KR20070020191A

KR20070020191A - 고압 열처리로

Info

Publication number: KR20070020191A
Application number: KR1020067007338A
Authority: KR
Inventors: 아키라 스즈키; 히로토시 이시카와; 타츠야 하마다; 노보루 키야; 노리아키 나가이
Original assignee: 이시카와지마-하리마 주고교 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 이시카와지마 이와쿠니 세이사쿠쇼
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2007-02-20
Also published as: DE112004001923B4; DE112004001923T5; CN1867806A; JP2005121308A; CN100465296C; JP4573290B2; KR100859934B1; WO2005038373A1

Abstract

본 발명의 고압 열처리로는, 노용기(爐容器)와 노용기를 닫는 노덮개로 이루어지며 내부의 압력을 제어 가능한 압력 용기와, 압력 용기 내에 설치되고 노덮개에 대향하여 개구하며 내부에 피처리물을 수용하는 가열실을 형성하는 단열벽과, 단열벽의 개구부를 개폐하도록 구동되는 단열덮개와, 가열실에 설치되어 피처리물을 가열하는 히터와, 노덮개 내면에 설치되어 압력 용기 내의 가스를 냉각하는 복수의 냉각 핀을 구비하고 있다.

Description

고압 열처리로{HIGH-PRESSURE HEAT TREATMENT FURNACE}

본 발명은 초경합금 등의 금속, 세라믹스, 복합재 등을 상용 압력 1MPaG 이상의 고압으로 열처리하는 고압 열처리로에 관한 것으로, 더 자세하게는, 노내(爐內)의 급속 냉각을 가능하게 한 고압 열처리로에 관한 것이다.

초경합금, 세라믹스 등을 상용 압력 1MPaG 이상의 고압에서 열처리하는 고압 열처리로에서는, 사이클 타임의 단축 및 처리품의 품질 향상을 위해, 노의 냉각 시간을 어떻게 단축할지가 중요한 과제로 되어 있다. 도 1은 예를 들면 하기 특허 문헌 1에 개시되고 있는 바와 같은 종래의 일반적인 고압 열처리로의 개략 구성도이다. 도 1에 있어서 참조 부호 3은 노용기(爐容器)(1)와 노용기(1)의 양단을 닫는 노덮개(2)로 구성되는 압력 용기로서, 노용기(1)의 외주와 노덮개의 외측에는 각각 재킷(4, 5)이 설치되고, 그 내부에 냉각수를 유통시키도록 되어 있다. 압력 용기(3) 내에는 양단에 개구부를 갖는 중공 원통형의 단열벽(6)이 설치되어 있고, 그 내부에는 내부 케이스(17)가 배치되어 피가열물(7)이 그 내부에 수용된다. 참조 부호 8은 단열벽(6)의 개구부를 개폐하는 단열덮개로서, 노덮개(2)의 외측에 설치된 실린더(9)에 의해 개폐 구동되게 되어 있다. 또한, 참조 부호 10은 피가열물(7)을 가열하는 히터이며, 단열벽(6) 내부에 가열실(11)이 형성된다. 또한, 도 2에 도시 하는 바와 같이, 노용기(1)의 외주부에 냉각수용의 재킷을 마련하는 대신에, 노용기(1)의 내벽에 내부로 냉각수를 유통시키는 수냉 튜브(12)를 마련한 것도 있다. 또, 도 1 및 도 2에 있어서, 참조 부호 16은 압력 용기(3)와 단열벽(6) 사이에 형성되는 공간이다.

이 열처리로에서는 가열실(11) 내에 피처리물(7)을 장입(裝入)하고 단열벽(8)을 닫은 후, 가열실(11) 내에 분위기 가스를 도입하여 히터(10)에 의해 피처리물(7)을 가스 분위기하에서 가열 소결시키고, 처리 후에는, 가열실(11) 내의 분위기 가스 및 피처리물(7)이 충분히 냉각되고 나서 피처리물(11)을 취출하도록 하고 있다.

