JP4583255B2 - 熱処理炉の使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、厚鋼板などの熱処理炉の使用方法に関する。

従来、ファンを使用したバッチ式の熱風循環型熱処理炉において、特に、処理材料が熱伝導の良い場合には、ファンによって送られた熱風が材料間を通過する間にその熱風温度が低下し、ファンの風上と風下ではかなりの加熱速度の差が見られた。この温度差を短縮するために、特許文献１では、その従来技術として、「従来よりファンの回転方向をタイマにより定期的に逆転させる方法が採られていた。」と記載されている（特許文献１の第２図参照）。

前記従来技術は、ファンの正逆運転を数十回繰り返すため、それだけ所定時間に昇温する時間が長時間かかるという欠点を有していた。
そこで、前記特許文献１記載の発明では、その正逆切換を１回だけとして昇温時間の短縮を図っている（特許文献１の第３図参照）。
特公昭５３−２９２８１号公報

特許文献１の第２図に示す数十回の正逆転切り換え運転と、その第３図に示す１回だけの切換による運転との何れにおいても、被加熱材の風上側と風下側では、所定温度に昇温するまでの時間に差が見られる（以下、この差を「昇温時間差」という）。すなわち、被加熱材の全体が均一に目標温度に達するまでは、温度分布が生じている。
厚鋼板の熱処理炉において被加熱材に昇温時間差が生じると、当該厚鋼板内の強度分布にバラツキが生じる。

ところで、特許文献１記載の被加熱材の温度「ＬＣ１」と「ＬＣ２」とは、被加熱材の熱風が供給される両端部の温度であるが、特許文献１の技術を実際の現場に適用した場合、かかる両端部の温度（ＬＣ１，ＬＣ２）よりも、当該被加熱材の中間部（中央部）の温度は低いことが判明した。すなわち、送風手段により被加熱材（被処理材）の一端部から他端部へ該被処理材の表面に沿って熱風を流すことにより、該被処理材を加熱する熱処理炉において、被処理材の端部の昇温が他の部分よりも早いという問題が現実として存在し、特許文献１の如く、被処理材の両端部のみに着目して昇温時間差を短縮するだけでは、被加熱材内の強度等の品質のバラツキを解消することはできないという問題があった。

そこで、本発明は、被処理材の全体にわたって、昇温時間が均一となるようにした熱処理炉の使用方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、次の手段を講じた。
すなわち、本発明の特徴とするところは、被処理材載置台に載置された被処理材を収納する炉室と、該炉室内の雰囲気ガスを加熱する加熱手段と、該加熱手段により加熱された雰囲気ガスを熱風として送風する送風手段とを有する熱処理炉の使用方法において、前記熱風が被処理材の表面において形成する速度境界層が、被処理材の一端部から他端部にわたって同じ厚さになるように、前記被処理材の一端部であって熱風の流れ方向で上流側に速度境界層生成手段を設けておき、前記速度境界層生成手段として、異なる高さを有する複数の邪魔板を用意しておき、前記被処理材の表面と面一となる高さの邪魔板を選択した上で、前記被処理材の一端部に接するように被処理材載置台に固定し、その上で、前記送風手段により前記被処理材の一端部から他端部へ該被処理材の表面に沿って熱風を流すことにより、該被処理材を加熱することを特徴とする。

本願発明者らは、被処理材を収納する炉室と、該炉室内の雰囲気ガスを加熱する加熱手段と、該加熱手段により加熱された雰囲気ガスを送風する送風手段とを有し、前記送風手段により前記被処理材の一端部から他端部へ該被処理材の表面に沿って熱風を流すことにより、該被処理材を加熱する厚鋼板用熱処理炉で、被処理材の温度（板温）の昇温確認を行った。

その結果、板幅方向端部（被処理材の幅方向での端部）が、中央部より早く昇温し、昇温時間の計算値と実績値との差である昇温時間差を生じる結果となった。その現象を把握するため、「速度境界層により板幅方向に熱伝達率分布を生じている」との仮説を立てた。
図３は、前記仮説の説明図であり、当該仮説は「ガス流れに対して鋼板先端は速度境界層が薄いため熱伝達率が高く、速度境界層の成長と共に熱伝達率は低くなる。この影響により板幅方向の昇温時間差を生じる。」と言うものである。

