(57)【要約】【課題】安全で信頼性が高く、液体金属ナトリウムの優れた熱処理特性を生かすことのできる金属材料の熱処理装置を提供する。【解決手段】気密セル３３と、気密セル内で固体の金属材料１を第１の位置から第２の位置に搬送する搬送手段３２、３２ａと、金属材料が第１の位置にあるときに金属材料の表面に高温の液体金属ナトリウムを噴出させる第１の噴出ノズル２０と、金属材料が第２の位置にあるときに金属材料の表面に高温の液体金属ナトリウムよりも低温の液体金属ナトリウムを噴出させる第２の噴出ノズル２１と、を有する。金属材料は平面を有し、平面が水平でないように保持される。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密セルと、
この気密セル内で固体の金属材料を第１の位置から第２の位置に搬送する搬送手段と、
前記金属材料が前記第１の位置にあるときにその金属材料の表面に高温の液体金属ナトリウムを噴出させる第１の噴出ノズルと、
前記金属材料が前記第２の位置にあるときにその金属材料の表面に前記高温の液体金属ナトリウムよりも低温の液体金属ナトリウムを噴出させる第２の噴出ノズルと、
を有することを特徴とするナトリウムを用いた熱処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のナトリウムを用いた熱処理装置において、
前記金属材料は少なくとも一つのほぼ平坦な面を有し、
前記金属材料が少なくとも前記第１または第２の位置にあるときに前記ほぼ平坦な面が水平でないように保持されること、
を特徴とするナトリウムを用いた熱処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載のナトリウムを用いた熱処理装置において、前記平坦な面は、前記搬送手段の搬送方向を軸として旋回した向きに傾斜していること、を特徴とするナトリウムを用いた熱処理装置。
【請求項４】
請求項２に記載のナトリウムを用いた熱処理装置において、前記金属材料はほぼ平坦な二つの平行面を有するほぼ平坦な板状であって前記平行面がほぼ鉛直に保持され、
前記第１および第２の噴出ノズルが、それぞれ複数個の噴出ノズルからなり、前記平行面の両側に配置されていること、を特徴とするナトリウムを用いた熱処理装置。
【請求項５】
請求項１に記載のナトリウムを用いた熱処理装置において、前記気密セルには、前記金属材料が前記第２の位置を通った後にその金属材料を前記気密セルから外に出すための出口が設けられ、
前記金属材料を前記出口から前記気密セルの外に出す前に、前記金属材料の表面に付着した液体ナトリウムを減らすように、ナトリウムに対して不活性なガスを前記金属材料の表面に噴出させる手段を有すること、
を特徴とするナトリウムを用いた熱処理装置。
【請求項６】
請求項１に記載のナトリウムを用いた熱処理装置において、ナトリウムに対して不活性なガスを前記気密セル内に供給する手段をさらに有し、
前記気密セルには、前記金属材料が前記第２の位置を通った後にその金属材料を前記気密セルから外に出すための出口が設けられ、
前記金属材料を前記出口から前記気密セルの外に出す前に、前記金属材料の表面に付着した液体ナトリウムを減らすように、前記金属材料をはさんで回転可能な少なくとも１対のガイドローラを有すること、
を特徴とするナトリウムを用いた熱処理装置。
【請求項７】
請求項１に記載のナトリウムを用いた熱処理装置において、前記第１および第２のノズルから噴出した前記高温および低温の液体金属ナトリウムそれぞれを前記気密セル内の前記第１および第２の位置の下方で回収するそれぞれ第１および第２の回収タンクと、
前記第１の回収タンクで回収された液体金属ナトリウムを前記気密セル内で前記第１のノズルに循環する加熱循環系統と、
前記第２の回収タンクで回収された液体金属ナトリウムを前記気密セル内で前記第２のノズルに循環する冷却循環系統と、
を有することを特徴とするナトリウムを用いた熱処理装置。
【請求項８】
請求項１に記載のナトリウムを用いた熱処理装置において、前記気密セルには、前記金属材料を前記気密セル内に入れるための入口と、前記金属材料が前記第２の位置を通った後にその金属材料を前記気密セルから外に出すための出口とが設けられ、
前記気密セルの前記入口および出口に隣接する前記気密セルの外側にはそれぞれ気密のガスチャンバが配置され、
前記気密セルおよびガスチャンバに、ナトリウムに対して不活性なガスを供給する手段を有すること、
を特徴とするナトリウムを用いた熱処理装置。
【請求項９】