도 3은 상기의 열처리로에서의 조업시의 노내 온도(가열실 온도)의 변화 모습을 나타내는 도면이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 조업 개시 시각 t에서 히터에 통전하여 승온을 개시하고, 시각 t₁에서 시각 t₂까지의 사이에 걸쳐 소정의 처리 온도(예를 들면 1500℃)로 유지하여 열처리를 행한다. 그리고, 처리가 완료된 시각 t₂의 시점에서 히터에 대한 통전을 정지하고 냉각 공정으로 이행한다. 냉각 공정에서는 처음 얼마 동안에는 단열덮개(8)를 닫아 두고, 노내 온도가 소정 온도 T까지 저하되면 단열덮개(8)를 열도록 하고 있다. 한편, 온도 T일 때의 시각을 t₃이라고 한다. 이에 따라, 가열실(11)과 공간(16)의 온도차에 의해 자연 대류가 발생하여, 가열실(11)로부터 유출된 가스(18)가 수냉된 노벽 내면과 열교환을 행함으로써 냉각되어 노의 냉각을 촉진하도록 되어 있다.

도 4는 특허 문헌 2에 개시된 열처리로이다. 이 열처리로는 내부 순환 팬(19)과, 내부 순환 팬(19)을 회전 구동시키는 모터(20)와, 순환 가스 안내판(21)을 구비하고 있는 점에 특징을 갖고 있다. 냉각 공정에서는 전술한 열처리로와 마찬가지로, 처음 얼마 동안에는 단열덮개(8)를 닫아 두고, 노내 온도가 소정 온도까지 저하되면 단열덮개(8)를 열도록 하여, 내부 순환 팬(19)에 의해 단열벽(6)의 한쪽의 개구부(도면에서 우측)로부터 가열실(11) 내의 고온의 가스(18)를 흡인하고, 순환 가스 안내판(21)에 의해 반대측의 개구부(도면에서 좌측)로부터 가열실(11)에 순환시키도록 되어 있다. 이에 따라 강제 가스 대류를 발생시켜 압력 용기(3) 내면과의 열교환을 촉진시켜 노의 냉각 능력을 향상시키고 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허공개 평4-26726호 공보(도 7)

[특허 문헌 2] 일본 실용공고 소62-55529호 공보(도 1)

그러나, 전술한 종래의 고압 열처리로에서의 냉각 방식에는 이하와 같은 여러 가지의 문제점이 있었다.

(1) 도 1에 도시한 바와 같은 노용기(1) 및 노덮개(2)에 재킷(4, 5)을 마련하는 방식에서는 전열 면적이 압력 용기(3)의 내벽 면적으로 한정되기 때문에, 냉각 면적이 충분하지 않아 냉각 능력이 낮다. 또한, 압력 용기(3)의 벽 두께는 고압에 견딜 수 있도록 두껍게 되어 있기 때문에 압력 용기(3) 외벽으로부터 수냉하여도 압력 용기(3) 내벽을 충분히 냉각시키는 것은 곤란하다. 때문에, 냉각 능력이 제약되어 버린다.

(2) 도 2에 도시한 바와 같은 노용기(2)의 내벽에 수냉 튜브(12)를 마련하는 방식에서는 수냉 튜부(12) 자체가 고가이기 때문에 비용면에서의 부담이 커 비경제적이며, 또한, 수냉 튜브(12)의 설치 스페이스를 확보하기 위해 노경(爐徑)을 크게 할 필요가 있다. 또한, 수냉 튜브(12)로부터의 누수 및 가스 리크의 위험성이 있다. 또한, 수냉 튜브(12) 내에 쓰레기가 막히는 등에 의해 통수량이 감소하면 냉각 효과를 얻을 수 없게 될 뿐만 아니라 수냉 튜브(12)가 손상될 위험성도 있다.

