(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導加熱炉の炉心管を構成するためのセラミックチューブであって、
比熱が２ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以下、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、見掛け気孔率が２％以下、ヤング率が１５０ＧＮ／ｍ2以上であるＳｉ3Ｎ4又はＳｉ−ＳｉＣからなることを特徴とするセラミックチューブ。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミックチューブにより炉心管を構成したことを特徴とする誘導加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、建設機械、電機製品、農業機械等の各種部品を、例えば鍛造（塑性）加工によって製造する際に、被加熱材であるビレット材等の鋼材を加熱するために使用される誘導加熱炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種機械部品を温熱間鍛造加工によって製造する際には、被加熱材であるビレット材が、予め、加熱炉によって加熱された後に、鍛造加工されるようになっている。このような鍛造加工用加熱炉としては、燃焼式加熱炉に替わって、誘導加熱炉が普及している。誘導加熱炉は、ビレット材が搬送される炉心管にコイルを巻回した構造をとり、当該コイルに通電することによって、炉心管内を搬送されるビレット材が電磁誘導加熱される仕組みとなっている。
【０００３】
誘導加熱炉の炉心管は、目的に応じて、実公平2-4120号公報、実公昭62-13722号公報に開示されたような単管構造、特開平10-272534号公報に開示されたような二重管構造等、種々の形状のものが用いられるが、これらの炉心管を構成する材質としては、熱効率を向上させ、強度を確保する観点から、高熱伝導率、高強度、高輻射率を有し、アルカリ、アルミニウム、炭酸ガス、酸化雰囲気等に対する耐磨耗性に優れる、炭化珪素質の耐火セラミックを使用することが好ましいとされている（特開平10-272534号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炉心管材料として炭化珪素質の耐火セラミックを用いた場合でも、▲１▼炉心管の熱特性が充分でないことに起因して加熱初期に不良が発生したり、▲２▼炉心管の耐食性、対衝撃性が不足しているために炉心管が腐食し、或いは破損する等の問題が生じる場合があり、未だ炉心管を構成する材料としての必要条件を充分に満足しているとは言えなかった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題を解決するためのものであって、その目的とするところは、炉心管材料として充分な熱特性を有し、耐食性、耐衝撃性が高いセラミックチューブ、及び加熱初期に不良が発生し難く、エネルギーのロスが少ない誘導加熱炉を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが上記従来技術の問題点について鋭意検討した結果、比熱、熱伝導率、見掛け気孔率、ヤング率の４特性が特定の範囲内にあるセラミックが炉心管材料としての必要条件を十分満足することを見出して本発明を完成した。
【０００７】
即ち、本発明によれば、誘導加熱炉の炉心管を構成するためのセラミックチューブであって、比熱が２ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以下、熱伝導率が７５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、見掛け気孔率が２％以下、ヤング率が１５０ＧＮ／ｍ2以上であるセラミックからなることを特徴とするセラミックチューブが提供される。
本発明のセラミックチューブは、金属Ｓｉ含有量が２〜３５重量％のＳｉ−ＳｉＣからなるものであることが好ましい。
【０００８】
更に、本発明によれば上記のセラミックチューブにより炉心管を構成したことを特徴とする誘導加熱炉が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、誘導加熱炉の一般的な構成について図面を参照しながら概説した上で、本発明のセラミックチューブについて詳細に説明する。
但し、本発明は図示の実施例に限定されるものではない。
【００１０】
図１は、誘導加熱炉の一般的な構成を示す縦断面図である。
誘導加熱炉は、炉心管内部を電磁誘導により加熱する加熱炉であって、例えば円筒状のビレット材等を鍛造加工するために用いられるものである。
【００１１】
図示の誘導加熱炉は、炉心管１１を外殻１４で固定してなる複数の加熱ブロック１０からなり、各加熱ブロック１０は、ビレット材２０を所定温度に加熱するために必要な長さになるように、所定の個数が並列されている。