前記仮説のもとで、被処理材の幅（板幅）４．５ｍの条件で板温の実測と計算とを行った。なお、熱伝達率分布は、速度境界層の影響にしたがって、被処理材の端部からの距離の「−０．２乗」で変化するものとした。図４は、前記端部からの距離と熱伝達率比（被処理材中央部での熱伝達率と所定に位置における熱伝達率との比）との関係を示すグラフである。

図５は、前記仮説に基づく昇温時間の計算結果とその実測結果とを示した図である。この図の縦軸に示された昇温時間は、板幅方向で最も昇温時間の遅い部位との時間差を示している。前記仮説に基づく昇温時間の計算結果と実測結果とは、同じ傾向にあり、板幅方向の昇温時間差は、本仮説によって説明できることが明らかである。
そこで、本発明は、前記送風手段による熱風が前記被処理材の表面において形成する速度境界層が、前記被処理材の一端部から他端部にわたって同じ厚さになるように、被処理材の上流側端部に速度境界層生成手段を設けたのである。こうすることで、仮想的に被処理材の端部が上流側に延長されることになり、本来の被処理材の部分では、速度境界層の厚さが幅方向で略一定となる。換言すれば、速度境界層の厚さが変化しながら分布している部分を、速度境界層生成手段に対応するように位置づけするものである。

速度境界層の厚さが被処理材の端部や中央部においても同じであるので、全体にわたり昇温の均一性が保たれ、昇温時間差を少なくすることができる。
また、前記送風手段は正逆運転可能なものとされており、該送風手段の正逆運転により前記被処理材の両側より交互に熱風を送風することが好ましい。
さらに、前述した被処理材は厚さ、幅及び長手方向を有する鋼板であり、前述した熱処理炉に関し、炉室は前記長手方向に複数の制御ゾーンに区画され、各制御ゾーンには前記加熱手段と送風手段が設けられているのが好ましい。

本発明によれば、被処理材の全体にわたって、昇温時間が均一となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１に示すものは、本発明方法に使用する熱処理炉の断面図である。この実施の形態では、熱処理炉として、厚鋼板を熱処理する台車炉が例示されている。
前記熱処理炉は、燃焼排ガス（雰囲気ガス）が充満する炉室１を有する。この炉室１は、被処理材２を収納するものである。前記熱処理炉は、該炉室１内の雰囲気ガスを加熱する加熱手段３を有する。また、前記熱処理炉は、送風手段４を有する。この送風手段４は、前記加熱手段３により加熱された雰囲気ガスを炉室１内で循環させるものである。この送風手段４は、正逆運転可能とされている。

炉室１の周囲は炉壁５によって覆われている。炉室１の底部は台車６によって塞がれている。台車６には、被処理材載置台１０が設けられ、この載置台１０上に被処理材２が載置されている。
被処理材２は、この実施の形態では、厚板鋼板が例示される。被処理材２は、厚さ、幅及び長手方向を有する。図１においては、厚さ方向は上下方向であり、幅方向は左右方向であり、長手方向は紙面に直交する前後方向である。

炉室１は仕切壁１１を介して上下に区画されている。この仕切壁１１は、被処理材２の上面から所定間隔を有して上方を塞ぐように水平に配置されている。
仕切壁１１によって区画された上側炉室１は加熱室１２とされ、下側炉室１は被処理材２を処理する熱処理室１３とされている。加熱室１２に加熱手段３が設けられている。この加熱手段３の一例として、コークス炉や高炉で発生した燃焼ガスを燃焼させるバーナが例示されている。この加熱手段３は、炉体天井部（炉室１の天井部）に取り付けられ、略垂直下方側に向かって火炎を放出するよう構成されている。