(3) 도 4에 도시한 바와 같은 압력 용기(3) 내에 내부 순환 팬(19), 모터(20) 및 순환 가스 안내판(21)을 마련하는 방식에서는 팬 및 모터 등의 추가에 의해 구조가 복잡하게 되어 제조 비용 증가의 요인이 된다. 또한, 모터에의 전력 공급에 수반하는 고객 전원 설비 및 러닝 코스트가 증가한다. 또한, 베어링의 손상 등에 의한 고장의 위험성이 있어 유지 보수 비용도 증가한다. 또한, 팬의 풍압에 따라서는 경량의 피처리물을 처리할 수 없는 경우가 있다. 또한, 모터의 설치 스페이스에 의해 모터 용량이 제한되므로 냉각 능력이 제약된다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 냉각 능력이 높아 사이클 타임을 단축할 수 있고, 구조가 간단하면서 경제적인 고압 열처리로를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 제1 발명에 따르면, 노용기(爐容器)와 노용기를 닫는 노덮개를 갖는 압력 용기와, 압력 용기 내에 설치되고 상기 노덮개에 대향하여 개구하며 내부에 피처리물을 수용하는 가열실을 형성하는 단열벽과, 단열벽의 개구부를 개폐하도록 구동되는 단열덮개와, 상기 가열실에 설치되고 피처리물을 가열하는 히터와, 상기 노덮개 내면에 설치되어 압력 용기 내의 가스를 냉각하는 복수의 냉각 핀을 구비하는 것을 특징으로 하는 고압 열처리로가 제공된다.

제1 발명에 따르면, 압력 용기 내를 흐르는 가스를 냉각하는 복수의 냉각 핀을 마련함으로써 압력 용기 내의 냉각 면적이 큰 폭으로 증가하므로 결과적으로, 냉각 성능이 향상된다. 따라서, 노의 사이클 타임을 단축할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 가동부가 없기 때문에 작동 불량을 일으킬 요인이 없고, 전기나 가스 등을 필요로 하지 않아 수명의 문제가 없다. 따라서, 에너지 절약에 뛰어나 반영구적으로 사용할 수 있다.

제2 발명은, 제1 발명의 바람직한 실시 형태로서, 상기 냉각 핀은 냉매에 의해 냉각되는 냉각 부재에 연결되어 있다.

제2 발명에 따르면, 냉각 핀을 냉매에 의해 냉각되는 냉각 부재에 연결하여 마련하는 구성으로 하였으므로, 구조가 간단하고 부품수의 증가도 적기 때문에 비용 증가가 최소한으로 억제되어 경제적이다.

제3 발명은, 제2 발명의 바람직한 실시 형태로서, 상기 냉각 부재는 상기 용기덮개의 내벽면에 장착되어 있다.

제3 발명에 따르면, 냉각 부재를 노덮개의 내벽면에 장착함으로써, 노용기 길이를 늘리는 것만으로 설치 가능해져 설계가 용이하다. 또한, 가열실로부터의 고온 가스가 분출하는 위치의 근방에 냉각 핀이 있기 때문에 냉각 효과를 높게 할 수 있다.

제4 발명은, 제2 발명의 바람직한 실시 형태로서, 상기 냉각 핀과 상기 냉각 부재는 일체로 성형되어 있다.

제4 발명에 따르면, 냉각 핀과 냉각 부재를 일체로 성형함으로써, 냉각 핀과 냉각 부재의 연결부에 생기는 극간을 없앨 수 있다. 이에 따라, 냉각 핀과 냉각 부재 사이의 전열량을 충분히 확보하여 냉각 성능을 충분히 발휘할 수 있다.

제5 발명은, 제1 발명의 바람직한 실시 형태로서, 상기 각 냉각 핀은 열팽창을 흡수하기 위한 슬릿을 갖고 있다.

제5 발명에 따르면, 각 냉각 핀은 열팽창을 흡수하기 위한 슬릿을 갖고 있기 때문에, 냉각 핀의 변형, 파손을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 가스가 슬릿에 들어감으로써 가스 흐름에 소용돌이를 발생시켜 냉각 효율이 향상된다.

