JPWO2012118016A1 - 熱処理品の温度測定装置と方法 - Google Patents

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Abstract

熱処理炉10に設けられ熱処理品1の被測定面1aを直視可能な測定用窓32と、測定用窓の外側に設けられ測定用窓を通して被測定面1aの表面温度を非接触で測定可能な温度センサ32とを備える。温度センサ32は、水による吸収率が少ない測定波長域(例えば1.95μm〜2.5μm)を有する。また測定用窓32は、前記測定波長域において高い透過率を有する窓材(例えばゲルマニウム)によって構成されている。

Description

本発明は、加熱後のミスト冷却中における熱処理品の温度測定装置と方法に関する。
熱処理品である金属材を加熱後に冷却する手段として、水冷、油冷、ガス冷却、ミスト冷却、等が知られている。
このうち、ミスト冷却は、熱処理品を囲んで複数のノズルを配置し、ノズルから冷却液をスプレー式に供給し、冷却液を含むミストで被処理物を冷却するものである。なお、ミストとは、冷却液の液滴を含むガスを意味する。
熱処理品の温度計測手段は、例えば特許文献1に開示されている。また、ミスト冷却、及びミスト冷却中における熱処理品の温度計測手段は、例えば特許文献2,3に開示されている。
特許文献1は、熱処理品と同等の特性を有するダミー試料の内部に温度センサ(熱電対)を設け、ダミー試料の温度を計測することで、熱処理品の温度を直接計測したのと同様に、熱処理品の正確な温度を管理する方法を開示している。
特許文献2、3は、ミスト冷却中における熱処理品の温度計測手段として、熱処理品の表面に設けられた熱電対と、放射温度計のような非接触式の温度計測器を例示している。
特開2009−035792号公報、「熱処理方法及び熱処理装置」 特開2010−38531号公報、「熱処理装置」 特開2010−249332号公報、「熱処理装置及び熱処理方法」
ミスト冷却中に熱処理品の温度測定をすることで、熱処理品の冷却速度をコントロールでき、熱処理品の焼割れ防止や、冷却後の熱処理品の低歪化が可能となる。
しかしながら、ミストが存在する熱処理炉(例えば真空熱処理炉)内の熱処理品の温度測定は、外乱の影響を受け易いものであった。特に、熱処理品の表面に熱電対を取り付ける場合、熱電対がミストと直接接触するため、ミストの流れと温度の影響を受ける。また、炉外から熱電対を挿入するので、挿入口から外気等の外乱を受ける可能性がある。
本発明の目的は、熱処理炉内で加熱後にミスト冷却する熱処理品の表面温度を、ミストの流れと温度、及び外気等の影響を受けることなく温度測定することができる熱処理品の温度測定装置と方法を提供することにある。
本発明によれば、冷却液の液滴を含むミストで冷却するミスト冷却装置を備えた熱処理炉内に収容された熱処理品の温度測定装置であって、
前記熱処理炉に設けられ前記熱処理品の被測定面を直視可能な測定用窓と、
該測定用窓の外側に設けられ、測定用窓を通して前記被測定面の表面温度を非接触で測定可能な温度センサとを備え、
前記温度センサは、水による吸収率が100%未満となる測定波長域を有し、
前記測定用窓は、前記測定波長域において0%よりも高い透過率を有する窓材によって構成されている、熱処理品の温度測定装置が提供される。
また本発明によれば、冷却液の液滴を含むミストで冷却するミスト冷却装置を備えた熱処理炉内に収容された熱処理品の温度測定方法であって、
(A)水による吸収率が100%未満となる波長域を測定波長域とし熱処理品の被測定面の表面温度を非接触で測定可能な温度センサと、該波長域において0%よりも高い透過率を有する窓材とを選定し、
(B)前記窓材からなる測定用窓を通して前記温度センサにより熱処理品の被測定面の表面温度を測定する、熱処理品の温度測定方法が提供される。
