JPH11124621A - 密閉式雰囲気熱処理炉とその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 炉内への空気の侵入を防止して安全を確保
し、高価な雰囲気ガスの使用量を節減し操業価格を低減
した密閉式雰囲気熱処理炉とその運転方法の提供。 【解決手段】 密閉式浸炭焼き入れ炉１０の前室２に、
不活性ガス容器２１より異なる流量で不活性ガスＧを流
すよう流量を調整した流量調整弁２５ａおよび２５ｂを
それぞれ流路Ａおよび流路Ｂの流路よりなるスーパーパ
ージライン２０を接続し、出入扉１の解放時に電磁弁２
６ａを開き、流路Ａで２０ｍ³／時以上の設定流量で供
給し、前室２内が負圧になった時に電磁弁２６ｂが開
き、流路Ｂで４０ｍ³／時以上の設定流量で供給するよ
うに運転して、前室２を常に正圧に保って外気の侵入を
防ぎ、酸素濃度を爆発限界値以下に保つとともに、高価
な雰囲気ガス量を従来の３０％に減量しても、従来と同
様な熱処理効果を奏する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種金属を雰囲気
ガス中で高温にて加熱処理する密閉式雰囲気熱処理炉と
その運転方法に係わり、詳しくは、安全な運転と雰囲気
ガスの供給量を低減する密閉式雰囲気熱処理炉とその運
転方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】各種金属品の金属表面やその近傍に、強
度や硬度または光輝性等の品質特性を付与する場合、被
処理金属を密閉式雰囲気熱処理炉を用いて空気以外の特
殊な雰囲気ガス中で加熱処理するのが一般的である。密
閉式雰囲気熱処理炉内の圧力はほぼ大気圧に近く、炉内
の雰囲気は大気と遮断するための扉等の密閉手段が備え
られている。この密閉式雰囲気熱処理炉としては、密閉
式バッチ炉や連続式トレープッシャー炉等が挙げられ
る。

【０００３】特殊な雰囲気ガスとしては、吸熱性変成ガ
ス（ＲＸガス）、発熱性変成ガス（ＤＸガス）、アンモ
ニア分解ガス（ＡＸガス）等が広く使用されており、こ
れら雰囲気ガスは、水素成分や一酸化炭素成分等の爆発
可燃性ガス成分を含有している。そして、これらの雰囲
気ガスは密閉式雰囲気熱処理炉とは別に設置された変成
炉や分解炉を用いて発生せしめて供給される。例えば、
ＲＸガスはＲＸ変成炉でメタン、プロパン、ブタン等の
炭化水素と空気とを一定比率にして高温触媒を通して発
生せしめている。また、雰囲気ガスとして、窒素ガス中
にメタノールを混合したガスを用い、これを直接炉内に
供給して、炉内でメタノールを一酸化炭素（ＣＯ）と水
素（Ｈ₂）とに分解せしめて、雰囲気ガスを形成する方
法も行われている。この方法では、メタノールの価格が
高価であるが、変成炉や分解炉等を用いる必要がなく、
装置が簡略化され、設備費の節減と運転の省力化が図ら
れる利点がある。

【０００４】図５に、従来の二室式の密閉式雰囲気熱処
理炉の一例として、密閉式浸炭焼き入れ炉の概略図を図
示し、説明する。この密閉式浸炭焼き入れ炉１０は、出
入扉１を備えた前室２が仕切扉３を介して加熱処理室４
に連設されてなるとともに、前記前室２の下部に焼き入
れ用の油槽５を連設して構成されている。仕切扉３に
は、加熱処理室４と前室２とを連通する雰囲気ガス通気
用の開口穴３ａが設けられており、そして加熱処理室４
内にはヒーターや燃焼ラジアントチューブ等が備えられ
ていて、該室４内はこれにより加熱される。また、油槽
５内の焼き入れ用の油は通常５０〜１５０℃の温度に加
熱されている。雰囲気ガスは、雰囲気ガス供給源（図示
せず）から、雰囲気ガス用配管６を通って加熱処理室４
に供給される。加熱処理室４内はファン７により攪拌さ
れ、雰囲気ガスが加熱処理室４内の温度と均一となり、
被処理品８の熱処理雰囲気としての役割を果たす。この
雰囲気ガスは仕切扉３の開口穴３ａを通って前室２に連
続して流通し、排気管９より炉外に排出される。該排出
されたガスは、パイロットバーナー１４によって燃焼処
理され、排気ダクト１１を介して屋外に放出される。

【０００５】一方、被処理品８は搬出入テーブル１２か
ら出入扉１を経て前室２に搬入され、ついで出入扉１を
閉止し、仕切扉３を開いて加熱処理室４に搬入され、仕
切扉３を閉止した後所定のガス雰囲気下で加熱処理され
る。処理された被処理品８は、前室２を経て油槽５に搬
送されて油に浸漬して焼き入れされる。焼き入れされた
被処理品８は、前室２に返送され、該前室２で油切りし
た後出入扉１を経て搬出入テーブル１２に搬出されて加
熱処理を終了する。なお、被処理品８の搬出入テーブル
１２と前室２との出し入れの際に出入扉１を開いた時に
は、フレームカーテン用ノズル１３に燃焼ガスが流れて
燃焼し、前室２の出入開口部を塞ぐようにフレームカー
テンを形成し、該開口部より前室２内への空気の侵入を
防ぐようになっている。