제6 발명은, 제1 발명의 바람직한 실시 형태로서, 상기 냉각 핀은 열전도율이 뛰어난 재료(알루미늄, 구리 등)로 이루어진다.

제6 발명에 따르면, 냉각 핀은 열전도율이 뛰어난 재료로 이루어지므로, 압력 용기 내의 가스를 효과적으로 냉각할 수 있다. 이에 따라, 냉각 성능이 향상되어 노의 사이클 타임을 큰 폭으로 단축할 수 있다.

제7 발명은, 제1 발명의 바람직한 실시 형태로서, 상기 냉각 핀은 가스의 흐름에 따르는 방향으로 핀의 길이 방향을 향한다.

제7 발명에 따르면, 냉각 핀의 길이 방향을 가스의 흐름에 따르는 방향으로 설정함으로써, 가스의 흐름을 방해하지 않고 자연 대류가 원활히 행해져, 양호한 냉각 성능을 발휘할 수 있다.

본 발명의 그 외의 목적 및 유리한 특징은, 첨부 도면을 참조한 이하의 설명으로부터 분명해질 것이다.

도 1은 종래의 고압 열처리로의 개략 구성도이다.

도 2는 종래의 다른 고압 열처리로의 개략 구성도이다.

도 3은 도 1 및 도 2의 고압 열처리로에서의 조업시의 노내(爐內) 온도(가열실 온도)의 변화의 모습을 나타내는 도면이다.

도 4는 종래의 다른 고압 열처리로의 개략 구성도이다.

도 5는 본 발명의 고압 열처리로의 개략 구성도이다.

도 6은 본 발명의 고압 열처리로에서의 조업시의 노내 온도(가열실 온도)의 변화의 모습을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도 5 및 도 6에 기초하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 고압 열처리로의 실시예를 도시하는 개략 구성도이다. 도 5에 있어서, 참조 부호 3은 중공 원통형의 노용기(1)와 노용기(1)의 양단을 닫는 평판상의 노덮개(2)로 구성되는 압력 용기이다. 압력 용기(3)는 내부의 압력을 제어 가능하게 구성되어 있다. 또한, 노용기(1)의 외주에는 재킷이 설치되어 있고, 내부에 냉매로서 냉각수를 유통시켜 노용기(1)를 냉각하도록 되어 있다.

참조 부호 6은 압력 용기(3) 내에 설치된 중공 원통형의 단열벽으로서, 그 내부에는 내부 케이스(17)가 배치되어, 피가열물(7)이 그 내부에 수용된다. 또한 단열벽(6)의 양단은 노벽(2)에 대향하는 위치에서 개구하는 개구부를 갖고 있다. 참조 부호 8은 단열벽(6)의 개구부를 개폐하는 단열덮개이며, 노덮개(2)의 외측에 설치된 실린더(9)에 의해 개폐 구동되도록 되어 있다. 또한, 참조 부호 10은 피가열물(7)을 가열하는 히터로서, 단열벽(6) 내부에 가열실(11)이 형성된다. 참조 부호 16은 압력 용기(3)와 단열벽(6) 사이에 형성되는 공간이다.

참조 부호 13은 압력 용기(3) 내의 가스(18)를 냉각하기 위한 냉각 핀으로서, 노덮개(2)의 내벽면에 장착된 냉각 부재(14)에 연결되어 있다. 냉각 부재(14)는 원형 평판상으로서, 내부에 냉매로서 냉각수가 흐르는 구조로 되어 있다. 또한, 냉각 부재(14)는 중심부에 실린더(9)의 로드를 통과시키기 위한 개구부(14a)를 갖고 있다. 냉각 핀(13)은 사각형 평판상으로서, 냉각 부재(14)의 한쪽 면에 대해 수직으로 서로 소정 간격을 두고 복수 연결되어 있다. 냉각 핀(13)에는 열전도성이 뛰어난 금속 재료가 사용되지만, 특히 열전도성이 좋은 알루미늄이나 구리 등을 이용하는 것이 바람직하다. 한편, 구리는 알루미늄보다 열전도성이 높고 선팽창 계수도 작기 때문에 냉각 핀의 재료로서는 알루미늄보다 구리가 보다 적합하다고 할 수 있다.

