流側かつ前記第２加熱域の上流側にカーテンを形成するべく、前記第１加熱域を通過した使用済み第１雰囲気ガスを前記第１加熱域の下流側に還流させるように構成された還流システムを備えている。前記ガス遮断システムは、前記還流システムにより還流された前記使用済み第１雰囲気ガスを排出するように前記第１加熱域と前記第２加熱域との間に設けられた排気装置を更に備えているとよい。更に好ましくは、前記使用済み第１雰囲気ガスを前記排気装置よりも上流側に還流させるように前記還流システムは構成されている。

好ましくは、前記第１加熱域と前記第２加熱域との間の領域には、還流された前記使用済み第１雰囲気ガスの流れを前記排気装置へと促すための整流部材が更に設けられている。前記整流部材は、前記第２加熱域の前記第２雰囲気ガスが前記第１加熱域に至るのを防ぐように形作られているとなおよい。

更に、上述の連続熱処理炉は、前記第２加熱域での水蒸気処理による水素濃度が所定濃度以上であるとき、希釈用ガスを前記第２加熱域に供給するように構成された希釈用ガス供給システムを備えてもよい。

本発明の上記一態様に係る連続熱処理炉によれば、上記構成を備えるので、エネルギー効率よく、ある熱処理に続いて、その熱処理とは異なる水蒸気処理を行うことが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る熱処理炉の概略構成図である。図１の熱処理炉における、第１加熱室の搬送方向に略直交する仮想面での断面模式図である。図１の熱処理炉における、予熱室の搬送方向に略直交する仮想面での断面模式図である。図１の熱処理炉における、制御構成の概略図である。予混合ガスの完全燃焼割合と、生成した変成ガスにおけるガス成分の割合との関係を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係る熱処理炉の概略構成図である。図６の熱処理炉に備えられた整流部材及びその周囲を表した図であり。(ａ)は被処理物の搬送方向上流側からみた図であり、（ｂ）は搬送方向横側からみた図である。図７（ｂ）の整流部材周囲における雰囲気ガスの流れを模式的に表した図である。本発明の第３実施形態に係る熱処理炉の概略構成図である。本発明の第４実施形態に係る熱処理炉の概略構成図である。図１０の熱処理炉における、制御構成の概略図である。

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を説明する。熱処理炉１０は、後述する説明から明らかなように、ある熱処理に続いて、その熱処理とは異なる水蒸気処理を連続して可能にする連続熱処炉である。図１に、熱処理炉１０の全体の概略構成を示す。熱処理炉１０の熱処理装置１０ａでは、搬送手段により鋼材等の被処理物１２が搬送される方向（搬送方向）において、上流側から、搬入テーブル１４、前室（入口室）１６、予熱室１８、第１加熱室２０、冷却室２２、第２加熱室２４、複数の冷却室２６、２８、後室（出口室）３０、及び搬出テーブル３２等が、連続的に設けられている。そして、熱処理炉１０では、熱処理装置１０ａのそれらの内部つまり処理領域を通して、被処理物１２を搬送方向に搬送する搬送手段として、モータ３４で駆動されるメッシュベルトコンベア３６が配置されている。以下では、第１加熱室２０及び第２加熱室２４をまとめて加熱室と称したり、冷却室２２及び複数の冷却室２６、２８をまとめて冷却室と称したりし得る。更に、冷却室２２は第１加熱室２０と第２加熱室２４との間にあるので中間冷却室と称し得る。

ここで、予熱室１８、第１加熱室２０、及び、第２加熱室２４の構造を図１から図３に基づいて説明する。図２は、第１加熱室２０の搬送方向に略直交する仮想面での断面模式図であり、図３は、予熱室１８の搬送方向に略直交する仮想面での断面模式図である。なお、第２加熱室２４の搬送方向に略直交する仮想面での断面模式図は、図２と実質的に同じであるので、その図示を省略する。

予熱室１８、第１加熱室２０、及び、第２加熱室２４は、いずれも加熱域を定める。予熱室１８と第１加熱室２０とは、特に第１加熱室２０は、ここでは処理領域の一部である第１加熱域に相当し、図１に示すように直接的に連通して設けられている。そして、第２加熱室２４は、ここでは処理領域の一部である第２加熱域に相当し、冷却領域を定める中間冷却室２２を介して第１加熱室２０と連通して設けられている。予熱室１８及び加熱室２０、２４は、図２及び図３から明らかなように、搬送方向に直交する断面視で略矩形であり、周囲が断熱壁３８で囲まれて形成されている。断熱壁３８は、例えばセラミックファイバーから主に構成することができる。さらに、予熱室１８及び加熱室２０、２４を通して搬送方向に向けて延びる複数本の縦桁材４０（図２及び図３参照）及び搬送方向に略直交する方向に延びる複数本の横桁材（不図示）が配置され、これにより熱処理装置１０ａにおける支持構造が形成されている。そして、縦桁材４０の上に、メッシュベルトコンベア３６が走行するように配置されている。