また、各加熱ブロック１０は、ビレット材２０を連続的に送り込めるように炉心管１１開口部が一致するように、水平方向に並列されている。
【００１２】
炉心管１１は、図示の如くビレット材２０が送り込まれる側の開口端にフランジ部１１ｃが設けられる場合もあるが、フランジ部１１ｃ以外は一定の厚さを有する管状構造になっている。また、炉心管１１の外周面は、全体にわたって、断熱材１２によって覆われている。
【００１３】
炉心管１１には、断熱材１２を介して銅製のコイル導管１３が巻回されている。このコイル導管１３は、断面四角形の中空パイプ状になっており、その外周面は絶縁材によって被覆されている。更に、コイル導管１３の内部には、冷却水が通流されるようになっている。
【００１４】
炉心管１１は、ノンアスベスト等の耐熱材によって構成された外殻１４の中心部に、水平状態に架設されて、各端部がアルミナセメント１５によって、外殻１４に固定されている。
【００１５】
誘導加熱炉においては、コイル導管１３への通電による電磁誘導によって炉心管１１内部が加熱される。従って、誘導加熱炉入口側の炉心管１１開口部からプッシャー、ピンチローラー等によって炉心管１１内にビレット材２０を連続的に送り込むことにより、ビレット材２０が、各加熱ブロック１０の炉心管１１内を順番に通過し、順次加熱され、最後の加熱ブロック１０における炉心管１１内では、１２００℃程度の高温に加熱される。
【００１６】
本発明のセラミックチューブは、比熱、熱伝導率、見掛け気孔率、ヤング率の４特性が特定の範囲内にあるセラミックからなることを特徴とする。本発明のセラミックチューブは、炉心管材料として充分な熱特性を有し、耐食性、耐衝撃性も高いため、上述のような誘導加熱炉の炉心管として好適に用いることができる。また、本発明のセラミックチューブを炉心管として用いた誘導加熱炉は、加熱初期に不良が発生し難く、エネルギーのロスも少なくすることができる。以下、詳細に説明する。
【００１７】
本発明のセラミックチューブを構成するセラミックは以下に掲げる４つの特性を備えていることが必要である。
第１には、比熱が低いセラミック、具体的には比熱が２ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以下のセラミックであることが必要である。このようなセラミックは、炉心管の初期加熱が早めることができ、加熱初期に発生する不良を防止できるとともにエネルギーのロスを減少させることができるからである。
【００１８】
第２には、熱伝導率が高いセラミック、具体的には熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックであることが必要である。このようなセラミックはチューブ内で熱が拡散し易いため、加熱開始時やビレット入口側等の温度差がつきやすい部分におけるチューブのスポーリングによる破損を防止できるとともに、局部的なオーバーヒート状態を生じても速やかに均熱状態に戻ることからチューブ表面の劣化を防止することができるからである。
【００１９】
第３には、見掛け気孔率が低いセラミック、具体的には見掛け気孔率が２％以下のセラミックであることが必要である。このようなセラミックは、炉内雰囲気、或いはビレット材から発生するスラグ等が炉心管内部に浸透し難くなるため、高い耐食性を得ることができるからである。
【００２０】
第４には、ヤング率が高いセラミック、具体的にはヤング率が１５０ＧＮ／ｍ2以上のセラミックであることが必要である。ビレット材が炉心管内を通過する際には、炉心管に対して強い衝撃が加わるが、ヤング率が高いセラミックであれば高い耐衝撃性を得ることができるからである。
【００２１】
上述の通り、本発明のセラミックチューブを構成するセラミックは、上記の４特性を満たすセラミックである限りにおいて、従来用いていたＳｉＣに限定されない。一方、上記の４特性を満たさないものについては、たとえＳｉＣであっても本発明の効果を得ることができない。
以下、上記４特性を満たすセラミックの具体例を挙げる。
【００２２】
▲１▼Ｓｉ−ＳｉＣ
一般にＳｉ−ＳｉＣとは金属ＳｉとＳｉＣを構成成分として含む焼結体を総称するが、上記４特性を満たすＳｉ−ＳｉＣとしては、本出願人が特開平5-270917号公報で開示した、ＳｉＣ粉体、黒煙粉、有機質バインダー及び、水分又は有機溶剤を含有してなる成形用原料を成形し、当該成形体を金属Ｓｉ雰囲気で、かつ減圧の不活性ガス雰囲気又は真空中において、１３５０〜２５００℃で焼成する方法により製造してなるＳｉ−ＳｉＣ焼結体が挙げられる。
【００２３】
上記のＳｉ−ＳｉＣ中でも、金属Ｓｉ含有量が２〜３５重量％のＳｉ−ＳｉＣであることが好ましい。
金属Ｓｉが２重量％未満では見掛け気孔率が本発明の範囲より高くなったり、或いはヤング率が本発明の範囲より低下する場合があり、３５重量％超では比熱が本発明の範囲より大きくなるおそれがあるからである。
