WO2016013360A1

WO2016013360A1 - 浸炭装置

Info

Publication number: WO2016013360A1
Application number: PCT/JP2015/068983
Authority: WO
Inventors: 勝俣　和彦; 正敏三塚; 治坂本; 喬裕永田
Original assignee: 株式会社Ihi; 株式会社Ｉｈｉ機械システム
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2016-01-28
Also published as: JP5830586B1; EP3173505A1; CN105531392B; US20170022596A1; US10323315B2; JP2016023350A; CN107557722A; EP3173505B1; EP3173505A4; CN105531392A; CN107557722B

Abstract

被処理物（Ｗ）を加熱処理して浸炭処理を行う炉体（２）を有する浸炭装置（１）である。炉体（２）内に、被処理物（Ｗ）を加熱処理するためのヒータ（９）が、鉛直方向に立てて設けられている。ヒータ（９）の下端部に、ヒータ（９）に向けてバーンアウト用のガスを供給するガス供給手段が設けられている。ヒータ（９）は、鉛直方向に立てて設けられた保護管（１０）内に挿通させられており、ガス供給手段は、保護管（１０）とヒータ（９）との間にバーンアウト用のガスを供給する。

Description

浸炭装置

　本開示は、浸炭装置に関する。
本願は、２０１４年７月２３日に、日本に出願された特願２０１４－１４９９１５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　被処理物である金属材を加熱して浸炭処理する浸炭装置として、真空浸炭炉が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。
　真空浸炭炉は、高温減圧下にて炭化水素系ガス（浸炭ガス）による真空浸炭処理を行う装置であり、真空浸炭処理は、炭化水素系ガスを炭素と水素に分解して炭素分を鋼の表面で反応させ、浸炭を起こさせる処理である。

　このような真空浸炭処理では、炭化水素系ガスが高温減圧下にて炭素と水素に分解するほかに、重合反応を起こして重合物を生成する可能性がある。また、分解した炭素が煤化することもある。このような重合物や煤といった生成物が炉内、特に加熱源であるヒータの表面に付着し堆積すると、ヒータの加熱機能が低下し、良好な浸炭処理が行えなくなり、浸炭処理に過剰なエネルギーや時間等が必要になる。

　そこで、従来では、このような断熱性能の低下を防止するべく、炉内に空気を導入して煤等の生成物を燃焼させるバーンアウトと呼ばれる操作が行われることが特許文献１に開示されている。
　また、特許文献２には、熱源としての電気ヒータをセラミックス製ラジアントチューブで覆うことによって、電気ヒータの表面に重合物や煤といった生成物が付着するのを防止することが開示されている。

　また、特許文献３～５には、保護管の中に設置されたヒータを有する熱処理炉および加熱式炉が開示されている。

日本国特開平２－１１５３２７号公報日本国特開２００６－１１２７７０号公報日本国特開２００６－１１２７６２号公報日本国特許第５０４１７２３号公報日本国特開平７－２４８１９３号公報

　しかしながら、単にヒータをチューブ内に挿通配置するだけでは、チューブの開口から炭化水素系ガスやその生成物が入り込み、ヒータ表面に重合物や煤といった生成物が付着してしまう。また、このようにヒータ表面に上記生成物が付着すると、特にヒータをチューブ内に挿通配置している場合には、ヒータに対するバーンアウトが難しくなる。

　本開示は上記事情に鑑みてなされ、その目的とするところは、ヒータに対するバーンアウトを容易にした、浸炭装置を提供することにある。

　本開示の第１の態様である浸炭装置は、被処理物を加熱処理して浸炭処理を行う炉体を有する浸炭装置であって、炉体内に、被処理物を加熱処理するためのヒータが、鉛直方向に立てて設けられ、ヒータの下端部に、ヒータに向けてバーンアウト用のガスを供給するガス供給手段が設けられ、ヒータは、鉛直方向に立てて設けられた保護管内に挿通させられており、ガス供給手段は、保護管とヒータとの間にバーンアウト用のガスを供給する。

　本開示に係る浸炭装置によれば、炉体内に被処理物を加熱処理するためのヒータを、鉛直方向に立てて設けられた保護管内に挿通させ、ガス供給手段は、保護管とヒータとの間にバーンアウト用のガスを供給する。従って、ヒータを炉体内の加熱処理室から分離した保護管内に格納することにより、ヒータの汚れを除去するバーンアウトを、加熱処理室内のバーンアウトとは別に実施することができる。従って、操業率向上に寄与することができる。

