JP2006226561A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導率と密度の高い過熱水蒸気によりワークを均一かつ迅速に熱処理することができる熱処理装置を提供する。
【解決手段】飽和水蒸気を発生させる水蒸気発生装置３と、この飽和水蒸気を過熱して過熱水蒸気を発生させる過熱装置４と、過熱装置から過熱水蒸気を導入してワーク８を加熱する熱処理炉２と、熱処理炉内の過熱水蒸気を過熱装置の水蒸気入口側へ戻す再循環ファン６を備えたスチーム戻しライン５と、熱処理炉内の温度を検出する温度センサ１０と、この温度センサにより検出された温度に基づいて過熱装置から前記熱処理炉へ供給される過熱水蒸気の温度および供給量と、過熱装置の水蒸気入口側へ戻す過熱水蒸気の戻し流量を制御する制御装置７、を具備している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各種鋼材や鋳鉄、ステンレスやアルミニウム等の合金等を過熱水蒸気により熱処理する熱処理装置に関する。

従来から、自動車等の軽量化材料として、アルミニウム合金、マグネシウム合金、セラミックス、金属複合材料、ＦＲＰ等樹脂材料等が知られている。このうち、例えば、アルミニウム合金は、鉄の１／３の密度で、既に自動車等のエンジンシリンダヘッド、エンジンシリンダブロック等に、高速射出成形、いわゆるダイカスト法によって製造された鋳造品が多用されている。

これら軽合金鋳造品については、その引張強度、耐摩耗性、伸び等の機械的性質を改善するために、鋳造品をさらに熱処理することが行なわれている。これは、熱処理することにより、例えばＡｌ−Ｓｉ系合金にＭｇを添加したアルミニウム合金の場合には、Ｍｇ_２Ｓｉの中間相による析出硬化が生じ、強度等を向上させることができるためである。

このようなＡｌ合金の高強度化は、他元素の添加とそれによる中間相の時効析出によって得られるものであり、時効析出のための熱処理は、溶体化処理および時効処理からなる。

従来、このような溶体化処理および時効処理の熱処理炉としては、加熱空気を熱媒体としたトンネル炉等の雰囲気炉が用いられている（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−２４０４４２号公報

しかしながら、この雰囲気炉では、溶体化温度までの昇温温度が遅く、昇温に時間がかかり、しかも、温度の振れが大きく、そのため、より高い温度での溶体化処理や時効処理が困難であるという課題があった。

また、ワークが例えばアルミ製エンジンブロック等、形状ないし構造が複雑な場合は、その加熱部位毎に加熱時間の差が生じ、加熱温度にばらつきが発生し、加熱むらを生じ易い。このために、ワークを均一に溶体化することができず、加熱時間も長時間かかり、歩留りが低いという課題があった。

このような加熱空気により加熱むらが発生する原因としては、空気の熱伝導率の低さやワークの形状が複雑であるために加熱空気が流入し接触し難い部位の温度が上昇しにくい点が考えられる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、熱伝導率と密度の高い過熱水蒸気によりワークを均一かつ迅速に熱処理することができる熱処理装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、飽和水蒸気を発生させる水蒸気発生装置と、この飽和水蒸気を過熱して過熱水蒸気を発生させる過熱装置と、この過熱装置から前記過熱水蒸気を導入してワークを加熱する熱処理炉と、この熱処理炉内の過熱水蒸気を前記過熱装置の水蒸気入口側へ戻す再循環ファンを備えた戻し流路と、前記熱処理炉内の温度を検出する温度センサと、この温度センサにより検出された温度に基づいて前記過熱装置から前記熱処理炉へ供給される過熱水蒸気の温度および供給量と、前記過熱装置の水蒸気入口側へ戻す過熱水蒸気の戻し流量を制御する制御装置と、を具備していることを特徴とする熱処理装置である。

請求項２に係る発明は、前記熱処理炉内の圧力を検出する圧力センサと、この熱処理炉内の湿度を検出する湿度センサと、を具備し、前記制御装置は、前記圧力センサにより検出された圧力検出値および前記湿度センサにより検出された湿度検出値に基づいて前記過熱装置の水蒸気入口側へ戻す過熱水蒸気の戻し流量を制御する制御手段を具備していることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置である。

請求項３に係る発明は、前記制御装置は、前記水蒸気発生器からの飽和水蒸気を前記過熱装置に供給する水蒸気供給路に介装された流量制御弁の開度を制御する開度制御手段と、前記再循環ファンの回転速度を制御する回転速度制御手段と、を具備していることを特徴とする請求項１または２記載の熱処理装置である。

