WO2012118016A1 - 熱処理品の温度測定装置と方法 - Google Patents

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勝俣　和彦
純治 井上
嵩久 嶋田
晋也 工藤
亜実 上田
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株式会社Ihi
株式会社Ｉｈｉ機械システム
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Definitions

  • the present invention relates to a temperature measuring apparatus and method for a heat-treated product during mist cooling after heating.
  • mist cooling is a method in which a plurality of nozzles are disposed so as to surround a heat-treated product, a cooling liquid is supplied from the nozzles in a spray manner, and an object to be processed is cooled with a mist containing the cooling liquid.
  • the mist means a gas containing coolant droplets.
  • the temperature measurement means of the heat-treated product is disclosed in Patent Document 1, for example. Further, mist cooling and a temperature measuring means of a heat-treated product during mist cooling are disclosed in Patent Documents 2 and 3, for example.
  • Patent Document 1 a temperature sensor (thermocouple) is provided inside a dummy sample having the same characteristics as the heat-treated product, and the temperature of the heat-treated product is directly measured by measuring the temperature of the dummy sample. A method for controlling the exact temperature of the heat-treated product is disclosed.
  • Patent Documents 2 and 3 exemplify a thermocouple provided on the surface of the heat-treated product and a non-contact type temperature measuring device such as a radiation thermometer as temperature measuring means for the heat-treated product during mist cooling.
  • thermocouple is attached to the surface of the heat-treated product, the thermocouple is in direct contact with the mist, so that it is affected by the mist flow and temperature.
  • disturbance such as outside air may be received from the insertion port.
  • An object of the present invention is to provide a temperature measuring device for a heat-treated product capable of measuring the surface temperature of the heat-treated product to be mist cooled after being heated in a heat treatment furnace without being affected by the flow and temperature of the mist and outside air, etc. It is to provide a method.
  • a temperature measurement device for a heat treatment product housed in a heat treatment furnace provided with a mist cooling device for cooling with a mist containing droplets of a coolant
  • a measurement window provided in the heat treatment furnace and capable of directly viewing the surface to be measured of the heat treated product
  • a temperature sensor provided outside the measurement window and capable of measuring the surface temperature of the surface to be measured in a non-contact manner through the measurement window;
  • the temperature sensor has a measurement wavelength range in which the water absorption rate is less than 100%
  • a temperature measuring device for a heat-treated product is provided, wherein the measurement window is configured by a window material having a transmittance higher than 0% in the measurement wavelength region.
  • a method for measuring the temperature of a heat treatment product housed in a heat treatment furnace provided with a mist cooling device for cooling with a mist containing droplets of a coolant (A) A temperature sensor capable of measuring the surface temperature of the surface to be measured of the heat-treated product in a non-contact manner with a wavelength range where the water absorption is less than 100%, and a transmission higher than 0% in the wavelength range Window material having a rate, (B) There is provided a method for measuring a temperature of a heat-treated product, wherein a surface temperature of a surface to be measured of the heat-treated product is measured by the temperature sensor through a measurement window made of the window material.
  • the temperature sensor has a measurement wavelength region (for example, 1.95 to 2.5 ⁇ m) in which the water absorption is less than 100%, and the measurement window has the measurement wavelength. Since it is made of a window material (eg, germanium) having a transmittance higher than 0% in the region, a temperature sensor (eg, an infrared temperature sensor) provided outside the measurement window allows the heat-treated product to pass through the measurement window. It becomes possible to measure the surface temperature of the surface to be measured without contact.
  • a window material eg, germanium
  • a temperature sensor eg, an infrared temperature sensor
  • the infrared radiation from the surface of the heat-treated product is not affected by the mist flow and temperature. Further, since the surface temperature of the surface to be measured of the heat-treated product is measured from the outside of the measurement window through the window material, there is no insertion port from the outside of the furnace, and there is no possibility of receiving disturbance such as outside air from the insertion port.
  • the surface temperature of the surface to be measured of the heat-treated product can be measured from outside the furnace.
