(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスによる等温保持室を核にして、その前後に加熱炉やガス冷却炉を接続し、金属を効率的にガス焼入れできる連続式金属熱処理システムを提供する。【解決手段】加熱室２に次いで予備冷却室３を連続的に設け、ここで等温保持の目標温度近くまでガスで冷却してから等温保持室４へ移す。予備冷却室３の炉直径を大径に形成し、放射量を大とする。これらにより等温保持室４の冷却負荷を減少させて、総合的に冷却速度を速くし、かつ制御容易とする。等温保持の最終温度誤差を±３〜５℃以内にできる。等温保持室の循環路の冷却方式は、分岐するか、又はしないかにより２種ある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱ワークを金属変態点温度直上の中間温度に調節したガス雰囲気中で等温保持する等温保持室を備え、前記等温保持室の前段には、前記ワークを焼入れ温度に加熱する加熱室又はガスの吹付けにより加熱ワークを次段の等温保持室に与えるまでに可能な限りの予備冷却をする予備冷却室を設け、さらに前記等温保持室の後段には、等温保持した後のワークを常温以下の温度に急冷するガス冷却室を設け、各室を開閉可能な扉を介して連続的に接続すると共に、ワークを各室に連続的に流し、各室で独立した熱処理を与えることを特徴とする連続式金属熱処理システム。
【請求項２】
前記予備冷却室は、放射熱放散量を拡大するために、他室に対し大径に形成されることを特徴とする請求項１記載の連続式金属熱処理システム。
【請求項３】
前記等温保持室には、該室の一部から吸引したガスを再度内部へ出力する循環路が付属され、該循環路は２分岐され、一方の分岐管はそのままで他の分岐管には常温冷媒を用いたクーラが配置され、両分岐管の合流点の手前又は後にはガス循環用のファンが配置され、両分岐管の一方又は両方には各分岐管を流れるガスの流量制御のための弁が介在され、
少なくとも等温保持の折には、前記合流点以後の温度が前記等温保持のための目標温度となるよう前記ファンの風量及び前記弁の開度等を調節するコントローラが設けられることを特徴とする請求項１記載の連続式金属熱処理システム。
【請求項４】
前記等温保持室には、該室の一部から吸引したガスを再度内部へ出力する循環路が付属され、前記循環路によって形成される循環路の途中には、前記循環風を加熱するヒータと、前記循環路中を通過する循環風全体を冷却するクーラとが設けられることを特徴とする請求項１記載の連続式金属熱処理システム。
【請求項５】
前記クーラは、水冷又は空冷の冷媒コイルないしチューブを用いて形成され、該コイルないしチューブは前記循環路中に配置されるか又は前記循環路を構成する管路外周に巻回されて構成されることを特徴とする請求項４記載の連続式金属熱処理システム。
【請求項６】
前記クーラは、循環路途中に設けた細管部を空冷するものであることを特徴とする請求項４記載の連続式金属熱処理システム。
【請求項７】
前記クーラは、前記循環路途中の管路中に配置された冷媒チューブと、このチューブ内を通過する冷媒を循環させるポンプと、前記冷媒を外部で冷却する冷却装置とで構成されることを特徴とする請求項４記載の連続式金属熱処理システム。
【請求項８】
前記循環路の少なくとも入力端には、前記等温保持の運転開始の際の高温突入ガスを前記中間温度に冷却緩和する熱容量接触材が配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の連続式金属熱処理システム。
【請求項９】
前記熱容量接触材は、形状形成されたカーボンであることを特徴とする請求項８記載の連続式金属熱処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近年開発されたガスにより等温保持を行う等温保持室を核として、加熱室、等温保持室、冷却室等を連続的に接続し、加熱された金属被熱処理物（以下、ワークと称す）を前記金属の変態点温度直上の温度に温度調節した不活性ガスを用いて等温保持し、その後常温以下の温度のガスで焼入れ処理することができる連続式金属熱処理システムに関する。特に、金属をガスのみで等温保持しつつガス焼入れできるようにすると共に、連続式とすることにより効率化を図ったものである。
【背景技術】
【０００２】
金属の焼入れ方法としては、焼入れ開始温度に予熱したワークを一気に常温まで冷却し、その後焼戻す通常焼入れの他に、等温熱処理法と称し、Ｓ曲線（Ｔ，Ｔ，Ｔ曲線）で定められる中間温度で一定時間等温保持し、その後室温に向けて急冷するオーステンパ、マルテンパ、マルクエンチ等が知られている。特開２０００−１２９３６１号公報（鋼製あるいは鋳鉄製部品の熱処理方法）には、ワークをオーステナイト温度に加熱し、次いでマルテンサイト開始点まで急冷し、ベイナイトに部分変態するまで塩浴を用いて等温保持し、その後室温まで冷却し、その後さらに焼戻す等により部品の寸法安定性を著しく改良できることが示されている。