請求項４に係る発明は、前記熱処理炉は、その炉内に前記ワークを搬入する一方、炉外に搬出する搬送装置を、具備していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱処理装置である。

請求項５に係る発明は、前記熱処理炉は、前記ワークに複数の方向から前記過熱水蒸気を噴出させるノズルを、具備していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱処理装置である。

請求項６に係る発明は、前記熱処理炉は、その内部へワークを搬入する前に、このワークを予め搬入しておく入側予備室と、ワークを熱処理炉の外部へ搬出する前に、このワークを予め搬入しておく出側予備室の少なくとも一方を具備していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱処理装置である。

請求項１に係る発明によれば、ワークを加熱する過熱水蒸気はその熱伝導率が空気の約２０倍程度であるので、ワークを空気加熱よりも迅速に加熱することができる。

また、過熱水蒸気は、密度が空気よりも高いので、ワークの形状や構造が複雑であっても、その細部に過熱蒸気が入り込み浸透し易いので、均一にむらなく加熱することができる。これにより、ワーク熱処理の品質と歩留りを向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る熱処理装置１の全体構成図である。この図１に示すように熱処理装置１は、熱処理炉２、水蒸気発生装置３、過熱装置４、水蒸気戻し流路としてのスチーム戻しライン５、再循環ファン６、制御装置７を具備している。

熱処理炉２は、断熱材により円筒や角筒等所要形状の密閉容器に形成され、その内部に所要数のワーク８を収容する処理室２ａを形成した炉本体２ｂを具備している。

ワーク８は、各種鋼材や鋳鉄、ステンレスやアルミニウム等の合金製等のエンジンシリンダヘッド、エンジンシリンダブロック等の加工品であり、溶体化処理等所要の熱処理を必要とするものである。

炉本体２ｂは、ワーク８を処理室２ａ内に搬入する搬入口２ｃ、ワーク８を処理室２ａから外部へ搬出する搬出口２ｄ、処理室２ａ内を排気する排気口２ｅ、処理室２ａ内の水蒸気をスチーム戻しライン５へ戻すスチーム出口２ｆを有し、搬入口２ｃと搬出口２ｄには、開閉自在の投入口扉２ｇと取出口扉２ｈとをそれぞれ設けている。

炉本体２ｂは、処理室２ａの炉床に、ワーク８を搬送する炉内搬送ローラ装置２ｉ、この炉内搬送ローラ装置２ｉと連係してワーク８を炉本体２ｂ外から炉本体２ｂ内へ搬入する一方、炉本体２ｂ外へ搬出する図示しない炉外搬送ローラ装置と、を具備している。

熱処理炉２は、その炉本体２ｂに、スチームライン９を配設している。スチームライン９は、炉本体２ｂ内で複数股に分岐してワーク８の各面等複数面にそれぞれ対向する分岐管９ａ，９ａ，…を有する。各分岐管９ａは、その長手方向に所定のピッチを置いて複数のノズル９ｂ，９ｂ，…をそれぞれ形成しており、これらノズル９ｂ，９ｂ，…から過熱水蒸気を噴出させるようになっている。

また、熱処理装置２は、処理室２ａ内の温度を検出する温度センサ１０と、処理室２ａ内の湿度、圧力をそれぞれ検出する湿度センサ１１、圧力センサ１２をそれぞれ設けている。

スチームライン９は、各分岐管９ａを集合結合させる主管部９ｃを、過熱装置４を介して水蒸気発生装置３に接続している。

水蒸気発生装置３は、飽和水蒸気を発生させるボイラー等であり、飽和水蒸気を排出するスチーム出口管１３を介して過熱装置４のスチーム入口４ａに接続している。スチーム出口管１３には、水蒸気発生装置３から排出される飽和水蒸気の排出流量（供給流量）を制御する電磁弁等よりなる流量制御弁１４を介装している。

過熱装置４は、そのケーシング４ｂ内に、スチーム出口管１３よりも小径の所定の小径管を例えばスパイラル状に折曲してなる金属製の過熱チューブ４ｃを収容しており、この過熱チューブ４ｃ内を流通する飽和水蒸気を加熱して所要圧力と温度の過熱水蒸気を発生させるバーナ４ｄを具備している。

バーナ４ｄは、図示省略した燃料供給管を介して燃料供給装置に接続されており、燃料供給管に介装された電動弁等からなる燃料弁の開度制御により、バーナ４ｄによる過熱温度が制御されるようになっている。過熱チューブ４ｃの過熱水蒸気出口４ｅは、スチームライン９の主管部９ｃの過熱水蒸気入口に接続されている。