請求項１に記載のナトリウムを用いた熱処理装置において、前記気密セル内で熱処理を受けた前記金属材料を受け入れてその金属材料の表面を水で洗浄するための水洗浄室が前記気密セルの外側に設けられていること、を特徴とするナトリウムを用いた熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体金属ナトリウムを用いて固体金属材料の熱処理を行なう装置に係り、特に、固体金属材料の強度、硬さおよび寸法精度などを向上させ、表面の耐摩耗性や耐腐食性などの材料性能を改善することに適した熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料の熱処理の方法としては、電気炉、ガス炉、真空炉または直接の直火や高周波で加熱した金属材料をガス、水、油、ポリマーなどの冷却剤で冷却する方法が採られている。この金属材料の熱処理性能は、冷却速度や冷却温度や冷却パターンに大きく依存していることが知られている。冷却速度を上げる手段としては、冷却剤を攪拌したり、ジェットで吹き付けたりしている。また、より高温でも沸騰せずに急冷が可能な溶融塩や金属の錫や鉛を溶融して冷却剤として用いられている冷却方法も知られている。
【０００３】
その一つとして、冷却速度が高い、焼き割れがない、熱処理変形が非常に少ないという熱処理特性の優れた液体金属ナトリウムを用いる方法も提案されている。特開２００２−１２９１７号公報の図５に示されているように、液体金属ナトリウムは、水や油やポリマーなどの他の冷却剤に比べて格段に冷却速度が高い。これは、水や油やポリマーでは、冷却の際に、金属表面との間で蒸気膜が形成されるからである。この事象は、冷却速度を遅くするだけでなく熱処理金属に部分的な温度差を生じさせ、その結果、変形や割れが発生する要因にもなっている。液体金属ナトリウムを用いる熱処理方法は、上記公報のほかに、例えば、特開２０００−３４５２３６号公報にも開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
液体金属ナトリウムは、前述のように優れた熱処理特性を持っているが、水と激しく反応するという特性をもっているため、取扱いが困難である。したがって金属材料の熱処理にナトリウムを使用するためには、その物性を考慮して、安全でかつ信頼性が高い装置が必要となる。また、液体金属ナトリウムの優れた熱処理特性を十分に生かすことができる熱処理装置が望まれる。
【０００５】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、安全でかつ信頼性が高く、液体金属ナトリウムの優れた熱処理特性を十分に生かすことのできるナトリウムを用いた金属材料の熱処理装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するものであって、気密セルと、この気密セル内で固体の金属材料を第１の位置から第２の位置に搬送する搬送手段と、前記金属材料が前記第１の位置にあるときにその金属材料の表面に高温の液体金属ナトリウムを噴出させる第１の噴出ノズルと、前記金属材料が前記第２の位置にあるときにその金属材料の表面に前記高温の液体金属ナトリウムよりも低温の液体金属ナトリウムを噴出させる第２の噴出ノズルと、を有することを特徴とするナトリウムを用いた熱処理装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、全図面にわたり、同一または類似の構成要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。図１は、本発明に係るナトリウムを用いた熱処理装置の一実施の形態を示す。図１で、熱処理を受ける固体の金属材料１は、板状、線状、管状などの長く延びた金属材料であって、この金属材料１の製造過程において、ガイドローラ３２、３２ａによって連続的に長手方向に搬送されながら熱処理を受けるようになっている。この熱処理装置は、大別して熱処理を行なう気密セル３３に収納された部分と、低温および高温の液体金属ナトリウムを回収し再供給する付帯設備とから構成される。
【０００８】
気密セル３３には、金属材料１が入る入口３と、金属材料１が出る出口４が設けられ、入口３と出口４に接して気密セル３３の外側に、それぞれ１対のガイドローラ３２、３２ａが配置されている。金属材料１は各１対のガイドローラ３２、３２ａにはさまれて駆動され、入口３から気密セル３３内に入り、出口４から出て行く。
【０００９】
