(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理物を所定の温度まで加熱し、所要の時間だけその温度に処理物の温度を保持した後、処理物を冷却する熱処理方法において、処理物を所定の温度まで加熱するプロセスが、処理物を真空中で自然落下させながら、その落下途中で処理物を周囲から加熱することを特徴とする自然落下式熱処理方法。
【請求項２】
処理物を所定の温度まで加熱し、所要の時間だけその温度に処理物の温度を保持した後、処理物を冷却する熱処理炉において、処理物を真空中で自然落下させながら、処理物をその周囲から加熱することにより、処理物を所定の温度まで加熱する昇温部（９）を有することを特徴とする自然落下式熱処理炉。
【請求項３】
処理物を所定の温度まで加熱し、所要の時間だけその温度に処理物の温度を保持した後、処理物を冷却する熱処理炉において、処理物を収納し、送り出す処理物投入部（４）と、この処理物投入部（４）から毎時一定量の処理物を真空中で落下させる処理物排出部（８）と、この処理室排出部（８）から落下した処理物を真空中で落下させながらこの落下する処理物をその周囲から加熱する昇温部（９）と、この昇温部（９）で昇温した処理物を搬送しながら、所要の時間加熱してその温度を維持する温度保持部（１７）と、この温度保持部（１７）から送られてきた処理物を冷却する冷却部（２０）とを有することを特徴とする自然落下式熱処理炉。
【請求項４】
処理物を所定の温度まで加熱する昇温部（９）が処理物を真空中で落下させる真空塔（１６）を有し、その真空塔（１６）内を落下する処理物をその周囲から加熱するヒータ（１２）を有することを特徴とする請求項２または３に記載の自然落下式熱処理炉。
【請求項５】
処理物を冷却する冷却部（２０）が処理物を搬送し、回収する樋状のシュート（２１）からなり、そのシュート（２１）がそれに沿って処理物を回収する過程で処理物を冷却するよう温度勾配を有することを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の自然落下式熱処理炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、処理物を所定の温度まで加熱し、所要の時間だけその温度に処理物の温度を保持した後、処理物を冷却する熱処理方法とそれを実施するための熱処理炉に関し、特に粉粒体や鱗片状のものを熱処理するのに好適な自然落下式熱処理方法とそれを実施するための熱処理炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱処理は、その目的によって熱の加え方が異なるが、一般的には図６に示すような処理プロセスがとられる。まず、処理物を時間ｔ１で所定の温度Ｔmax まで加熱し、その後この温度Ｔmax の温度を時間ｔ２だけ保持した後、処理物を時間ｔ３の時間で冷却し、常温に戻す。処理物の種類は熱処理の目的によっては、前記のような熱処理時の時間ｔ１〜ｔ３や温度Ｔmax について厳格な条件が求められる場合がある。
【０００３】
粉粒体や鱗片状のものを熱処理する場合、従来では一般に、トンネル炉や縦型炉が使用され、コンベアや昇降機構等を使用して処理物を搬送しながら、前述のような熱処理プロセスを行うことが多い。すなわち、処理物が通過する経路の温度に前述のような温度条件を設定しておき、処理物がそこを通過する過程で、加熱、温度保持及び冷却が順次行われるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとしている課題】
熱処理の目的によっては、加熱物を急速に数百度の温度まで加熱する必要があり、その場合も温度勾配や加熱温度Ｔmax は一定でなければならない。