予熱室１８及び加熱室２０、２４内には、図１から図３に示すように、複数本のヒータ４２が、それぞれが上側の断熱壁３８ａ（３８）の下方に幅方向に延びるように搬送方向に間隔をおいて配置されている。さらに、加熱室２０、２４内については、図１及び図２に示すように、下側の断熱壁３８ｂ（３８）の上方であって、縦桁材４０の下方の部分に、複数本のヒータ４２が、それぞれが幅方向に延びるように搬送方向に間隔をおいて配置されている。

これらヒータ４２の熱で、処理領域における加熱域のガスつまり後述する雰囲気ガス及び被処理物１２は加熱され、その処理目的（例えば、焼きなまし、焼きならし、鋼材のろう付け）に応じて熱処理や水蒸気処理が行われる。ただし、第２加熱室２４では、被処理物１２が通過するとともに雰囲気ガスで満たされる空間つまり熱処理領域を、ヒータ４２の配置領域から隔てるように、それらの間に仕切り壁が設けられてもよい。これにより、ヒータ４２が後述する水蒸気に曝されることを防ぐことができる。仕切り壁はヒータ４２から受けた熱で発熱し、その輻射熱で雰囲気ガス及び被処理物１２を加熱可能に構成されているとよい。例えば、仕切り壁はセラミック製壁部として構成可能である。

第１加熱室２０及び第２加熱室２４のそれぞれには、被処理物１２が通過する空間又は処理領域に雰囲気ガスを供給するように、導入口２０ａ、２４ａが設けられている。なお、第１加熱室２０及び第２加熱室２４のそれぞれに対する、導入口２０ａ、２４ａの数は、１つに限定されず、複数であってもよい。更に、そのような雰囲気ガスの導入口は加熱室２０、２４だけでなく、予熱室や冷却室等に設けられてもよい。なお、各導入口２０ａ、２４ａは、搬送方向下流側から上流側に、雰囲気ガスを方向付けて流すように、ノズル形状などに構成されているとよい。

予熱室１８内には、雰囲気ガスとして用いられる燃焼排ガスを生成するためのガスバーナ（燃焼装置）５０が設けられている。このガスバーナ５０は、本発明者らにより提案された（特許文献４に記載の）ガスバーナの構成と略同じ構成を備える。ガスバーナ５０を図１及び図３に基づいて説明する。

ここでは、予熱室１８内に２つのガスバーナ５０が設けられている。各ガスバーナ５０は同じ構成を備え、個別に作動制御可能であるが、ここでは、同じように作動される。ここでは、２つのガスバーナ５０のうちの上流側のガスバーナ５０を第１ガスバーナ５０ａと称し、他方のガスバーナ５０を第２ガスバーナ５０ｂと称する。第１ガスバーナ５０ａ及び第２ガスバーナ５０ｂは予熱室１８に搬送方向に略並列に設けられている。第１及び第２ガスバーナ５０ｂは第２加熱室２４つまり第２加熱域に供給するための雰囲気ガス（以下、第２雰囲気ガスと称する。）の生成用に設けられている。これら２つのガスバーナ５０（５０ａ、５０ｂ）は同じ構成を備えるので、以下では、第１ガスバーナ５０ａの構成を代表して説明し、第２ガスバーナ５０ｂの詳細な説明を省略する。なお、ここでは、これらの第１及び第２ガスバーナ５０ａ、５０ｂが第２雰囲気ガス生成装置５０Ｄに相当する。ただし、ガスバーナ５０の数は１つでも、３つ以上であってもよい。

第１ガスバーナ５０ａは、予熱室１８内においてメッシュベルトコンベア３６の鉛直方向下方に配置されており、ラジアントチューブからなるバーナ本体５２と、供給筒部５４と、供給筒部５４の周囲に形成された排気通路部５８と、原料ガス供給筒部６０と、原料ガス供給筒部６０内に設けられたスパークロッド６２とを備えている。バーナ本体５２内に、パイロット用原料ガス源６４から燃焼用のパイロット用原料ガスが不図示のバルブを介して原料ガス供給筒部６０を通して供給される。そしてバーナ本体５２と原料ガス供給筒部６０との間から、（不図示のバルブを介して供給される）空気と燃料とが予め混合された予混合ガスつまり原料ガスが採り入れられて、バーナ本体５２内に供給される。原料ガスにおける燃料としては、炭化水素ガス、例えばブタン、プロパン等が使用可能である。

そして、バーナ本体５２内においてパイロット用原料ガスを、点火手段であるスパークロッド６２に、スパーク用電源６６で電圧を印加して、点火することにより燃焼させる。点火による燃焼後は、予混合ガス（燃焼用空気が燃料に混合された原料ガス）の連続供給によって燃焼が維持される。

この第１ガスバーナ５０ａによる燃焼熱で、予熱室１８内に搬入される被処理物１２及び周囲のガスつまり雰囲気ガスが予熱されるように、予熱室１８にガスバーナ５０ａは配置されている。この燃焼によって生じた燃焼排ガスは、排気通路部５８を通過し、採り入れる予混合ガスを予熱部６８において予熱しつつ、第１ガスバーナ５０ａから排出される。このようにして生成された燃焼排ガスは、（後で図５に基づいて説明するように）ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２を含む。

