JPH04268013A - 加熱炉および鋼材の焼入れ加熱方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば懸架用ばね等を
熱間成形する際に、ばね鋼等のワークを所定温度に加熱
するために用いる加熱炉と、鋼材の焼入れ加熱方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】懸架用熱間成形ばね（板ばねあるいはコ
イルばね）を製造する際に、鋼材を所望形状に成形した
り、あるいは所望温度で焼入れを行うために、鋼材をオ
ーステナイト領域で一定時間加熱することがある。この
とき、鋼材の表面で起こる酸化反応によるスケールの発
生や、脱炭による表面硬さの低下、あるいはオーバーヒ
ートによる結晶粒の粗大化を防止する必要がある。特に
、フェライト脱炭は、表面硬さの低下が著しいため、焼
戻し後にショットピーニング処理を行っても表面の圧縮
残留応力が十分に得られなくなり、耐摩耗性の低下や、
へたりの増大、疲労寿命の低下などの原因となり、ばね
の性能を著しく低下させる。このため鋼材の加熱に際し
て脱炭を避けることが肝要である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の加熱炉において
は、以下に述べるような問題があった。 （ａ）ウォーキングビーム炉やウォーキングハース炉に
おいては、ワークパスラインと炉入口開口部がほぼ同じ
高さにあるため、炉内に外気が進入しやすく、炉内圧コ
ントロールが困難で、熱効率も悪い。

【０００４】（ｂ）設備投資を抑えるため、あるいは生
産性向上のため、同一の炉で処理可能なワーク（鋼材）
の寸法仕様範囲をできるだけ広くするように設計されて
いるが、板厚や線径の大きなワークに炉のサイズを合わ
せた場合には、板厚あるいは線径の小さいワークを加熱
する際に、ワークが必要以上に高温・長時間に加熱され
てしまい、脱炭あるいはオーバーヒートの危険がある。 そうかといって、板厚、線径の小さいワークに炉のサイ
ズを合わせてしまうと、板厚あるいは線径の大きいワー
クを処理するときに、タクトを落として在炉時間を長く
とらなければならなくなり、生産性が低下してしまう。

【０００５】（ｃ）ゾーンコントロールにより炉内温度
を変化させる場合は、温調時間が比較的長くかかる。こ
れを避けるために外気を炉内に導入することにより冷却
時間を短縮させる方法もあるが、その場合には炉内の遊
離酸素が増加し、鋼材表面の酸化が活発になり、スケー
ルや脱炭が激しくなる。

【０００６】（ｄ）間接加熱方式として、不活性雰囲気
，還元性雰囲気，浸炭雰囲気などの調整炉気を利用して
、炉内雰囲気を積極的に調整すればワーク表面の酸化に
よるスケールあるいは脱炭などの問題は無くなるが、炉
全体の雰囲気調整を行うために設備投資およびランニン
グコストが高くつく。

【０００７】（ｅ）脱炭を防止あるいは軽減するために
は、α＋γの２相域での加熱速度が高いほどよいが、従
来の炉ではα＋γの２相域での急速加熱が困難なため、
脱炭を防止するための良好なヒートパターンを設定する
ことが難しい。従って本発明の目的は、上述した従来の
問題点を解決できるような加熱炉と、鋼材の焼入れ加熱
方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を果たすために
開発された本発明の加熱炉は、鋼材を移送するワーク移
送機構と、上記鋼材を予熱する予熱帯と、上記鋼材を変
態点以下の一定温度まで加熱する第１加熱帯と、上記第
１加熱帯のワーク搬送下流側に設けられていて上記鋼材
をオーステナイト化温度まで急速加熱する第２加熱帯と
、上記第１加熱帯と第２加熱帯との間に設けられた温度
シール部とを具備している。

【０００９】

【作用】鋼材を加熱する場合、加熱温度と加熱時間が脱
炭に大きな影響を及ぼすことがわかっている。本発明者
らの実験によると、加熱条件と脱炭の関係において以下
のような特徴のあることがわかった。

