(57)【要約】      （修正有）【課題】炉内雰囲気のＯ2濃度を検出する酸素センサに生じたセンサ劣化などの異常を検出するカーボンポテンシャル算出装置を提供する。【解決手段】センサ部１０で検出するＯ2濃度の入力上限値を設定する設定部２０と、炉内雰囲気中のＯ2濃度を検出する複数の酸素センサ１１（第１酸素センサ１１ａ、第２酸素センサ１１ｂ）と、各酸素センサ１１ａ、１１ｂで検出したＯ2濃度の差分値である偏位差又は各酸素センサ１１ａ、１１ｂで検出したＯ2濃度から算出したＣＰ値の差分値である偏位差と記憶部５０に記憶される異常判定用閾値とを比較し、偏位差が異常判定用閾値を超えたときに酸素センサ１１が劣化有りと判断して異常信号を出力する判定部４０とを備えている。【選択図】図１
2016151517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理炉に設置されたセンサ部によって検出された炉内雰囲気中のＯ2 濃度、ＣＯ濃度、温度に基づき前記炉内雰囲気のカーボンポテンシャル（ＣＰ値）を算出するカーボンポテンシャル算出装置において、
前記炉内雰囲気を検出する酸素センサを２つ有するセンサ部と、
予め設定された固定値であるＣＯ濃度と、前記センサ部で検出したＯ2 濃度を用いてＣＰ値を算出する算出処理部と、
を備えたことを特徴とするカーボンポテンシャル算出装置。
【請求項２】
前記算出処理部は、前記各酸素センサで検出したＯ2 濃度に相当する電圧値の偏位差を算出する偏位差算出手段を有し、
前記偏位差算出手段で算出された偏位差が予め設定された異常判定用閾値を超えたときに異常と判定して異常信号を出力する判定部を備えたことを特徴とする請求項１記載のカーボンポテンシャル算出装置。
【請求項３】
前記算出処理部は、前記各酸素センサで検出した２つのＯ2 濃度に応じてそれぞれ算出したＣＰ値の偏位差を算出する偏位差算出手段を有し、
前記偏位差算出手段で算出した偏位差が予め設定された異常判定用閾値を超えたときに異常と判定して異常信号を出力する判定部を備えたことを特徴とする請求項１記載のカーボンポテンシャル算出装置。
【請求項４】
前記判定部から異常信号を入力すると、外部に警報出力を行う警報部を備えたことを特徴とする請求項２又は３記載のカーボンポテンシャル算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば浸炭炉や浸炭窒化炉などの熱処理炉内のＯ2 濃度に基づき炉内雰囲気のカーボンポテンシャル（ＣＰ値）を算出するカーボンポテンシャル算出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、調質処理を施した鋼材は、強度と靱性との組合せの点で著しく優れているが、耐摩耗性は浸炭焼入れ処理したものに比較して劣り、また繰返し応力による疲労破壊が問題となる部品では疲労亀裂が表面近傍から生ずる関係上、表面における強度が重要となる。そこで、このような観点から、通常、耐摩耗性や疲労破壊に対する強度が必要な品物に対する表面硬化処理として、ガス浸炭法が知られている。
【０００３】
ガス浸炭法とは、熱処理炉（連続式ガス浸炭炉或いはバッチ式ガス浸炭炉）内において、炭化水素系ガスと空気との混合ガスを原料として吸熱型変成ガス発生炉又は発熱型ガス変成炉を用いて変成することで得られる変成ガス（エンドサーミックガス）をキャリアガスとし、このキャリアガスと共に所定のカーボンポテンシャルを得るためのエンリッチガス（プロパンやブタンなどの炭化水素系ガス）を浸炭室内に供給して浸炭処理する方法であり、浸炭室内雰囲気を構成するガス成分の濃度若しくは分圧を測定することで間接的にカーボンポテンシャルを算出し、その結果を基にエンリッチガスの供給量を調節することにより浸炭の制御を行っている。
【０００４】