【０００６】しかしながら、このような密閉式浸炭焼き
入れ炉にあっては、被処理品が処理工程に応じて炉内を
移動するに伴い、炉内の圧力、特に前室２内の圧力に変
動を惹起することがしばしば生じる。そして特に前室２
内が負圧になると、排気管９や出入扉１から空気が炉内
に侵入してくることが避けられず、火災を誘発する等危
険な状態となる。そこで、この図５に図示した密閉式浸
炭焼き入れ炉での被処理品８の一連の処理工程、［搬
入前］ー［前室２への搬入］ー［加熱処理室４への
搬入（加熱処理）］ー［前室２への搬出］−［前室
２→油槽５（焼き入れ）］ー［油槽５→前室２（油切
り）］−［炉外へ搬出後］における各工程の炉内の圧
力変動の状態を図６により説明する。

【０００７】工程の［搬入前］は、被処理品８がバス
ケット等に入れられ、搬出入テーブル１２におかれる。
炉内は雰囲気ガスの連続的な供給によって水柱５〜３０
ｍｍの微小の正圧を保持している。その後、出入扉１を
開くとともに、フレームカーテンを形成して、被処理品
８を搬入プッシャー等により搬出入テーブル１２から工
程の［前室２への搬入］をし、出入扉１を閉じ炉内を
密閉状態とする。しかるにこの工程では、搬入時のフ
レームカーテンの燃焼熱により加熱膨張された前室２内
の雰囲気ガスは、搬入された室温状態の被処理品８によ
り冷却収縮して弱負圧となる。そして、前室２内が負圧
になると排気管９や出入扉１の隙間から、周囲の空気が
前室２内に侵入してくる。

【０００８】次ぎに仕切扉３を開くとともに、出入扉１
を小さく開いて、搬入プッシャー等により被処理品８を
工程の［加熱処理室４への搬入（加熱処理）］をす
る。この時フレームカーテンは形成しない。その後仕切
扉３と出入扉１とを閉じて密閉状態にする。この時も低
温状態の被処理品８により加熱処理室の雰囲気ガスが冷
却されて収縮し、これに伴い前室２内は負圧となる。た
だし、前記した如くフレームカーテンを形成せしめなか
ったので、これを形成する加熱がないため負圧の程度は
小さく、弱い負圧にとどまり、若干の空気の侵入があ
る。続いて加熱処理室４内で被処理品８は高温に加熱処
理して、昇温→浸炭→拡散→降温→灼熱の処理が施され
る。この処理が終了したら、仕切扉３を開いて搬出プッ
シャー等により被処理品８は工程の［前室２への搬
出］がなされて、前室２に戻される。この時前室２の雰
囲気ガスは高温状態の被処理品８により加熱されて膨張
し、炉内圧力は水柱５０ｍｍ以上の正圧となるので、空
気の侵入はない。またこの時前室２内の温度も勿論上昇
する。そして仕切扉３が閉じられる。

【０００９】次ぎに、前室２内の被処理品８はエレベー
ター等により工程の［前室２→油槽５（焼き入れ）］
への搬送がなされ、油槽５の油に浸漬される。これによ
り、被処理品８が有していた熱は油槽５の油に急激に奪
われて冷却される。そしてこの結果前室２の雰囲気ガス
の温度は降下し、急速に収縮して水柱マイナス５００ｍ
ｍ以下の強い負圧を生じることとなり、前室２に周囲の
空気が侵入してくる。続いて被処理品８は、エレベータ
等により工程の［油槽５→前室２（油切り）］で油槽
５から引き上げられて前室２内に保持されて、油切りが
行われるが、この間は炉内圧力は正圧を保持している。
なお、前記工程〜の間は出入扉１は閉止状態を保持
したままである。

【００１０】ついで、油切りが終わると、出入扉１を開
きフレームカーテンを燃焼形成して、被処理品８を搬出
プッシャー等により搬出入テーブル１２上に搬出し、出
入扉１を閉じる。そして被処理品８を工程での［炉外
へ搬出後］は、搬出時のフレームカーテンの形成で加熱
膨張された前室２内のガスが冷却して収縮し負圧とな
り、空気の侵入がある。なお、以上は二室式の密閉式雰
囲気熱処理炉として密閉式浸炭焼き入れ炉１０を例示し
て説明したが、トレープッシャー式連続炉の如き連続炉
では更に後室が設けられていて、前室ー加熱処理室ー後
室ー搬出と被処理品は連続して工程を流れる。従って、
トレープッシャー式連続炉の場合の工程は、前記図６の
密閉式浸炭焼き入れ炉の工程図の工程の［前室２への
搬出］を含めたそれ以降の工程の「前室」を「後室」と
読み代えればよく、炉内圧力変化は上記密閉式浸炭焼き
入れバッチ炉の変化と実質的に同じこととなる。

【００１１】このように、密閉式浸炭焼き入れ炉で例示
した如く密閉式雰囲気熱処理炉で、炉の前室２内に空気
が侵入する機会が生じるのは出入扉１の開閉時と炉内圧
力が負圧となった時である。しかるに、これらの熱処理
炉に用いる雰囲気ガスは、水素、一酸化炭素等のガスで
あり、酸素を含有する空気との混合によって爆発の危険
がある。それ故、これを防止するため前室２内への、空
気の侵入を極力避ける必要がある。なお、一般的に炉内
酸素濃度が１容量％以下であれば、可燃性ガスの爆発に
安全とされている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記した密閉式浸炭焼
き入れ炉１０への空気の侵入を防止する方法として、出
入扉１の開放信号に合わせて前室２に窒素ガス等の不活
性ガスを流すスーパーパージ法と称する方法がある。ま
た、特公平６ー４７７１４号公報に開示されているよう
に、炉内の負圧時に排気管９からパイロットバーナでの
燃焼ガスを炉内に逆流させたり、別途に設置されたバー
ナの燃焼ガスを炉内に逆流させる方法がある。しかしな
がら、特公平６ー４７７１４号公報の開示された前記方
法では、炉内が負圧時のみバーナを着火させて、その燃
焼ガスを炉内に供給するものであって、バーナの未着火
や消炎が生じる不安があり、実用性に欠けている。