【００１０】（１）鋼が加熱されても室温から変態点を
下回る温度で保持されていれば、脱炭はほとんど進行し
ない。ばね鋼の場合、その上限は７５０°である。 （２）α＋γ２相域の昇温速度が高いほど脱炭を生じに
くい。このような特徴を利用して、本発明では、加熱帯
を第１加熱帯と第２加熱帯の２つに分け、その設定温度
を第１加熱帯では変態点以下（例えば７５０°Ｃまで）
、第２加熱帯ではオーステナイト化温度（例えば９００
°Ｃ以上）に設定し、両加熱帯の温度を明確に区別して
温度制御を行うことによって、同一の加熱炉を用いてい
ながらも広範囲な板厚あるいは線径のワークを処理可能
とし、かつ無脱炭加熱が行える。

【００１１】ワーク搬入リフタによって炉床の下側から
ワーク導入口を通って予熱帯に導入されたワークは、予
熱帯と第１加熱帯を通過することによって、鋼の変態点
を下回る一定温度まで加熱される。この第１加熱帯にお
いては、予想される最大板厚あるいは最大線径のワーク
を上記温度まで充分加熱できるように、炉長あるいはタ
クトが設定される。

【００１２】従って、板厚あるいは線径が比較的小さい
ワークは、最大板厚あるいは最大線径のワークに比べて
短時間で上記温度に達するが、第１加熱帯においてはそ
れ以上の温度になることはなく、第２加熱帯に達するま
では同温度に保持される。従って、前記（１）で述べた
ように第１加熱帯において脱炭を生じるほどの大きな影
響はない。つまり、ワークの板厚あるいは線径にかかわ
らず、第１加熱帯を通過し第２加熱帯に達する直前まで
のワークの温度は一定となる。

【００１３】脱炭を生じない上記温度で第２加熱帯に搬
入されたワークは、所定のオーステナイト化温度まで急
速加熱されたのち、搬出リフタ等によって出炉される。 第２加熱帯の設定温度はワークの板厚あるいは線径によ
って若干の調整が必要であるが、従来の炉のように炉全
体を温調する必要はなく第２加熱帯のみを温調すればよ
いから、種々の寸法仕様範囲のワークに対しても容易に
対応できる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の一実施例について、図１を参
照して説明する。図示例の直火式連続加熱炉１０は、そ
の入口側から順に、予熱帯１１と、比較的長い炉長の第
１加熱帯１２と、比較的炉長の短い第２加熱帯１３とを
備えている。この加熱炉１０は、例えば車両用懸架ばね
等のワーク（鋼材）Ａを所望の形状に熱間成形したり焼
入れ等の熱処理を行う際に使用される。加熱炉１０は、
炉床１５とその上部を覆う炉壁１６とを備えている。炉
床１５の図示左端すなわち予熱帯１１の入口部にワーク
導入口２０が開口している。このワーク導入口２０に、
ワークＡを炉床１５の下側から炉内に取込む際に使用す
るワーク搬入リフタ２１が昇降可能に設けられている。

【００１５】炉床１５の図示右端すなわち第２加熱帯１
３の出口部に、ワーク取出し口２５が設けられている。 このワーク取出し口２５に、ワークＡを炉床１５の下か
ら炉外に取出すためのワーク搬出リフタ２６が設けられ
ている。

【００１６】また、加熱炉１０の内部にワーク移送機構
３０が設けられている。ワーク移送機構３０は炉床１５
に沿って配置されており、そのワークパスラインは水平
方向に延びている。この移送機構３０によって、ワーク
Ａはワーク導入口２０からワーク取出し口２５にわたっ
て水平方向に連続的に移動させられる。

【００１７】予熱帯１１の内部には、ワーク導入口２０
の近傍に炉内排ガス排気口３５が設けられている。この
排気口３５に連通する煙道３６にファン３７が設けられ
ており、ファン３７によって炉内排ガスが吸入されるよ
うになっている。ファン３７の排出側に設けられた排気
通路３８には可変ダンパ３９が設けられている。このダ
ンパ３９の開度はコントローラ４５によって制御され、
炉内の排出量を調整できるようにしてある。コントロー
ラ４５は、マイクロコンピュータ等を用いた演算装置４
６によって制御される。