또한, 본 실시예에 있어서, 고압 열처리로는 가로 설치형이기 때문에 가열실(11)로부터 분출된 가스(18)는 화살표 방향으로 흐른다. 따라서, 냉각 핀(18)은 가스(18)가 흐르는 방향을 따르는 방향, 즉, 길이 방향(세로 방향)이 상하 방향을 향하도록 설정하면 된다. 이에 따라, 가스(18)의 흐름을 방해하지 않고 자연 대류가 원활히 행해져 양호한 냉각 성능을 발휘할 수 있다.

또한, 냉각 핀(13)에는 열팽창을 흡수하기 위한 슬릿을 마련하면 된다. 슬릿은, 예를 들면, 냉각 핀(13)의 폭 방향(가로 방향)으로 연장되는 노치를 냉각 핀(13)의 길이 방향(세로 방향)에 걸쳐 복수개 마련하면 된다. 이에 따라, 열응력을 흡수하여 냉각 핀의 변형 및 파손을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 가스가 슬릿에 들어감으로써 가스 흐름에 소용돌이를 발생시켜 냉각 효율이 향상하는 효과를 얻을 수 있다.

도 5에 있어서, 냉각 부재(14)는 노덮개(2)에 장착되어 있다. 이와 같이 구성된 냉각 부재(14)에 도입된 냉각수는 냉각 부재(14)를 냉각하고 배출되도록 되어 있다. 그리고, 냉각 부재(14)에 연결된 냉각 핀(13)은 냉각 부재(14)에 의해 냉각되도록 되어 있다.

또, 냉각 핀(13)과 냉각 부재(14)는 각각 별도로 성형한 후 용접 등에 의해 접합하여도 되지만, 냉각 핀(13)과 냉각 부재(14)의 이음면을 모두 밀착시키는 것이 어려워, 냉각 핀(13)의 냉각 성능을 충분히 발휘할 수 없는 점도 생각할 수 있다. 따라서, 냉각 핀(13)과 냉각 부재(14)의 극간을 없애기 위해 양자를 일체로 성형하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 냉각 핀(13)과 냉각 부재(14) 사이의 전열량을 충분히 확보할 수 있다.

다음으로, 전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 고압 열처리로의 동작에 대해 설명한다. 도 6은 본 발명의 고압 열처리로에서의 조업시의 노내 온도(가열실 온도)의 변화의 모습을 나타내는 도면으로서, 실선은 본 발명에 의한 온도 변화를 나타내고, 파선은 도 3의 종래의 고압 열처리로에 의한 온도 변화를 나타내고 있다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 조업 개시 시각 t에 있어서 히터에 통전하여 승온을 개시하고, 시각 t₁로부터 시각 t₂까지의 사이에 걸쳐 소정의 처리 온도(예를 들면 1500℃)로 유지하여 열처리를 행한다. 그리고, 처리가 완료한 시각 t₂의 시점에서 히터에 대한 통전을 정지하고 냉각 공정으로 이행한다. 냉각 공정에서는 처음 얼마 동안에는 단열덮개(8)를 닫아 두고, 노내 온도가 소정 온도 T′까지 저하되면 단열덮개(8)를 열도록 하고 있다. 이때, 가열실(11) 내의 고온의 가스(18)가 단열벽(6)의 개구부로부터 공간(16)을 향해 분출하여 냉각 핀(13)에 접촉한다. 냉각 핀(13)은 냉각 부재(14)에 의해 냉각되고 있기 때문에, 개폐 도어를 열 때의 온도 T′는 도 3에서의 종래의 고압 열처리로의 단열덮개의 개방 온도 T보다 높은 온도로 설정할 수 있다. 이 결과, 단열덮개를 개방하는 시각 t₃′를 도 3의 시각 t₃보다 앞당길 수 있다.