第１ガスバーナ５０ａから排出された燃焼排ガスは、同様に第２ガスバーナ５０ｂから排出された燃焼排ガスとともに、合流されて、雰囲気ガスとして、第２加熱室２４つまり第２加熱域に供給される。この雰囲気ガスは、第２加熱室２４への供給路（第２供給路）７０を通して流れ、第２供給路７０の下流端の上記第２導入口２４ａを介して、第２加熱室２４内に供給される。第１及び第２ガスバーナ５０ａ、５０ｂを有する第２雰囲気ガス生成装置５０Ｄと、第２供給路７０とを含んで、第２雰囲気ガス供給システム７２は構成されている。なお、ここでは、第２供給路７０に第２雰囲気ガスの冷却器などが設けられていないが、設けられることを本発明は排除するものではない。

一方、第１加熱室２０つまり第１加熱域へは、ここでは、雰囲気ガス（以下、第１雰囲気ガスと称する。）として、窒素ガス（Ｎ_２ガス）が供給されるように、第１加熱室２０つまり第１加熱域に対する第１雰囲気ガス供給システム７４が構成されている。図１に示すように、窒素タンク７６はバルブ７８が設けられた供給路（第１供給路）８０を介して上記第１導入口２０ａにつなげられている。したがって、バルブ７８が制御されて開くことで、第１雰囲気ガスとして、窒素ガスが第１加熱室２０内に供給される。

中間冷却室２２は、ここでは、炉冷を行うように構成されている。また、冷却室２６、２８は、詳しく述べないが、それぞれ水冷式の既知の構成を備える。なお、これら（冷却域を定める）冷却室２２、２６、２８は、それぞれ、他の冷却機構を備えてもよい。

上記ガスバーナ５０ａ、５０ｂ等の作動の制御のために、熱処理炉１０は、制御装置９０を備える。制御装置９０は、演算装置（例えばＣＰＵ）、記憶装置（例えばＲＯＭ、ＲＡＭ）、入出力ポート等を備え、所謂コンピュータとしての構成を備える。制御装置９０には、各種のセンサが入力ポートを介して電気的に接続されている。例えば、第１加熱室２０における雰囲気ガスの温度を検出するための（取得するための）第１温度センサ９１、第１加熱室２０における雰囲気ガスの成分濃度を検出するための（取得するための）第１ガスセンサ９２、第２加熱室２４における雰囲気ガスの温度を検出するための（取得するための）第２温度センサ９３、第２加熱室２４における雰囲気ガスの成分濃度を検出するための（取得するための）第２ガスセンサ９４が設けられている。そして、制御装置９０には、出力ポートを介して、第１ガスバーナ５０ａ及び第２ガスバーナ５０ｂ（の各々におけるバルブなど）や、バルブ７８が接続されている。そして、制御装置９０は、ここでは、熱処理炉１０の操作者によって入力装置９６から入力された熱処理条件（例えば熱処理温度）でガスバーナ５０ａ、５０ｂや、バルブ７８を作動させるように、プログラミングされている。

さて、ここでは、被処理物１２は電磁鋼板から作られた部品である。より具体的には、被処理物１２はモータコアとなる部材であり、電磁鋼板の打ち抜き品である。そこで、熱処理炉１０では、第１加熱域で所謂磁気焼鈍を行い、それよりも搬送方向下流側の第２加熱域で水蒸気処理を行う。

第１熱処理としての磁気焼鈍では、第１加熱室２０において、第１所定温度で第１所定時間の間、被処理物１２は熱処理される。ここでは第１所定温度は約８５０℃であり、第１所定時間は約３時間である。そして、第１加熱室２０で熱処理された被処理物１２は中間冷却室２２で第２所定温度まで炉冷される。ここでは、第２所定温度は約５５０℃である。更に、第１加熱室２０（及び冷却室２２）で熱処理つまり磁気焼鈍が行われた被処理物１２に対して、第２加熱室２４において、第３所定温度で第３所定時間の間、第２熱処理としての水蒸気処理が行われる。ここでは、第３所定温度は約５５０℃であり、第３所定時間は約３０分である。なお、それらの処理の時間並びに温度などに基づいて、熱処理炉１０では、第１加熱室の搬送方向の長さ、中間冷却室２２の搬送方向の長さ及び第２加熱室の搬送方向の長さ、並びに、メッシュベルトコンベア３６の搬送速度又は移動速度、メッシュベルトコンベア３６の一体構成又は分割構成は設定されるとよい。

ここで、第２加熱室２４に供給される第２雰囲気ガスについて説明し、第１及び第２ガスバーナ５０ａ、５０ｂの作動等について説明する。第１及び第２ガスバーナ５０ａ、５０ｂにより生成された燃焼排ガスは水蒸気処理用の第２雰囲気ガスとして、第２加熱室２４に供給される。特に、ここでは、燃焼排ガスとして発熱型変成ガス（ＤＸガス）を生成させる。ＤＸガスは、完全燃焼に比較的近い燃焼によって生じる。具体的には、完全燃焼する場合の完全燃焼割合を１００％とすると、約６０％から１００％近くまでの範囲の完全燃焼割合を有するような燃焼用空気と燃料との所定の混合割合（燃焼用空気／燃料）の予混合ガスの燃焼で、ＤＸガスを生じさせることができる。