  • the cooling rate can be controlled in consideration of the composition change of the heat-treated product, it is possible to prevent the occurrence of cracking and to reduce distortion, and to greatly improve the quality of the heat-treated product. That is, by measuring the processing temperature during mist cooling, it is possible to grasp the period that requires a fast cooling rate and perform mist rapid cooling only during that period. Further, by monitoring the temperature Ms point at which the phase change of steel starts and the Mf point at which the phase change ends, it is possible to control the cooling rate suitable for the temperature range. As a result, it is possible to prevent heat cracking of the heat-treated product and reduce distortion. It can be said that such a technique for managing and controlling the temperature of the processed product during the mist cooling has a great effect on the quality improvement.
  • a temperature measuring device for a heat-treated product capable of measuring the surface temperature of the heat-treated product to be mist cooled after being heated in a heat treatment furnace without being affected by the flow and temperature of the mist and the outside air, etc. It becomes possible to provide a method.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a heat treatment furnace 10 provided with a temperature measuring device 30 according to the present invention.
  • the heat treatment furnace 10 is a vacuum heat treatment furnace for performing heat treatment of the heat-treated product 1 (object to be treated).
  • the present invention is not limited to the vacuum heat treatment furnace, and may be any other heat treatment furnace as long as the heat treatment product 1 is heat treated.
  • the heat-treated product 1 (object to be treated) is, for example, die steel (SKD material) or high-speed steel (SKH material), but may be other metal materials that require heat treatment.
  • the size of the heat-treated product 1 is, for example, a cylindrical member having a diameter of 100 to 300 mm and a height of 100 to 300 mm, but the present invention is not limited to this and may have other shapes.
  • the heat treatment furnace 10 has a furnace body 12.
  • the furnace body 12 is a hollow airtight container.
  • the hollow cylindrical furnace body body 12a having a vertical axis, a furnace body bottom 12b that covers the lower surface of the furnace body body 12a, and the upper surface of the furnace body body 12a.
  • a furnace lid 12c for closing the door.
  • the furnace body 12a is a hollow cylindrical metal tube having upper and lower ends opened, and has a connecting flange 13 at the upper and lower ends.
  • a cooling jacket may be provided on the furnace body body 12a.
  • a through pipe 16 for a measurement window 32 (described later) is attached to the furnace body 12a in an airtight manner.
  • the through pipe 16 is composed of a horizontal through pipe 16 a and an inclined through pipe 16 b, each axis intersecting the surface of the heat treated product 1 (surface to be measured 1 a) and passing through the inside of each through pipe 16. It arrange
  • the inclined through pipe 16b is provided to be inclined downward with respect to the horizontal.
  • the furnace bottom 12b is a circular flat plate whose outer edge is connected to the lower end flange 13 of the furnace body 12a.
  • a discharge port 14 is provided in the furnace body bottom 12b so that fluid (coolant and cooling gas) can be discharged from the furnace body 12 to the outside.
  • the furnace body lid 12c is a circular flat plate whose outer edge is connected to the upper end flange 13 of the furnace body body 12a.
  • An opening 15 is provided in the center of the furnace lid 12c, and the heat treatment product 1 can be inserted into the heat treatment furnace 10 from the upper vacuum processing chamber (not shown) through the opening 15 and taken out to the outside. It is like that.
  • reference numeral 2 denotes a support member that supports the heat-treated product 1.
  • the structure of the support member 2 is not limited to this example, Other structures may be sufficient.
  • the heat treatment furnace 10 further includes a mist cooling device 20.
  • the mist cooling device 20 includes a plurality of nozzles 22, a fluid supply pipe 24, and a fluid supply device 26.
  • the plurality of nozzles 22 are nozzles that inject fluid (coolant, cooling gas), and are provided inside the furnace body 12 so as to surround the heat-treated product 1.
  • fluid coolant, cooling gas
  • four nozzles 22 are attached downward from above the heat-treated product 1, and another four nozzles 22 are attached upward from below the heat-treated product 1.
  • the number and direction of the nozzles 22 are arbitrary.
  • the nozzle 22 may be divided into liquid and gas, and nozzles with different structures may be used.