【０００３】
従来、等温保持による熱処理は、塩浴を用いて行われていた。この場合、焼入れには、１５０〜５５０℃の低温用、５７０〜９５０℃の中温用、１０００〜１３００℃の高温用等の塩浴が用いられる。塩浴材としては、ＫＮＯ２やＫＮＯ３とＮaＣｌとＬｉＣｌ又はＫＣｌの混合物等が温度別に区分されて使用されている。
【０００４】
塩浴は、その使い方を如何にしようとも、塩浴内にワークを浸漬し、冷却又は、等温保持しようとするものであるから、ワークの漬け込み及び引き上げの手段を必要とし、自ずと、作業性や作業環境に問題があるのみならず、処理に制限が生ずる。昇温オーステンパのように、２００℃へ急冷後、素早く２５０℃へ昇温して等温保持し、その後常温へ冷却しようとするような複雑工程にあっては、複数の塩浴が必要で、またワークを塩浴に対し移送する手段が必要で、装置が大掛かりで製品コストアップの原因となる。冷却後塩を取り除き、研磨する等の付帯作業も追加される。
【０００５】
近年、これら塩浴の使用による環境劣化の問題等から、ワークの冷却、特に焼入れを行うに際し、塩浴での冷却を避けてＮ２ガスやＡｒガス等の不活性ガスを用いて冷却、焼入れすることが行われている。例えば、特開平５−６６０９０号公報に示される真空炉では、耐圧性の炉本体内にワークを収納して１０００℃前後に加熱し、次いでの冷却を行うため、前記炉本体内に例えば５Ｂａｒの不活性ガスを導入し、該ガスをターボブロワーの作動により循環させ、前記熱処理品を比較的速やかに常温まで一気に冷却することができる。この真空炉は、内部に設置したワークを、徐熱、１次予熱、２次予熱、焼入れ温度への予熱、予熱温度での高温保持等の一連の加熱処理を行うヒータ等の加熱手段が設けられている。ワークに一連の予熱処理を施すと、次いで５ＢａｒのＮ２ ガスを吹込み、冷却し、焼入れ処理することができる。当該炉は、噴流炉とも称されている。
【０００６】
しかしながら、従来のガス焼入れ可能な噴流炉にあっては、予熱されたワークを常温へ向けて急冷でき、常温への焼入れ処理はできるものの、ガス自体の冷却を循環路中に直接配置した水冷管を用いて水冷で行っている関係から金属変態点温度の直上に定められる中間温度での等温保持は完全にはできず、オーステンパ、マルテンパ、マルクエンチ等等温保持を必要とする熱処理はできなかった。
【０００７】
上記噴流炉を用いて、等温保持を試みた例はある。特開２０００−１２９３４１号公証（低歪み焼入れ方法）では、冷却ガスの流量と焼入れ炉内のガス圧力の内少なくとも一方を一時的に低下させ、あるいは冷却の際に被冷却部材の設置される環境を一時的に加熱し、等温保持し、マルテンサイト変態に伴う歪みを制御しようとしている。また、特開２００５−６０７６０号公証（ガス冷却による焼入れ方法）では、ワークの冷却速度を低下させることによって、マルテンサイト変態開始温度の近傍であってマルテンサイト変態開始温度より高い温度以上において保持するための段階を有し、この間等温保持することを試みている。
【０００８】
しかしながら、特開２０００−１２９３４１号公報及び特開２００５−６０７６０号公報等で示される低歪焼入れ方法では、等温保持により低歪となることは示されているけれども、従来噴流炉を用いては等温保持の温度制御がうまく行かず、結局それを実施できないという問題点があった。因みに、ガス流量を低下させて等温保持すると、ワークの位置によって激しい温度差（１００℃以上）が生じ、冷却風によってのみしか制御できないので、最早、制御不能の域になる。等温保持の時点を正確には保持できず、少なくとも緻密な制御はできない。
【０００９】
以上の如き課題を解決すべく、本発明者等は、国際公開WO 03/08 0876 A1（ホットガス焼入れ装置及びホットガス熱処理システム）を示し、乾式ガスにより等温保持可能な装置システムを開発した。これは、１つには等温保持用の循環路を設け、循環炉を第１（高温用）及び第２（低温用）の２つの流路に分岐し、低温用の流路には前記噴流炉にも用いられている常温冷却用のクーラを設け、両流路に備えた制御窓の開度調節をしつつ前記第１及び第２流路の終端位置に備えたミキサ出力温度を中間温度に制御する基本型のホットガス焼入れ装置等が示されている。また、１つには循環路中に多量の熱容量接触材を蓄熱し、この接触材を主体として等温保持できるルツボ型のホットガス焼入れ装置が示されている。これらホットガス焼入れ装置によれば、任意の制御目標温度を設定し、炉中に加熱ワークを投入することにより、１００〜５００℃の間で任意に定めた中間温度に冷却し、完全な等温保持をすることが可能である。そして、その後、同炉又はこれに接続した別のガス急冷室に投入することより常温以下の温度に向けてガス急冷することもできる。
【特許文献１】特開２０００−１２９３６１号公報、第１頁、図３
【特許文献２】特開平５−６６０９０号公報、第１頁、図１
【特許文献３】特開２０００−１２９３４１号公報、第１頁、図１
【特許文献４】特開２００５−６０７６０号公報、第１頁、図３