【００２４】
▲２▼Ｓｉ3Ｎ4
上記４特性を満たすＳｉ3Ｎ4としては、例えばＳｉ3Ｎ4原料粉末に、イットリア等の焼結助剤を添加混合して成形後、焼成して得られるＳｉ3Ｎ4焼結体が挙げられる。
【００２５】
以上説明したように、上記４特性を満たすセラミックで構成されたセラミックチューブは、炉心管材料として充分な熱特性を有し、耐食性、耐衝撃性も高いため、上述のような誘導加熱炉の炉心管として好適に用いることができる。また、本発明のセラミックチューブを炉心管として用いた誘導加熱炉は、加熱初期に不良が発生し難く、エネルギーのロスも少なくすることができる。
【００２６】
なお、本発明の誘導加熱炉は、上記４特性を満たすセラミックで構成されたセラミックチューブで炉心管を構成している限りにおいて、炉心管の構造は特に限定されない。即ち、本発明のセラミックチューブは、実公平2-4120号公報、実公昭62-13722号公報に開示されたような単管構造、特開平10-272534号公報に開示されたような二重管構造等、種々の形状の炉心管の材料として好適に用いることができる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明のセラミックチューブについて、種々の特性を有するセラミックからなるセラミックチューブを、図１に示す誘導加熱炉の炉心管とした実施例により更に詳細に説明する。
但し、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２８】
（１）セラミックチューブの材質
セラミックチューブの材質としては、ＳｉＣ（比較例１）、ムライト（比較例５）、Ｓｉ3Ｎ4結合ＳｉＣ（比較例４）、Ｓｉ3Ｎ4（実施例８）、Ｓｉ−ＳｉＣ（実施例１〜７、比較例２〜３）のいずれかを使用した。これらの材質を使用した場合の製造方法を以下に示す（ＳｉＣ（比較例１）を除く。）とともに、製造されたセラミックチューブ（以下、「評価試験体」という。）の特性評価結果を表１に示す。
【００２９】
▲１▼ムライト：最大粒径１５０μｍの骨材となるアンダルサイト６０重量％、微粉の粘土１５重量％及びアルミナ２５重量％からなる混合物１００重量％に対し、３０重量％の水を添加しポットミルで８時間混合後、更に０．５重量％のバインダを添加してスラリーを作製し、鋳込み成形により成形体を得た。
当該成形体は乾燥後、大気雰囲気下、１４５０℃で３時間焼成して評価試験体とした。
【００３０】
▲２▼Ｓｉ3Ｎ4結合ＳｉＣ：最大粒径１５０μｍの骨材となるＳｉＣ４５重量％、粒径４４μｍ以下の微粉のＳｉＣ４０重量％及び金属Ｓｉ１５重量％からなる混合物１００重量％に対し、２０重量％の水を添加しポットミルで８時間混合後、更に０．５重量％のバインダを添加してスラリーを作製し、鋳込み成形により成形体を得た。当該成形体は乾燥後、窒素雰囲気下、１４００℃で５時間焼成して評価試験体とした。
【００３１】
▲３▼Ｓｉ3Ｎ4：平均粒径１０μｍのＳｉ3Ｎ4９５重量％、焼結助剤のＹ2Ｏ3５重量％からなる混合物１００重量％に対し、３０重量％の水を添加しポットミルで８時間混合してスラリーを作製した。当該スラリーは鋳込み成形、ＣＩＰ処理を施すことにより成形体とし、窒素雰囲気下、１９００℃で焼成して評価試験体とした。
【００３２】
▲４▼Ｓｉ−ＳｉＣ：最大粒径１５０μｍの骨材となるＳｉＣ６５重量％、平均粒径１０μｍの微粉のＳｉＣ３０重量％からなる混合物９５重量％に対し、平均粒径１２μｍの黒鉛粉、有機バインダ、平均粒径５００μｍの増孔材、水を添加し混合した後、鋳込み成形により成形体を得た。
当該成形体は乾燥後、金属Ｓｉ雰囲気で、かつ、真空中において、１６５０℃で焼成することにより金属Ｓｉを含浸させ、評価試験体とした。なお、金属Ｓｉ含有量は金属Ｓｉ、黒鉛粉、増孔剤の添加量により制御した。
【００３３】
【表１】
0003943282.tif 000002
【００３４】
（２）炉心管構造
実施例、比較例においては、前記の評価試験体を図２に示す構造の炉心管に構成した。炉心管１１は、内部管体１１ｂと外部管体１１ａとからなる二重管構造とした。内部管体１１ｂは断面六角形の筒状体を二等分した形状の下部半体と、断面正十二角形の筒状体を二等分した形状の上部半体とを当接してなる長さ７００ｍｍの中空管状に構成した。
【００３５】
上部半体の厚さは４ｍｍ、下部半体の厚さは６ｍｍとし、下部半体よりも上部半体を薄く構成した。
外部管体１１ａは外径１２０ｍｍ、内径１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの中空円筒状に構成した。
【００３６】
（３）評価方法
初期加熱効率については、実施例、比較例の炉心管を図１の誘導加熱炉に配設し、常温から運転温度の１２５０℃まで昇温する際に、ビレット材−炉心管接触部Ａ点が運転温度に達するまでの時間ｔ1（秒）と、前記Ａ点が運転温度に達した後、前記Ａ点、上部管体と下部管体との接触部Ｂ点、上部管体最上部Ｃ点の温度差Δｔが５℃以内となるまでの時間ｔ2（秒）とによって評価した。