そして、熱処理炉内におけるエンリッチガスの適切な供給量制御を行うため、炉内雰囲気ガス中のＣＯ2 濃度をＣＯ2 センサで検出し、このＣＯ2 濃度を基にカーボンポテンシャル（Carbon Potential、以下、単に「ＣＰ値」という）を算出するカーボンポテンシャル算出装置が知られている（詳細は下記特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３９７３７９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の装置を含む従来のカーボンポテンシャル算出装置に使用されるＣＯ2 センサは、濃度検出方法として赤外線吸収法を利用しているため、ＣＯ2 濃度を検出するまでに時間を要するという問題がある。従って、ＣＰ値を算出する際に使用するＣＯ2 濃度は、検出直後から所定時間遅延した値となってしまうため、炉内雰囲気中のＣＰ値をリアルタイムに観測することができなかった。
【０００７】
また、ＣＯ2 センサは非常に高価であるため、例えば熱処理炉が連続式である場合、炉内における各処理ゾーン（予熱ゾーン、浸炭ゾーン、拡散ゾーン、降温・保持ゾーン、焼入ゾーン）に赤外線検出部を設置し、各赤外線検出部からの入力電圧をその都度切り替えて検出処理をしているため、炉内雰囲気中で検出したＣＯ2 濃度が知得されるまでの時間がさらに遅延してしまうという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、測定対象となる熱処理炉内のＣＰ値をリアルタイムに近い状態で算出することのできるカーボンポテンシャル算出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した目的を達成するために、請求項１記載のカーボンポテンシャル算出装置は、熱処理炉に設置されたセンサ部によって検出された炉内雰囲気中のＯ2 濃度、ＣＯ濃度、温度に基づき前記炉内雰囲気のカーボンポテンシャル（ＣＰ値）を算出するカーボンポテンシャル算出装置において、
前記炉内雰囲気を検出する酸素センサを２つ有するセンサ部と、
予め設定された固定値であるＣＯ濃度と、前記センサ部で検出したＯ2 濃度を用いてＣＰ値を算出する算出処理部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載のカーボンポテンシャル算出装置は、請求項１記載のカーボンポテンシャル算出装置において、
前記算出処理部は、前記各酸素センサで検出したＯ2 濃度に相当する電圧値の偏位差を算出する偏位差算出手段を有し、
前記偏位差算出手段で算出された偏位差が予め設定された異常判定用閾値を超えたときに異常と判定して異常信号を出力する判定部を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載のカーボンポテンシャル算出装置は、請求項１記載のカーボンポテンシャル算出装置において、
前記算出処理部は、前記各酸素センサで検出した２つのＯ2 濃度に応じてそれぞれ算出したＣＰ値の偏位差を算出する偏位差算出手段を有し、
前記偏位差算出手段で算出した偏位差が予め設定された異常判定用閾値を超えたときに異常と判定して異常信号を出力する判定部を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載のカーボンポテンシャル算出装置は、請求項２又は３記載のカーボンポテンシャル算出装置において、前記判定部から異常信号を入力すると、外部に警報出力を行う警報部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のカーボンポテンシャル算出装置によれば、炉内雰囲気の状態を検出するセンサ部として具備される酸素センサはＣＯ2 センサと比べて炉内雰囲気中のガス濃度検出応答性に優れているため、炉内雰囲気中のＣＰ値を算出する際に、よりリアルタイムに近い値を知得することができる。また、各酸素センサで検出したＯ2 濃度を基に酸素センサの劣化の有無を検出することができるため、酸素センサに劣化が認められたときは即座にメンテナンスを実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るカーボンポテンシャル算出装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】同装置の前面パネルの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、この形態に基づいて当業者などによりなされる実施可能な他の形態、実施例及び運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。