【００１３】一方、近年窒素ガスをベースにして、これ
にメタノール、水素ガス、炭化水素ガス等を混合して雰
囲気ガスとし、これを直接炉内に送入して熱処理する窒
素ベース熱処理法が普及してきている。この方法は、変
成炉や分解炉を必要としないので、雰囲気ガスの流量変
更が容易である利点がある。また、窒素ガスを使用して
いるので、不活性ガスを必要とする前記スーパーパージ
法を採用するには有利となる利点もある。

【００１４】スーパーパージ法を採用している例として
は、特開昭６１ー１４７８６７号公報、特開平２ー１５
６０６４号公報に開示されている例が挙げられる。この
スーパーパージ法によると、出入扉１の開放時に前室２
への空気の侵入はかなり低減し得る。また、炉内が負圧
になった時の空気侵入防止法としては、例えば実公平２
ー３２６８２号公報に開示されている如く、炉内の負圧
を検知して負圧時にパージガスとして窒素ガスを油槽上
部に吹き込む方法が用いられている。しかしこの方法で
は、雰囲気ガス量を削減した場合、炉内の酸素濃度を１
容量％以下に確実に低下せしめるには至っていない。

【００１５】また、特開平３ー１８０４５９号公報に開
示されている方法では、炉内が負圧になった時に炉内へ
の窒素ガス送入に加え、出入扉の開放時と前室の酸素濃
度増加時に、窒素ガスの送入とメタノールを増量して送
入することを提案している。この方法は３重の窒素送入
システムであり、安全性はかなり高くなるが、設備コス
トが嵩む不都合がある。

【００１６】このようなことより、密閉式浸炭焼き入れ
炉１０の運転にあたっては、雰囲気ガスを加熱処理室４
に常に過剰量供給し、加熱処理室４から前室２内へ流通
する雰囲気ガス量を増量して、前室２内が負圧になるの
を防ぐよう運転している。何故なら、雰囲気ガスの流量
は短時間で直ちに必要とする所定の量に変更することが
出来ないため、出入扉の開放時や負圧になったからと
て、これに対応して直ちに雰囲気ガスを必要量に増量し
て供給することが出来ないからである。この結果高価な
雰囲気ガスを常時過剰に流しているのが実情である。

【００１７】本発明は上記した各種従来の不都合に鑑み
なされたもので、密閉式雰囲気熱処理炉における、炉内
への空気侵入による爆発の危険を避けるため、高価な雰
囲気ガスを過剰に炉内に供給することなく、炉内の酸素
濃度を常に燃焼（爆発）限界値以下の値に保つととも
に、安全かつ適切な熱処理を行うための適切な雰囲気ガ
スの供給量とそれに伴う安全な炉内酸素濃度の限界値を
明確にして、安全を確保し、雰囲気ガスの節減を図って
ランニングコストを低減した密閉式雰囲気熱処理炉とそ
の運転方法を提供することを課題とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記従来の技術の不都合
を解消し、課題を解決するため本発明の請求項１は、被
処理品を所定のガス雰囲気下で高温で加熱処理するため
の雰囲気ガス供給用配管が配設された加熱処理室に、開
閉手段を備えた仕切扉を介して、被処理品の出し入れと
外気を遮断するための開閉手段を備えた出入扉を有する
前室を連設してなる密閉式雰囲気熱処理炉において、前
記出入扉の開放時に不活性ガスを所定流量で流通せしめ
る流路と前記前室内の圧力が負圧の時に不活性ガスを所
定流量で流通せしめる流路とを併設してなる不活性ガス
供給用配管を、前記前室に連結して設けてなることを特
徴とする密閉式雰囲気熱処理炉としたものである。