【００１８】第１加熱帯１２の設定温度は、鋼の変態点
をやや下回る温度（例えばばね鋼の場合は７５０°Ｃ以
下）である。これに対し、第２加熱帯１３の設定温度は
、鋼のオーステナイト化温度（９００°Ｃないし１００
０°Ｃ前後）である。

【００１９】第１加熱帯１２は、ワークＡの搬送上流側
に位置する前段ゾーン１２ａと、搬送下流側に位置する
後段ゾーン１２ｂとに分かれている。前段ゾーン１２ａ
に設けられたバーナ５０と、後段ゾーン１２ｂに設けら
れたバーナ５１は、それぞれエア供給管５２，５３と燃
料ガス供給管５４，５５に接続されている。エア供給管
５２，５３はエア供給源６０に接続されている。燃料ガ
ス供給管５４，５５は燃料ガス供給源６１に接続されて
いる。エア供給管５２，５３と燃料ガス供給管５４，５
５は、それぞれ流量調整弁６５，６６，６７，６８によ
って、燃料に対する空気の比率を１．０５ないし１．１
０にコントロールしてバーナ５０，５１に送るようにし
ている。

【００２０】第１加熱帯１２の前段ゾーン１２ａと後段
ゾーン１２ｂとの間に、エア吹出し口７１が設けられて
いる。エア吹出し口７１はファン７５によって吹出され
る温調されたエアを、第１加熱帯１２に送出するように
している。

【００２１】第１加熱帯１２と第２加熱帯１３との間に
、ワークＡを所定のオーステナイト化最終温度まで急速
加熱を行うことができるようにするために、温度シール
部８０が設けられている。この温度シール部８０は、第
２加熱帯１３の排ガスを吸入する炉内排ガス吸気口８１
を備えているとともに、炉内排ガス吸気口８１とファン
７５との間にレキュペレータ８５を備えている。

【００２２】レキュペレータ８５は、ラジアントチュー
ブタイプの２重管構造のものを煙道中に設けたものであ
り、エア供給源８６から送出されるエアを、炉内排ガス
吸気口８１から吸入した高温の排ガスの熱によって予熱
しつつ、バーナ９１に送り込めるようになっている。こ
うすることにより、第２加熱帯１３のもつ高温度の廃熱
によって、第２加熱帯１３のバーナ９１に送り込むエア
の予熱を行なうとともに、ファン７５およびエア吹出し
口７１を経て第１加熱帯１２に送り込まれるエアの温度
が高過ぎないように炉気冷却を行なう。これと同時に、
第２加熱帯１３の炉圧保持と、廃熱の有効利用が図れる
。バーナ９１に供給されるエアの量は、流量調整弁９０
によって調整される。バーナ９１に供給される燃料ガス
の量は、演算装置４６によって制御される流量調整弁９
２によって調整される。

【００２３】第１加熱帯１２と第２加熱帯１３にそれぞ
れ差圧検出器９５，９６が設けられている。第１加熱帯
１２の炉内雰囲気保持のために、コントローラ９７，９
８に設定された炉圧に対し、炉圧検出端９５ａ，９６ａ
を介して、第１加熱帯１２においてはファン３７、第２
加熱帯１３においてはファン７５をインバータにより回
転数制御させる。更に、第２加熱帯１３の燃焼量に合わ
せて、可変ダンパ３９をコントロールすることによって
、炉全体の排気量制御が行われる。

【００２４】上記構成の加熱炉１０は、第１加熱帯１２
が７５０°Ｃを下回る温度に設定される一方、第２加熱
帯１３は所定のオーステナイト化温度（例えば９００°
Ｃ前後）に設定される。予熱帯１１は第１加熱帯１２と
同等あるいはそれよりも低い温度に設定される。