上記本発明の装置及び方法によれば、温度センサが水による吸収率が100%未満となる測定波長域(例えば1.95〜2.5μm)を有しており、測定用窓が前記測定波長域において0%よりも高い透過率を有する窓材(例えばゲルマニウム)によって構成されているので、測定用窓の外側に設けられた温度センサ(例えば赤外線温度センサ)により、測定用窓を通して熱処理品の被測定面の表面温度を非接触で測定することが可能となる。
また、熱処理品の表面(被測定面)がミストと直接接触しても、熱処理品の表面からの赤外線放射はミストの流れと温度の影響を受けない。また、測定用窓の外側から窓材を通して熱処理品の被測定面の表面温度を測定するので、炉外からの挿入口がなく、挿入口から外気等の外乱を受けるおそれがない。
従って、冷却中のミストの流れとミスト温度の影響を受け難いので、熱処理品の被測定面の表面温度を炉外から測定することができる。
また、熱処理品の組成変化を考慮して冷却速度をコントロールできるため、焼割れ防止や低歪化が実現でき、熱処理品の品質を大幅に高めることが可能となる。
すなわち、ミスト冷却中の処理温度測定により、速い冷却速度を要する期間を把握し、その期間のみミスト急速冷却を行うことができる。また鋼の相変化が開始する温度Ms点と相変化が終了するMf点を監視することで、温度域に適した冷却速度にコントロールできる。これにより熱処理品の焼き割れ防止、低歪化が実現できる。このようなミスト冷却中に処理品温度を管理・温度制御する技術は、品質向上に大きな効果を有するといえる。
本発明によれば、熱処理炉内で加熱後にミスト冷却する熱処理品の表面温度を、ミストの流れと温度、及び外気等の影響を受けることなく温度測定することができる熱処理品の温度測定装置と方法を提供することが可能となる。
本発明による温度測定装置を備えた熱処理炉の実施形態を示す縦断面図である。 本実施例に係る熱処理品の温度測定方法の全体フロー図である。 大気の波長別吸収率を示す図である。 一般的な窓材の透過率を示す図である。 耐熱ガラスの波長と透過率の関係図である。 Ge窓と長波長温度センサの組み合わせによる温度測定結果を示す図である。 耐熱ガラス窓と短波長温度センサの組み合わせによる温度測定結果を示す図である。 Ge窓と短波長温度センサの組み合わせによる温度測定結果を示す図である。
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図1は、本発明による温度測定装置30を備えた熱処理炉10の実施形態を示す縦断面図である。
この例において、熱処理炉10は、熱処理品1(被処理物)の加熱処理を行う真空熱処理炉である。なお、本発明は真空熱処理炉に限定されず、熱処理品1の熱処理を行う限りで、その他の熱処理炉であってもよい。
熱処理品1(被処理物)は、例えばダイス鋼(SKD材)やハイス鋼(SKH材)であるが、熱処理を必要とするその他の金属材であってもよい。
熱処理品1の大きさは、例えば直径100〜300mm、高さ100〜300mmの円柱形部材であるが、本発明はこれに限定されず、その他の形状でもよい。
図1において、熱処理炉10は、炉体12を有する。
炉体12は、中空の気密容器であり、この例では軸心が鉛直な中空円筒形の炉体胴12aと、炉体胴12aの下面を塞ぐ炉体底12bと、炉体胴12aの上面を塞ぐ炉体蓋12cとからなる。
炉体胴12aは、この例では、上下端が開口した中空円筒形の金属管であり、その上下端に連結用のフランジ13を有する。なお、炉体胴12aに冷却用のジャケットを設けてもよい。
また、この例で炉体胴12aには、測定用窓32(後述する)用の貫通管16が気密に取り付けられている。
貫通管16は、この例では、水平貫通管16aと傾斜貫通管16bとからなり、それぞれの軸線が熱処理品1の表面(被測定面1a)と交差し、各貫通管16の内側を通して熱処理品1の被測定面1aを直視できるように配置されている。
また、この例で傾斜貫通管16bは、水平に対して下向きに傾いて設けられている。この構成により、温度センサにより熱処理品の中心部分を狙いやすくなるので、熱処理品のサイズによらず温度データのゆらぎが少なくなる。
炉体底12bは、外縁部が炉体胴12aの下端フランジ13に連結された円形の平板である。炉体底12bには、排出口14が設けられ、炉体12から流体(冷却液、冷却ガス)を外部に排出できるようになっている。