【００１９】そして、その運転方法として請求項２は、
被処理品を所定のガス雰囲気下で高温で加熱処理するた
めの雰囲気ガス供給用配管が配設された加熱処理室に、
開閉手段を備えた仕切扉を介して、被処理品の出し入れ
と外気を遮断するするための開閉手段を備えた出入扉を
有する前室を連設してなる密閉式雰囲気熱処理炉におい
て、前記前室に不活性ガス供給用配管を設けて、前記出
入扉の開放時および前記前室内の圧力が負圧の時に不活
性ガスを前室内に供給して、前室内の酸素濃度を０.９
５容量％以下に保持することを特徴とする密閉式雰囲気
熱処理炉の運転方法とし、請求項３では雰囲気ガスが窒
素ガスにメタノールを５０容量％以上１００容量％未満
混合してなることを特徴とする請求項２に記載の密閉式
雰囲気熱処理炉の運転方法とし、また請求項４として出
入扉の開放時の前室内への不活性ガス供給量を２０Ｎｍ
³／時以上とすることを特徴とする請求項２または請求
項３のいずれかに記載の密閉式雰囲気熱処理炉の運転方
法とし、そして更に請求項５として前室内の圧力が負圧
の時の前室内への不活性ガス供給量を４０Ｎｍ³／時以
上とすることを特徴とする請求項２乃至請求項４のうち
のいずれか１項に記載の密閉式雰囲気熱処理炉の運転方
法としたものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態を説
明するための密閉式雰囲気熱処理炉の一例を示す概略図
である。この密閉式雰囲気熱処理炉３０は、スーパーパ
ージライン２０を前記図５に図示した従来例の密閉式浸
炭焼き入れ炉１０の前室２に付設したものである。この
密閉式浸炭焼き入れ炉１０の構成部については、図５の
構成と同一の構成部には同一符号を付し、詳細な説明は
省略する。図１の本発明の密閉式雰囲気熱処理炉３０に
おけるスーパーパージライン２０は、窒素、二酸化炭
素、アルゴン等の不活性ガスＧを貯蔵した不活性ガス容
器２１にフィルター２２、一次減圧弁２３、圧力スイッ
チ２４を順次上流側から下流側に向けて連設し、ついで
流路を流路Ａと流路Ｂとに分岐して設けたものである。
そして、分岐された流路Ａには流量調節弁２５ａと電磁
弁２６ａ、また流路Ｂには流量調節弁２５ｂと電磁弁２
６ｂと、それぞれの流路Ａ、Ｂの流れに沿って上流側か
ら下流側に向けて流量調節弁２５と電磁弁２６とを順次
連設し、ついでこれらの流路Ａ、Ｂは合流してフロース
イッチ２７を介して配管２８により密閉式浸炭焼き入れ
炉１０の前室２に接続されている。

【００２１】そして、前記流路Ａは、密閉式浸炭焼き入
れ炉１０の前室２に設けた出入扉１の開放時に、開放信
号により電磁弁２６ａを開状態にして該流路Ａに不活性
ガスを流通せしめて、配管２８により前記前室２に送給
するものである。また流路Ｂは、前記密閉式浸炭焼き入
れ炉１０の前室２が負圧になったときに、その負圧信号
により電磁弁２６ｂを開状態にして、該流路Ｂに不活性
ガスを流通せしめて、配管２８により前記前室２に送給
するものである。要するに、密閉式浸炭焼き入れ炉１０
の前室２の出入扉１の開放時と前室２の負圧時との異な
る状況により、適切かつ効率的な対応が可能なように、
それぞれの状況に応じて不活性ガスＧの送給状態を特定
した適切なる流量の状態で区分して送給するよう、流路
Ａ、Ｂの２系統の不活性ガス供給ラインを設けたもので
ある。

【００２２】このようなスーパーパージライン２０は次
のように運転される。不活性ガス容器２１に貯蔵されて
いる不活性ガスＧは、フィルター２２（またはストレナ
ー）を流通し、一次減圧弁２３により二次圧力を流量調
節弁２５ａおよび２５ｂの適切な作動状態に適合する圧
力（通常２ｋｇｆ／ｃｍ²以下）に減圧調整される。そ
して圧力スイッチ２４により適切な二次圧力を確認した
後、分岐されている流路Ａおよび流路Ｂに流入してい
る。なお、前記圧力スイッチ２４は、減圧弁２３の二次
側に不活性ガスＧが所定圧力で流通していることを検知
するとともに、その流通圧力が設定した所定圧力以上で
ある時は警報等を発してその旨を認識せしめ注意を喚起
せしめるものである。

【００２３】分岐流路ＡおよびＢに流入した不活性ガス
Ｇは、開度をそれぞれ適切に調整した流量調整弁２５
ａ、２５ｂを流通する。しかし、通常、密閉式浸炭焼き
入れ炉１０の運転で正圧であったり、出入扉１が閉止状
態にある時は電磁弁２６ａ、２６ｂは閉止されていて、
不活性ガスＧはこれらの流路Ａおよび流路Ｂを流通せず
に、停止されている。そして、前室２の出入扉１の解放
操作時に該扉１よりの開信号により電磁弁２６ａが開き
不活性ガスＧは流路Ａを流通し、流量調整弁２５ａで所
定流量とされてフロースイッチ２７を介して配管２８に
より前室２に供給され、前室２を正圧にして出入扉１よ
り炉内への空気の流入を防止する。

【００２４】また、密閉式浸炭焼き入れ炉１０が該炉１
０の前室２の出入扉１を閉止し、熱処理を実施している
間、前室２の圧力が負圧になると該負圧になった信号に
より電磁弁２６ｂが開き、不活性ガスＧは流路Ｂを流通
し、流量調整弁２５ｂで所定流量とされてフロースイッ
チ２７を介して配管２８により前室２に供給され、前室
２を正圧にして出入扉１より炉内への空気の流入を防止
する。なお、フロースイッチ２７は不活性ガスＧが流通
してくると作動し、不活性ガスＧが流通した信号を発信
するものである。このようなことより、この信号によ
り、不活性ガスＧが流れないときは、密閉式浸炭焼き入
れ炉１０の出入扉１が開かないようにインターロックを
かけて制御運転を行うことも可能である。

【００２５】このようにして本発明では、２系統の不活
性ガスＧの流通流路Ａ、Ｂを設けて、異なる状況下で生
じる炉１０内への空気の侵入に対して、それぞれの状況
に応じて、それぞれ別個の適切な特定流量状態で不活性
ガスＧを供給するようにしたので、炉１０内への空気の
侵入を効果的に防止し得て、安全に一連の熱処理操作を
実施することができる。また、上記２系統の不活性ガス
流通流路を設けたことにより、不活性ガスを適切に有効
活用し得て、不活性ガスＧの使用量を節減し得るばかり
でなく、高価な雰囲気ガスをも節減し得る。