しかしながら、前述したような従来のトンネル炉や縦型炉では、処理物を搬送するコンベアや昇降台等の熱容量が大きいため、急峻な温度勾配をとることができず、加熱物を急速に数百度の温度まで加熱するような熱処理には適さないという課題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の熱処理炉における課題に鑑み、特に粉流体や鱗片状の処理物を急速に、且つ一定の時間で所要の温度にまでむらなく均一に加熱し、熱処理することが可能な自然落下式熱処理方法と熱処理炉を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記の目的を達成するため、処理物に空気抵抗を与えずに自由落下させながら、その落下中の処理物をその周囲から加熱することより、処理物を落下中に所定温度まで加熱するようにした。そのために、処理物を真空中で自由落下させると同時に、落下中の処理物の周囲に配置した円筒状のヒータによって処理物を輻射加熱し、急速加熱するようにしたものである。
【０００７】
すなわち、本発明による自然落下式熱処理方法は、処理物を所定の温度まで加熱し、所要の時間だけその温度に処理物の温度を保持した後、処理物を冷却するものであって、処理物を所定の温度まで加熱するプロセスが、処理物を真空中で自然落下させながら、その落下途中で処理物を周囲から加熱するものである。
【０００８】
さらに、このような自然落下式熱処理方法を実施するための熱処理炉は、処理物を真空中で自然落下させながら、処理物をその周囲から加熱することにより、処理物を所定の温度まで加熱する昇温部９を有する。
より具体的には、処理物を収納し、送り出す処理物投入部４と、この処理物投入部４から毎時一定量の処理物を真空中で落下させる処理物排出部８と、この処理物排出部８から落下した処理物を真空中で落下させながらこの落下する処理物をその周囲から加熱する昇温部９と、この昇温部９で昇温した処理物を搬送しながら、所要の時間加熱してその温度を維持する温度保持部１７と、この温度保持部１７から送られてきた処理物を冷却する冷却部２０とを有する。
【０００９】
ここで、処理物を所定の温度まで加熱する昇温部９が処理物を真空中で落下させる真空塔１６を有し、その真空塔１６内を落下する処理物をその周囲から加熱するヒータ１２を有する。また、処理物を冷却する冷却部２０が処理物を搬送し、回収する樋状のシュート２１からなり、そのシュート２１がそれに沿って処理物を回収する過程で処理物を冷却するよう温度勾配を有するものである。
【００１０】
このような自然落下式熱処理方法と熱処理炉では、処理物が昇温部９において真空中で自然落下するため、処理物は空気の抵抗を受けずに落下する。そのため、処理物の形状、大きさ、密度、重量等に係わらず、処理物は重力の加速度ｇ（ｍ／sec2）の速度で落下する。従って、処理物が必要な温度に加熱されるための発熱量と加熱時間をシュミレーションや実験により求めておき、その加熱時間に相当する高さ分だけ加熱するようにヒータ１２を配置しておけば、処理物が落下する間にそれを所要の温度に加熱することができる。そして、処理物は何にも接していない状態で真空中を落下する間にその周囲から輻射熱により加熱されるため、短時間にしかも均一に所定の温度まで加熱することが可能となる。
【００１１】
このようにして昇温部９で昇温した処理物は、温度保持部１７において搬送されながら、その温度が維持される。その後、処理物が温度保持部１７から冷却部２０に送られ、処理物が冷却されて熱処理を完了する。
このようにして、処理物を短時間に、且つ一定の時間加熱した状態で昇温することができるので、急峻な温度勾配を必要とする熱処理に最適となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１に本発明の一実施形態による自然落下式熱処理炉の全体が示され、図２〜図４にそれらの各部分が拡大して示されている。
【００１３】
この自然落下式熱処理炉は、最上段が処理物投入部４となっており、以下、その下に処理物排出部８、昇温部９、温度保持部１７、冷却部２０及び回収部２４とを有する。処理物投入部４の下段部から、装置の下段にある回収部２４の上段部分までの間は、全体が一連の真空チャンバとなっている。
【００１４】
図１と図２に示すように、処理物投入部４の最上段にはホッパ状の処理物投入容器１となっており、この処理物投入容器１の上端開口部は蓋２により気密に閉じられるようになっている。この蓋２を開いて処理物投入容器４に粉粒体或いは鱗片状の処理物が投入される。
【００１５】