本開示に係る浸炭装置の一実施形態の概略構成を示す、正面視した縦断面図である。本開示に係る浸炭装置の一実施形態の概略構成を示す、側面視した縦断面図である。図２の要部拡大図である。

　以下、図面を参照して本開示を詳しく説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
　図１、図２は、本開示に係る浸炭装置の一実施形態の概略構成を示す図であって、図１は正面視した縦断面図、図２は側面視した縦断面図である。

　図１、図２において符号１は浸炭装置である。この浸炭装置１は、被処理物Ｗを加熱処理して真空浸炭処理を行う真空浸炭炉であり、連続真空浸炭炉の一部を構成している。連続真空浸炭炉は、真空浸炭炉（浸炭装置１）と冷却装置とを備え、真空浸炭処理後の被処理物Ｗを連続的に冷却装置に移送し、冷却処理する。

　浸炭装置１には、図１に示すように一方の側部にドア部１ａを有し、他方の側部にドア部１ｂを有している。ドア部１ａは、被処理物Ｗを浸炭装置１に搬入するための搬入室（図示せず）に通じており、ドア部１ｂは、被処理物Ｗを冷却するための冷却室（図示せず）に通じている。

　浸炭装置１は、略直方体形状の炉体２を備え、図２に示すようにこの炉体２内に浸炭処理を行うための処理室３を有している。処理室３は、所定の断熱性能を有する外断熱材４ａ、内断熱材４ｂからなる断熱層４によって囲まれており、その下部に炉床５を有している。炉床５には、被処理物Ｗを支持し、且つ移送するための複数のレール６が設けられている。

　レール６上には搬送板７が移動可能に載せられ、搬送板７上にはトレイ８が載せられる。搬送板７には、その下面に、レール６上を走行する複数のローラ７ａが設けられている。また、搬送板７には、その上面に支持部材７ｂが設けられ、トレイ８には、その下面に支持部材７ｂに着脱可能に係合する係合脚８ａが設けられている。このような構成によってトレイ８は、係合脚８ａ、支持部材７ｂを介して搬送板７上に載せられ、支持される。

　また、トレイ８上には、金属材からなる被処理物Ｗが載置されており、処理室３内にて被処理物Ｗが浸炭処理される。ここで、トレイ８は、被処理物Ｗへの浸炭ガス（炭化水素系ガス）の接触を妨げないように、格子状や網目状に形成されている。

　炉体２の正面側及び背面側には、それぞれヒータ９が配置されている。ヒータ９は、図２に示すように鉛直方向に立てて配置された長細い円柱状をなしており、長さ方向の大部分が処理室３内に配置されている。また、ヒータ９には、電気が流れることで発熱する発熱部９ａが、処理室３内に位置するように配置されている。これにより、ヒータ９は処理室３内を良好に加熱し、処理室３内の被処理物Ｗを加熱して後述するように浸炭処理する。ヒータ９には、その上端部及び下端部にそれぞれに配線（図示せず）が接続されており、配線によって電力が供給される。なお、炉体２には、その下部に、ヒータ９の下端部に接続する配線を引き出す等の、各種の操作を行うための開口部２ｂが形成され、この開口部２ｂには蓋体２ｃが開閉可能に取り付けられている。

　また、ヒータ９は、本実施形態では鉛直方向に立てて設けられた保護管１０内に挿通されている。保護管１０は、アルミナ等のセラミックス製で、その内径がヒータ９の外径よりも大きく形成されている。そして、ヒータ９はその中心軸が保護管１０の中心軸に一致するように挿通され、これによってヒータ９の外周面が保護管１０の内周面に接しないように配置されている。従って、これら保護管１０とヒータ９との間には、後述するようにバーンアウト用の空気（ガス）が良好に流れる流路が形成されている。

　また、図１に示すように複数のヒータ９が水平方向、すなわち一方のドア部１ａ側から他方のドア部１ｂ側にかけて整列配置させられており、これによってヒータ列１１を形成している。このようなヒータ列１１は、図２に示すように本実施形態では、炉体２の正面側と背面側とにそれぞれ１列ずつ、計２列配置されている。

　保護管１０には、その上端部には、上部保護管受け１２が設けられている。この上部保護管受け１２が炉体２の天井部２ａに取り付けられ、固定されていることにより、保護管１０の上端部は炉体２の天井部２ａに固定されている。また、保護管１０の下端部は、図２の要部拡大図である図３に示すように、処理室３を形成する断熱層４の底部に取り付けられた下部保護管受け１３に支持され、固定されている。