ここで、図５に、横軸に予混合ガスの燃焼における完全燃焼割合（％）をとり、縦軸に生成した燃焼排ガスにおける各ガス成分の割合（％）をとり、各完全燃焼割合に対するガス成分の割合の傾向を示す。なお、完全燃焼割合１００％とは完全燃焼に対応し、完全燃焼割合が１００％未満のときの燃焼は不完全燃焼である。例えば、燃料ガスがブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）であるとき、完全燃焼（完全燃焼割合１００％）に対応する空気とブタンとの（予混合ガスにおける）混合割合（具体的には空燃比（空気／ブタン））は３０．９であり、完全燃焼割合６０％に対応する空気とブタンとの混合割合は１８．６である。つまり、燃焼排ガスとして発熱型変成ガス（ＤＸガス）を生成するための予混合ガスは、完全燃焼割合１００％に対応する予混合ガスよりも燃料過多（リッチ）である。

図５より、ＤＸガスの完全燃焼割合領域（６０％～１００％）をみると、生成した燃焼排ガス中には、水分（Ｈ_２Ｏ）がある程度以上含まれることが理解できる。図５の水分（Ｈ_２Ｏ）の表示は、２０℃での量であり、第１及び第２ガスバーナ５０ａ、５０ｂで生成された燃焼排ガスつまり第２雰囲気ガスにおける水蒸気、特に過熱水蒸気がかなりの割合を占めることは明らかである。

例えば、完全燃焼割合９０％になるように、第２雰囲気ガス生成装置である第１及び第２ガスバーナ５０ａ、５０ｂにおける、燃焼用空気と燃料との割合を所定割合、特に所定混合割合に調整し、第１及び第２ガスバーナ５０ａ、５０ｂで燃焼を生じさせる。ただし、この燃焼用空気と燃料との混合割合は、完全燃焼割合９０％に対する所定混合割合にすることに限定されず、他の混合割合にすることができ、第２雰囲気ガスが水蒸気処理用に所定量以上の水蒸気を含むのであれば、発熱型変成ガス（ＤＸガス）の混合割合に限定されず、吸熱型変成ガス（ＲＸガス）の混合割合であってもよい。

このように、熱処理炉１０では、被処理物１２は、窒素ガスである第１雰囲気ガス下で磁気焼鈍が行われ、それに続けて、燃焼排ガスである第２雰囲気ガス下で水蒸気処理が行われる。このとき、磁気焼鈍から水蒸気処理に移行する過程で、つまり、中間冷却室２２で第２雰囲気ガスの水蒸気が第２加熱室２４側から第１加熱室２０側に流れていたることは好ましくなく、防ぐ必要がある。そこで、本実施形態では、第１加熱域を定める第１加熱室２０と第２加熱域を定める第２加熱室２４との間での第１雰囲気ガスと第２雰囲気ガスとの混合を防ぐようにガス遮断システム１００が設けられている。

ガス遮断システム１００は、第１加熱室２０の下流側かつ第２加熱室２４の上流側にカーテンを形成するべく、第１加熱室２０を通過した使用済み第１雰囲気ガスを第１加熱室２０の下流側に還流させるように構成された還流システム１０２を備える。更に、第１ガス遮断システム１００は、この還流システム１０２により還流された使用済み第１雰囲気ガスを排出するように第１加熱室２０と第２加熱室２４との間に設けられた排気装置１０４を備える。

還流システム１０２は、ここでは、第１加熱室２０の上流側の予熱室１８に開口する吸引口１０２ａと、第１加熱室２０の下流側かつ第２加熱室２４の上流側の中間冷却室２２に開口する戻し口１０２ｂとをつなぐ還流管１０２ｃを有する。更に、還流管１０２ｃには、第１導入口２０ａから導入されて第１加熱室２０を通過した使用済み第１雰囲気ガスを吸引して、第１加熱室２０の下流側に噴射させるように、ポンプ１０６が設けられている。ここでは更に、第１加熱室２０の下流側かつ第２加熱室２４の上流側の中間冷却室２２に開口するように設けられた排気装置１０４の吸引口１０４ａよりも上流側に使用済み第１雰囲気ガスを還流させるように、還流システム１０２の戻し口１０２ｂは設けられている。

ガス遮断システム１００を設けて、磁気焼鈍に際して制御装置９０によりポンプ１０６を作動させることで、第１導入口２０ａを介して第１加熱室２０に導入された第１雰囲気ガスが、第１加熱室２０を下流側から上流側に流れて通過し、吸引口１０２ａから吸引されて、第１加熱室２０の下流側の中間冷却室２２に設けた戻し口１０２ｂを介して中間冷却室２２に供給される。そして、戻し口１０２ｂは、搬送方向に直交する方向に並ぶ複数のノズル（不図示）を有して構成されているので、戻し口１０２ｂから吐出された第１雰囲気ガスつまり窒素ガスでカーテンつまりガスカーテンを形成することができる。これにより、第１雰囲気ガスと第２雰囲気ガスとの混合を防ぐことが可能になる。