この処理物投入容器１の下端側は細くなっていると共に、下端は処理物を排出する排出口となっている。この処理物投入容器１の排出口はシャッタ３により開閉される。
このシャッタ３により開閉される処理物投入容器１の排出口の下には、もう一つの排出ホッパ６が配置され、その下はゲートバルブ５で閉じられた真空チャンバの最上段にある処理物排出部８となっている。この処理物排出部８の最上段には、やはりホッパ状の処理物リザーバ７が配置されている。
【００１６】
処理物投入部４のこのような構成から、処理物投入容器１の蓋２を取り、処理物投入容器１の上端を開いた状態でそこに所定の量の処理物を投入する。蓋２を閉じた状態で、処理物投入部４を別経路の真空ポンプで排気した後、シャッタ３により処理物投入容器１の排出口を開くと共に、ゲートバルブ５を開くことにより、処理物投入容器４内の処理物が真空状態の処理物排出部８の上段にある処理物リザーバ７内に供給される。
【００１７】
処理物リザーバ７の下端側は、細くなっており、その下端が処理物の排出口となっている。
この処理物リザーバ７の下端の排出口の直下には、その排出口の中心から僅かにずれて処理物排出ドラム１５が設けられている。この処理物排出ドラム１５は、図１と図２に矢印で示す方向に一定の速度で回転する。この、処理物排出ドラム１５の周面は処理物リザーバ７の下端の排出口にほぼ接しており、処理物排出ドラム１５の回転によって毎時定量の処理物が処理物リザーバ７の下端の排出口から送り出され、その下の昇温部９へ送られる。図示はしていないが、処理物排出ドラム１５の周面には円周方向に規則正しい凹凸を有した歯状となっており。この歯状の凹凸により処理物が排出される。
【００１８】
図１と図２に示すように、昇温部９の上端は、前記の処理物排出ドラム１５から排出され、落下する処理物を受けて一定の個所から落下させるためのホッパ状の落下軌道規制筒１０となっている。この落下軌道規制筒１０はその全体が漏斗状であるが、その下端は径の細い円筒形の排出筒部となっており、処理物はこれにそって昇温部９内の落下を開始する。
【００１９】
図１と図３に示すように、落下軌道規制筒１０から昇温部９を落下する経路を囲むように円筒形の落下筒１３が垂直に立設されている。この落下筒１３は、熱的、化学的に安定した材料のものを使用し、例えば黒鉛製のものを使用する。
さらに、この落下筒１３の周囲には、円筒形に連ねたヒータ１２を配置している。このヒータ１２もまた、熱的、化学的に安定した材料のものを使用し、例えば黒鉛製のものやタングステンメッシュ状のものを使用する。
【００２０】
このヒータ１２と真空チャンバの昇温部９の部分の外筒１６との間には、断熱材１１が充填されている。この断熱材１１もまた、熱的、化学的に安定した材料のものを使用し、例えば黒鉛ファイバ製のもの、または、モリブンやタンタル箔を積層したリフレクターなるものを使用する。
ヒータ１２で囲まれた落下筒１３の内部はそのヒータ１２で高温に加熱されており、この部分を処理物が落下する時、処理物が加熱され、昇温される。この落下筒１３を含む昇温部９は後述する真空ポンプ２９によって排気され、真空となっているため、処理物は空気抵抗を受けず、落下筒１３の中を自然落下する。そのため、処理物は正確に重力の加速度ｇで落下する。図６に示すように、このヒータ１２が有る間の部分を処理する時間ｔ１の間に処理物が必要な温度Ｔmax に昇温されるように、ヒータ１２の図１に示す高さｈと発熱量を決定すればよいことになる。
【００２１】
仮に、シュミレーションや実験等により、ヒータ１２で１２００℃に加熱された雰囲気中で或る処理物をＴmax ＝７００℃まで加熱するのにｔ１＝０．４０４秒かかることが分かった。この場合、処理物をこの温度に加熱するのにヒータ１２の高さはｈ＝１／２・ｇ（ｔ１）2＝８００ｍｍあれば良いことになる。
【００２２】
図１、図３、図４に示すように、処理物が落下筒１３を落下し、その下端から出た先は温度保持部となっている。すなわち、落下筒１３の下端の真下に、円筒形の回転ドラム１８が設けられている。この回転ドラム１８は、熱的、化学的に安定しており、熱処理温度条件下で処理物と反応しないもので作る必要があり、例えば黒鉛製のものが使用される。この回転ドラム１８の周面は幅方向に長い凹状の溝が一定の間隔で設けられ、落下筒１３から落下してくる処理物をこの溝で受ける。また、この回転ドラム１８は図示していない回転機構により、矢印で示す方向に一定の速度で回転する。