【００３７】
耐食性については、５０ｍｍ角×厚さ１０ｍｍのテストピース上に１ｇのスラグを載せた状態で、１２５０℃で５０時間保持した後、図３に示す如くスラグ載置面を厚さ方向に切断し、侵食層とスラグ浸透層の厚みを測定することにより評価した。
【００３８】
耐衝撃性については、衝撃試験器を用いて、縦１４０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ６ｍｍのテストピースに対してビレット材通過時の衝撃の１０倍の衝撃を加え、テストピースが破壊されるまでの回数を測定することにより評価した。
【００３９】
（４）評価結果
▲１▼初期加熱効率
セラミックチューブの比熱と、ビレット材−炉心管接触部Ａ点が運転温度に達するまでの時間ｔ1（秒）との相関について検証した。その結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
表２に示すように、比熱が本発明の範囲外である比較例３〜比較例５はｔ1が４２０秒以上かかったのに対し、比熱が２ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以下である、実施例１〜実施例８についてはｔ1が３６０秒以下に短縮され、初期加熱を早めることができた。即ち、加熱初期に発生する不良の防止、エネルギーロスの減少を期待できる。
【００４２】
次に、セラミックチューブの熱伝導率と、ビレット材−炉心管接触部Ａ点が運転温度に達した後、前記Ａ点、上部管体と下部管体との接触部Ｂ点、上部管体最上部Ｃ点の温度差Δｔが５℃以内となるまでの時間ｔ2（秒）との相関について検証した。その結果を表２に示す。
【００４３】
表２に示すように、熱伝導率が本発明の範囲外である比較例４〜比較例５はｔ2が７０秒以上かかったのに対し、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、実施例１〜実施例８についてはｔ2が６５秒以下に短縮された。
即ち、ビレット材等の被加熱体と非接触の部分の加熱速度、及び加熱初期の炉心管からの熱放射率を高めることが期待できる。
【００４４】
▲２▼耐食性
セラミックチューブの見掛け気孔率と、耐食性との相関について検証した。
その結果を表２に示す。
【００４５】
表２に示すように、見掛け気孔率が本発明の範囲外である比較例１，比較例２，比較例５はスラグによる侵食が認められ、侵食層も含めるとテストピース厚みの１．８ｍｍ以上までスラグが浸透した。
【００４６】
一方、見掛け気孔率が２％以下である、実施例１〜実施例８についてはスラグによる侵食は殆ど認められず、スラグの浸透も最大でも０．５ｍｍに止まり、高い耐食性が確認された。特に見掛け気孔率が０％のＳｉ−ＳｉＣについては、極めて高い耐食性が確認された。
【００４７】
▲３▼耐衝撃性
セラミックチューブのヤング率と、耐衝撃性との相関について検証した。
その結果を表４に示す。
【００４８】
表２に示すように、ヤング率が本発明の範囲外である比較例１，比較例２，比較例４，比較例５は衝撃を加える回数が１００回未満でもテストピースが破損したのに対し、ヤング率が１５０ＧＮ／ｍ2以上である、実施例１〜実施例８については３５０回以上衝撃を加えてもテストピースは破壊されず、高い耐衝撃性が確認された。即ち、ビレット材が炉心管内を通過する際に強い衝撃が加わっても破損することがない炉心管を構成することが期待できる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明のセラミックチューブは、炉心管材料として充分な熱特性を有し、耐食性、耐衝撃性も高いため、誘導加熱炉の炉心管として好適に用いることができる。
また、本発明のセラミックチューブを炉心管として用いた誘導加熱炉は、加熱初期に不良が発生し難く、エネルギーのロスも少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  誘導加熱炉の一の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】  炉心管の一の実施形態を示す横断面図である。
【図３】  耐食性試験の方法を示す概略説明図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。
【符号の説明】
１０…加熱ブロック、１１…炉心管、１１ａ…外部管体、１１ｂ…内部管体、１１ｃ…フランジ部、１２…断熱材、１３…コイル導管、１４…外殻、２０…ビレット材、３０…テストピース、３１…スラグ、３２…侵食層、３３…浸透層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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