炉体蓋12cは、外縁部が炉体胴12aの上端フランジ13に連結された円形の平板である。炉体蓋12cの中心部には開口15が設けられ、この開口15を通して上方の真空処理室(図示せず)から熱処理品1を熱処理炉10の内部に挿入し、かつ外部に取り出すことができるようになっている。
図1において、2は熱処理品1を支持する支持部材である。
なお、支持部材2の構成は、この例に限定されず、その他の構成であってもよい。
図1において、熱処理炉10は、さらにミスト冷却装置20を備える。
ミスト冷却装置20は、複数のノズル22、流体供給管24、及び流体供給装置26を備える。
複数のノズル22は、流体(冷却液、冷却ガス)を噴射するノズルであり、炉体12の内側に熱処理品1を囲んで設けられている。この例で、4つのノズル22が、熱処理品1の上方から下向きに取り付けられ、別の4つのノズル22が、熱処理品1の下方から上向きに取り付けられている。なお、ノズル22の個数と向きは任意である。
なお、ノズル22を液用とガス用に区分し、異なる構造のノズルを用いてもよい。
流体供給管24は、複数のノズル22と流体供給装置26を連結する管路であり、流体供給装置26から複数のノズル22に流体(冷却液、冷却ガス)を供給する。
なお、流体供給管24を液用とガス用に区分し、異なる配管を用いてもよい。また、流体供給管24の途中に、ポンプ、圧縮機、弁(流量調節弁、圧力調節弁、等)を設けてもよい。
流体供給装置26は、炉体12の排出口14から排出された流体(冷却液、冷却ガス)を回収し、流体供給管24に循環して供給する。
冷却液は、水又は水を主成分とする冷却液である。また冷却ガスは、好ましくは、アルゴン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスである。
また、流体供給装置26は、回収した流体(冷却液、冷却ガス)を冷却し加圧する装置、圧力制御装置、及び流量制御装置を備える。
なお、流体供給装置26を液用とガス用に区分し、それぞれ独立して冷却液又は冷却ガスを供給してもよい。
上述したミスト冷却装置20により、冷却液と冷却ガスを同時又は交互にノズル22に供給し、ノズル22から熱処理炉12内に噴霧状に噴射し、ノズル22の内部又は外部で、冷却液の液滴を含むミストを形成し、このミストにより、熱処理品1を冷却(ミスト冷却)することができる。
また、ミストに含まれる冷却液は、水又は水を主成分とするため冷却液の液滴の蒸発潜熱により、従来のガス冷却と比較して高い冷却能力を有する。
また、ミストを構成する冷却液と冷却ガスの比率は、任意に調整できるため、ミストによる冷却能力を広い範囲で自由に調整することができる。
図1において、熱処理炉10は、さらに温度測定装置30を備える。
温度測定装置30は、測定用窓32、温度センサ34、及び温度補正装置36を備える。
測定用窓32は、炉体胴12aに設けられた貫通管16の外方端に気密に取り付けられている。また、測定用窓32は、温度センサ34の測定波長域において光(赤外線)の高い透過率を有する窓材によって構成されている。この透過率は、0%よりも高いことが好ましい。
このような窓材は、例えばゲルマニウム、シリコン、ジンクセレン、サファイア又は石英を主成分とする。
温度センサ34は、測定用窓32の外側に設けられ、測定用窓32を通して熱処理品1の被測定面1aの表面温度を測定する。この温度センサ34は、水による光(赤外線)の吸収率が少ない測定波長域を有する。この吸収率は100%未満であることが好ましい。
この測定波長域は、好ましくは1.95μm〜2.5μmの赤外線領域である。また、温度センサ34は、好ましくは、1.95μm〜2.5μmの測定波長域を有する赤外線温度センサである。
温度補正装置36は、温度センサ34により温度測定された温度測定値を、熱処理品の放射率の補正係数、窓材の透過率による補正係数、又はミスト濃度による補正係数に基づいて補正する。