【００２６】なお、図１においては、スーパーパージラ
イン２０として流通流路Ａ、Ｂに分岐し、各流路Ａ、Ｂ
を運転状態に応じて区分して作動せしめて、各流路で特
定流量に調整した後再び合流して炉１０の前室２に接続
していたが、これらの２系統の流路は合流せずに、それ
ぞれ別個に前室２に接続してもよく、また全く別の装置
を設備してもよい。要は出入扉１の解放時と、熱処理中
の負圧発生時とをそれぞれ異なる特定の状態で不活性ガ
スＧを供給するようにすればよい。また、不活性ガスＧ
の炉内への供給先も、前室２に限定されるものでなく、
加熱処理室４と前室２との炉内圧力はほぼ同様に変動す
るので、特に負圧発生時の不活性ガスＧの供給を加熱処
理室４にすることもできる。また、後室が設けられてい
るトレープッシャー炉では、配管２８より分岐した管路
（図示せず）を後室にも接続して設けておくことが好ま
しい。

【００２７】次ぎに、上記スーパージライン２０の２系
統のうち（１）電磁弁２６ａが開となり、流路Ａが作動
する工程と、（２）電磁弁２６ｂが開となり、流路Ｂが
作動する工程、とを前記図６に図示した密閉式焼き入れ
炉の処理工程と圧力の状態を参照して、区分すると次の
通りとなる。 （１）電磁弁２６ａが開となり、流路Ａが作動する工程
（出入扉１の解放時）。 ●工程［前室２への搬入］ ●工程［加熱処理室４への搬入（加熱処理）］の搬入
操作時 ●工程［油槽５→前室２（油切り）］→工程［搬出
後］の前室２より炉外に搬出操作時 （２）電磁弁２６ｂが開となり、流路Ｂが作動する工程
（前室２の負圧時）。 ●工程［前室２への搬入］ ●工程［加熱処理室４への搬入（加熱処理）］ ●工程［前室２→油槽５（焼き入れ）］ ●工程［炉外へ搬出後］ なお、スーパーパージライン２０が作動しない工程は、
工程［搬入前］、工程［前室２への搬出］および工
程［油槽５→前室２（油切り）］の工程である。この
ようにして、密閉式浸炭焼き入れ炉１０の運転における
負圧の発生を常時抑止し、炉１０内への外気の侵入は防
止され、常に安全に運転されて被処理体の加熱処理がな
される。

【００２８】

【実施例】上記したスーパーパージライン２０を備えた
密閉式雰囲気熱処理炉３０をより一層効果的に運転する
ため、（実験１）として使用する雰囲気ガスの燃焼範囲
（爆発範囲）の安全酸素濃度を考察検討して求め、実験
により確認した。 （実験１）先ず雰囲気ガスとして、メタノール（ＣＨ₃
ＯＨ）の分解ガス（３３.３容量％ＣＯ＋６６.６容量％
Ｈ₂）の燃焼範囲（爆発範囲）について考察検討した。 ●メタノールの分解反応は、ＣＨ₃ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ₂
である。 ●この混合ガスの燃焼反応は、２（ＣＯ＋２Ｈ₂）＋３
Ｏ₂→２ＣＯ₂＋４Ｈ₂Ｏとなる。 ●２００℃におけるＣＯとＨの燃焼範囲は、ＣＯは１
３.５〜７３容量％であり、Ｈ₂は７.５〜７３.５容量％
である。 ここで、燃焼混合ガスの空気中の爆発限界組成の［ルシ
ャトリエの式］により前記混合ガスの燃焼範囲を求め
る。 ［ルシャトリエの式］ Ｌ＝１００／（ｎ₁／Ｌ₁＋ｎ₂／Ｌ₂） 式中、Ｌ：燃焼混合ガスの燃焼範囲 ｎ₁、ｎ₂：燃焼混合ガスＣＯ、Ｈ₂の組成 Ｌ₁、Ｌ₂：燃焼混合ガスＣＯ、Ｈ₂それぞれの単独の燃
焼範囲 である。 この結果、燃焼混合ガスＣＯ＋２Ｈ
₂の燃焼範囲として８.８（下限）〜７３（上限）容量％
の値を得た。