そして、炉本体２ｂのスチーム出口２ｆには、スチーム戻しライン５を介してスチーム出口管１３に、流量制御弁１４の下流側にて接続している。スチーム戻しライン５内の途中には、高耐熱性と高耐圧性を有する例えばセラミックス製の再循環ファン６を配設し、炉本体２ｂ内の水蒸気の一部を過熱装置４のスチーム入口４ａ側へ戻すようになっている。

制御装置７は、例えばマイクロプロセッサ等から構成され、その検出信号入口側に、図１中一点鎖線で示す信号線を介して温度センサ１０、湿度センサ１１、圧力センサ１２を接続する一方、制御信号出力側に、信号線を介して再循環ファン６、電動弁等からなる流量制御弁１４、バーナ４ｄ，４ｄの図示しない燃料供給管の電動弁等からなる燃料弁をそれぞれ接続している。

制御装置７は、温度センサ１０、湿度センサ１１、圧力センサ１２から炉本体２ｂの処理室２ａ内の温度、湿度、圧力を適宜、それぞれ読み込み、これら読み込み値が種々のワーク８の熱処理に応じて予め設定されている各設定値で一定になるようにバーナ４ｄの燃料弁と、水蒸気発生装置３の流量制御弁１４の開度をそれぞれ制御する一方、再循環ファン６の単位時間当りの回転数を制御するようにプログラムされている。

次に、この熱処理装置１の作用を説明する。

まず、熱処理炉２の投入口扉２ｇを開放し、図示しない搬入側の炉外搬送ローラ装置と炉内搬送ローラ装置２ｉを駆動してワーク８を炉本体２ｂ内の処理室２ａ内の所定位置に搬入する。

次に、この投入口扉２ｇを閉じた後、流量制御弁１４を所定開度開弁する。すると、水蒸気発生装置３で発生している飽和水蒸気がスチーム出口管１３を経て過熱装置４の過熱チューブ４ｃ内へ流入する。このとき、過熱装置４はまだ運転されていないので、この過熱チューブ４ｃ内へ流入した飽和水蒸気は、ここで過熱されずに通過し、スチームライン９を経て、その各分岐管９ａ，９ａ，…の各ノズル８から処理室２ａ内へ噴出される。このとき、再循環ファン６の運転は停止されているので、時間の経過に伴って処理室２ａ内は飽和水蒸気により充満される。

このために、これまで処理室２ａ内に充満していた空気が飽和水蒸気の充満により排気口２ｅから炉外へ押し出されて、排気される。

このとき、制御装置７は、湿度センサ１１から処理室２ａ内の湿度検出値を読み出し、その湿度検出値が予め設定されている所要の設定値に達していると判断したときに、再循環ファン６を起動し、処理室２ａ内の飽和水蒸気を過熱装置４へ戻す飽和水蒸気の循環を開始させる。

この後、制御装置７は、過熱装置４の図示しない燃料弁を開弁してバーナ４ｄ，４ｄへ燃料を供給し、バーナ４ｄ，４ｄを着火する。これにより、過熱チューブ４ｃ内を流通している飽和水蒸気がバーナ４ｄ，４ｄにより過熱され、過熱水蒸気がスチームライン９を経て、その各分岐管９ａ，９ａ，…の各ノズル９ｂ，９ｂ，…から処理室２ａ内へ噴出される。このために、ワーク８の複数の面へ過熱水蒸気が噴出され、ワーク８を加熱する。これにより、ワーク８は高熱伝導率の過熱水蒸気により加熱されるので、熱処理を迅速に行なうことができる。しかも、過熱水蒸気は空気よりも密度が高いので、仮にワーク８の形状や構造が複雑であっても、これら複雑な形状の狭隘な間隙にも過熱水蒸気が流入して加熱し、ワーク８の複数の面を加熱するので、ワーク８全体をほぼ均一に加熱することができる。

また、処理室２ａ内への過熱水蒸気の噴出により、この処理室２ａ内の温度が上昇するので、温度センサ１０により検出されている温度検出値が熱処理の目的温度範囲内で維持するようにバーナ４ｄ，４ｄの燃料弁の開度が制御装置７により調整される。

また、制御装置７は、圧力センサ１２の圧力検出値が常に正圧を保持するように、再循環ファン６の回転数を制御すると共に、スチーム出口管１３の流量制御弁１４の開度を調整する。これにより、外部から冷気が処理室２ａへ侵入するのを防止することができる。