上述した温度測定装置30の構成により、冷却中のミストの流れとミスト温度の影響を受け難いので、熱処理品1の表面温度を炉外から極めて正確に測定することができる。そのため、熱処理品の品質を大幅に高めることが可能となる。
図2は、本実施例に係る熱処理品の温度測定方法の全体フロー図である。
この図において、本実施例の温度測定方法は、S1〜S5の各ステップ(工程)からなる。
ステップS1(波長域の設定)では、水による吸収率が少ない波長域を設定する。この波長域は、後述の実施例では1.95〜2.5μmである。
ステップS2(温度センサの選定)では、設定した波長域を測定波長域とし熱処理品1の被測定面を非接触で測定可能な温度センサ34を選定する。
この温度センサ34は、後述の実施例では赤外線温度センサである。
ステップS3(窓材の選定)では、設定した波長域(測定波長域)において高い透過率を有する窓材を選定する。
この窓材は、後述の実施例ではゲルマニウムである。
ステップS4では、選定した窓材からなる測定用窓32を通して温度センサ34により熱処理品1の被測定面1aの表面温度を測定する。
ステップS5では、温度センサにより測定された温度測定値を、熱処理品の放射率の補正係数、窓材の透過率による補正係数、又はミスト濃度による補正係数に基づいて補正する。
上述した温度測定方法により、冷却中のミストの流れとミスト温度の影響を受け難いので、熱処理品1の表面温度を炉外から極めて正確に測定することができる。また、熱処理品1の組成変化を考慮して冷却速度をコントロールできる。そのため、焼割れ防止や低歪化が実現でき、熱処理品1の品質を大幅に高めることが可能となる。
(水の吸収率が少ない領域と窓材について)
図3は、大気の波長別吸収率を示す図である。この図から、両矢印で示す波長1〜2.5μm、3〜5μm、7〜14μmの範囲は大気による吸収率が小さく、「大気の窓」と呼ばれる。吸収率が高い波長域には、主に吸収する大気の主成分が示されている。図3より大気の窓の波長域では、水による吸収率が少ないことがわかる。
図4は、一般的な窓材の透過率を示す図である。この図に示すように、石英は、波長1〜2.5μm及び3〜4μmでは透過率が高いが、波長2.5〜3μm及び4〜4.5μmで透過率が大きく減少し、波長4.5μmより大きい波長では、ほとんど透過できないことがわかる。
これに対し、Ge(ゲルマニウム)、Si(シリコン)、ZnSe(ジンクセレン)は、波長1.8〜20μmの短波長から長波長まで高い透過率を持つことがわかる。
本実施例では、水による吸収率が少ない波長域を測定波長域とする温度センサ34を選定し、さらにその波長域(測定波長域)で高い透過率をもつ窓材を組み合わせることにより、ミスト冷却中の処理品温度の測定を可能にした。
窓材として、耐熱ガラス(登録商標:パイレックス)とGe(ゲルマニウム)を選定し、温度センサとして、測定波長域8〜13μmと1.95〜2.5μmの赤外線温度センサを選定した。
また熱処理品1のテストピースとして、直径80mm、高さ80mmのステンレス鋼(SUS304)を用いた。このテストピースの表面から5mmの位置に熱電対を埋め込んでその位置の温度を測定し、同時に選定した2種の温度センサにより表面温度を測定した。以下、測定波長域8〜13μmの赤外線温度センサを「長波長温度センサ」、測定波長域1.95〜2.5μmの赤外線温度センサを「短波長温度センサ」と呼ぶ。
約850℃まで加熱したテストピースを室温までミスト冷却し、ミスト冷却中の温度測定を熱電対(T/C)と温度センサ(長波長温度センサと短波長温度センサ)で実施し、その測定データを比較した。その結果を表1に示す。
Figure 2012118016
表1に示すように、長波長(測定波長域8〜13μm)では、耐熱ガラスとゲルマニウムの2種の窓材の両方とも温度測定ができなかった(温度測定不可能)。また、短波長(測定波長域1.95〜2.5μm)では、耐熱ガラスは温度測定不可能であったが、Geは温度測定が可能であった(温度測定可能)。
以下、この理由を説明する。
(1)耐熱ガラス窓×長波長温度センサの場合
図5は、耐熱ガラスの波長と透過率の関係図である。