【特許文献５】ＷＯ ０３／０８  ０８７６  Ａ１号公報、第１頁、図１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、既に公開したホットガス焼入れ装置の改良に係り、等温保持室の前後に加熱室や予備冷却室、或いは冷却室を連続的に接続することにより、等温保持室の制御、特に等温保持室に備えた循環路を流れる不活性ガスの流量及び温度を適切に制御しながら、高精度で、効率良く、連続的に焼入れ処理できる連続式金属熱処理システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決することができる本発明の連続式金属熱処理システムは、加熱ワークを金属変態点温度直上の中間温度に調節したガス雰囲気中で等温保持する等温保持室を備え、前記等温保持室の前段には、前記ワークを焼入れ温度に加熱する加熱室又はガスの吹付けによるワークを予備冷却する予備冷却室を設け、後段には、等温保持した後のワークを常温以下の温度に急冷するガス冷却室を設け、開閉可能な扉を介して各室を連続的に接続すると共に、ワークを各室に連続的に流し、各室で独立した熱処理を与える連続式金属熱処理システムである。
【００１２】
等温保持室の基本構造について示すと、前記等温保持室には、該室の一部から吸引したガスを循環させ再度内部へ出力する循環路が付属され、該循環路は吸引端が２分岐され、一方の分岐管はそのままで他の分岐管には常温冷媒を用いたクーラが配置され、両分岐管の合流点の手前又は後にはガス循環用のファンが配置され、両分岐管の一方又は両方には各分岐管を流れるガスの流量制御のための弁が介在され、少なくとも等温保持の折には、前記合流点以後の温度が前記等温保持のための目標温度となるよう前記ファンの風量及び前記弁の開度等を調節するコントローラを設ける。
【００１３】
上記構成の連続式金属熱処理システムでは、予備冷却室では、１０００℃前後に加熱されたワークを５００℃近くまで冷却した上で等温保持室へ送ることができ、等温保持室は比較的軽い負荷で等温保持すればよく、等温保持の品質向上を図ることができる。予備冷却室は文字通り予備的な冷却をするものでよく、例えば低温Ｎ２ガスを吹付けたり、或いは低温高圧Ｎ２ガスを循環させて吹付ける等で良い。予備冷却室を他室に対し大径に形成することにより、放射熱の放散量を大とし、少ないＮ２ガスにて効率的な均一冷却が可能となる。低温Ｎ２ガスを無闇に吹付けると過冷却する可能性が生じる。ここでの過冷却とは、ワークの表面温度が等温保持の目標温度より相当下に冷却されることをいう。従って、予備冷却ではこの過冷却が生じない範囲で行うものとする。
【００１４】
等温保持室の構成について示すと、これには大まかに分けて２種の方式のものがある。１つは、循環路を２分岐し、一方の循環路を水冷又は空冷装置等のクーラにより冷却し、各分岐路のガス通過量を弁開度で制御するというものである。他の１つは、循環路を分岐せず、管路を流れるガスを所要熱量分だけ冷却するというものである。まず、循環路を２分岐する方式について示すと、前記等温保持室には、該室の一部から吸引したガスを循環させ再度内部へ出力する循環路が付属され、該循環路は２分岐され、一方の分岐管はそのままで他の分岐管には常温冷媒を用いたクーラが配置され、両分岐管の合流点の手前又は後にはガス循環用のファンが配置され、両分岐管の一方又は両方には各分岐管を流れるガスの流量制御のための弁が介在され、少なくとも等温保持の折には、前記合流点以後の温度が前記等温保持のための目標温度となるよう前記ファンの風量及び前記弁の開度等を調節するコントローラが設けられる。この方式によれば、循環路を２分岐して一方の管路を従来噴流炉同様に水冷できるので、多大な熱負荷、例えば１００万kcal／時であっても容易迅速に等温保持温度まで冷却できる。
【００１５】
循環路を２分岐しない方式としては、前記等温保持室には、該室の一部から吸引したガスを循環させ再度内部へ出力する循環路が付属され、前記循環路によって形成される循環風路の途中には、前記循環風を加熱するヒータと、前記循環風を常温冷媒を用いて冷却するクーラとが設けられる。クーラを除いて自然放熱によってのみ処理する方法も考えられるが、それはほとんど不可能である。何故なら、例えば５００kgのワークを１０分間で２００℃降下させなければならないとき、その熱量は約５万kcalで、少なくとも１時間当り１０〜３０万kcal程度の冷却能力が必要であり、これを管路の自然放熱のみで補うのは困難である。
【００１６】
循環路を２分せず等温保持温度まで冷却する方式としては、前記クーラを、水冷又は空冷の冷媒コイルないしチューブを用いて形成し、該コイルないしチューブを前記循環路中に配置するか又は前記循環路を構成する管路外周に巻回し構成する等による。循環路途中に設けた細管部を空冷するものであっても良い。前記循環路途中の管路中に配置された冷媒チューブと、このチューブ内を通過する冷媒を循環させるポンプと、前記冷媒を外部で冷却する水冷装置とで構成しても良い。