気密セル３３内には、金属材料１の上下方向に、液体金属ナトリウムを噴出するなどして金属材料１に直接接触させることのできる高温ナトリウム用ノズル２０および低温ナトリウム用ノズル２１が設けられている。ノズル２０、２１はそれぞれが複数個のノズルからなっており、金属材料１の両側からほぼ対称な位置および向きで液体金属ナトリウムを噴射できるようになっている。
【００１０】
ノズル２０、２１の下にはそれぞれ、高温ナトリウム回収タンク２２および低温ナトリウム回収タンク２３が設けられ、熱処理に使用されたナトリウムを回収するようになっている。
【００１１】
ナトリウム回収タンク２２、２３の下部から、気密セル３３の外にナトリウムを回収して貯蔵する高温ナトリウム用ダンプタンク２４、低温ナトリウム用ダンプタンク２５がそれぞれ設けられている。図示されていないが、このラインの途中においてナトリウムを各々必要な温度に加熱または冷却する装置、ナトリウム内に溶解している不純物を捕獲し純化する設備、さらに新たにナトリウムを補給する設備などを設けることができる。図１では、ダンプタンク２４、２５までの間、自由落下による移送の例を示しているが、ポンプ（図示せず）を使用してもよい。
【００１２】
一旦回収された高温ナトリウム３０および低温ナトリウム３１はそれぞれ、ダンプタンク２４、２５から、電磁ポンプ２６、２７および高温ナトリウム供給タンク２８、低温ナトリウム供給タンク２９を介して再び各ノズル２０、２１に供給される。これらが付帯設備を構成している。
【００１３】
本装置は、上記のように構成されているため、板状、線状、管状などの金属材料１を、その製造工程の途中において連続的に熱処理することができる。ナトリウムと金属材料１の接触は、ノズル２０、２１によって行なわれるため、短時間で効率よく熱処理することができる。また、従来の熱処理装置と異なり、加熱および冷却を短時間で行なえるため、金属材料１の余分な取りまわしもなく、コンパクトな熱処理装置を得ることができる。
【００１４】
また、図示していないが、熱処理の対象となる金属材料が板状などであって、例えば、互いに平行な二平面を有する形状の場合、その平面が水平にならないように、例えば流れの方向（金属材料の搬送方向）に対してねじり方向に若干傾斜させることで、重力を利用して、接触させた液体金属ナトリウムの液切れを容易に行なうことができる。さらにねじり角を大きくして、板状の金属材料を鉛直に立てれば、前記液切れの効果がさらに増すとともに、加熱および冷却に使用するノズルが金属材料の両面に対して同じ条件で対称に噴出させることができ、噴出部の設計条件を簡素化し、対称な処理をすることができる。
【００１５】
なお、図１には示していないが、気密セル３３やダンプタンク２４、２５などに、窒素やアルゴンなどのナトリウムに対して不活性なガス（以下、単に「不活性なガス」という）を充填する手段を備えてもよい。それにより、液体金属ナトリウムを安定に保持することができる。
【００１６】
図２に本発明に係るナトリウムを用いた熱処理装置の他の実施の形態を示す。この熱処理装置の場合は、一つの気密セル３３内で熱処理すべてを行なう。本熱処理装置は、金属材料１をその製造過程で連続的に熱処理する装置において、使用したナトリウムの回収から再供給までの付帯設備を、ナトリウムを噴出して熱処理を行なう気密セル３３内に収めたものである。
【００１７】
本熱処理装置は、熱処理の主工程を行なう気密セル３３を中心に金属材料１の流れ方向（搬送方向）に対して前後にガスチャンバ４０を配置し、その後工程に水洗浄室４１を配置している。いずれも気密の保てる構造としている。気密セル３３をはさんで、不活性なガスを充填したガスチャンバ４０が配置されている。このため、気密セル３３からのナトリウム蒸気の外部への漏洩を抑えることができる。
【００１８】
また、図示していないが、ガスチャンバ４０の圧力を気密セル３３の圧力より、若干高く維持することで、気密セル３３からのナトリウム蒸気の漏洩を閉じ込めることもできる。さらに、金属材料１が通過する入口および出口には、ラバーシールやエアシールを設けることでも同様な効果を得ることができる。
【００１９】
金属材料１は、ガイドローラ３２、３２ｂに導かれ、この装置を通過する。気密セル３３および各ガスチャンバ４０には、ガス供給ライン４２より不活性なガスが供給され、液体金属ナトリウムの反応を抑制している。
【００２０】
気密セル３３内には、高温ナトリウム用ノズル２０と低温ナトリウム用ノズル２１が金属材料１をはさんでそれぞれ、上下方向に１対または複数対配置されている。そのノズル２０、２１の下には、それぞれ高温ナトリウム回収タンク２２、低温ナトリウム回収タンク２３が設けられている。これらのナトリウム回収タンク２２、２３には、電磁ポンプ４９、５０がそれぞれ配置され、ナトリウム回収タンク２２、２３内の液体金属ナトリウムを気密セル３３の外に出すことなく再度、ノズル２０、２１に供給することができる。