【００２５】搬入リフタ２１によってワーク導入口２０
から予熱帯１１に搬入されたワークＡは、ワーク移送機
構３０に移されるとともに、予熱帯１１で予熱されたの
ち、ワーク移送機構３０によって第１加熱帯１２を通り
ながら、７５０°Ｃを下回る一定温度まで加熱される。 この場合、ワークＡの板厚や線径が小さいほど短時間で
上記温度に達するが、この第１加熱帯１２においては無
脱炭温度で保持されるため脱炭に大きな影響はない。ワ
ークＡは上記温度に保持された状態で、第２加熱帯１３
に送られる。第２加熱帯１３においては、所定のオース
テナイト化温度まで急速加熱される。ワークＡはα＋γ
２相域で短時間で急速加熱されるため、脱炭を生じにく
くすることができる。こうして所望のオーステナイト化
温度に加熱されたのち、ワークＡは搬出リフタ２６によ
ってワーク取出し口２５から出炉し、所定の熱間成形な
いし焼入れ処理が行われる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、温度シール部を介して
互いに仕切られている第１加熱帯と第２加熱帯により、
ワークのα＋γ２相域の急速加熱が可能となった。また
、炉床の下側からワークの挿入と抽出を行うようにして
いるため、ワークの挿入と抽出時に外気が炉内に侵入す
ることを防止できるとともに、炉圧制御も容易である。 そして種々の板厚あるいは線径のワークを、脱炭に影響
のない温度で一様に加熱したのちオーステナイト化温度
まで急速加熱することができ、ワークのサイズに影響さ
れることなく高品質の加熱処理を同一の加熱炉で実施で
きる。

【００２７】また、第２加熱帯のみに調節炉気による雰
囲気加熱（例えば還元ガス雰囲気あるいは浸炭ガス雰囲
気等）を組合わせることにより、脱炭防止効果を更に高
めることができる。その場合、従来のように炉全体を雰
囲気加熱する必要がなく、第２加熱帯のみの雰囲気加熱
ですむため、設備投資やランニングコストが従来よりも
少なくてすむ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による加熱炉の構造を模式的
に示す断面図。

【符号の説明】

Ａ…ワーク（鋼材）、１０…加熱炉、１１…予熱帯、１
２…第１加熱帯、１３…第２加熱帯、１５…炉床、２０
…ワーク導入口、２１…搬入リフタ、２５…ワーク取出
し口、２６…搬出リフタ、３０…ワーク移送機構、５０
，５１…バーナ、８０…温度シール部、８１…炉内排ガ
ス吸気口、９１…バーナ、９５，９６…差圧検出器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワークとしての鋼材を移送するワーク移送
   機構と、上記鋼材を予熱する予熱帯と、上記鋼材を変態
   点以下の一定温度まで加熱する第１加熱帯と、上記第１
   加熱帯のワーク搬送下流側に設けられていて上記鋼材を
   オーステナイト化温度まで急速加熱する第２加熱帯と、
   上記第１加熱帯と第２加熱帯との間に設けられた温度シ
   ール部と、を具備したことを特徴とする加熱炉。
2. 【請求項２】上記温度シール部は、上記第１加熱帯と第
   ２加熱帯との間に配置された炉内排ガス吸気口を備えて
   おり、この炉内排ガス吸気口によって第２加熱帯の炉内
   排ガスを排出するようにし、かつ第２加熱帯のバーナに
   導かれるエアを上記炉内排ガス吸気口から吸入した排ガ
   スの熱によって予熱するレキュペレータを備えている請
   求項１記載の加熱炉。
3. 【請求項３】上記予熱帯の炉床にワーク導入口が開口し
   ているとともに、第２加熱帯の炉床にワーク取出し口が
   開口しており、上記ワーク導入口に搬入リフタが設けら
   れているとともに上記ワーク取出し口に搬出リフタが設
   けられ、更に上記第１加熱帯と第２加熱帯の炉圧を制御
   する手段を備えている請求項１記載の加熱炉。
4. 【請求項４】鋼材を第１加熱帯において鋼の変態点を下
   回る所定温度まで加熱したのち、第２加熱帯においてα
   ＋γ２相域を急速加熱し、所定のオーステナイト化温度
   まで加熱することを特徴とする鋼材の焼入れ加熱方法。