そして、上記したように、排気装置１０４が更に設けられていて、排気装置１０４の吸引口１０４ａよりも上流側に使用済み第１雰囲気ガスを還流させるように、第１還流システム１０２の戻し口１０２ｂは設けられている。したがって、こうして戻し口１０２ｂから吐出されてガスカーテンを形成した第１雰囲気ガスは、排気装置１０４のポンプ１０８を制御装置９０により作動させることで、吸引口１０４ａから吸引されて熱処理炉１０の処理領域から排気される。したがって、この排気装置１０４による吸引又は排気により、更に、第１雰囲気ガスと第２雰囲気ガスとの混合を防ぐことが可能になる。なお、排気装置１０４は、ポンプ１０８と、それが途中に設けられて吸引口１０４ａを上流側端部に有する排出管１１０とを備える。

更に、第２加熱室２４の上流側及び下流側の各々には、吸引口１０４ｂ、１０４ｃが設けられている。これら吸引口１０４ｂ、１０４ｃは上記ポンプ１０８につながっている。したがって、第２加熱室２４の第２雰囲気ガスは、第２加熱室２４を下流側に又は上流側に通過した後、好ましくは下流側から上流側に通過した後、熱処理炉１０の処理領域から排出される。このため、更に、第２加熱室２４の第２雰囲気ガスが第１加熱室２０に至ることをよりしっかりと防ぐことが可能になる。

こうして排出された第１雰囲気ガスや第２雰囲気ガス、つまり使用済み雰囲気ガスは、ここではポンプ１０８により吸引されて合流し、水分除去装置１１２に至る。そして、水分除去装置１１２で概ね水分を除去されて冷却されたガスは、導入口１０４ｄ、１０４ｅを介して、前室１６及び後室３０の各々に供給される。これにより、熱処理炉１０内の処理領域への空気の侵入をより好適に防ぐことが可能になる。なお、水分除去装置１１２は、例えばシリカゲルやゼオライトを含んで構成されるが、主として使用済み第２雰囲気ガス中の水分を除去することに向けられている。ただし、これは、水分除去装置１１２の構成を限定するものではなく、それは種々の構成を有し得る。

また、こうして水分除去装置１１２を経た使用済み雰囲気ガスは、冷却室２６、２８に導入口１０４ｆを介して供給される。この導入口１０４ｆには、冷却室２６、２８に導入されるガスにより結露が生じないように、温度調節器１１４が設けられている。温度調節器１１４はヒータ等であり、冷却室２６、２８内の温度を測るために設けられた温度センサ９８（図４参照）の出力に応じて、制御装置９０により作動され得る。

以上述べたように、本実施形態によれば、使用済みの第１雰囲気ガスを第１加熱室２０と第２加熱室２４との間に戻すことでガスカーテンが形成される。更にそのガスカーテン形成用に戻された使用済み第１雰囲気ガスを排出することで更なるガスカーテンが形成可能にされる。つまり、２重のガスカーテンで、第１雰囲気ガスと第２雰囲気ガスとの混合を好適に防ぐことが可能になる。したがって、第１加熱室での磁気焼鈍に続けて第２加熱室での水蒸気処理を連続的に行うことが可能になる。よって、第１加熱室２０での熱処理と、第２加熱室２４での水蒸気処理とを別の装置で行う場合に比べて、被処理物１２の温度変化を抑制して、エネルギー効率を高めることが可能になる。

次に、本発明の第２実施形態に係る熱処理炉１０´を説明する。熱処理炉１０´は、第１実施形態の熱処理炉１０に、更に整流部材１２０が設けられている構成を備える。以下では、その整流部材１２０に関して主に説明し、既に説明した部品(又は構成)に相当する構成要素には同じ符号を付して重複説明を省略する。

第２実施形態の熱処理炉１０´を図６に示す。図６では、第１加熱室２０と第２加熱室２４との間の中間冷却室２２、つまり第１加熱域と第２加熱域との間の接続領域ＣＡに、整流部材１２０が配置されている。その整流部材１２０を図７に示す。整流部材１２０は、熱処理領域のうちの接続領域ＣＡにおける雰囲気ガスの流れを排気装置１０４つまりその吸引口１０４ａへと促すように構成されている。具体的には、整流部材１２０は、湾曲天面部１２２を有するようにゲート状に構成されていて、実質的にメッシュベルトコンベア３６上に載置されているかのように支持部材（不図示）により保持されている。なお、整流部材１２０は、メッシュベルトコンベア３６と非接触であるが、接触してもよい。湾曲天面部１２２は、還流システム１０２により還流された使用済み第１雰囲気ガスの流れを排気装置１０４へと促すように、還流システム１０２の戻し口１０２ｂ側の端部１２２ａで最も低く、その戻し口１０２ｂから離れるに従い高くなり、戻し口１０２ｂから搬送方向で最も離れた端部１２２ｂで最も高くなるように凹湾曲状に形成されている。なお、整流部材１２０はゲート状であり、被処理物１２が通過可能なゲート部１２４を備えるので、被処理物１２はメッシュベルトコンベア３６上をスムーズに搬送可能にされる。