【００２３】
この回転ドラム１８の内側には、回転ドラム１８を加熱する円筒形のヒータ２３が回転ドラム１８と同心状に配置されている。このヒータ２３もまた、熱的、化学的に安定した材料で作られており、例えば黒鉛製のものが使用される。さらに、回転ドラム１８の周りは、リフレクタ１９によって囲まれ、ヒータ２３からの輻射熱が外に逃げないようになっている。
【００２４】
前記のヒータ２３によって回転ドラム１８が加熱され、その周面に乗った処理物が図６に示すTmax の温度に保持される。そして、この回転ドラム１８に乗った処理物が回転ドラム１８の回転により徐々に移動し、処理物が回転ドラム１８の最上部から図４において右９０゜の位置まで回転して来たとき、処理物が回転ドラム１８から落とされ、次の冷却部２０に送られる。この間の時間は、図６の時間ｔ２となるように回転ドラム１８の回転速度が設計或いは調整される。
【００２５】
冷却部２０は、樋状のシュート２１を有している。この樋状のシュート２１の図４において右端側は、真空チャンバの底面に取り付けられた支持部材３２の上辺側に水平に設けられたガイド溝にスライド自在に支持されている。また、このシュート２１の中央部は、真空チャンバの底壁の外側からベローズまたはゴム筒等のフレッキシブル管３１を介して連結された直線導入機３０のプランジャが回転自在に連結されている。この直線導入機３０により、図４に二点鎖線で示すように水平な姿勢から、図４に実線で示すように、同図において左端から右端側にかけて次第に低くなるような勾配を形成するような姿勢に変えられる。また、直線導入機３０の先端に図示しない振動発生器（バイブレータ）を取り付けると、処理物をシュート２１上に沿って速やかに滑らすこともできる。
【００２６】
この樋状のシュート２１の底面であって、右端側にシュート２１を冷却する冷却パイプ２２が設けられている。これにより、シュート２１の図４において右端部側が冷却される一方で、シュート２１の図４において左端部側は、ヒータ２３の輻射熱で加熱されるため、シュート２１には、図４において左端部側から右端部側にいくに従って次第に温度が低くなるような温度勾配が形成される。図４に温度Ｔとシュート２１の図４において左端部側から右端部側に向かった位置ｘとのＴ−ｘ座標系を模式的に示すと、図５の通りである。
【００２７】
前述した回転ドラム１８の回転により、その周面の溝から落ちた処理物は、シュート２１の左端側で受けられ、直線導入機３０により設定された勾配に従ってシュート２１の右端側へと送られる。この間、シュート２１の図５に示した温度勾配より処理物が冷却され、次の回収部２４へと送られる。この間の冷却時間は、図６に示す冷却時間ｔ３となるようシュート２１の勾配が決定される。
【００２８】
直線導入機３０によりシュート２１に与えられた勾配に沿って最も低い図４において右端の下に、回収部２４のホッパ２５が設けられている。このホッパ２５の下には、真空チャンバを開閉するゲートバルブ２６が設けられ、このゲートバルブ２６に処理物回収容器を装着する回収チャンバ２７が設けられている。前述のようにしてシュート２１の勾配に沿って冷却されながら落下してきた処理物は、そのシュート２１の終端である図４において右端からホッパ２５に落ちる。このホッパ２５で受けられた処理物は、ゲートバルブ２６を開くことにより、回収チャンバ２７内の処理物回収容器に収納され、処理物が同容器に回収される。
【００２９】
図１に示すように、前記の回転ドラム１８を有する温度保持部１７とシュート２１を有する冷却部２０が収納された真空チャンバの下部の部分に、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプ２９が接続され、真空チャンバ全体が排気され、高真空雰囲気に維持される。
【００３０】