　下部保護管受け１３は、断熱層４の底部を貫通する円筒部１３ａと、円筒部１３ａの下端に設けられて断熱層４の底面に当接させられた円環板状の鍔部１３ｂとによって形成されている。また、鍔部１３ｂの内径は円筒部１３ａの内径より小さく形成されている。このような構成により、下部保護管受け１３の円筒部１３ａ内に保護管１０の下端部が挿通され、鍔部１３ｂの内周縁部にて保護管１０の下端部を支持している。ここで、鍔部１３ｂの内径はヒータ９の外径よりも大きく形成されている。これにより、鍔部１３ｂの内周縁とヒータ９との間には、後述するようにバーンアウト用の空気（ガス）が良好に流れる。

　ヒータ９は、その上端部が保持部材１４によって保護管１０の上端開口に取り付けられている。ただし、保持部材１４は保護管１０の上端開口を閉塞することなく、充分な大きさの開口面積を残して、保護管１０の上端開口に取り付けられている。また、ヒータ９は、その下端側が保護管１０の下方に延び出て形成配置されており、その下端が、保護管１０の下方に配置された受け部材１５に受けられて支持されている。

　受け部材１５は、本開示におけるガス供給手段を構成し、図１に示すように水平方向に延在する四角筒状の筒状体１５ａと、筒状体１５ａ内にてその長さ方向に沿って設けられたリブ板１５ｂとを有して構成されている。筒状体１５ａは、ヒータ列１１の列方向に沿って配置されており、その上面には、各ヒータ９の下端部を通す複数の開口１５ｃが形成されている。これら開口１５ｃは、鍔部１３ｂと同様に、その開口径（内径）がヒータ９の外径よりも大きく形成されており、これによって開口１５ｃ内をバーンアウト用の空気（ガス）が良好に流れる。なお、この筒状体１５ａは、その両端部が開口することなく、閉塞されている。

　リブ板１５ｂは、筒状体１５ａの鉛直方向の高さの、半分程度の高さ（幅）に形成された細板であり、その上端にてヒータ９の下端を支持している。すなわち、リブ板１５ｂは、図３に示すようにヒータ９の下端面の中心を支持するべく、下端面の中心線に対応して配置されており、これによってヒータ９を安定的に支持している。
　なお、以上の構成からなる受け部材１５は、２列配置されたヒータ列１１のそれぞれの下方に配置されている。

　このような受け部材１５には、その筒状体１５ａにバーンアウト用のガスを供給する供給配管１６が接続されている。供給配管１６は、各受け部材１５の筒状体１５ａの、それぞれの内側面中央部に接続され、筒状体１５ａ内に連通して設けられている。これら供給配管１６は、略水平に配置されており、炉体２の底部下方から炉体２内に立ち上がって配置された主管１７の上端部に、分岐管１８を介して接続されている。主管１７は、炉体２の外に配置された空気源（バーンアウトガス源）に接続されており、分岐管１８、供給配管１６を介して受け部材１５内に空気（ガス）を供給する。

　このような空気源、主管１７、分岐管１８、供給配管１６、受け部材１５により、ヒータ９に向けてバーンアウト用の空気（ガス）を供給する、本開示に係るガス供給手段が構成されている。このガス供給手段は、ヒータ９の下端部に接続した状態に設けられている。そして、空気源から導出された空気が主管１７、分岐管１８、供給配管１６、受け部材１５を通って受け部材１５の開口１５ｃからヒータ９の長さ方向に沿って上昇する。

　その際、受け部材１５の開口１５ｃから流出した空気は、図２に示すようにヒータ９の長さ方向に沿って上昇することにより、保護管１０とヒータ９との管の隙間に入り込み、そのままヒータ９の長さ方向に沿って上昇する。
　なお、供給配管１６から受け部材１５内に流入した空気は、リブ板１５ｂに衝突することでリブ板１５ｂの長さ方向、すなわち水平方向に拡がり、複数の開口１５ｃのそれぞれから流出し、上昇する。

　また、炉体２には、主にその処理室３内の断熱層４内面や保護管１０の外周面に対してバーンアウト処理を行うための、空気供給管（図示せず）も設けられている。
　また、炉体２には、その天井部２ａに、アセチレン系ガス等の浸炭ガス（炭化水素系ガス）を供給するための浸炭ガス供給管（図示せず）が、一つあるいは複数設けられている。浸炭ガス供給管は、その先端が処理室３内に開口するとともに、後端が浸炭ガス供給源（図示せず）に接続されている。浸炭ガス供給源は、所定流量の浸炭ガスを浸炭ガス供給管に吐出する。これにより、処理室３内には、浸炭ガス供給源によって流量設定された浸炭ガスが供給される。

