(57)【要約】【課題】組成変化のない炉内雰囲気のＣＰを誤差を伴うことなく正確に算出し、算出したＣＰによってエンリッチガスの供給量を調節して被処理品の品質を適正に維持する。【解決手段】浸炭装置１０の排気管５にガスクーラ６、フィルタ７、露点センサ８、制御部１１を設けた。ガスクーラ６は、炉１内から排気管５内に排出された雰囲気ガスを６０℃程度の測定温度に冷却する。フィルタ７は、排気管５内を流れる雰囲気ガスの塵埃を除去する。露点センサ８は、排気管５内で測定温度に冷却された後に塵埃を除去された雰囲気ガスの露点温度を測定する。制御部１１は、演算部１２で露点センサ８が測定した雰囲気ガスの露点温度及び温度センサ９が測定した炉１内の雰囲気ガスの温度に基づいて炉１内の雰囲気ガスのＣＰを算出し、調節部１３でＣＰに基づいてエンリッチガスの供給量を調節する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
浸炭性雰囲気中で被処理品を収納して所定の浸炭温度に昇温される炉と、前記炉内の雰囲気ガスを前記炉外で所定の測定温度に冷却する冷却手段と、前記冷却手段によって冷却された雰囲気ガスの露点温度を測定する露点センサと、前記炉内の温度を測定する温度センサと、前記炉内の雰囲気ガスに対するエンリッチガスの導入量を調節する調節器と、前記露点センサ及び温度センサの測定結果から前記炉内の雰囲気ガスのカーボンポテンシャルを算出し、算出したカーボンポテンシャルに基づいて前記調節器によるエンリッチガスの導入量を増減させる制御手段と、を備えたことを特徴とする浸炭装置。
【請求項２】
前記炉内の雰囲気ガスの排気経路を構成する排気管をさらに備え、前記排気経路中に前記冷却手段及び前記露点センサをこの順に配置したことを特徴とする請求項１に記載の浸炭装置。
【請求項３】
前記排気管は、前記冷却手段及び前記露点センサをこの順に配置した分岐管を有することを特徴とする請求項１に記載の浸炭装置。
【請求項４】
前記排気経路又は前記分岐管における前記冷却手段と前記露点センサとの間に、雰囲気ガス中の塵埃を除去するフィルタをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の浸炭装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、機械部品等の鋼部材等の表面を硬化させるための浸炭処理を行う浸炭装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼部材等の表面に対する浸炭処理では、浸炭炉内の浸炭性雰囲気ガス（以下、炉内雰囲気ともいう。）のカーボンポテンシャル（以下、ＣＰという。）が処理後の被処理品の品質に大きな影響を与える。このため、浸炭装置では、浸炭処理中に炉内雰囲気のＣＰが制御される。この制御では、炉内雰囲気の酸素濃度、二酸化炭素濃度、水分量又はメタンガス濃度等を測定し、この測定結果から炉内雰囲気のＣＰ値が算出され、算出結果に応じて炉内雰囲気に対するエンリッチガスの供給量が調整される。
【０００３】
従来の浸炭装置では、制御の自動化のために、炉内雰囲気の酸素濃度又は二酸化炭素濃度の測定結果からＣＰ値を算出する方法が主に採用されている（例えば、特許文献１参照。）。炉内雰囲気の酸素濃度を測定する場合には、例えばジルコニアセンサが炉内に挿入される。炉内雰囲気の二酸化炭素濃度を測定する場合には、炉内に連通したサンプリング用のパイプを経由して炉内雰囲気を計器に導く。
【特許文献１】特許第２５９２５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、炉内に挿入したセンサによって炉内雰囲気の酸素濃度を測定する方法では、炉内に挿入されたセンサの電極を構成するプラチナの触媒作用により、センサ近傍では炉内に供給されたエンリッチガスの分解が促進される。このため、センサ内では酸素濃度が炉内の平均酸素濃度よりも低くなり、センサの測定値から算出されたＣＰ値が実際の炉内雰囲気のＣＰ値よりも高くなる問題がある。
【０００５】