こうしてワーク８の熱処理を所定時間行なった後、炉本体２ｂの取出口扉２ｈを開け、炉内搬送ローラ装置２ｉと搬出側の搬送ローラ装置とを駆動してワーク８を炉本体２ｂ外へ搬出する。

したがって、この熱処理装置１によれば、熱伝導率が空気の２０倍も高い過熱水蒸気によりワーク８を加熱し熱処理するので、その熱処理時間を大幅に短縮することができる。

また、空気よりも高密度の過熱水蒸気によりワーク８を加熱するので、エンジンシリンダヘッドやエンジンシリンダブロック等複雑な形状ないし構造のワーク８についても、高密度の過熱水蒸気がそのワーク８の複雑な形状の細かい間隙内に流入し、加熱することができるので、ワーク８全体をほぼ均一に加熱し、熱むらを大幅に低減することができる。したがって、ワーク８の熱処理の品質の均一性と向上を図ることができると共に、歩留りを高めることができる。

また、処理室２ａ内へ供給された過熱水蒸気の一部を再循環ファン６とスチーム戻しライン５を通して過熱装置４のスチーム入口４ａ側へ戻して再循環させるので、水蒸気発生器３で発生させて過熱装置４へ与える飽和水蒸気を節約することができる。このために、水蒸気発生器３の燃料を節約することができる。

さらに、熱処理炉２の処理室２ａ内の温度、湿度および圧力を制御装置７により熱処理に最適な目標値（設定値）にフィードバック制御するので、常にワーク８を最適な温度、湿度および圧力により熱処理することができる。これにより、ワーク８の品質と歩留りを向上させることができる。

また、過熱装置４は、飽和水蒸気を通す過熱チューブ４ｃを、スパイラル状に巻回する小径管により形成する簡単な構造であるので、熱処理装置１全体としてのコストを低減することができる。

なお、上記ワーク８を炉外から処理室２ａ内へ搬入するために投入口扉２ｇを開閉するための開閉制御と、熱処理済のワーク８を炉外へ搬出するために取出口扉２ｈを開閉するための開閉制御と、炉内搬送ローラ装置２ｉおよび炉外搬送ローラ装置の起動，停止等の運転制御と、を制御装置７により実行させるように構成してもよい。

図２は本発明の第２の実施形態に係る熱処理装置１Ａの要部構成図である。この熱処理装置１Ａは、図２に示すように熱処理炉２のワーク８の搬入側と、搬出側とに、熱処理炉２と連通可能に入側予備室２１と出側予備室２２を一体または一体的に連成して複数のワーク８を連続的に熱処理し得るように構成した点に特徴がある。これ以外の構成は上記図１で示す熱処理装置１と同一であるので、その重複した説明は省略する。

入側予備室２１は、次に熱処理しようとするワーク８を予め収容して待機させるチャンバであり、出側予備室２２は、処理室２ａ内での熱処理が終了したワーク８を一旦収容しておくチャンバである。これら入，出側予備室２１，２２は、共に断熱材により円筒状または角筒状等所要形状の密閉容器に構成され、各外側端（図２では左右両側端）には開閉自在の入側遮蔽扉２１ａ、出側遮蔽扉２２ａをそれぞれ配設している。

また、入側，出側予備室２１，２２は、その内部に、上記図１で示す熱処理装置１の炉内搬送ローラ装置２ｉとほぼ同様構成の搬送ローラ装置を、入側炉内搬送ローラ装置、出側炉内搬送ローラ装置として配設している。さらに、これら入側，出側炉内搬送ローラ装置は、上記熱処理装置１の入側，出側炉外搬送ローラ装置と連係自在に構成され、入側炉外搬送ローラ装置により搬送されたワーク８を入側炉内搬送ローラ装置により受けて入側予備室２１内に搬送し、熱処理炉２内のワーク８の熱処理が完了するまで、待機するようになっている。なお、排気口２ｅの排気を入側予備室２１内に引き込み、入側予備室２１内のワーク８を予熱するように構成してもよい。これによれば、処理室２ａ内のワーク８の加熱時間を短縮することができる。

そして、待機が終了したときに、入側予備室２１内の炉内搬送ローラ装置を駆動して熱処理炉２の投入口扉２ｇを開け、この熱処理炉２内に搬入する。この熱処理炉２内でのワーク８の熱処理が終了したときには、熱処理炉２の取出口扉２ｈを開けると共に、熱処理炉２内の炉内搬送ローラ装置２ｉと出側予備室２２内の炉内搬送ローラ装置２ｉを共に駆動して出側予備室２２内に一旦収容し、所定時間終了後、出側予備室２２の出側遮蔽扉２２ａを開けると共に、出側予備室２２の炉内搬送ローラ装置と出側炉外搬送ローラ装置の駆動により、熱処理完了後のワーク８を炉外へ搬出する。