　また、炉体２には、処理室３内のガス（浸炭ガスや浸炭ガスが熱分解した熱分解ガス等）を処理室３外に排気するための、排気管（図示せず）が設けられている。この排気管には排気ポンプ（図示せず）が接続されており、この排気ポンプの作動によって処理室３内のガスが炉体２外に排気される。

　また、炉体２には、その天井部２ａに撹拌翼１９が配置されている。撹拌翼１９は、モータ（図示せず）によって回転駆動することにより、処理室３内のガスを撹拌する。なお、この撹拌翼１９については、その設置を省略することも可能である。
　また、炉体２には、複数の熱電対２０が、処理室３内において被処理物Ｗを取り囲むように離散配置されている。このような熱電対２０は、被処理物Ｗの表面温度と同等な処理室３内の雰囲気温度を検出し、検出結果を制御部（図示せず）に出力する。

　このような浸炭装置１によって浸炭処理を行うには、まず、搬入室（図示せず）から炉体２内の処理室３内に、被処理物Ｗをトレイ８に載せた状態で搬入する。そして、被処理物Ｗを炉床５上の所定位置にセットしたら、排気ポンプを作動させて処理室３内の空気を外部に排気し、処理室３内の雰囲気（被処理物Ｗの周囲雰囲気）を所定の真空状態（圧力状態）にまで減圧する。

　また、減圧と並行して、あるいは減圧した後、ヒータ９に通電して処理室３内を加熱し、被処理物Ｗを加熱する。その際、熱電対２０の検出結果に基づいて処理室３内、すなわち被処理物Ｗの表面温度を加熱することにより、被処理物Ｗの表面温度を、温度一定の圧力環境下で一定時間を掛けて徐々に昇温し、浸炭温度に到達させる。

　そして、被処理物Ｗの表面温度を浸炭温度に到達させ、この浸炭温度で安定させたら、処理室３内に所定流量の浸炭ガスを連続的に導入する。一方、排気ポンプも作動させることにより、処理室３内のガスを排気管から外部に排気する。

　このような浸炭ガスの導入、排気ポンプによる排気を並行して行うことにより、処理室３内の真空度（圧力）は所定圧力（浸炭圧力）に維持される。すなわち、処理室３内に連続導入される浸炭ガスの導入量と排気管からのガスの排出量とがバランスされることにより、処理室３内の圧力は所望の浸炭圧力に維持される。

　そして、浸炭圧力の維持状態が所定の時間（浸炭時間）に亘って継続することにより、浸炭ガスが熱分解して発生した炭素原子（Ｃ）が被処理物Ｗの表面から被処理物Ｗ内に徐々に浸入する。この結果、被処理物Ｗの表面近傍に所定深さ（浸炭深さ）の浸炭層が形成される。

　このような浸炭処理を行うと、浸炭ガスが高温減圧下にて炭素と水素に分解するほかに、重合反応を起こして重合物を生成することがある。また、分解した炭素が煤化することもある。そして、このような重合物や煤は、ヒータ９側では多くがこれを外挿する保護管１０の外周面に付着するものの、一部は、保護管１０の下端側開口などから入り込み、ヒータ９の外周面に付着する。

　このようにして浸炭処理を予め設定した時間行ったら、浸炭ガスの供給を停止し、更にヒータ９による加熱も停止する。そして、排気ポンプによる減圧も停止し、処理室３内から被処理物Ｗをトレイ８に載せた状態で搬出する。その後、新たな被処理物Ｗを処理室３内に搬入し、上記の操作を繰り返すことにより、新たな被処理物Ｗに対しても浸炭処理を行う。

　被処理物Ｗに対する浸炭処理の回数が重ねられ、ヒータ９表面や処理室３内に上記の重合物や煤が多く付着し、堆積したら、バーンアウトを行う。その際、本実施形態では特にヒータ９に向けて空気を供給するガス供給手段を設けているので、受け部材１５を介してヒータ９の下側から上側に向けて空気を流す。従って、保護管１０内に立てて配置されたヒータ９に対して容易に、且つ効果的にバーンアウト処理を行うことができるとともに、このヒータ９に対するバーンアウトを、処理室３内のバーンアウトとは別に実施することができる。