【００２９】次ぎに、上記した組成の燃焼混合ガスＣＯ
＋２Ｈ₂の燃焼範囲に基づいて、該燃焼混合ガスＣＯ＋
２Ｈ₂の安全酸素濃度を求めた。不活性ガス（Ｎ）ー酸
素（Ｏ）、酸素（Ｏ）ー燃焼混合ガス（Ｆ）、燃焼混合
ガス（Ｆ）ー不活性ガス（Ｎ）の各組成割合を座標軸と
した三角座標（Ｎ−ＯーＦーＮ）のグラフを図２に図示
し、これを用いて以下の方法により考察した。 イ．ＯーＦ軸上に上記作業で得られた燃焼混合ガスの燃
焼下限値（Ｌ：８.８容量％）と燃焼上限値（Ｕ：７３
容量％）との値取りをする。そしてこの下限値Ｌは、不
活性ガス（Ｎ）の増減によって酸素（Ｏ）と燃焼混合ガ
ス（Ｆ）との比率が変化しないから、下限値線（イ）を
ＯーＮ軸と平行にして線引きし、これを点線で表示し
た。 ロ．ついでＯーＦ軸上に、燃焼混合ガス（Ｆ）ＣＯ＋２
Ｈ₂が酸素（Ｏ）によって完全燃焼する場合のこれらの
比率ＲとしてＦ／Ｏ＝２／３を値取りし、これに不活性
ガス（Ｎ）を増加して行っても、これらの比率Ｒは一定
であるので、ＯーＦ軸上のＲ値とグラフ上のＮ点とを結
び１点鎖線（ロ）で線引き表示した。そして、該１点鎖
線ロが前記点線で表示した下限値線（イ）との交点をＳ
とし、この点Ｓはこれ以上に不活性ガスが増加すると燃
焼しない点であることを示すものである。 ハ．また、前記交点Ｓと前記燃焼混合ガス（Ｆ）の燃焼
上限値Ｕとを結ぶ２点鎖線（ハ）で形成される三角形Ｌ
ＳＵで包囲された領域が燃焼範囲となる。 ニ．次ぎに、ＮーＦ軸上に実際に炉に供給する雰囲気ガ
スの不活性ガス（Ｎ）と燃焼混合ガス（Ｆ）との組成比
の値Ｚを５０％の値に値取りをする（５０≦Ｆ＜１００
容量％であり、その最小濃度値５０％とした）。雰囲気
ガス中に酸素を増加しても、雰囲気ガスの不活性ガス
（Ｎ）と燃焼混合ガス（Ｆ）の比率は変化しないので、
値Ｚと酸素座標Ｏの点とを結んで、直線（ニ）を線引き
する。そして該直線（ニ）が前記２点鎖線（ハ）と交叉
する交点Ｐが不活性ガス（Ｎ）と燃焼混合ガス（Ｆ）よ
りなる雰囲気ガスの燃焼限界点を示すものである。

【００３０】このようにして、雰囲気ガスの燃焼限界点
Ｐが得られ、このＰ点より矢印線ホによりＮーＯ軸上の
目盛りで酸素濃度値Ｘを読み、この酸素濃度値Ｘに基づ
いて計算により補正し酸素濃度を求めた結果、３.８容
量％Ｏ₂の値を得た。そして、当該分野で一般的に用い
られている安全係数として１／４を乗じて、酸素の安全
濃度として０.９５容量％を得た。以上の実験１から、
本発明の密閉式雰囲気熱処理炉における、前室２内の燃
焼混合ガス（メタノールの分解ガス）中に侵入する監視
すべき酸素濃度に関しての注意度を、 の如く区分することとした。そして、上記結果に基づ
き、メタノール分解ガスＣＯ＋２Ｈ₂中に酸素ガスを０.
９５容量％添加し、この雰囲気に火炎を挿入して実験し
たところ、火炎は直ちに消炎したのを確認した。従っ
て、炉内の酸素濃度を０.９５容量％以下の安全領域に
維持することにより、密閉式雰囲気熱処理炉を安全に運
転することが出来ることを確認した。

【００３１】（実験２）次ぎに、加熱処理するための雰
囲気ガスを効率よく供給するよう、雰囲気ガスの供給量
を減量した場合の被処理品の熱処理後の品質に及ぼす影
響を図１に図示した密閉式雰囲気熱処理炉３０を用いて
確認した。 ●使用した密閉式浸炭焼き入れ炉１０の仕様の概略 前室２：幅９００ｍｍ、奥行き１２００ｍｍ、高さ１３
５０ｍｍ 加熱処理室４：直径９６０ｍｍ、長さ９４０ｍｍ 油槽５の油量：１６００リットル ●雰囲気ガスの仕様 組成：４０容量％Ｎ₂＋６０容量％ＣＨ₃ＯＨ 流量：３.０Ｎｍ³／時（Ｎｍ³／時：標準状態０℃、１
気圧換算の１時間当たりの流量、以下同様）を標準量と
して、順次減量調整 ●スーパーパージライン２０の仕様 前室２の出入扉１の解放時と炉内負圧時に作動せしめ安
全を確保した。 流量：窒素ガス１５Ｎｍ³／時に固定

【００３２】上記した仕様、条件のもとにＳＣＭ４２０
Ｈ鋼（直径２５ｍｍ、長さ５０ｍｍ）を、雰囲気ガスの
使用量３.０、２.１、１.５、０.９Ｎｍ³／時に変化せ
しめて浸炭焼き入れ処理をした。そしてその結果を、図
３に各雰囲気ガス量での熱処理での処理品の表面よりの
深さ（ｍｍ）を横軸にし、ビッカース硬度（ＨV）縦軸
に表示して、深さに対する浸炭効果を確認した。また、
図４に前記変化せしめた各雰囲気ガス量における各処理
工程［前室搬入］、［加熱処理室搬入］、［油槽へ］、
［炉外へ搬出］での前室２内の酸素濃度（容量％）の状
態を図示し、安全性について確認した。

【００３３】図３から明らかなように、雰囲気ガス量を
０.９Ｎｍ³／時（標準量３.０Ｎｍ³／時の３０％）まで
減量しても、浸炭効果には何等影響はなく、十分浸炭効
果が得られていることが確認された。しかし、図４に図
示されている如く、雰囲気ガス量を減量して行くと、ス
ーパーパージラインによって窒素ガスを供給しても、上
記流量の供給では各処理工程で前室２内の酸素濃度が上
昇する。特に加熱処理室への搬入時の酸素濃度増加は著
しく、危険性が増し、雰囲気ガス量１.５Ｎｍ³／時では
酸素濃度は１.２５容量％となり、雰囲気ガス量０.９Ｎ
ｍ³／時にいたっては酸素濃度は約２容量％となり、い
ずれも警戒領域に入り安全性に問題があることが確認さ
れた。