【００２１】
また、ナトリウム回収タンク２２、２３に液体金属ナトリウムを補給するために、それぞれ、ナトリウム補給ライン４５、４６が設けられている。
さらに、高温ナトリウム回収タンク２２の底部には、ナトリウムのドレンまたは供給用のナトリウムチャージ・ドレンライン５１が設けられている。
【００２２】
一方、低温ナトリウム回収タンク２３の底部には、高温の場合の機能に加え、純化系統へ循環させる機能も有するナトリウムの純化、ドレンまたは供給用のナトリウム純化・チャージ・ドレンライン５２が設けられている。低温側ラインにだけ純化機能を持たせるのは、高温ナトリウム用ノズル２０からの金属材料１への噴射および付着により、低温ナトリウム用タンク２４に不純物の混じったナトリウムが移行してくるからである。
【００２３】
また、ナトリウムによって熱処理が終了した後は、金属材料１の表面に付いたナトリウムを除去する必要が生じる。このため、本装置は、ノズル２０、２１の後方にローラ３２ｂを設けるとともに、さらにその後方から、不活性なガスを吹き付けて付着したナトリウムを除去するためにナトリウム除去ブロア４７を設けている。
気密セル３３の床部には、全域にわたってガードベッセル５３が設けられており、ナトリウムの滴下による拡散を防止している。
【００２４】
図２の熱処理装置ではさらに、熱処理の最終工程に水洗浄室４１を設けている。水洗浄室４１内には、洗浄タンク４３が設けられ、金属材料１が通過する際に、洗浄水供給ライン４４から供給された先浄水が洗浄水ノズル４８から噴出され、洗浄できる構造となっている。洗浄タンク４３底部には、洗浄水回収ライン５４が設けられている。なお、金属材料１が水洗浄室４１から出る出口にガイドローラ３２ｃが配置されている。
【００２５】
本装置は、上記のように構成されているため、主循環配管が不要になり、安全性が向上するとともに、小型化でき、設備のコストダウンが可能となっている。また、高温ナトリウム回収タンク２２には耐熱性の良好な材質（例えばインコネル（商標））を適用し、上記のとおりの気密セル３３内での閉ループで構成することができるので、高温（例えば８５０℃）でのナトリウムによる熱処理が可能となる。
【００２６】
また、高温ナトリウム回収タンク２２のナトリウムは、高温ナトリウムノズル２０からの噴出と金属材料１への付着に伴い、高温ナトリウム回収タンク２２から低温ナトリウム回収タンク２３に移行するので低温ナトリウム回収タンクで一括純化できる。したがって、高温ナトリウム回収タンク２２側では純化装置が不要となる。
なお、この明細書で「ナトリウム」は、純粋ナトリウムに限らず、カリウムやリチウムなどを含有するものも含む。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安全でかつ信頼性が高く、液体金属ナトリウムの優れた熱処理特性を十分生かすことのできる金属材料の熱処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るナトリウムを用いた熱処理装置の一実施の形態により金属材料をその製造過程において連続的に熱処理する場合を示す模式的系統図。
【図２】本発明に係るナトリウムを用いた熱処理装置の他の実施の形態により一つの気密セル内で熱処理すべてを行なう場合を示す模式的立断面図。
【符号の説明】
１…金属材料、３…入口、４…出口、２０…高温ナトリウムノズル、２１…低温ナトリウムノズル、２２…高温ナトリウム回収タンク、２３…低温ナトリウム回収タンク、２４…高温ナトリウムダンプタンク、２５…低温ナトリウムダンプタンク、２６…電磁ポンプ、２７…電磁ポンプ、２８…高温ナトリウム供給タンク、２９…低温ナトリウム供給タンク、３０…高温ナトリウム、３１…低温ナトリウム、３２，３２ａ，３２ｂ…ガイドローラ、３３…気密セル、４０…ガスチャンバ、４１…水洗浄室、４２…ガス供給ライン、４３…洗浄タンク、４４…洗浄水供給ライン、４５…ナトリウムチャージライン、４６…ナトリウムチャージライン、４７…ナトリウム除去ブロア、４８…洗浄水ノズル、４９…高温ナトリウム用電磁ポンプ、５０…低温ナトリウム用電磁ポンプ、５１…ナトリウムチャージ・ドレンライン、５２…ナトリウム純化・チャージ・ドレンライン、５３…ガードベッセル、５４…洗浄水回収ライン。
【図１】
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【図２】
2004131790.tif 000004