【００１７】
いずれの循環路方式にあっても、前記循環路の少なくとも入力端には、カーボン等による熱容量接触材を配置することが望ましい。接触材の配置により、循環路中のガスの温度を常時一定化することができ、等温保持の制御を容易化できる。
【発明の効果】
【００１８】
加熱ワークを金属変態点温度直上の中間温度に調節したガス雰囲気中で等温保持する等温保持室を備え、前記等温保持室の前段には、前記ワークを焼入れ温度に加熱する加熱室又はガスの吹付けによって加熱ワークを次段の等温保持室に与えるまでに可能な限りの予備冷却をする予備冷却室を設け、さらに前記等温保持室の後段には、等温保持した後のワークを常温以下の温度に急冷するガス冷却室を設け、各室を開閉可能な扉を介して連続的に接続すると共に、ワークを各室に連続的に流し、各室で独立した熱処理を与えることを特徴とする連続式金属熱処理システムであるので、予備冷却室で等温保持の温度近くになるまで急冷でき、等温保持の負荷を少なくして迅速に等温保持の目標温度に平衡させることができる。
【００１９】
前記予備冷却室は、放射熱放散量を拡大するために、他室に対し大径に形成するので、迅速均一に等温保持温度近くまで冷却することができる。
【００２０】
前記等温保持室には、該室の一部から吸引したガスを循環させ再度内部へ出力する循環路が付属され、該循環路は２分岐され、一方の分岐管はそのままで他の分岐管には常温冷媒を用いたクーラが配置され、両分岐管の合流点の手前又は後にはガス循環用のファンが配置され、両分岐管の一方又は両方には各分岐管を流れるガスの流量制御のための弁が介在され、少なくとも等温保持の折には、前記合流点以後の温度が前記等温保持のための目標温度となるよう前記ファンの風量及び前記弁の開度等を調節するコントローラを設ける場合には、等温保持室での冷却負荷が大であっても容易に対応でき、目標温度への追従性を向上でき、正確に温度コントロールできる。
【００２１】
等温保持室を冷却するためのクーラを、前記循環路途中の管路中に配置された空気等による冷媒チューブと、このチューブ内を通過する空気等の冷媒を循環させるポンプと、前記冷媒を外部で冷却する水冷装置とで構成すれば、簡易構成にして等温保持を正確に実現することができる。
【００２２】
循環路の少なくとも入力端には、前記等温保持の運転開始の際の高温突入ガスを前記中間温度に冷却緩和する熱容量接触材を配置すれば、循環ガスの温度を等温保持の温度にし、温度の均一化を図ることができ、制御容易とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しつつ本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１〜図６は、本発明を実施するのに用いる連続式金属熱処理システムの説明図である。
【００２４】
図１は、前室１、加熱室２、予備冷却室（第１冷却室）３、等温保持室４、冷温ガス冷却室（第２冷却室）５を直列接続して成る連続式金属熱処理システム６を示す側断面図である。図２は、図１の等温保持室４に付属される循環路７の側面図で、炉体部分についてはＦ２−Ｆ２線に沿った断面図で示してある。図３は図２の循環路７部分の平面図である。図４は、図１〜図３で示したシステム６の制御説明線図である。
【００２５】
図１において、本発明の一実施形態に係る連続式金属熱処理システム６は、循環路７を備えたガス式等温保持室４を核として、前部に加熱室２及び予備冷却室３を備え、後部に冷温ガス冷却室５を備えている。加熱室２の前部には前室１を配置し、全体として、前室１、加熱室２、予備冷却室３、等温保持室４、冷温ガス冷却室５の順で、ワークＷを順次流し、熱処理する構成である。ワークＷの移送のためには、ローラコンベアＲが設けられている。
【００２６】
加熱室２は、ワークＷを加熱する真空加熱炉である場合と、加熱ワークＷに浸炭処理を行う浸炭加熱炉の場合がある。浸炭加熱炉の場合には、加熱ヒータの他に、プロパンガス等や滴注剤の注人装置やそれらの排ガスを燃焼排気する補助設備等が設けられる。他の浸炭加熱炉で浸炭処理したワークＷを再加熱して浸炭焼入れすることもある。
【００２７】
前室１は、ワークＷを加熱室２へ供給するために、常圧又は負圧でワークＷを保持するもので、前方に負圧対応用の扉装置８を有する。
【００２８】
加熱室２は、真空状態でワークＷを１０００℃前後、即ち８２０〜１２５０℃に加熱するもので、前後方向には、夫々扉装置９、１０を有し、かつ加熱用ヒータ１１と、図示省略の電気トランスを有する。後部の扉装置１０は、次段の予備冷却室３の扉を同時作動させる形のものとなっている。
【００２９】