耐熱ガラス(登録商標:パイレックス)は、主成分がホウケイ酸ガラスであり、高い透過率を持つ波長域は0.4〜2.4μmである。そのため、テストピースから放出された測定波長(長波長温度センサの測定波長:8〜13μm)の赤外線は耐熱ガラス窓に吸収され、正しく温度測定できなかったと考えられる。
(2)Ge窓×長波長温度センサの場合
図6は、Ge窓と長波長温度センサの組み合わせによる温度測定結果を示す図である。この図において、破線は熱電対の測定温度と、実線は長波長温度センサによる測定温度である。
この試験結果から、両者は異なる傾きとなっていたため、この組み合わせでの正確な温度測定は不可能と判断した。
(3)耐熱ガラス窓×短波長温度センサの場合
図7は、耐熱ガラス窓と短波長温度センサの組み合わせによる温度測定結果を示す図である。この図において、破線は熱電対の測定温度と、実線は短波長温度センサによる測定温度である。
この試験結果から、両者はほぼ同一の勾配(傾き)を示す温度域もあるが、テストピースでは短波長赤外線の放射率(0.05)が極端に小さく、信頼性の高いデータではないため、この組み合わせでの温度測定は不可能と判断した。
(4)Ge窓×短波長温度センサの場合
図8は、Ge窓と短波長温度センサの組み合わせによる温度測定結果を示す図である。この図において、破線は熱電対の測定温度と、実線は短波長温度センサによる測定温度である。
この例では、テストピースの冷却として、高温域(0〜200sec)と低温域(380〜500sec)で、10秒ごとにミスト噴霧と停止を繰り返し、短波長温度センサによる測定温度が450℃の付近で200〜380secの180秒間ミスト噴霧を停止するパターンで冷却(ミスト冷却)を行った。
この試験結果から、熱電対と短波長温度センサによる測定データの傾きはほぼ一致しており、短波長温度センサによる測定データを補正することによりミスト冷却中の処理品表面温度の測定が可能であるといえる。
また、図8において、ミスト冷却中における短波長温度センサによる測定温度は、ミストを噴霧しない場合と比較して上下に変動している。しかし、ミスト冷却中の測定温度の平均値はミストを噴霧しない場合とほぼ同一である。
従って、測定温度に対するミスト濃度の影響は少ないといえる。
(温度センサ測定データの補正について)
(1)温度センサの放射率補正
赤外線温度センサは温度測定する物体表面の状態に大きな影響を受ける。例えば金属表面の場合、光輝性の高いステンレス鋼は放射率を0.45、酸化膜が付着した鋼では放射率を0.69に補正する必要がある。
そこで、事前試験としてテストピースの表面に熱電対を接触させて温度測定した値と、同じ位置を上述した温度センサ(短波長温度センサ)で温度測定した値を比較し、両者が同一になるように放射率の補正係数を決定する。
(2)窓材の透過率による補正
窓材の材質により波長ごとの透過率が異なる。事前試験として、テストピース表面に熱電対を接触させて温度測定した値と、窓材を通して上述した温度センサ(短波長温度センサ)で同じ位置を温度測定した値を比較し、両者が同一になるように窓材透過率による補正係数を決定する。
(3)ミストの濃度による補正
ミスト濃度によって、赤外線を吸収する量が変化する。処理品の表面近くに熱電対を埋め込んで温度測定した値と炉外から温度センサで温度測定した値を比較し、ミスト濃度と温度センサ温度測定値の関係を明らかにし、ミスト濃度の変化が温度測定値に及ぼす影響を補正することのできるミスト濃度による補正係数を導く。
以上の補正方法を補正式にまとめると、下記の式(1)で表される。
表面温度補正値=
(放射率の補正係数)×(窓材透過率による補正係数)×(ミスト濃度による補正係数)×温度センサ温度測定値・・・(1)
上述した本実施例の装置及び方法によれば、温度センサ34が水による吸収率が100%未満となる測定波長域(例えば1.95〜2.5μm)を有しており、測定用窓32が前記測定波長域において0%よりも高い透過率を有する窓材(例えばゲルマニウム)によって構成されているので、測定用窓32の外側に設けられた温度センサ34(赤外線温度センサ)により、測定用窓32を通して熱処理品1の被測定面1aの表面温度を非接触で測定することが可能となる。