　すなわち、本実施形態の浸炭装置１にあっては、主管１７から導入した空気を、分岐管１８、供給配管１６を介して受け部材１５に供給し、この受け部材１５から各ヒータ９の外周面に沿わせて保護管１０内を上昇させることができる。すると、ヒータ９に沿って上昇した空気は、受け部材１５の開口１５ｃの直上に位置する保護管１０とヒータ９との隙間から入り込み、そのまま上昇して上部保護管受け１２側から流出し、炉体２の外部に排出される。

　このように保護管１０内に流入する空気は、ヒータ９の余熱等によって加熱されることにより、上昇気流を形成することで確実に保護管１０内を流れ、ヒータ９の外周面に接触することで、ヒータ９の外周面に付着した上記の重合物や煤を確実にバーンアウトする。
　よって、本実施形態の浸炭装置１によれば、ヒータ９を炉体２内の処理室３から分離した保護管１０内に格納することにより、ヒータ９の汚れを除去するバーンアウトを、処理室３内のバーンアウトとは別に実施することができる。従って、操業率向上に寄与することができる。

　また、ガス供給手段が、保護管１０の下部開口の下方に配置されて保護管１０の下端を受ける受け部材１５と、受け部材１５内にバーンアウト用のガスを供給する供給配管１６とを備えている。従って、供給配管１６によって供給した空気を、受け部材１５によって複数のヒータ９に向けて流すことができる。よって、種々の構成部材が配置されてスペースの余裕が少ない炉体２の底部に、ガス供給手段を比較的効率良く配置することができる。

　また、複数のヒータ９を水平方向に整列配置してヒータ列１１を形成し、受け部材１５の筒状体１５ａをヒータ列１１に対して一つ配置している。従って、前述したように炉体２の底部に、ガス供給手段を比較的効率良く配置することができる。
　また、ヒータ列１１を複数（２列）設けているので、処理室３内を均一に加熱して浸炭処理を良好に行うことができる。

　また、受け部材１５の筒状体１５ａ内にその長さ方向に沿ってリブ板１５ｂを設け、リブ板１５ｂによってヒータ９の下端を支持している。従って、供給配管１６から受け部材１５内に流入した空気を、リブ板１５ｂに衝突させることでリブ板１５ｂの長さ方向（水平方向）に拡がらせ、複数の開口１５ｃのそれぞれから流出させてヒータ９に向けて上昇させることができる。これによって簡易な構成で複数のヒータ９のバーンアウト処理を良好に行うことができる。

　なお、本開示の浸炭装置は上記実施形態に限定されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
　例えば、炉体２の構成や処理室３の構成、被処理物Ｗを搬送するための機構については、上記実施形態に限定されることなく、種々の構成を採用することができる。

　また、ヒータ９の数や配置（配列）についても、上記実施形態に限定されることなく種々の形態を採用することができる。
　更に、ヒータ９の下端部に空気（バーンアウト用のガス）を供給するガス供給手段についても、上記実施形態に限定されることなく種々の形態を採用することができる。

　本開示に係る浸炭装置によれば、ヒータを炉体内の加熱処理室から分離した保護管内に格納することにより、ヒータの汚れを除去するバーンアウトを、加熱処理室内のバーンアウトとは別に実施することができ、操業率向上に寄与することができる。

１　浸炭装置
２　炉体
９　ヒータ
１０　保護管
１１　ヒータ列
１５　受け部材
１５ａ　筒状体
１５ｂ　リブ板
１６　供給配管
１７　主管
１８　分岐管
Ｗ　被処理物

Claims

　被処理物を加熱処理して浸炭処理を行う炉体を有する浸炭装置であって、
　前記炉体内に、前記被処理物を加熱処理するためのヒータが、鉛直方向に立てて設けられ、
　前記ヒータの下端部に、該ヒータに向けてバーンアウト用のガスを供給するガス供給手段が設けられ、
　前記ヒータは、鉛直方向に立てて設けられた保護管内に挿通させられており、
　前記ガス供給手段は、前記保護管と前記ヒータとの間にバーンアウト用のガスを供給する浸炭装置。
　前記ガス供給手段は、前記保護管の下部開口の下方に配置されて前記保護管の下端を受ける受け部材と、該受け部材内にバーンアウト用のガスを供給する供給配管とを備える請求項１記載の浸炭装置。
　前記ヒータは、複数が水平方向に整列配置されてヒータ列を形成し、
　前記受け部材は、水平方向に延在する筒状の筒状体を有し、該筒状体が前記ヒータ列に対して一つ配置されている請求項２記載の浸炭装置。