予備冷却室３は、１０００℃前後に加熱されたワークＷを受入れて、冷却ガス吹出口１１より３〜７bar或いはそれ以上の圧力のＮ２ガスを吹付け、ワーク温度を等温保持の温度、例えば３００℃近くまで冷却してから次段の等温保持室４へ送るものである。Ｎ２ガスを吹付けるだけの構成で示すが、実際には等温保持室４と同様の循環路を設け、循環ガスの温度を冷却しながら、又は制御しながらワークＷの予備冷却を行う。予備冷却での必要条件は、ワークＷを急冷することと、冷却しすぎないことである。例えば、直径５cmのワークＷに２０℃のＮ２ガスを吹付けたとき、その表面温度が５分間で３００℃になったとする。この場合、内部の温度は、それより高く、例えば４００℃であろう。この場合、このワークＷに対しては、５分間より小さい４分間だけＮ２ガスの吹付けが可能である。このようにして、ワークＷに過冷却を与えない範囲で急冷する。
【００３０】
予備冷却室３での急冷効果を高めるため、炉本体の直径３Ｄを通常のものに対し２０〜３０％大とし、放熱空間を広くしてある。これにより、ワークＷの放射量を大とし、冷却ガスの吹付け量を少なくすることができる。また、冷却ガスによる冷却と異なり、ワーク全体からの放射熱の放熱であるので、冷却が均一化されて、過冷却を与えてしまう恐れが少なくなる。
【００３１】
等温保持室４は、入力されたワークＷを変態点温度に関連して定める等温保持の温度、例えば３００℃に保持するのみならず、予備冷却室３から入力されたワークＷを等温保持の温度まで冷却する機能を備えている。
【００３２】
図２及び図３に示すように、本例の等温保持室４は、外部に循環路７を有する。本例の循環路７は、交互通風可能に構成されている。
【００３３】
等温保持室４の側面には一対の窓１２、１３が開設され、その内部には整流板１４が配置されている。各窓１２、１３には、上方に立ち上がる立ダクト１５Ｒ、１５Ｌが夫々立設され、そのダクト１５Ｒ、１５Ｌには一対の平行ダクト１６、１７が接続されている。接続口には、通風方向変更のためのバタフライ弁１８、１９が配置されている。各平行ダクト１６、１７の夫々の中央には、吸引ダクト２０又は吐出ダクト２１が夫々接続されている。吸引ダクト２０は、夫々バタフライ弁２２、２３を介して第１、第２の分岐管２４、２５に分岐され、第２の分岐管２５には水冷管を備えたクーラ２６が配置されている。クーラ２６は一般的な噴流炉と同様の水冷管で構成されている。空冷も可能であるが、水冷の方が実用的である。両分岐管２４、２５の合流点２６Ｓは、単に管を接合しただけの構造とすることもできるが、機能的には両分岐管２４、２５から流入された異なる温度のガスを均一混合する役目を為す。このために、適宜整流板、撹拌板、撹拌ファン、金属又はカーボン材等による少量の熱容量接触材を配置することもある。
【００３４】
前記合流点２６Ｓに次いではファン２７が配置され、次いで補助ヒータ２８を介して前記吐出ダクト２１に接続されて、全体で循環路２を形成している。補助ヒータ２８や図示しない管路の他のヒータは、初期において、循環路２内の温度を調節するだけのもので、等温保持の作動中はほとんど作動することはなく、比較的小容量のものでよい。補助ヒータ２８は、等温保持室３内に設けることも可能であり、配管回りに設けることもできる。循環路７には保温材２９が施されている。
【００３５】
さらに、本実施形態の連続式金属熱処理システム６では、循環ガスの入力端、即ち立ダクト１５Ｒ、１５Ｌの一部分に熱容量コンデンサＴＣＣが設けられ、ここにはカーボンによる熱容量接触材ＴＣが収納されている。ステンレス鋼材で構成される管路自体も熱容量を有するが、ここでのカーボンＴＣは、通過するガスとの間で迅速に熱交換できる構成とする。因みに、ワークＷを１トン処理できる炉の循環路の管路の重量は、管路直径３００〜４５０mmで５００kg〜１トンであり、カーボンＴＣの量もこれと同量の５００kg〜１トンを用いるのが目安である。
【００３６】
以上の構成の等温保持室３において、バタフライ弁１８、１９の切換えを行うことにより、循環流３０の流れ方向を切換えることができる。即ち、ワークＷの右方向から又は左方向から等温保持の温度に調節された温度のＮ２ガス等不活性ガスを吹き付けることができる。整流板１４に代え多数の細管によるディストリビュータを配置することもできる。
【００３７】
不活性ガスを等温保持のための温度、例えば３００℃に調節する方式を示すと、ワークＷに吹付けられた後の不活性ガスは窓１２又は１３を介して吸引ダクト２０を通り、第１及び第２の分岐管２４、２５に流入する。
【００３８】
第１及び第２の分岐管２４、２５に流入されるガス量は、コントローラ３１の制御により、バタフライ弁２２、２３の開度が調節制御される。弁開度調節制御の基本的なやり方で示すと、コントローラ３１は、例えばファン２７の後に取り付けた温度センサ３２の検出信号に応じ、検出温度が３００℃より高いときは、クーラ２６側の弁２３をより大きく開け、３００℃より低いときは、同弁２３を閉じる方向で弁開度を調節制御する。温度センサの取り付位置は、これらに限定されない。実際には、初期に多量の高温熱風が発生する関係で、弁の開度を見込み量からスタートする等の特別の制御方式が工夫されねばならない。
【００３９】