また、熱処理品1の表面(被測定面1a)がミストと直接接触しても、熱処理品1の表面からの赤外線放射はミストの流れと温度の影響を受けない。また、測定用窓32の外側から窓材を通して熱処理品1の被測定面1aの表面温度を測定するので、炉外からの挿入口がなく、挿入口から外気等の外乱を受けるおそれがない。
従って、冷却中のミストの流れとミスト温度の影響を受け難いので、熱処理品1の被測定面1aの表面温度を炉外から極めて正確に測定することができる。そのため、熱処理品1の品質を大幅に高めることが可能となる。
また、熱処理品1の組成変化を考慮して冷却速度をコントロールできるため、焼割れ防止や低歪化が実現でき、熱処理品1の品質を大幅に高めることが可能となる。
すなわち、ミスト冷却中の処理温度測定により、速い冷却速度を要する期間を把握し、その期間のみミスト急速冷却を行うことができる。また鋼の相変化が開始する温度Ms点と相変化が終了するMf点を監視することで、温度域に適した冷却速度にコントロールできる。これにより熱処理品1の焼き割れ防止、低歪化が実現できる。このようなミスト冷却中に処理品温度を管理・温度制御する技術は、品質向上に大きな効果を有するといえる。
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
1 熱処理品(被処理物)、1a 被測定面、
10 熱処理炉、12 炉体、
20 ミスト冷却装置、
30 温度測定装置、
32 測定用窓、
34 温度センサ(赤外線温度センサ)、
36 温度補正装置

Claims (7)

  1. 冷却液の液滴を含むミストで冷却するミスト冷却装置を備えた熱処理炉内に収容された熱処理品の温度測定装置であって、
    前記熱処理炉に設けられ前記熱処理品の被測定面を直視可能な測定用窓と、
    該測定用窓の外側に設けられ、測定用窓を通して前記被測定面の表面温度を非接触で測定可能な温度センサとを備え、
    前記温度センサは、水による吸収率が100%未満となる測定波長域を有し、
    前記測定用窓は、前記測定波長域において0%よりも高い透過率を有する窓材によって構成されている、熱処理品の温度測定装置。
  2. 前記温度センサにより測定された温度測定値を、熱処理品の放射率の補正係数、窓材の透過率による補正係数、又はミスト濃度による補正係数に基づいて補正する温度補正装置を備える、請求項1に記載の温度測定装置。
  3. 前記温度センサは、1.95μm〜2.5μmの測定波長域を有する赤外線温度センサである、請求項1又は2に記載の温度測定装置。
  4. 前記測定用窓の窓材は、ゲルマニウム、シリコン、ジンクセレン、サファイア又は石英を主成分とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の温度測定装置。
  5. 前記測定用窓は、水平に対して下向きに傾いて前記熱処理炉に設けられている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の温度測定装置。
  6. 冷却液の液滴を含むミストで冷却するミスト冷却装置を備えた熱処理炉内に収容された熱処理品の温度測定方法であって、
    (A)水による吸収率が100%未満となる波長域を測定波長域とし熱処理品の被測定面の表面温度を非接触で測定可能な温度センサと、該波長域において0%よりも高い透過率を有する窓材とを選定し、
    (B)前記窓材からなる測定用窓を通して前記温度センサにより熱処理品の被測定面の表面温度を測定する、熱処理品の温度測定方法。
  7. 前記温度センサにより測定された温度測定値を、熱処理品の放射率の補正係数、窓材の透過率による補正係数、又はミスト濃度による補正係数に基づいて補正する、請求項6に記載の温度測定方法。
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