【００３４】以上の実験に基づいて、加熱熱処理におい
て雰囲気ガスの使用量は標準とされている量の３０％に
減少せしめても、被処理金属の熱処理効果は十分に達成
し得ることが判明したが、しかしながら雰囲気ガス量を
減少せしめると前室の酸素濃度が増加上昇し安全性に問
題が生じてくることも判明した。そこで、この酸素濃度
の増加上昇を抑制するため、スーパーパージライン２０
よりの窒素等の不活性ガスの供給量を流路Ａで２０Ｎｍ
³／時以上とし、流路Ｂで４０Ｎｍ³／時以上として前室
２に供給するようにした。これを以下の実施例１および
実施例２に示す。

【００３５】（実施例１）上記した実験２の結果に基づ
き、本発明の密閉式雰囲気熱処理炉３０により被処理金
属を熱処理した。 ●使用した密閉式浸炭焼き入れ炉１０の仕様の概略 実験２で使用した炉と同一仕様 ●雰囲気ガスの仕様 組成：４０容量％Ｎ₂＋６０容量％ＣＨ₃ＯＨ 流量：１.５Ｎｍ³／時（標準量３.０Ｎｍ³／時の５０
％） ●スーパーパージライン２０の仕様 ガス：窒素ガス 流量：流路Ａ…２０Ｎｍ³／時、流路Ｂ…４０Ｎｍ³／時 作動：・前室２の出入扉１の解放時に流路Ａ開作動 ・前室２内負圧時に流路Ｂ開作動 このような条件下でＳＣＭ４２０Ｈ鋼（直径２５ｍｍ、
長さ５０ｍｍ）を浸炭処理した。処理時間は５時間を要
した。その結果として表１に、処理工程におけるスーパ
ーパージライン２０の流路Ａと流路Ｂの作動による窒素
ガス供給時間（秒）と前室２の酸素濃度（容量％）、お
よび窒素ガス総供給量（Ｎｍ³：標準状態０℃、１気圧
換算の容量、以下同様）並びに雰囲気ガス総供給量（Ｎ
ｍ³）を表示した。

【００３６】

【表１】

【００３７】表１で明らかなように、前室２の酸素濃度
はいずれの工程においても０.９５容量％以下の安全領
域を保持していた。これは、スーパーパージラインの流
路Ａおよび流路Ｂが有効に作動して窒素ガスを前室２に
供給していることを示している。なお出入扉１の解放時
作動する流路Ａでの窒素ガス供給時間の合計は１２５秒
でその供給量は０.６９Ｎｍ³、前室２の負圧時に作動す
る流路Ｂでの窒素ガスの供給時間は合計で８７秒であ
り、窒素ガスの量は０.９７Ｎｍ³となり両方の流路で使
用した窒素ガス総供給量は１.６６Ｎｍ³となった。一
方、雰囲気ガスは標準量の３.０Ｎｍ³／時の５０％の
１.５Ｎｍ³／時の流量で５時間の使用量７.５Ｎｍ³で十
分満足し得る熱処理が出来ることが確認し得た。即ち、
スーパーパージライン２０の２つの流路Ａ、Ｂで１.６
６Ｎｍ³の窒素ガスを前記所定の処理工程の適切な時に
前室２に流すことにより、高価な雰囲気ガス量を７.５
Ｎｍ³となし得て、標準の使用量１５Ｎｍ³の５０％に減
量することが出来た。

【００３８】（実施例２）更に、雰囲気ガス量を減量
し、標準の流量３.０Ｎｍ³／時の３０％の０.９Ｎｍ³／
時を供給し、スーパーパージライン２０の作動による窒
素ガスの前室２への供給量を、出入扉１の解放時に作動
する流路Ａでは４０Ｎｍ³／時の流量とし、前室２の負
圧時に作動する流路Ｂでは５０Ｎｍ³／時の流量とし
た。その他は実施例１と同様な条件で、ＳＣＭ４２０Ｈ
鋼（直径２５ｍｍ、長さ５０ｍｍ）を５時間に亙って浸
炭処理した。その結果を実施例１の表１に表示したのと
同様な事項について表２に表示する。

【００３９】

【表２】

【００４０】表２で明らかなように、各処理工程におい
ても前室２の酸素濃度は０.９５容量％以下の安全領域
が保持されており、スーパーパージラインの流路Ａおよ
び流路Ｂが所望通りに有効に作動して窒素ガスを前室２
に供給していることを示している。そして、出入扉１の
解放時作動する流路Ａでの窒素ガス供給時間の合計は１
２５秒でその供給量は１.３９Ｎｍ³、前室２の負圧時に
作動する流路Ｂでの窒素ガスの供給時間は合計で５４秒
であり、窒素ガスの量は０.７５Ｎｍ³となり両方の流路
で使用した窒素ガス総供給量は２.１４Ｎｍ³となった。
一方、雰囲気ガスは標準量の３.０Ｎｍ³／時の３０％の
０.９Ｎｍ³／時の流量で、５時間の使用量４．５Ｎｍ³
で十分満足し得る熱処理が出来ることが確認し得た。即
ち、スーパーパージライン２０の流路Ａ、およびＢで
２.１４Ｎｍ³の窒素ガスを、所定の工程での適切な時に
前室２に流すことにより、高価な雰囲気ガス量を４.５
Ｎｍ³の供給量となし得て、標準の供給量１５Ｎｍ³（標
準の流量３.０Ｎｍ³／時で５時間）の７０％減量するこ
とが出来た。