流量調節用のバタフライ弁２２、２３は、両者連動し、一方が開くと一方が閉じ、一方が閉じるときは他方が開くようにする。また、開度は１％以下の精度で微調整が可能であり、この調整はフィードバック機能の付いたモータバルブ等で制御される。理解を容易にするためには、弁開度は冷却風を流す第２分岐管２５の弁開度で示すべきである。即ち、弁開度１００％は第２分岐管２５を流れる風が１００％であり、出力温度はクーラ能力で定まる温度、例えば１００℃以下の温度となる。逆に、弁開度０％では、入力ガスはそのまま出力される。弁２２、２３はバタフライ弁の例で示したが、これに限定されない。また、分岐路２４、２５の分岐方式もこれに限定されない。要するに、循環風の一部を冷却し、再混入して温度調節される構成とされている。
【００４０】
等温保持室３での冷却開始時には、ファン２７が回転し、循環流３０がワークＷに吹き付けられ、ガス温度が上昇して立ダクト１５Ｒ又は１５Ｌ、次いで吸引ダクト２０に流入する。このときの上昇温度は極初期において例えば＋１００℃程度であろう。この温度は循環風の在り方、ワーク重量等によって大きく変化する。この温度上昇を伴った突入ガスの温度を緩和するため、立ダクト１５Ｒ、１５Ｌ、又は及び窓１２、１３吸引ダクト２０、等の循環路中に、熱量吸収緩和のための熱容量接触材ＴＣを介在させている。熱容量接触材ＴＣとしては、鉄球、鉄管、又はカーボン材等で構成され、ガスと接触して熱交換し、通過ガスの温度を予め定めた等温保持の温度、つまりは熱容量接触材ＴＣの温度とするものである。循環ガスを熱容量接触材ＴＣと接触させることにより、突入ガスの温度を緩和し、温度ムラを無くすることができる。つまりは、その分弁開度を調節し易くすることができる。熱容量接触材ＴＣの量は、ワーク重量の倍率で、０．３〜１倍程度の範囲で定める。
【００４１】
ワークＷは、等温保持の初期において、例えば８２０〜１２５０℃にあるので、その約半量を予備冷却室３で取り除いた後に、等温保持室４でも等温保持までの温度にするのに冷却が必要で、クーラ２６がその熱量を吸収する。この間、加熱を目的としてはヒータ２８を作動することはほとんどない。最初の加熱ガスの供給時や等温保持の最終段階で目標温度以下に冷却されるのを防止するとき等に作動される。
【００４２】
再度図１において、等温保持室３と冷温ガス冷却室５との間には、同時動作で扉を開閉する扉装置３３が設けられている。冷温ガス冷却室５の後部には、ワーク取出し用の扉装置３４が設けられている。予備冷却室３と等温保持室４との間には扉装置３６が設けられている。
【００４３】
冷温ガス冷却室５には、不活性ガス噴出用のガス噴出口３５が設けられ、等温保持室４から送られてきたワークＷにマイナス温度、例えばマイナス５０℃の不活性ガスを吹付け、急冷焼入れすることができる。冷温ガス冷却室５は専らマイナス温度での急冷処理を行えば良く、等温保持室３は専ら等温保持すればよく、等温保持室４の機能構成を簡易なものとすることができる。因みに、等温保持室４で、マイナス温度への焼入れ処理まで行うと、等温保持室は＋３００℃から−５０℃へと温度の急変化を強いられ、耐火構造が相当複雑で、構成複雑となる。それが両者が役割り分担され、夫々構成簡易となっている。
【００４４】
以上の構成による連続式金属熱処理システム６の作用を図４を用いて説明する。説明の都合上、各室１、２と、予備冷却室３及び等温保持室４と、ガス冷却室５のタクトタイムｎｈを一定、例えば４時間であるとして説明する。ワークＷの流れに応じて、各室は、所要の不活性ガスの導入が行われるが、その詳細については説明を省略する。説明の都合より、冷却時の処理圧力は共に３Barであるとする。この圧力は任意に設定可能であり、かつ処理の途中で変更することも可能である。
【００４５】
図４に示すように、ワークＷは、前室１では室温（２０℃）に保持されているが、ここで１００〜６００℃程度まで予熱するのは構わない。加熱室２では、所定の予熱曲線に基いてワークＷを８２０〜１２５０℃まで昇温させる。ＴＳはワークＷの表面温度を、ＴＣはワークＷの中心温度を示す。
【００４６】
図１の扉装置１０を開き、ワークＷを予備冷却室３へ搬送し、扉装置１０を閉じる。次いで、Ｎ２ガスをガス吹出口１１より吹出す。吹出口１１から吹出されるＮ２ガスは新鮮なものであってもよく、等温保持室４やガス冷却室５での使用済みのものであっても良い。ガス冷却装置は図示しないが、従来噴流炉のように炉内ガスを循環させて冷却することもできる。
【００４７】
予備冷却室３での冷却は、無闇な冷却は過冷却によってワークＷを傷めるので、ワークＷの表面温度が金属変態点温度直上の温度、即ち等温保持の目標温度、例えば３００℃には触れないようにすることを基本条件とする。具体的には、テストピースを用いて所用条件下での冷却曲線を作り、最も冷却され易い部分であるワーク表面温度が、実際ワークＷの温度を検出しながら等温保持の目標温度より１００℃程度高い温度、例えば４００℃まで冷却される時間等として定める。より詳細には経験則による。この間、ガス圧、ガス流、ガス温度等種々変更可能である。本発明の予備冷却室３は、直径３Ｄとされ、大容量の放射冷却を可能としているので、Ｎ２ガスの圧力を余り高くしなくとも十分な冷却をすることができる。また、ガス流の接触の仕方に関係なく均一な冷却をすることができる。