炉室１の内側であってその断面右端部（図１の右側）には、上下に貫通する第１熱風通路１４が形成されており、その反対側の端部（図１の左側）にも第２熱風通路１５が上下に貫通して設けられ、この第２熱風通路１５に送風手段４が配置されている。この送風手段４として軸流ファンが例示されている。この送風手段４の正逆運転は、正逆運転可能なモータ１６により行われる。この送風手段４の正転で、加熱室１２の雰囲気ガスは第１熱風通路１４から熱処理室１３へ供給され、逆転で加熱室１２の雰囲気ガスは第２熱風通路１５から熱処理室１３へ供給され、炉室１内を正逆循環する。

送風手段４の送風量は、回転数が一定であれば、正転時を（Ｑ正）とし、逆転時を（Ｑ逆）としたとき、両者は等しくなく、（Ｑ正≠Ｑ逆）とされている。
また、第１熱風通路１４に第１温度測定手段１７と、第２熱風通路１５に第２温度測定手段１８が設けられている。これら両温度測定手段１７，１８は、送風手段４から送風される熱風の温度を測定するものである。

第１及び第２温度測定手段１７，１８と送風手段４のモータ１６とは、制御装置１９を介して接続されている。従って、第１及び第２温度測定手段１７，１８は、その測定結果を電気信号として制御装置１９に伝達できるものであれば好ましい。
図２は、熱処理炉の平面図である。炉室１は前記長手方向に複数の制御ゾーンに区画されている。各制御ゾーンは、仮想線で示す位置に設けられた垂直仕切壁により区画されている。この実施の形態では５個の制御ゾーンが設けられ、各制御ゾーンに前記加熱手段３と送風手段４が一つずつ設けられている。各送風手段４により熱風は前記被処理材の上下表面に沿って幅方向に流れる。

熱処理炉は、送風手段４により被処理材２の一端部から他端部へ該被処理材２の表面に沿って熱風を流すことにより、該被処理材２を加熱するものである。 前記熱風が被処理材２の表面に沿って流れるとき、該流れの被処理材２の表面側には速度境界層（図３参照）が形成される。
本発明においては、この速度境界層が、前記被処理材２の一端部から他端部にわたって同じ厚さになるように、前記被処理材２の一端部の熱風上流側に速度境界層生成手段２３が設けられている。

この実施の形態では送風手段４が正逆運転可能なものであるから、速度境界層生成手段２３は、被処理材２の両側に設けられている。
前記速度境界層生成手段３として、前記被処理材２の表面と面一になるように配置された邪魔板が例示されている。この邪魔板は、被処理材載置台１０に固定されている。被処理材２のサイズが変わるので、この邪魔板は位置変更可能、形状変更可能に設けられる。

具体的には、邪魔板は耐熱鋼板で形成された中空の箱形形状であって、図１に示す如く、被処理材載置台１０の上で被処理材２に接するように配設される。邪魔板は、複数のサイズ（高さ）のものを用意しておき、被処理材２のサイズ（高さ）に合うものを選択して使用するようにする。
図６には、かかる邪魔板を設置した場合としない場合の昇温時間差のシミュレーション結果が示されている。計算条件としては、「被処理材２の板幅が４．５ｍであって、かかる被処理材２の板幅方向両側に０．７５ｍの邪魔板を設置している」としている。

なお、当該熱処理炉を用いて被処理材２を加熱する際には、以下の方法を用いることが好ましい。
即ち、送風手段４の正逆運転により被処理材２の両側から交互に熱風を供給して、該被処理材２を目標温度に加熱する方法であって、被処理材２の両側の温度が目標温度に到達する時間差を最短とするよう、送風手段４の正逆運転を制御する。尚、この実施の形態では被処理材２の両側とは、鋼板の幅方向両側である。

前記制御において、送風手段４の正転時回転数と、逆転時回転数が同一の場合は、送風手段４の正逆各々の送風量（Ｑ正，Ｑ逆）に応じて、正逆の送風時間（Ｔ正，Ｔ逆）の比率を決定して送風手段４を運転するとよい。すなわち、正逆の送風時間比率と、正逆の送風量の比率との関係の一例として、式（１）の関係を採用するとよい。