  • the fluid supply pipe 24 is a pipe line that connects the plurality of nozzles 22 and the fluid supply device 26, and supplies fluid (coolant, cooling gas) from the fluid supply device 26 to the plurality of nozzles 22.
  • the fluid supply pipe 24 may be divided into liquid use and gas use, and different pipes may be used.
  • a pump, a compressor, and a valve may be provided in the middle of the fluid supply pipe 24.
  • the fluid supply device 26 collects the fluid (coolant and cooling gas) discharged from the discharge port 14 of the furnace body 12 and circulates and supplies it to the fluid supply pipe 24.
  • the cooling liquid is water or a cooling liquid containing water as a main component.
  • the cooling gas is preferably an inert gas such as argon, helium or nitrogen.
  • the fluid supply device 26 includes a device that cools and pressurizes the recovered fluid (coolant, cooling gas), a pressure control device, and a flow rate control device. Note that the fluid supply device 26 may be divided into liquid and gas, and the coolant or the cooling gas may be supplied independently.
  • mist cooling device 20 supplies the cooling liquid and the cooling gas to the nozzle 22 simultaneously or alternately, and sprays the nozzle 22 into the heat treatment furnace 12 in a spray form.
  • a mist containing droplets is formed, and the heat-treated product 1 can be cooled (mist cooling) by the mist.
  • the coolant contained in the mist is mainly water or water
  • the coolant has a higher cooling capacity than conventional gas cooling due to the latent heat of vaporization of the coolant droplets.
  • the ratio of the cooling liquid and the cooling gas constituting the mist can be arbitrarily adjusted, the cooling ability by the mist can be freely adjusted in a wide range.
  • the heat treatment furnace 10 further includes a temperature measuring device 30.
  • the temperature measurement device 30 includes a measurement window 32, a temperature sensor 34, and a temperature correction device 36.
  • the measurement window 32 is airtightly attached to the outer end of the through pipe 16 provided in the furnace body body 12a.
  • the measurement window 32 is configured by a window material having a high transmittance of light (infrared rays) in the measurement wavelength region of the temperature sensor 34. This transmittance is preferably higher than 0%.
  • a window material has, for example, germanium, silicon, zinc selenium, sapphire or quartz as a main component.
  • the temperature sensor 34 is provided outside the measurement window 32, and measures the surface temperature of the measurement target surface 1 a of the heat-treated product 1 through the measurement window 32.
  • This temperature sensor 34 has a measurement wavelength region in which light (infrared) absorption by water is small. This absorption rate is preferably less than 100%.
  • This measurement wavelength region is preferably an infrared region of 1.95 ⁇ m to 2.5 ⁇ m.
  • the temperature sensor 34 is preferably an infrared temperature sensor having a measurement wavelength range of 1.95 ⁇ m to 2.5 ⁇ m.
  • the temperature correction device 36 corrects the temperature measurement value measured by the temperature sensor 34 based on the emissivity correction coefficient of the heat-treated product, the correction coefficient based on the transmittance of the window material, or the correction coefficient based on the mist concentration.
  • the configuration of the temperature measuring device 30 described above makes it difficult to be influenced by the flow of mist during cooling and the mist temperature, so that the surface temperature of the heat-treated product 1 can be measured very accurately from outside the furnace. Therefore, it becomes possible to greatly improve the quality of the heat-treated product.
  • FIG. 2 is an overall flowchart of the temperature measurement method for the heat-treated product according to the present embodiment.
  • the temperature measuring method of the present embodiment includes steps (steps) S1 to S5.
  • step S1 wavelength band setting
  • step S2 selection of temperature sensor
  • step S3 selection of window material
  • a window material having high transmittance in the set wavelength region (measurement wavelength region) is selected. This window material is germanium in the examples described later.
  • step S4 the surface temperature of the measured surface 1a of the heat-treated product 1 is measured by the temperature sensor 34 through the measurement window 32 made of the selected window material.
  • step S5 the temperature measurement value measured by the temperature sensor is corrected based on the emissivity correction coefficient of the heat-treated product, the correction coefficient based on the transmittance of the window material, or the correction coefficient based on the mist concentration.