また、整流部材１２０における戻し口１０２ｂから搬送方向で最も離れた端面１２０Ｅは、搬送方向に略直交する壁面として形作られている。これは、第２加熱室２４の第２雰囲気ガスが第１加熱室２０に至るのを防ぐように設計されている。

整流部材１２０における、その周囲での雰囲気ガスの流れを図８に模式的に示す。還流システム１０２を介して還流されて戻し口１０２ｂから吐出された使用済み第１雰囲気ガスは、図８中上側から下側に流れる（矢印Ａ１参照）。そして、使用済み第１雰囲気ガスは、コンベアベルト３６等との衝突などにより、例えば整流部材１２０側に方向を変え、整流部材１２０に沿って、特に湾曲天面部１２２に沿って排気装置１０４に流れることができる（矢印Ａ２、Ａ３参照）。こうして、第１加熱域と第２加熱域との間の接続領域ＣＡに、使用済み第１雰囲気ガスによるカーテンが２重に折り返されたように形成される。また、整流部材１２０の端面１２０Ｅは上で述べたように搬送方向に略直交する壁面として形作られているので、第２加熱室２４の第２雰囲気ガスが接続領域ＣＡにおいて第１加熱室２０側に流れるのを防ぐことができる（矢印Ａ４参照）。

以上述べたように、第２実施形態に係る熱処理炉１０´では、上記熱処理炉１０の構成に加えて、整流部材１２０が更に設けられているので、第１加熱室２０の第１加熱域と第２加熱室２４の第２加熱域との間での雰囲気ガスが混合するような流れをより好適に防ぐことができる。したがって、熱処理炉１０´での連続処理が、上記熱処理炉１０の場合よりも、より好適に可能になる。

なお、上記第１実施形態に係る熱処理炉１０及び第２実施形態に係る熱処理炉１０´のいずれにおいても、第１加熱室２０の断熱材３８で囲まれた空洞内に、グラファイトで形成されたトンネル状のグラファイトマッフルが配置されるとよい。このグラファイトマッフルは、グラファイトアウターマッフルとその内側のグラファイトインナーマッフルとの２重構造を有して構成されてもよい。なお、断熱材３８も、グラファイト断熱材としてもよい。

熱処理炉１０、１０´の第１加熱室２０をグラファイトマッフルで実質的に構成することで、雰囲気ガス中に含まれる微量の残留酸素は炉内構造物のグラファイトなどと反応して例えば一酸化炭素（ＣＯ）となり、第１加熱室２０などの隙間などを介して、雰囲気ガスと共に炉外に排出される。この結果、雰囲気ガス中の残留酸素分圧は低下する。高温下において、被処理物表面に形成された金属酸化物は酸素と金属とに熱解離し、熱解離した酸素が酸素分圧が低下した雰囲気ガス中に放出される。この酸素はグラファイトマッフル又はグラファイトインナーマッフルの内壁などと反応して例えば一酸化炭素（ＣＯ）となり、第１加熱室２０などの隙間などを介して、速やかに雰囲気ガスと共に炉外に排出される。このようにして、金属酸化物は還元ガスを介さずに中性ガス又は不活性ガスだけで継続的に熱解離される。

次に、本発明の第３実施形態に係る熱処理炉２１０を図９に基づいて説明する。熱処理炉２１０は、第１実施形態の熱処理炉１０と、第１加熱室２０での熱処理に変成ガスを用いる点で相違する。以下では、その相違点に関して主に説明し、既に説明した部品(又は構成)に相当する構成要素には同じ符号を付して重複説明を省略する。

第１実施形態に係る熱処理炉１０では、第１ガスバーナ５０ａから排出された燃焼排ガスは、同様に第２ガスバーナ５０ｂから排出された燃焼排ガスとともに、合流されて、第２雰囲気ガスとして、第２加熱室２４つまり第２加熱域に供給された。しかし、本第３実施形態では、第１ガスバーナ５０ａから排出された燃焼排ガスは第１加熱室２０にそこでの第１雰囲気ガスとして供給され、第２ガスバーナ５０ｂから排出された燃焼排ガスは第２加熱室２４にそこでの第２雰囲気ガスとして供給される。第２ガスバーナ５０ｂから排出された燃焼排ガスの第２加熱室２４への供給は上述した通りである。

第１加熱室２０つまり第１加熱域へは、第１雰囲気ガスとして第１ガスバーナ５０ａにより生成された燃焼排ガスが供給される。第１ガスバーナ５０での燃焼用空気と燃料との混合割合（以下、第１混合割合）は、第２ガスバーナ５０での燃焼用空気と燃料との混合割合（以下、第２混合割合）と異なってもよく、また同じであってもよい。第２混合割合については、第１実施形態において説明した通りである。