このような構成からなる自然落下式熱処理炉では、処理物投入部４の処理物投入容器１に投入された粉粒体或いは鱗片状の処理物がゲートバルブ５を通って真空チャンバ内に落ちる。そして、処理物排出部８の処理物排出ドラム１５の回転により毎時定量の処理物が昇温部９へ送られる。この処理物は、昇温部９においてヒータ１２の中を真空中で自然落下しながら加熱され、時間ｔ１の間に処理物が必要な温度Ｔmax に昇温される。その後、この処理物は回転ドラム１８の周面に乗り、Tmax の温度に時間ｔ２だけ保持され、その後、冷却部２０の樋状のシュート２１に沿って落下する。処理物がこの樋状のシュート２１を滑り落ちる過程で、シュート２１の温度勾配により、処理物が時間ｔ３でＴmax の温度から常温まで冷却され、回収部２４のホッパ２５を介して処理物が回収チャンバ２７内の処理物回収容器に収納され、回収される。
【００３１】
次に、本発明の具体的な実施例について、数値をあげて以下に説明する。
処理物投入容器１の収納容積は２００ｍｌとした。落下筒１３の内径はφ６０ｍｍ、高さは８２０ｍｍとし、その外側のヒータ１２には、三相２００Ｖ電源に三相結線したグラファイトヒータを使用し、その外側の断熱材は厚さ８０ｍｍのものを使用した。処理物排出ドラム１５には、φ６０ｍｍ、歯数３０の歯車を使用し、その下の回転ドラム１８には、φ２００ｍｍ、歯数３０、歯の深さ２０ｍｍの歯車を使用した。
【００３２】
ヒータ１２に３．２ＫＷの電力を供給し、発熱させて、落下筒１３を１１８０℃の温度に加熱した。また、ドラム１８のヒータ２３には、２．３ＫＷの電力を供給し、そのドラム１８の温度を７００℃に加熱した。
この状態で、試験用サンプルとして、幅１ｍｍ、長さ３ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍのアルミ箔片の表面に黒鉛をコーティングし、約５０％の輻射率としたものを処理物投入容器１に入れ、処理物排出部８を通して落下筒１３の中を自然落下させた。
【００３３】
このとき、処理物排出ドラム１５の回転数を１〜１０ｒｐｍの範囲で調整した。また、回転ドラム１８の回転数は、１〜１０ｒｐｍの範囲で調整した。
試験用サンプルであるアルミ箔片は、落下筒１３を落下する途中で溶解し、粒となって落下し、回転ドラム１８の上で線香花火のように飛び散るのが冷却部２０真空チャンバのビューポートを通して確認された。アルミニウムの融点は約６６０℃であり、アルミ箔片が高さ８２０ｍｍの落下筒１３を落下する過程で、少なくとも７００℃以上の温度に加熱されたことが確認される。従って、融点が１２００℃以上である鉄片等の熱処理はこの自然落下式熱処理方法と熱処理炉で行えることが分かる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明による自然落下式熱処理方法と熱処理炉では、粉粒体或いは鱗片状の処理物が真空中を自然落下しなからその周囲から加熱されるため、処理物を短時間に所定の温度に容易に加熱することができると共に、処理物の加熱むらがなく、均一に加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による自然落下式熱処理炉を示す概略縦断側面図である。
【図２】同実施形態による自然落下式熱処理炉の処理物投入部から処理物排出部と昇温部の上部を示す要部拡大縦断側面図である。
【図３】同実施形態による自然落下式熱処理炉の昇温部と温度保持部の一部を示す要部拡大縦断側面図である。
【図４】同実施形態による自然落下式熱処理炉の昇温部と温度保持部のから冷却部を経て回収部に至る部分を示す要部拡大縦断側面図である。
【図５】同実施形態による自然落下式熱処理炉の冷却部のシュートの温度勾配の例を示すグラフである。
【図６】同実施形態による自然落下式熱処理炉で実施される処理物の熱処理における温度プロセスを示すグラフである。
【符号の説明】
４    処理物投入部
８    処理物排出部
９    昇温部
１２  ヒータ
１６  真空塔
１７  温度保持部
２０  冷却部
２１  シュート
２４  回収部
【図１】
0003795791.tif 000002
【図２】
0003795791.tif 000003
【図３】
0003795791.tif 000004
【図４】
0003795791.tif 000005
【図５】
0003795791.tif 000006
【図６】
0003795791.tif 000007