【００１６】
本発明のカーボンポテンャル算出装置（以下、単に「ＣＰ値算出装置」という）は、測定対象である例えば浸炭炉や浸炭窒化炉などの熱処理炉における炉内雰囲気中のガス濃度や温度などの各種状態を検出して炉内雰囲気中のカーボンポテンシャル（ＣＰ値）を算出する装置であり、検出応答性に優れた酸素センサを複数備え、酸素センサで検出したＯ2 濃度からＣＰ値を算出するとともに、各酸素センサで検出したＯ2 濃度やこのＯ2 濃度から算出するＣＰ値の偏位差を利用して酸素センサの劣化の有無を判定している。
【００１７】
まず、本例のＣＰ値算出装置の構成について、図１、２を参照しながら説明する。図１又は図２に示すように、ＣＰ値算出装置１は、センサ部１０と、設定部２０と、算出処理部３０と、判定部４０と、記憶部５０と、表示部６０と、警報部７０とを備えて構成される。
【００１８】
センサ部１０は、測定対象となる熱処理炉１００における炉内雰囲気中のＯ2 濃度を電圧値（ｍＶ）で検出する複数の酸素センサ１１（本例では第１酸素センサ１１ａ、第２酸素センサ１１ｂの２つ）と、炉内雰囲気中の温度（℃）を検出する温度センサ１２（本例ではＫ熱電対、Ｒ熱電対、Ｓ熱電対の３種）を備え、各センサで検出したＯ2 濃度や温度値を算出処理部３０に出力している。
【００１９】
なお、図１中では、センサ部１０として温度センサ１２を１つ具備する構成としているが、酸素センサ１１毎に別途設けてもよい。また、図１中では、センサ部１０をＣＰ値算出装置１の構成要件として説明しているが、実際には装置と別体でありセンサ部１０の検出部分を熱処理炉１００の所定箇所に配置した状態でＣＰ値算出装置１との間で電気的に接続されている。
【００２０】
酸素センサ１１は、ＣＯ2 センサのように赤外線吸収法ではなくジルコニア固体電解質の酸素イオン電導性を利用しているためガス濃度検出時の応答性に優れており、例えば炉内雰囲気中のＯ2 濃度を取得するまでの時間が５秒程度である。これに対し、従来装置に使用されるＣＯ2 センサがＣＯ2 濃度を検出するまでの時間が約数分程度掛かることを鑑みると、本装置で取得されるＣＰ値は、従来装置と比してより濃度検出直後に近いＣＰ値の取得が可能となる。
【００２１】
設定部２０は、図２に示すように装置の前面パネルの所定箇所に複数設けられた各種操作キーで構成される。設定内容としては、表示部１３に表示する表示内容の切り替え、センサ部１０における酸素センサ１１の選択設定、使用するガスに応じて適宜決定されるＣＯ濃度（固定値）の入力設定など、ＣＰ値の算出処理に関する各種設定が行える。
【００２２】
算出処理部３０は、第１酸素センサ１１ａや第２酸素センサ１１ｂで検出したＯ2 濃度と設定部２０で設定されたＣＯ濃度と記憶部５０に記憶されるＣＰ値算出式を用いてＣＰ値を算出するＣＰ値算出手段３１と、センサ部１０から入力する第１酸素センサ１１ａ及び第２酸素センサ１１ｂからのＯ2 濃度（電圧値）の偏位差又は各酸素センサ１１ａ、１１ｂで検出したＯ2 濃度を基にＣＰ値算出手段３１で算出したＣＰ値の偏位差を算出する偏位差算出手段３２と、備えている。
【００２３】
ＣＰ値算出手段３１は、センサ部１０からの各種検出データ（炉内雰囲気中のＯ2 濃度、温度）と設定部２０で設定されたＣＯ濃度（固定値）に基づきＣＰ値の算出処理を行っている。
【００２４】
ここで、ＣＰ値の算出方法について説明する。なお、ＣＰ値算出処理に用いるＣＯ濃度は、熱処理炉１００で使用するガスの種類によって適宜適正な値が固定値として設定部２０から入力設定されるものとする。また、下記に示す各式中において、「ｔ」は温度センサ１２によって検出された炉内雰囲気中の温度（℃）であり、「ＣＯ」は設定部２０で設定された固定値であるＣＯ濃度（％）であり、「ＰＯ2 」は炉内雰囲気中のＯ2 濃度から算出される酸素分圧である。
【００２５】
まず、下記数１を用いてＡｓ１（オーステナイトの飽和炭素量）を算出し、下記数２を用いて測定されたＰＯ2 （酸素分圧）を算出する。次に、オーステナイトの飽和炭素量と温度との関係から回帰分析で得られた下記数３を用いてＡｓ２（オーステナイトの飽和炭素量）を算出する。
【００２６】
【数１】