第１混合割合は、被処理物１２に対する熱処理及びその材質などに応じて設定されたり、例えば第１加熱室の雰囲気ガス検出用に設けた第１ガスセンサ９２、例えば酸素センサ、ＣＯセンサ又はＣＯ_２センサなどの出力に基づき制御装置９０により可変設定されたりしてもよい。なお、第１混合割合を限定するものではないが、第１加熱域へ供給される第１雰囲気ガスはＤＸガスであり得る。

そして、第１ガスバーナ５０ａにより生成された燃焼排ガスは、第１加熱室２０つまり第１加熱域に対する第１雰囲気ガス供給システム２１２を介して供給される。図９に示すように、第１ガスバーナ５０ａは第１供給路８０を介して第１導入口２０ａにつなげられている。第１供給路８０には、水冷熱交換器２１４、脱水機２１６及びＣＯ_２吸着装置２１８が上流側から順に配置されている。したがって、第１ガスバーナ５０ａからの燃焼排ガスは、４０度以下、例えば氷点下にまで冷却されるとともに、脱水及びＣＯ_２除去がされて、第１雰囲気ガスとして第１加熱室２０に供給される。よって、第１加熱室２０での熱処理を、水蒸気分圧、二酸化炭素分圧の低い雰囲気で行うことができ、例えば光輝処理を効率的に行うことができる。

なお、第２実施形態で説明した整流部材１２０は、第３実施形態の熱処理炉２１０に設けられてもよく、また、以下で説明する第４実施形態の熱処理炉３１０に設けられてもよい。

次に、本発明の第４実施形態に係る熱処理炉３１０を図１０及び図１１に基づいて説明する。以下では、第１実施形態の熱処理炉１０との、熱処理炉３１０における相違点を主に説明し、既に説明した部品(又は構成)に相当する構成要素には同じ符号を付して重複説明を省略する。

上記第１実施形態の熱処理炉１０では第２加熱室で水蒸気処理を行った。水蒸気処理では、水素が発生することが知られている。水素は可燃性が強いので、安全性をより一層高めるため、本第４実施形態の熱処理炉３１０では、希釈用ガス供給システム３１２が設けられている。

希釈用ガス供給システム３１２は、窒素タンク７６から第２加熱室２４の第２導入口２４ａに延びる第３供給路３１４と、そこに設けられたバルブ３１６とを備える。バルブ３１６の制御用に、水素センサ３１８が排出管１１０に設けられている。図１１に示すように、バルブ３１６及び水素センサ３１８はそれぞれ制御装置９０につなげられている。制御装置９０は、水素センサ３１８の出力に基づいて検出した、例えば推定した第２加熱室２４での水蒸気処理による水素濃度が所定濃度以上であるとき、その所定濃度に応じた分の窒素ガスを第２加熱室２４に供給するようにバルブ３１６を制御する。所定濃度は、水素の爆発限界の最小割合以下に設定される。例えば、所定濃度は、４％水素濃度、好ましくは３．５％水素濃度である。

このように、排出された雰囲気ガス中の水素濃度を検出して、それに応じた分の窒素ガスを、水蒸気処理を行う第２加熱室２４に供給することで、水蒸気処理の安全性をより一層高めることが可能になる。なお、この希釈用ガス供給システム３１２は、第２実施形態の熱処理炉１０´、第３実施形態の熱処理炉２１０にも同様に適用可能である。

また、希釈用ガス供給システム３１２で希釈用ガスとして用いるガスは、窒素ガスに限定されず、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスなど不活性ガスであってもよい。更に、希釈用ガスの供給箇所は、第２導入口２４ａであることに限定されず、第２供給路７０であってもよい。また、水素センサ３１８は排出管１１０以外の箇所に、例えば第２加熱室２４に設けられてもよい。

なお、上述のガス遮断システムを備えない連続熱処理炉に、希釈用ガス供給システムを適用することも可能である。これは、例えば図１０の熱処理炉３１０において、ガス遮断システムを除いた連続熱処理炉に相当する。つまり、このような連続熱処理炉は、第１加熱域と、該第１加熱域の下流側に設けられた第２加熱域とを備えた連続熱処理炉であって、前記第１加熱域に被処理物の熱処理用の第１雰囲気ガスを供給するように構成された第１雰囲気ガス供給システムと、前記第２加熱域に前記被処理物の水蒸気処理用の第２雰囲気ガスを供給するように構成された第２雰囲気ガス供給システムであって、前記第２雰囲気ガスを生成するべく燃焼用空気と燃料とを所定割合で燃焼させるように構成された第２雰囲気ガス生成装置を備える、第２雰囲気ガス供給システムと、前記第２加熱域での水蒸気処理による水素濃度が所定濃度以上であるとき、希釈用ガスを前記第２加熱域に供給するように構成された希釈用ガス供給システムとを備える、連続熱処理炉に対応する。

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は種々の変更が可能である。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。

１０、１０´、２１０、３１０熱処理炉
１０ａ熱処理装置
１２被処理物
１８予熱室
２０第１加熱室（第１加熱域）
２４第２加熱室（第２加熱域）
５０ａ第１ガスバーナ
５０ｂ第２ガスバーナ
１００ガス遮断システム
１０２還流システム
１０４排気装置
１２０整流部材