  • the surface temperature of the heat-treated product 1 can be measured very accurately from the outside of the furnace.
  • the cooling rate can be controlled in consideration of the composition change of the heat-treated product 1. Therefore, prevention of burning cracks and reduction in distortion can be realized, and the quality of the heat-treated product 1 can be greatly improved.
  • FIG. 3 is a diagram showing the absorption rate by wavelength of the atmosphere. From this figure, the wavelength ranges of 1 to 2.5 ⁇ m, 3 to 5 ⁇ m, and 7 to 14 ⁇ m indicated by double arrows have a low absorption rate by the atmosphere and are called “atmosphere windows”. In the wavelength region where the absorptance is high, the main component of the atmospheric air to be absorbed is shown. FIG. 3 shows that the absorption rate by water is small in the wavelength range of the atmospheric window.
  • FIG. 4 is a diagram showing the transmittance of a general window material.
  • quartz has a high transmittance at wavelengths of 1 to 2.5 ⁇ m and 3 to 4 ⁇ m, but the transmittance greatly decreases at wavelengths of 2.5 to 3 ⁇ m and 4 to 4.5 ⁇ m. It can be seen that almost no transmission is possible at wavelengths greater than 5 ⁇ m.
  • Ge germanium
  • Si silicon
  • ZnSe zinc selenium
  • a mist cooling is performed by selecting a temperature sensor 34 having a wavelength region with a low water absorption rate as a measurement wavelength region, and further combining a window material having a high transmittance in the wavelength region (measurement wavelength region). It was possible to measure the temperature of the processed product inside.
  • heat-resistant glass registered trademark: Pyrex
  • Ge germanium
  • the temperature sensor an infrared temperature sensor having a measurement wavelength range of 8 to 13 ⁇ m and 1.95 to 2.5 ⁇ m was selected.
  • test piece of the heat-treated product 1 stainless steel (SUS304) having a diameter of 80 mm and a height of 80 mm was used.
  • a thermocouple was embedded at a position 5 mm from the surface of the test piece, and the temperature at that position was measured.
  • the surface temperature was measured by two temperature sensors selected.
  • an infrared temperature sensor having a measurement wavelength range of 8 to 13 ⁇ m is referred to as a “long wavelength temperature sensor”
  • an infrared temperature sensor having a measurement wavelength range of 1.95 to 2.5 ⁇ m is referred to as a “short wavelength temperature sensor”.
  • thermocouple T / C
  • temperature sensor long wavelength temperature sensor and short wavelength temperature sensor
  • FIG. 5 is a relationship diagram between the wavelength of the heat resistant glass and the transmittance.
  • the main component of heat-resistant glass (registered trademark: Pyrex) is borosilicate glass, and the wavelength region having high transmittance is 0.4 to 2.4 ⁇ m. Therefore, it is considered that infrared rays having a measurement wavelength (measurement wavelength of a long wavelength temperature sensor: 8 to 13 ⁇ m) emitted from the test piece were absorbed by the heat-resistant glass window and the temperature could not be measured correctly.
  • FIG. 6 is a diagram showing a temperature measurement result by a combination of a Ge window and a long wavelength temperature sensor.
  • the broken line is the measured temperature of the thermocouple
  • the solid line is the measured temperature by the long wavelength temperature sensor. From this test result, since both had different slopes, it was judged that accurate temperature measurement with this combination was impossible.
  • FIG. 7 is a diagram showing a temperature measurement result by a combination of a heat resistant glass window and a short wavelength temperature sensor.
  • the broken line indicates the measured temperature of the thermocouple
  • the solid line indicates the measured temperature by the short wavelength temperature sensor. From this test result, both have a temperature range that shows almost the same gradient (slope), but in the test piece, the emissivity (0.05) of the short-wavelength infrared is extremely small, not reliable data, It was judged that temperature measurement with this combination was impossible.
  • FIG. 8 is a diagram showing a temperature measurement result by a combination of a Ge window and a short wavelength temperature sensor.