【００４１】

【発明の効果】本発明は以上説明したような形態で実施
され、以下のような効果を奏する。密閉式雰囲気熱処理
炉を形成する熱処理炉内に空気が侵入しないように、炉
内圧力を正圧に保持するため、不活性ガスを供給するス
ーパーパージラインを設けるとともに、該スーパーパー
ジラインを熱処理炉の前室への出入扉の開放時と、前室
の負圧時との、外気の侵入し易い状態を区分し、これら
の区分した状態に対応して作動し、各々特定した流量で
不活性ガスを供給する２つの流路を区分して設けたの
で、極めて効率的に熱処理炉内圧力を正圧に保持し、前
室への外気の流入を防止し、前室の酸素濃度を燃焼（爆
発）範囲濃度以下に常に保持して安全に運転することが
出来る。

【００４２】その上、熱処理雰囲気ガスの燃焼（爆発）
限界値の酸素濃度を０.９５容量％以下の値と理論的に
明確にして、熱処理炉内の負圧の発生を防止を確実に
し、かつ炉内の酸素濃度を前記酸素濃度以下に保持可能
として、より一層安全度を高めるとともに、雰囲気がガ
スの使用量を減じても安全を保持しかつ熱処理効果をも
保持可能とするよう、前記スーパーパージライン（流路
Ａおよび流路Ｂ）より炉内に供給する不活性ガスの流量
を適正かつ効率的な値に特定し得たものである。そし
て、従来高価な雰囲気ガスを炉内に過剰に送給していた
のを、本発明はこれにより、従来の雰囲気ガス供給量の
３０％の量で、同様な熱処理効果を保持した熱処理を可
能とし、かつ安全に運転することが可能となり、操業価
格の低減と保安上の安全性の確保が一挙に達成し得る効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の密閉式雰囲気熱処理炉の一例を示す
概略図である。

【図２】 雰囲気ガスの燃焼（爆発）限界の酸素濃度を
求めるための窒素（Ｎ）ー燃焼混合ガス（Ｆ）ー酸素
（Ｏ）の３成分組成の三角座標グラフである。

【図３】 雰囲気ガス量の差による熱処理した処理品の
表面よりの深さとビッカース硬度との関係を示すグラフ
である。

【図４】 雰囲気ガス量の差による各処理工程における
前室内の酸素濃度を示すグラフである。

【図５】 従来の密閉式浸炭焼き入れ炉の概略図であ
る。

【図６】 密閉式浸炭焼き入れ炉の処理工程における炉
内の圧力変動を示す状態図である。

【符号の説明】

１…出入扉、 ２…前室、 ３…仕切扉、 ４…加熱処
理室、 ５…油槽、６…雰囲気ガス用配管、 ７…ファ
ン、 ８…被処理品、 ９…排気管、１０…密閉式浸炭
焼き入れ炉、 １１…排気ダクト、１２…搬出入テーブ
ル、 １３…フレームカーテン、２０…スーパーパージ
ライン、 ２１…不活性ガス容器、 Ｇ…不活性ガス、
２２…フィルター、 ２３…一次減圧弁、 ２４…圧力
スイッチ、２５ａ、２５ｂ…流量調節弁、 ２６ａ、２
６ｂ…電磁弁、 ２８…配管、３０…密閉式雰囲気熱処
理炉

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理品を所定のガス雰囲気下で高温で
   加熱処理するための雰囲気ガス供給用配管が配設された
   加熱処理室に、開閉手段を備えた仕切扉を介して、被処
   理品の出し入れと外気を遮断するするための開閉手段を
   備えた出入扉を有する前室を連設してなる密閉式雰囲気
   熱処理炉において、前記出入扉の開放時に不活性ガスを
   所定流量で流通せしめる流路と前記前室内の圧力が負圧
   の時に不活性ガスを所定流量で流通せしめる流路とを併
   設してなる不活性ガス供給用配管を、前記前室に連結し
   て設けてなることを特徴とする密閉式雰囲気熱処理炉。
2. 【請求項２】 被処理品を所定のガス雰囲気下で高温で
   加熱処理するための雰囲気ガス供給用配管が配設された
   加熱処理室に、開閉手段を備えた仕切扉を介して、被処
   理品の出し入れと外気を遮断するための開閉手段を備え
   た出入扉を有する前室を連設してなる密閉式雰囲気熱処
   理炉において、前記前室に不活性ガス供給用配管を設け
   て、前記出入扉の開放時および前記前室内の圧力が負圧
   の時に不活性ガスを前室内に供給して、前室内の酸素濃
   度を０.９５容量％以下に保持することを特徴とする密
   閉式雰囲気熱処理炉の運転方法。
3. 【請求項３】 雰囲気ガスが窒素ガスにメタノールを５
   ０容量％以上１００容量％未満混合してなることを特徴
   とする請求項２に記載の密閉式雰囲気熱処理炉の運転方
   法。
4. 【請求項４】 出入扉の開放時の前室内への不活性ガス
   供給量を２０Ｎｍ³／時以上とすることを特徴とする請
   求項２または請求項３のいずれかに記載の密閉式雰囲気
   熱処理炉の運転方法。
5. 【請求項５】 前室内の圧力が負圧の時の前室内への不
   活性ガス供給量を４０Ｎｍ³／時以上とすることを特徴
   とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の密
   閉式雰囲気熱処理炉の運転方法。