그리고, 냉각 핀(13)과 접촉한 가스(18)는 다수의 냉각 핀(13)과 열교환을 행하여 냉각되면서 압력 용기(3) 내를 대류하여 단열벽(6)의 개구부로부터 가열실(11)로 순환된다. 냉각 핀(13)은 압력 용기 내에 다수 설치되어 그 냉각 면적이 종래와 비교하여 큰 폭으로 증가하고 있기 때문에 냉각 성능이 높다. 이 결과, 도 6에 나타내는 바와 같이, 냉각 시간을 큰 폭으로 단축할 수 있어 노의 사이클 타임을 단축할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 예를 들면, 종래와 비교하여 냉각 시간을 약 절반으로 단축하는 것이 가능하다.

본 발명에서는, 전술한 효과 외에 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 즉, 노 의 냉각 기구에 가동부가 없기 때문에 작동 불량을 일으킬 요인이 없고, 또한, 전기나 가스 등을 필요로 하지 않아 수명의 문제가 없다. 따라서, 에너지 절약이 뛰어나 반영구적으로 사용할 수 있다. 또한, 냉각 핀을 냉매에 의해 냉각되는 냉각 부재(14)에 연결하여 마련하고 냉각 부재(14)를 압력 용기(3)의 내벽부에 장착하는 구성으로 하였으므로, 수냉 튜브에 의한 냉각 방식이나 모터 및 팬에 의한 냉각 방식 등과 비교하여 구조가 간단하고 부품수의 증가도 적기 때문에 비용 증가가 최소한으로 억제된다. 게다가, 냉각 부재(14)를 노덮개(2)의 내벽에 장착함으로써, 노용기 길이를 늘리는 것만으로 설치가 가능해져 설계가 용이하다.

또, 전술한 실시예에서는, 압력 용기(3)의 노덮개(2)는 평판이었지만, 만곡된 형상의 경판이라도 무방하다. 이 경우, 냉각 부재(14)의 노덮개(2)에 접하는 측은 경판의 만곡 형상에 맞추어 성형된다.

또한, 전술한 실시예에서는 가로 설치형의 소결로에 대해 설명하였지만, 본 발명은 세로 설치형의 소결로에 대해서도 당연히 적용 가능하다.

한편, 본 발명의 고압 열처리로를 바람직한 실시예에 의해 설명하였지만, 본 발명에 포함되는 권리 범위는 이 실시예로 한정되지 않는 것을 이해할 수 있을 것이다. 반대로, 본 발명의 권리 범위는, 첨부의 청구의 범위에 포함되는 모든 개량, 수정 및 균등물을 포함하는 것이다.

Claims

노용기(爐容器)와 노용기를 닫는 노덮개를 갖는 압력 용기와,

상기 압력 용기 내에 설치되고 상기 노덮개에 대향하여 개구하며, 내부에 피처리물을 수용하는 가열실을 형성하는 단열벽과,

상기 단열벽의 개구부를 개폐하도록 구동되는 단열덮개와,

상기 상기 가열실에 설치되고 피처리물을 가열하는 히터와,

상기 노덮개 내면에 설치되어 상기 압력 용기 내의 가스를 냉각하는 복수의 냉각 핀을 구비하는 것을 특징으로 하는 고압 열처리로.
제1항에 있어서,

상기 냉각 핀은 냉매에 의해 냉각되는 냉각 부재에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 열처리로.
제2항에 있어서,

상기 냉각 부재는 상기 노덮개의 내벽면에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 열처리로.
제2항에 있어서,

상기 냉각 핀과 상기 냉각 부재는 일체로 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 열처리로.
제1항에 있어서,

상기 각 냉각 핀은 열팽창을 흡수하기 위한 슬릿을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 고압 열처리로.
제1항에 있어서,

상기 냉각 핀은 열전도율이 뛰어난 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압 열처리로.
제1항에 있어서,

상기 냉각 핀은 가스의 흐름을 따르는 방향으로 핀의 길이 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 고압 열처리로.