【００４８】
予備冷却室３で予備冷却が終了すると、扉装置３６を開き、ワークＷを等温保持室４へ移送する。これまでに要する時間は、ワークＷにより異なるが、大概１０分前後である。極薄いワーク等ワークＷによっては、ほとんど素通りさせるようなこともある。
【００４９】
等温保持室４では、ワークＷを等温保持の目標温度まで冷却し、等温保持する。次のワークＷを受入れるときまでの炉室温は、等温保持の温度（ここでは例として）３００℃である。この温度は、制御目標温度を変えない限り常時一定である。扉装置３６を作動させ、予備冷却室３と同圧化し、ワークＷを入力する。扉装置３６を閉じ、等温保持処理する。ここでの受入れ方において、循環風を流したままとするか、循環風を一時停止するか等により制御内容が異なるが、ここでは循環風を一時停止しているものとする。
【００５０】
等温保持では、図２及び図３で示した循環路７の作動により、ワークＷに例えば３００℃の不活性ガス循環流（出力ガス）３０を交互に吹付け、ワークＷの冷却及び等温保持を行う。冷却熱量は、ワークＷの重量と、前の予備冷却室３での予備冷却のされ方により異なる。凡その状況を示すと、ワーク重量５００kgで、予備冷却室３で５００℃まで冷却されているとすると、約６万kcalの吸熱にて等温化できる。即ち、クーラ能力２５〜５０万Kcal/Hにて１０〜１５分で略等温化し、１５〜３０分程度の時間で完全等温化できる。ワークＷの重量が小さく、特に形状が薄い場合には、完全等温化までに要する時間を５分程度まで縮めることもできる。
【００５１】
図４の等温保持の曲線において、予備冷却で１０分間が必要であったとすると、残りタクト時間は３時間と５０分である。完全等温保持までに３０分必要であったとしてもまだ残り時間は十分有る。結局、ワークＷの表面温度ＴＳと中心温度ＴＣを一致させるには十分過ぎる位の時間が有る。この間、循環路７には一定温度のガス流３０を作ることができるので、その温度誤差±３〜５℃内で略完全な等温保持を行うことができる。
【００５２】
循環路７のファン２７の作動により、循環路７の入力端には瞬間的に５００℃に近い高温の突風が入り得るが、この高温突風は熱容量コンデンサＴＣＣで吸収できるので、ファン２７に高温の突風を与える恐れは無い。３００℃よりせいぜい５０℃程高い温度が瞬間的に流れるのみである。この間、弁開度を適切な値に保っておけば、ガス循環流３０は平均的に最終目標温度３００℃より高めに設定した目標温度、例えば３２０℃とすることができる。後は、この目標温度を３１０℃、そして３００℃へと変更して行けばよい。目標温度を変更するのは、初期の予測制御に伴う加冷却を防止するためであるが、これは本発明の必要条件ではなく、ノウハウ的な事項である。
【００５３】
等温保持室４でワークＷを冷却し、等温保持している間に、冷温ガス冷却室５でガス冷却が終了する。冷温ガス冷却室５では、この時刻でワークＷを取出し、次の冷却を待つことができる。一般に、加熱には２〜４時間を必要とするので、このタクトタイムの中で、等温保持、ガス冷却を順次やってゆく形となる。加熱室を２基設け、タクトタイムを半減し、順次連続処理する構成も可能である。
【００５４】
以上により、ワークＷは、前室１、加熱室２、予備冷却室３、等温保持室４、冷温ガス冷却室５を介して８２０〜１２５０℃のワークＷを５００℃位まで予備冷却し、次いで３００℃での等温保持を行い、次いで、−５０℃への焼入れを行うことができ、従来塩浴を用いなければ実現できなかった高品質の焼入れ処理を、不活性ガスのみで高効率に行うことが可能となった。ほとんど全自動で行うことができるので、作業性も良好である。等温保持の温度はその制御目標温度の変更により自由に設定できるので、各種金属、各種焼入れ方法に適用でき、汎用性が高い。
【００５５】
既に示したように、加熱室の所要時間を例えば４時間、等温保持の所要時間３０分、ガス冷却の所要時間３０分ならば、等温保持及びガス冷却には十分な時間的余裕がある。そこで、本発明の連続式金属熱処理システムでは、図５に示すように、ガス冷却室５で冷却後、さらに等温保持室４に戻して焼戻しし、次いでガス冷却室５で再冷却すること等ができる。この焼戻し及び再冷却により、鋼材硬度を確保しながら寸法精度を格別良好とすることができる。この場合には、等温保持室４のヒータを作動させ、加熱処理することが必要である。ここでも熱容量コンデンサＴＣＣの有効利用が図れる。
【００５６】
図６、図７は、等温保持室の他の構成例を示す説明図である。本例の等温保持室３７は、図２で示した等温保持室４と異なり、循環路３８を分岐していない。図２に示す部材と同一機能を果す部材には、同一符号を付けて示してある。
【００５７】