また、炉内からサンプリング用のパイプを経由して計器に導かれた炉内雰囲気の二酸化炭素濃度を測定する方法では、炉内雰囲気の変化に対する制御の応答性が悪い。さらに、サンプリング用のパイプを通過する間に炉内雰囲気の温度が徐々に低下し、それに伴って炉内雰囲気の組成が変化する。このため、炉内雰囲気のＣＰ値を正確に測定することができない問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、排気管内を排出される炉内雰囲気の冷却後の露点を測定し、測定した露点からＣＰ値を算出することにより、組成が変化していない炉内雰囲気のＣＰ値を誤差を伴うことなく正確に算出することができ、被処理品の適正な品質を確保及び維持することができる浸炭装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、この発明の浸炭装置は、炉、冷却手段、露点センサ、温度センサ、調節器及び制御手段を備えている。炉は、浸炭性雰囲気中で被処理品を収納して所定の浸炭温度に昇温される。冷却手段は、炉内雰囲気を炉外で所定の測定温度に冷却する。露点センサは、冷却手段によって冷却された炉内雰囲気の露点温度を測定する。温度センサは、炉内の温度を測定する。調節器は、炉内雰囲気に対するエンリッチガスの導入量を調節する。制御手段は、露点センサ及び温度センサの測定結果から炉内雰囲気のＣＰを算出し、算出したＣＰに基づいて調節器によるエンリッチガスの導入量を増減させる。
【０００８】
冷却手段及び露点センサは、例えば、炉内雰囲気の排気経路を構成する排気管中に順に配置される。冷却手段及び露点センサは、排気管に設けた分岐管に配置することもできる。
【０００９】
また、排気経路中の冷却手段と露点センサとの間には、炉内雰囲気中の塵埃を除去するフィルタがさらに備えられる場合がある。
【００１０】
この発明の浸炭装置では、炉内で所定の浸炭温度に昇温されて浸炭処理に用いられる炉内雰囲気が、炉外で所定の測定温度に冷却された後に露点センサによる露点温度の測定を受ける。測定された露点温度と炉内温度とから算出された炉内雰囲気のＣＰに基づいて炉内雰囲気に導入されるエンリッチガスの量が増減される。
【００１１】
したがって、炉内雰囲気は、浸炭温度から測定温度まで急冷されることで反応が凍結し、炉内での組成が保たれたままの状態で露点温度の測定を受ける。浸炭処理に用いられている状態の炉内雰囲気の露点温度が誤差なく測定され、正確なＣＰが算出される。そして、正確なＣＰに基づく適正な量のエンリッチガスが炉内に導入される。
【００１２】
冷却手段及び露点センサを排気管の排気経路中に順に配置することで、露点温度を測定するためのサンプリングパイプが不要になる。
【００１３】
また、フィルタを排気経路中の冷却手段と露点センサとの間に配置することで、炉内雰囲気の露点温度が、塵埃の影響を受けることなく正確に測定される。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の浸炭装置によれば、浸炭処理に用いられている炉内雰囲気の露点温度を誤差なく測定することができ、正確なＣＰに基づく適正な量のエンリッチガスを炉内に導入することができる。これによって、被処理品の適正な品質を確保及び維持することができる。
【００１５】
また、冷却手段及び露点センサを排気管の排気経路中に順に配置することができ、露点温度を測定するためのサンプリングパイプを別途備える必要がなく、測定の応答性がよくなることに加え、装置の構成を簡略化することができる。
【００１６】
さらに、フィルタを排気経路中の冷却手段と露点センサとの間に配置することができ、炉内雰囲気の露点温度をより正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、この発明の実施形態に係る浸炭装置の概略の構成を示す図である。浸炭装置１０は、炉１、ヒータ２、ファン３、導入管４、排気管５、ガスクーラ６、フィルタ７、露点センサ８、温度センサ９、制御部１１、供給管１４、モータバルブ１５を備えている。
【００１８】
炉１は、内部に浸炭処理を施されるべき被処理品２０を収納する。ヒータ２は、炉１内の温度を例えば９３０℃程度の浸炭温度に昇温する。ファン３は、炉１内の雰囲気ガスを撹拌して均一化する。導入管４は、炉１内に浸炭用のキャリアガスにエンリッチガスを混合した浸炭性雰囲気ガスを導入する。キャリアガスとしては、例えば、ＲＸガスが用いられる。エンリッチガスとしては、例えば、メタンガス、ブタンガス又はエタンガス等の炭化水素ガスが用いられる。
【００１９】
排気管５は、炉１内の雰囲気ガスを外部に排出する際の排気経路を構成する。ガスクーラ６、フィルタ７及び露点センサ８は、排気管５が構成する排気経路に沿ってこの順に配置される。ガスクーラ６は、この発明の冷却手段に相当し、炉１内から排気管５内に排出された雰囲気ガスを、雰囲気ガスの露点温度以上で、かつ露点センサ８の耐熱温度（例えば６０℃程度）以下の範囲内の温度（以下、測定温度という。）に冷却する。フィルタ７は、排気管５内を流れる雰囲気ガスの塵埃を除去する。露点センサ８は、排気管５内で測定温度に冷却された後に塵埃を除去された雰囲気ガスの露点温度を測定する。
【００２０】
図２は、この発明の別の実施形態に係る浸炭装置の要部の構成を示す図である。この実施形態の浸炭装置２１では、排気管５の一部に排気管５よりも小径の分岐管５１を備え、この分岐管５１にガスクーラ６１、フィルタ７１及び露点センサ８をこの順に配置している。分岐管５１には、図示しない排気吸引手段が設けられており、排気管５内の雰囲気ガスの一部を分岐管５１内に導く。