  • the broken line indicates the measured temperature of the thermocouple
  • the solid line indicates the measured temperature by the short wavelength temperature sensor.
  • mist spraying and stopping are repeated every 10 seconds in the high temperature range (0 to 200 sec) and the low temperature range (380 to 500 sec) for cooling the test piece, and the temperature measured by the short wavelength temperature sensor is around 450 ° C. Then, cooling (mist cooling) was performed in a pattern in which the mist spraying was stopped for 180 seconds from 200 to 380 seconds.
  • thermocouple and the short wavelength temperature sensor are almost the same, and by correcting the measurement data by the short wavelength temperature sensor, it is possible to measure the surface temperature of the processed product during mist cooling. It can be said.
  • the temperature measured by the short wavelength temperature sensor during mist cooling fluctuates up and down compared to the case where mist is not sprayed.
  • the average measured temperature during mist cooling is almost the same as when mist is not sprayed. Therefore, it can be said that the influence of the mist concentration on the measurement temperature is small.
  • Emissivity correction of the temperature sensor The infrared temperature sensor is greatly affected by the state of the surface of the object to be measured for temperature. For example, in the case of a metal surface, it is necessary to correct the emissivity to 0.45 for stainless steel with high glitter, and to 0.69 for steel with an oxide film attached. Therefore, as a preliminary test, the value measured with the thermocouple in contact with the surface of the test piece is compared with the value measured with the temperature sensor (short wavelength temperature sensor) at the same position, so that they are the same. Determine the emissivity correction factor.
  • the temperature sensor 34 has a measurement wavelength region (eg, 1.95 to 2.5 ⁇ m) in which the water absorption rate is less than 100%, and the measurement window 32 Is constituted by a window material (for example, germanium) having a transmittance higher than 0% in the measurement wavelength region, so that the temperature sensor 34 (infrared temperature sensor) provided outside the measurement window 32 is used for measurement. It becomes possible to measure the surface temperature of the measured surface 1a of the heat-treated product 1 through the window 32 in a non-contact manner.
  • a measurement wavelength region eg, 1.95 to 2.5 ⁇ m
  • the measurement window 32 Is constituted by a window material (for example, germanium) having a transmittance higher than 0% in the measurement wavelength region, so that the temperature sensor 34 (infrared temperature sensor) provided outside the measurement window 32 is used for measurement. It becomes possible to measure the surface temperature of the measured surface 1a of the heat-treated product 1 through the window 32 in a non-contact manner.
  • the infrared radiation from the surface of the heat-treated product 1 is not affected by the mist flow and temperature. Further, since the surface temperature of the surface to be measured 1a of the heat-treated product 1 is measured from the outside of the measurement window 32 through the window material, there is no insertion port from the outside of the furnace, and there is no fear of disturbance such as outside air from the insertion port.
  • the surface temperature of the surface to be measured 1a of the heat-treated product 1 can be measured very accurately from the outside of the furnace. Therefore, the quality of the heat-treated product 1 can be greatly improved.
  • the cooling rate can be controlled in consideration of the composition change of the heat-treated product 1, it is possible to prevent the occurrence of burning cracks and to reduce the distortion, and to greatly improve the quality of the heat-treated product 1. That is, by measuring the processing temperature during mist cooling, it is possible to grasp the period that requires a fast cooling rate and perform mist rapid cooling only during that period. Further, by monitoring the temperature Ms point at which the phase change of steel starts and the Mf point at which the phase change ends, it is possible to control the cooling rate suitable for the temperature range. As a result, it is possible to prevent the heat-treated product 1 from cracking and to reduce distortion. It can be said that such a technique for managing and controlling the temperature of the processed product during the mist cooling has a great effect on the quality improvement.
  • 1 heat-treated product object to be treated
  • 1a surface to be measured 10 heat treatment furnace, 12 furnace bodies, 20 mist cooling device, 30 temperature measuring device, 32 measuring window, 34 Temperature sensor (infrared temperature sensor), 36 Temperature corrector

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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

熱処理品の温度測定装置と方法
　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 JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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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