Ｔ正／Ｔ逆＝（Ｑ正／Ｑ逆）^a ・・・（１）
但し、ａ＝０．８〜０．９

送風手段４の正転時回転数と、逆転時回転数が同一でない場合は、送風手段４の正逆運転の制御は次のように行うことができる。

すなわち、送風手段４の正逆各々の送風量（Ｑ正，Ｑ逆）が同一となるように、送風手段４の正逆運転を制御する。この制御は、前記モータ１６の回転数をインバータ制御などで制御し、正逆運転でのファンの回転数を変化させ、（Ｑ正＝Ｑ逆）とする。この場合、正逆の送風時間は同一（Ｔ正＝Ｔ逆）とされる。
本実施の形態においては、被処理材２を炉室１に収納する前に、炉室１内を予熱する。

予熱することにより炉体への伝熱量が減少し、雰囲気ガスの上流、下流での温度差が小さくなり、鋼板の昇温時間差が小さくなる。
更に本実施の形態では、前記雰囲気ガスの被処理材２に対する上流側炉温（ｔ上流）と下流側炉温（ｔ下流）を前記第１及び第２温度測定手段１７，１８で測定し、その温度差が各制御ゾーンで同一となるように、各々の送風手段４を制御装置を介して制御する。

このような各ゾーンの制御により、ゾーン毎の鋼板の昇温時間差を小さくできる。すなわち、被処理材２の幅方向及び長手方向にわたって、昇温時間差を最短とすることができる。
なお、本発明は、前記実施の形態に示したものに限定されるものではなく、加熱手段３として、特開２０００−１４４２３９号公報に記載のような電気ヒータを採用したものであってもよい。また、熱処理炉として、加熱室が下方に設けられ熱処理室が上方に設けられたものであってもよく、その形式は限定されるものではない。

本発明は、厚板鋼板の熱処理に用いることができる。

台車炉の正面断面図（幅方向断面図）である。 台車炉の平面図である。 被処理材表面に発生する速度境界層の説明図である。 被処理材の幅方向端部からの距離と熱伝達率比との関係を示す図である。 被処理材の幅方向端部からの距離と昇温時間差とを示した図である（計算値ならびに実績値）。 速度境界層生成手段を用いた際の昇温時間差を示した図である（計算値）。

１ 炉室
２ 被処理材
３ 加熱手段
４ 送風手段
２３ 速度境界層生成手段

Claims (3)

1. 被処理材載置台に載置された被処理材を収納する炉室と、該炉室内の雰囲気ガスを加熱する加熱手段と、該加熱手段により加熱された雰囲気ガスを熱風として送風する送風手段とを有する熱処理炉の使用方法において、
   前記熱風が被処理材の表面において形成する速度境界層が、被処理材の一端部から他端部にわたって同じ厚さになるように、前記被処理材の一端部であって熱風の流れ方向で上流側に速度境界層生成手段を設けておき、
   前記速度境界層生成手段として、異なる高さを有する複数の邪魔板を用意しておき、
   前記被処理材の表面と面一となる高さの邪魔板を選択した上で、前記被処理材の一端部に接するように被処理材載置台に固定し、
   その上で、前記送風手段により前記被処理材の一端部から他端部へ該被処理材の表面に沿って熱風を流すことにより、該被処理材を加熱することを特徴とする熱処理炉の使用方法。
2. 前記送風手段は正逆運転可能なものとされており、
   該送風手段の正逆運転により前記被処理材の両側より交互に熱風を送風することを特徴とする請求項１に記載の熱処理炉の使用方法。
3. 請求項１又は２に記載された被処理材は厚さ、幅及び長手方向を有する鋼板であり、
   請求項１又は２に記載された熱処理炉に関し、炉室は前記長手方向に複数の制御ゾーンに区画され、各制御ゾーンには前記加熱手段と送風手段が設けられていることを特徴とする熱処理炉の使用方法。

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