2016151517.tif 000003
【００２７】
【数２】
2016151517.tif 000004
【００２８】
【数３】
2016151517.tif 000005
【００２９】
そして、上記数２、３で算出したＰＯ2 、Ａｓ２を用いて下記数４又は５よりＣＰ値を算出する。なお、数５を用いる場合は、ＣＯ濃度（ＣＯ）を上記数２で算出した酸素分圧の平方根（ＰＯ2 1/2 ）で除算したものにオーステナイトの飽和炭素量（Ａｓ２）を積算して得られる値（Ｌ）がＬ≧２．７６２２のときに用いる。
【００３０】
【数４】
2016151517.tif 000006
【００３１】
【数５】
2016151517.tif 000007
【００３２】
そして、本装置では、ＣＰ値を決定する方法として、下記決定処理１〜４の何れかの方法を採用することができる。なお、決定処理１、２は２つの酸素センサ１１のうち何れか一方のセンサを選択した場合の処理であり、決定処理３、４は酸素センサ１１ａ、１１ｂを両方利用する場合の処理であり、所望の決定処理方法を設定部２０から設定する。
（決定処理１）
２つの酸素センサ１１のうち何れか一方のセンサを選択し、選択した酸素センサ１１で検出したＯ2 濃度からＣＰ値を算出する方法。
（決定処理２）
２つの酸素センサ１１のうち何れか一方のセンサを選択し、選択した酸素センサ１１で検出したＯ2 濃度からＣＰ値を算出し、算出した最新のＣＰ値から所定回数前（例えば５回）までの過去データの平均値を真値のＣＰ値として利用する方法。
（決定処理３）
第１酸素センサ１１ａ及び第２酸素センサ１１ｂで測定した各Ｏ2 濃度に応じたＣＰ値を算出し、判定部４０による偏位差判定結果が正常範囲内であった場合に、２つのＣＰ値を平均化して得られた値を真値のＣＰ値として利用する方法。
（決定処理４）
第１酸素センサ１１ａ及び第２酸素センサ１１ｂで検出した各Ｏ2 濃度に応じて算出したＣＰ値のうち最新のＣＰ値から所定回数前（例えば５回）までの過去データの平均値をそれぞれ求め、得られた２つのＣＰ値をさらに平均化して得られた値を真値のＣＰ値として利用する方法。
【００３３】
偏位差算出手段３２は、第１酸素センサ１１ａ及び第２酸素センサ１１ｂで検出した各Ｏ2 濃度（電圧値）の偏位差を算出して判定部４０に出力する。また、偏位差算出手段３２は、センサ部１０の各センサで検出したＯ2 濃度に基づきＣＰ値算出手段３１で算出されたＣＰ値の偏位差を算出して判定部４０に出力する。なお、偏位差算出手段３２は、第１酸素センサ１１ａ及び第２酸素センサ１１ｂでそれぞれ検出したＯ2 濃度（電圧値）の差分値の絶対値又は２つのＯ2 濃度から算出されたＣＰ値の差分値の絶対値を「偏位差」としている。
【００３４】
なお、本例の偏位差算出手段３２は、上記２種類の偏位差算出処理（すなわち、Ｏ2 濃度（電位差）の偏位を算出する処理又はＣＰ値の偏位差を算出する処理）を行うための機能を備え、ユーザが設定部２０から任意に処理方法を選択して実行する構成とするが、何れか一方の処理機能のみを備える構成としてもよい。
【００３５】
判定部４０は、偏位差算出手段３２で算出された偏位差と、記憶部５０に記憶される異常判定用閾値とを比較し、偏位差が異常判定用閾値を超えている場合に酸素センサ１１のうち何れか一方のセンサに劣化が生じていると判断して警報部７０に異常信号を出力する。
【００３６】
判定部４０の判定処理内容について詳述すると、偏位差算出手段３２で算出された偏位差と、記憶部５０に記憶される異常判定用閾値と比較して偏位差が異常判定用閾値を超えたか否かを判定する。このとき、偏位差が異常判定用閾値を超えたときは、第１酸素センサ１１ａ又は第２酸素センサ１１ｂのうち何れか一方又は両方のセンサが劣化して正確なＯ2 濃度を検出できないと判断し、酸素センサ１１の劣化をユーザに通知するため、警報部７０に異常信号を出力する。一方、偏位差が異常判定用閾値を超えていないときは、酸素センサ１１の劣化が認められないと判断して異常信号は出力しない。
【００３７】