Claims

第１加熱域と、該第１加熱域の下流側に設けられた第２加熱域とを備えた連続熱処理炉であって、
前記第１加熱域に被処理物の熱処理用の第１雰囲気ガスを供給するように構成された第１雰囲気ガス供給システムと、
前記第２加熱域に前記被処理物の水蒸気処理用の第２雰囲気ガスを供給するように構成された第２雰囲気ガス供給システムであって、前記第２雰囲気ガスを生成するべく燃焼用空気と燃料とを所定割合で燃焼させるように構成された第２雰囲気ガス生成装置を備える、第２雰囲気ガス供給システムと、
前記第１加熱域と前記第２加熱域との間での前記第１雰囲気ガスと前記第２雰囲気ガスとの混合を防ぐように設けられたガス遮断システムと
を備え、
前記ガス遮断システムは、
前記第１加熱域の下流側かつ前記第２加熱域の上流側にカーテンを形成するべく、前記第１加熱域を通過した使用済み第１雰囲気ガスを前記第１加熱域の下流側に還流させるように構成された還流システム
を備え、
前記還流システムは、前記第１雰囲気ガス供給システムの前記第１加熱域への第１雰囲気ガスの導入口よりも上流側に設けられて使用済み第１雰囲気ガスを吸引するための吸引口と、前記導入口よりも下流側に設けられて使用済み第１雰囲気ガスを前記第１加熱域の下流側かつ前記第２加熱域の上流側に戻すための戻し口と、前記吸引口と前記戻し口とをつなぐ還流管に設けられたポンプとを備える、
連続熱処理炉。
前記ガス遮断システムは、
前記還流システムにより還流された前記使用済み第１雰囲気ガスを排出するように前記第１加熱域と前記第２加熱域との間に設けられた排気装置
を更に備えている、
請求項１に記載の連続熱処理炉。
前記使用済み第１雰囲気ガスを前記排気装置よりも上流側に還流させるように前記還流システムは構成されている、
請求項２に記載の連続熱処理炉。
第１加熱域と、該第１加熱域の下流側に設けられた第２加熱域とを備えた連続熱処理炉であって、
前記第１加熱域に被処理物の熱処理用の第１雰囲気ガスを供給するように構成された第１雰囲気ガス供給システムと、
前記第２加熱域に前記被処理物の水蒸気処理用の第２雰囲気ガスを供給するように構成された第２雰囲気ガス供給システムであって、前記第２雰囲気ガスを生成するべく燃焼用空気と燃料とを所定割合で燃焼させるように構成された第２雰囲気ガス生成装置を備える、第２雰囲気ガス供給システムと、
前記第１加熱域と前記第２加熱域との間での前記第１雰囲気ガスと前記第２雰囲気ガスとの混合を防ぐように設けられたガス遮断システムと
を備え、
前記ガス遮断システムは、
前記第１加熱域の下流側かつ前記第２加熱域の上流側にカーテンを形成するべく、前記第１加熱域を通過した使用済み第１雰囲気ガスを前記第１加熱域の下流側に還流させるように構成された還流システムと、
前記還流システムにより還流された前記使用済み第１雰囲気ガスを排出するように前記第１加熱域と前記第２加熱域との間に設けられた排気装置と
を備え、
前記第１加熱域と前記第２加熱域との間の領域には、還流された前記使用済み第１雰囲気ガスの流れを前記排気装置へと促すための整流部材が設けられている、
連続熱処理炉。
前記使用済み第１雰囲気ガスを前記排気装置よりも上流側に還流させるように前記還流システムは構成されている、
請求項４に記載の連続熱処理炉。
前記整流部材は、前記第２加熱域の前記第２雰囲気ガスが前記第１加熱域に至るのを防ぐように形作られている、請求項４又は５に記載の連続熱処理炉。
前記第２加熱域での水蒸気処理による水素濃度が所定濃度以上であるとき、希釈用ガスを前記第２加熱域に供給するように構成された希釈用ガス供給システムを更に備える、
請求項１から６のいずれか一項に記載の連続熱処理炉。
第１加熱域と、該第１加熱域の下流側に設けられた第２加熱域とを備えた連続熱処理炉であって、
前記第１加熱域に被処理物の熱処理用の第１雰囲気ガスを供給するように構成された第１雰囲気ガス供給システムと、
前記第２加熱域に前記被処理物の水蒸気処理用の第２雰囲気ガスを供給するように構成された第２雰囲気ガス供給システムであって、前記第２雰囲気ガスを生成するべく燃焼用空気と燃料とを所定割合で燃焼させるように構成された第２雰囲気ガス生成装置を備える、第２雰囲気ガス供給システムと、
前記第１加熱域と前記第２加熱域との間での前記第１雰囲気ガスと前記第２雰囲気ガスとの混合を防ぐように設けられたガス遮断システムと、
前記第２加熱域での水蒸気処理による水素濃度が所定濃度以上であるとき、希釈用ガスを前記第２加熱域に供給するように構成された希釈用ガス供給システムと
を備える、
連続熱処理炉。