図６、図７において、立ダクトの１部には細管部４０が形成されている。この細管部４０は、冷却風空気循環路４３内に形成され、ファン４２の作動に伴って、水冷装置４１で冷却された空気の冷風を細管部４０回りに当て、ガス循環流３０を冷却するようになっている。細管部４０には適宜放熱フィンを設け、冷却能力の増加を図ることができる。細管部４０で構成される空冷装置３９Ａと水冷装置４１との全体でクーラ３９が構成されている。
【００５８】
図６、図７に示す冷却循環路４３では、ファン４２の作動により、立ダクト１５Ｌ内を通過するガス循環流３０を水冷装置４１で間接的に冷却することができる。ファン４２を停止すると、空気が加熱され空気循環路４３の圧力が増加するが、これは空気循環路４３に圧力調節弁、或いは排気口を設けておけば余剰圧を廃棄できる。そして、細管部４０は、例えば３００℃から空気温度、例えば１００℃となるが、水と異なり蒸発することもないので円滑に運転できる。
【００５９】
前記立ダクト１５Ｌ、１５Ｒの中間で上部には熱容量コンデンサＴＣＣが設けられ、その内部には形状加工されたカーボンＴＣが配置されている。詳細には、仕切り４４で区画された３分室に図８に示すところの形状加工されたカーボンＴＣが収納されており、その上部に蓋４５を有して、容易にメンテナンスできるようになっている。カーボンＴＣの形状は、筒状体に多数の細孔を明けた形とされており、筒状体の一端から流入されたガス流３０と熱交換する形である。
【００６０】
図６に示す等温保持室３７において、ガス循環流３０が流されると、クーラ３９を作動させ、ガス循環流３０の熱量を所望量だけ吸収し、常時循環ガス温度を目標温度、例えば３００℃にすることができる。突風的な誤差分の熱量はカーボンＴＣで吸収できる。空冷装置３９の吸熱量は、図７で示したファン４２の回転数Ｎで定めることができる。
【００６１】
ワークＷの冷却及び等温保持について示すと、図４の等温保持室４の作用と同様に、冷却開始と共にファン４２を作動させると、図３で示した弁開度の制御と同様に空冷装置３９Ａで熱量吸収することができる。図８に示すカーボンＴＣは常時目標温度に加熱されており、循環流３０を目標温度に近づけることができる。熱容量接触材ＴＣは、筒状化して、表面に多数の穴４６を明けているので、通風を阻害せず、円滑に熱交換できる。
【００６２】
循環路を分岐せずガス循環流３０を冷却する方式としては、立ダクト１５Ｌの回りに空冷用のコイルを巻き、放熱フィンを設け、或いは立ダクト１５Ｌ内に空冷用のチューブを配置する等の方式がある。水冷コイルを３００℃の管路に直接当てると水が蒸発するので、このような場合は油など蒸発しない液とすることができる。いずれの場合でも、予備冷却室３で予備冷却している場合には、冷却負荷は比較的小さいので、循環流３０から１時間当り１０万kcal程度の熱量を吸収できる構成とすることにより実用化できる。
【００６３】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変形して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態に係る連続式金属熱処理システムの側断面図である。
【図２】図１の循環路の右側面図で、炉体部分についてはＦ２−Ｆ２線に沿った断面図で示してある。
【図３】図２の循環路部分を拡大して示す平面図である。
【図４】図１〜図３で示したシステムの制御説明図である。
【図５】システムの他の制御説明線図である。
【図６】等温保持室の他の実施形態を示す説明図である。
【図７】図６のクーラの詳細を示す説明図である。
【図８】カーボンの形状加工例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  前室
２  加熱室
３、３７  予備冷却室（第１冷却室）
３Ｄ  予備冷却室の直径
４  等温保持室
５  冷温ガス冷却室（第２冷却室）
６  連続式金属熱処理システム
７、３８  循環路
８、９、１０、３３、３４、３６  扉装置
１１  ガス吹出口
１２、１３  窓
１４  整流板
１５（１５Ｒ、１５Ｌ）  立ダクト
１６、１７  平行ダクト
１８、１９、２２、２３  バタフライ弁
２０  吸引ダクト
２１  吐出ダクト
２４  第１分岐管
２５  第２分岐管
２６、３９  クーラ
２６Ｓ  合流点
２７、４２  ファン
２８  補助ヒータ
２９  保温材
３０  ガス循環流
３１  コントローラ
３２  温度センサ
３５  噴出口
３９Ａ  空冷装置
４０  細管部
４１  水冷装置
４３  空気循環路
４４  仕切り
４５  蓋
４６  穴
Ｗ  ワーク
ＴＣＣ  熱容量コンデンサ
ＴＣ  カーボン
ＴＳ  ワークの表面温度
ＴＣ  ワークの中心温度
Ｒ  ローラコンベア
ｔ１  内部の変態点到着時間
ｔ２  参照位置の変態点到着時間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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