このように、判定部４０は、酸素センサ１１の劣化有無判定機能として、各酸素センサ１１ａ、１１ｂで検出したＯ2 濃度（電圧値）を直接比較して得られる偏位差又は各酸素センサ１１ａ、１１ｂで検出したＯ2 濃度に基づき算出したＣＰ値を比較して得られる偏位差を予め設定した異常判定用閾値と比較し、偏位差が異常判定用閾値を超えたか否かにより酸素センサ１１の劣化の有無を判断することができる。また、酸素センサ１１を複数備えているため、上述したＣＰ値の決定方法に利用すれば、より精度の高いＣＰ値を知得することができる。
【００３８】
記憶部５０は、各種記憶装置で構成され、判定部４０で異常判定用に使用する異常判定用閾値の他、ＣＰ値算出装置１を構成する各部を駆動制御するのに必要な駆動制御プログラムを記憶する。また、上述したＣＰ値の決定処理の仕様によっては、記憶部５０に酸素センサ１１で検出したＯ2 濃度の過去データ（所定回数分）や算出したＣＰ値の過去データ（所定回数分）を記憶するようにしてもよい。
【００３９】
表示部６０は、図２に示すように、数値又は文字を複数の７セグメント表示による発光表示機器とＬＥＤ（light emitting diode）などの各種表示機器で構成している。なお、表示部６０の構成として、図２に示す構成の他、例えば液晶ディスプレイ（liquid crystal display）、無機又は有機ＥＬディスプレイ、など）で構成してもよい。表示部６０は、設定部２０からの各種設定時や警報部７０からの警報出力などに応じて点灯／点滅を行う。また、表示部６０は、算出処理部３０で算出されたＯ2 濃度に基づくＣＰ値の表示や、センサ部１０で検出されたＯ2 濃度や温度などを設定部２０による設定内容に応じた形式で表示する。
【００４０】
警報部７０は、例えばブザーなどの鳴動装置やＬＥＤなどの表示装置で構成され、判定部４０からの異常信号を入力すると、外部に異常を通知するための警報出力（鳴動や点灯／点滅など）を行う。また、警報部７０は、熱処理炉１００を管理する管理業者が炉の運転状況を監視する際に使用するＰＣ（personal computer ）でもよい。
【００４１】
そして、上述したＣＰ値算出装置１では、酸素センサ１１で検出した熱処理炉１００における炉内雰囲気のＯ2 濃度と、温度センサ１２で検出した炉内雰囲気中の温度と、設定部２０で設定したＣＯ濃度とを基にして算出処理部３０にてＣＰ値を算出する。
【００４２】
また、酸素センサ１１の劣化の有無を判断する場合は、第１酸素センサ１１ａ及び第２酸素センサ１１ｂで検出したＯ2 濃度（電圧値）の偏位差又は検出したＯ2 濃度を基に算出したＣＰ値の偏位差と、記憶部５０に記憶される異常判定用閾値とを比較する。そして、偏位差が異常判定用閾値を超えたときに酸素センサ１１の何れかに劣化があると判断し、異常信号を警報部７０に出力して異常有りの外部通知をする。
【００４３】
以上説明したように、上述したＣＰ値算出装置１は、従来装置で用いたＣＯ2 センサよりもガス濃度検出応答性に優れた複数の酸素センサ１１（第１酸素センサ１１ａ、第２酸素センサ１１ｂ）を備え、また各酸素センサ１１ａ、１１ｂで検出したＯ2 濃度の差分値である偏位差又は各酸素センサ１１ａ、１１ｂで検出したＯ2 濃度から算出したＣＰ値の差分値である偏位差と記憶部５０に記憶される異常判定用閾値とを比較し、偏位差が異常判定用閾値を超えたときに酸素センサ１１が劣化有りと判断して異常信号を警報部７０に出力する判定部４０を備えている。
【００４４】
これにより、複数具備する酸素センサ１１の劣化の有無を検出することができるため、仮に劣化有りと判定されたときは即座にメンテナンスを実施することができる。また、酸素センサ１１は、ＣＯ2 センサと比べて炉内雰囲気中のガス濃度検出応答性に優れているため、熱処理炉１００が連続式浸炭炉のような場合であっても炉内雰囲気中のＣＰ値を算出する際によりリアルタイムに近い値を知得することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…カーボンポテンシャル算出装置（ＣＰ値算出装置）
１０…センサ部
１１…酸素センサ（１１ａ…第１酸素センサ、１１ｂ…第２酸素センサ）
１２…温度センサ
２０…設定部
３０…算出処理部
３１…ＣＰ値算出手段
３２…偏位差算出手段
４０…判定部
５０…記憶部
６０…表示部
７０…警報部
１００…熱処理炉
【図１】
2016151517.tif 000008
【図２】
2016151517.tif 000009