【００２１】
分岐管５１内を流れる雰囲気ガスの流量は排気管５内の流量よりも少ないため、ガスクーラ６１及びフィルタ７１の容量を小さくすることができ、コストダウンを図ることができる。
【００２２】
温度センサ９は、炉１内の雰囲気ガスの温度を測定する。供給管１４は、導入管４に接続されている。モータバルブ１５は、この発明の調節器に相当し、供給管１４及び導入管４を経由して炉１内に供給するエンリッチガスの供給量を調節する。
【００２３】
制御部１１は、演算部１２及び調節部１３を備えている。演算部１２には、露点センサ８及び温度センサ９の測定結果が入力される。演算部１２は、露点センサ８が測定した雰囲気ガスの露点温度に基づいて炉１内の雰囲気ガスの水分量を求める。なお、雰囲気ガスの水分量は露点センサ８から直接出力される場合もある。さらに、この水分量と炉１内の雰囲気ガスの温度とに基づいてＣＰを算出し、算出したＣＰを調節部１３に出力する。
【００２４】
演算部１２は、ＣＰを一例として、
ＣＰ＝Ａｓ（Ｋ３／Ｋ１）（ＰH2・ＰCO／ＰH2O ）・・・（１）
によって算出する。上記１式において、Ｋ１は反応［Ｃ＋ＣＯ2 ＝２ＣＯ］の平衡定数、Ｋ３は反応［ＣＯ2 ＋Ｈ2 ＝ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ］の平衡定数、Ａｓは被処理品２０の温度センサ９によって測定された温度におけるオーステナイトの飽和カーボン濃度、ＰH2及びＰCOは雰囲気ガス中の水素と一酸化炭素との分圧、ＰH2O は雰囲気ガス中の水分量（水蒸気分圧）である。
【００２５】
雰囲気ガス中の水素と一酸化炭素との分圧ＰH2，ＰCOは、キャリアガスの組成から既知である。炉１内の雰囲気温度におけるオーステナイトの飽和カーボン濃度Ａｓは、既知である。雰囲気ガス中の水分量ＰH2O は、露点センサ８が測定した露点温度から求められる。平衡定数Ｋ１，Ｋ３は、温度センサ９が測定した雰囲気ガスの温度から周知の計算式によって求められる。したがって、雰囲気ガスの露点温度を露点センサ８で測定し、炉１内の雰囲気ガスの温度を温度センサ９で測定することで、雰囲気ガスのＣＰを算出できる。
【００２６】
露点センサ８が露点温度を測定する雰囲気ガスは、炉１内から排気管５内に排出された直後にガスクーラ６によって雰囲気ガスの露点温度以上で、かつ露点センサ８の耐熱温度（例えば６０℃程度）以下の測定温度に冷却され、雰囲気ガスの反応が凍結する。このため、炉１内の雰囲気ガスは組成が殆ど変化していない状態で露点センサ８の配置位置に達する。露点センサ８は、炉１内に存在している状態の雰囲気ガスの露点温度を正確に測定することができる。
【００２７】
これによって、図３に示すように、酸素濃度又は二酸化炭素濃度の測定結果を用いて算出した場合に比較して、露点センサ８が測定した露点温度に応じた水分量を用いてＣＰを正確に測定することができる。
【００２８】
調節部１３は、演算部１２から入力されたＣＰが、例えば、０．８％である設定値に一致するように、モータバルブ１５によるエンリッチガスの供給量を調節する。演算部１２から調節部１３に入力されるＣＰは上述のように炉１内の雰囲気ガスのＣＰを正確に掲出した値であるため、調節部１３がエンリッチガスの供給量を調節することによって炉１内の雰囲気ガスのＣＰを正確に設定値に一致させることができる。
【００２９】
この結果、炉１内で被処理品２０に対して適正な浸炭処理を施すことができ、被処理品２０の適正な品質を確保及び維持することができる。
【００３０】
上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施形態に係る浸炭装置の概略の構成を示す図である。
【図２】この発明の別の実施形態に係る浸炭装置の要部の構成を示す図である。
【図３】露点センサ８が測定した露点温度に応じた水分量を用いてＣＰを測定した結果と酸素濃度及び二酸化炭素濃度の測定結果を用いて算出した場合との比較を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  炉
２  ヒータ
３  ファン
４  導入管
５  排気管
６  ガスクーラ
７  フィルタ
８  露点センサ
９  温度センサ
１０  浸炭装置
１１  制御部
１２  演算部
１３  調節部
１４  供給管
１５  モータバルブ
２０  被処理品
５１  分岐管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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