これら各炉内搬送ローラ装置と入側，出側炉外搬送ローラ装置の起動，停止等の運転制御と、熱処理炉１Ａの投入口扉２ｇ、取出口扉２ｈ、入側遮蔽扉２１ａおよび出側遮蔽扉２２ａの開閉制御は、制御装置７により制御される。

したがって、この熱処理装置１Ａによれば、熱処理室２ａ内で複数のワーク８を連続的に熱処理することができる。このために、ワーク８の熱処理効率を向上させることができる。

しかも、その熱処理室２ａの投入口扉２ｇと取出口扉２ｈが開扉されたときには、入側，出側予備室２１，２２の各遮蔽扉２１ａ，２２ａは閉じているので、これら投入口扉２ｇ、取出口扉２ｈが開扉中であっても、処理室２ａ内の過熱水蒸気を、入側，出側予備室２１，２２により受けて封止することができる。このために、熱処理室２ａ内の過熱水蒸気が外部へリークするのを低減することができる。これにより、水蒸気発生装置３とバーナ４ｄ，４ｄの燃料コストを低減することができる。なお、本発明は、入側，出側予備室２１，２２の両者を設ける場合に限定されるものではなく、その一方のみを設けてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る熱処理装置の全体構成図。 本発明の第２の実施形態に係る熱処理装置の要部構成図。

符号の説明

１，１Ａ 熱処理装置
２ 熱処理炉
２ａ 熱処理室
２ｂ 炉本体
２ｃ 搬入口
２ｄ 搬出口
２ｆ 水蒸気出口
２ｉ 炉内搬送ローラ装置
３ 水蒸気発生装置
４ 過熱装置
４ｃ 過熱チューブ
５ スチーム戻しライン
６ 再循環ファン
７ 制御装置
８ ワーク
９ スチームライン
９ａ スチームラインの分岐管
９ｂ ノズル
１０ 温度センサ
１１ 湿度センサ
１２ 圧力センサ
１３ スチーム出口管
１４ 流量制御弁
２１ 入側予備室
２２ 出側予備室

Claims (6)

1. 飽和水蒸気を発生させる水蒸気発生装置と、
   この飽和水蒸気を過熱して過熱水蒸気を発生させる過熱装置と、
   この過熱装置から前記過熱水蒸気を導入してワークを加熱する熱処理炉と、
   この熱処理炉内の過熱水蒸気を前記過熱装置の水蒸気入口側へ戻す再循環ファンを備えた戻し流路と、
   前記熱処理炉内の温度を検出する温度センサと、
   この温度センサにより検出された温度に基づいて前記過熱装置から前記熱処理炉へ供給される過熱水蒸気の温度および供給量と、前記過熱装置の水蒸気入口側へ戻す過熱水蒸気の戻し流量を制御する制御装置と、
   を具備していることを特徴とする熱処理装置。
2. 前記熱処理炉内の圧力を検出する圧力センサと、
   この熱処理炉内の湿度を検出する湿度センサと、
   を具備し、
   前記制御装置は、前記圧力センサにより検出された圧力検出値および前記湿度センサにより検出された湿度検出値に基づいて前記過熱装置の水蒸気入口側へ戻す過熱水蒸気の戻し流量を制御する制御手段を具備していることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
3. 前記制御装置は、
   前記水蒸気発生器からの飽和水蒸気を前記過熱装置に供給する水蒸気供給路に介装された流量制御弁の開度を制御する開度制御手段と、
   前記再循環ファンの回転速度を制御する回転速度制御手段と、
   を具備していることを特徴とする請求項１または２記載の熱処理装置。
4. 前記熱処理炉は、その炉内に前記ワークを搬入する一方、炉外に搬出する搬送装置を、
   具備していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱処理装置。
5. 前記熱処理炉は、前記ワークに複数の方向から前記過熱水蒸気を噴出させるノズルを、
   具備していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱処理装置。
6. 前記熱処理炉は、その内部へワークを搬入する前に、このワークを予め搬入しておく入側予備室と、ワークを熱処理炉の外部へ搬出する前に、このワークを予め搬入しておく出側予備室の少なくとも一方を具備していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱処理装置。

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